УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЛАЗЕРНОЙ ЗАКАЛКИ МАТЕРИАЛА

Предлагаемое устройство относится к машиностроению, а именно к оборудованию для лазерной термической обработки материала и может быть использовано в установках для лазерной закалки материала.
Известно устройство по способу лазерной резки (патент РФ №2288084 кл. B23K 26/38, B23K 26/42, 2006), содержащее источник лазерного излучения, зеркало, резак, платформу с зажимами для заготовки, снабженную резьбовыми направляющими и установленную на координатном столе, который управляется системой (ЧПУ, связанной через программный модуль с источником лазерного излучения и с информационно-вычислительной системой.
Недостатком устройства является невозможность контроля основных параметров технологического процесса лазерной обработки материала, а именно температурных распределений по поверхности материала и по глубине, необходимых для определения глубины упрочненного поверхностного слоя.
Известно устройство управления закалкой концентрированным потоком энергии (патент США №4825035 кл. B23K 26/00, 1989), содержащее многоэлементный матричный приемник инфракрасного излучения, преобразователь сигналов для получения двухмерного массива данных о поверхностном распределении температуры в зоне обработки, и вычислительное устройство, связанное с блоками управления скоростью обработки и мощностью излучения, для вычисления глубины упрочненного поверхностного слоя.
Недостатком устройства является сравнительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью обработки больших объемов информации вследствие применения матричного приемника инфракрасного излучения, что затрудняет применение устройства в режиме реального времени, а также высокий уровень шумов, обусловленный неравномерностью чувствительности отдельных элементов матричного приемника (Сергунов, А.А. Методы коррекции неравномерности чувствительности инфракрасных матричных фотоприемников // Известия ВУЗов - Приборостроение, 2009, Т.52, №8, с.38-41.).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для контроля процесса лазерной термообработки (патент США №4663513 кл. B23K 26/00, 1987), содержащее источник лазерного излучения, приемник инфракрасного излучения для точечного бесконтактного измерения температуры на поверхности материала с светофильтром на входе и усилителем электрических сигналов на выходе, соединенный последовательно с микропроцессором, контроллером исполнительных механизмов и блоком питания, связанным с источником лазерного излучения, и панель управления оператора, связанную двухсторонней связью с контроллером исполнительных механизмов.
Недостатком устройства является невозможность определения глубины упрочненного поверхностного слоя по температурному распределению вследствие применения точечной схемы измерения температуры, а также большая погрешность измерения температуры, обусловленная невозможностью коррекции фонового инфракрасного излучения от приповерхностной плазмы, возникающей в процессе обработки, что приводит к низкому качеству упрочнения поверхности материала.
В связи с этим важной задачей является разработка устройства управления процессом лазерной закалки материала, использующего бесконтактный способ измерения температурного распределения по линии визирования, перпендикулярной траектории обработки материала, с автоматической коррекцией ее положения, при котором обеспечивается максимальное соответствие между температурным распределением по линии визирования и температурным распределением по глубине при минимальном уровне шума.
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение качества упрочнения поверхности обработанного материала за счет контроля глубины упрочненного поверхностного слоя путем управления режимами обработки.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство управления процессом лазерной закалки материала содержит источник лазерного излучения, приемник инфракрасного излучения с светофильтром на входе и усилителем электрических сигналов на выходе, связанный с микропроцессором, контроллер исполнительных механизмов, первый выход которого подключен к блоку питания, связанному с источником лазерного излучения, а вход - к первому выходу микропроцессора, и панель управления оператора, связанную первой двухсторонней связью с контроллером исполнительных механизмов, причем приемник инфракрасного излучения выполнен в виде многоэлементного линейного фотоприемника для измерения поверхностного распределения температуры по линии визирования, расположенной на поверхности материала за точкой воздействия лазерного луча по направлению перемещения и перпендикулярно траектории обработки, и установлен на оптической головке, оптически связанной с источником лазерного излучения, с возможностью линейного перемещения. вдоль траектории обработки материала при помощи привода линейного перемещения, вход которого связан через фильтр высоких частот с вторым выходом микропроцессора, причем устройство дополнительно снабжено приводом продольного перемещения материала, вход которого подключен к второму выходу контроллера исполнительных механизмов, при этом панель управления оператора связана второй двухсторонней связью с микропроцессором.
Предлагаемое устройство управления процессом лазерной закалки материала позволяет повысить качество упрочнения поверхности обработанного материала за счет контроля глубины упрочненного поверхностного слоя путем измерения поверхностного распределения температуры по линии визирования, расположенной на поверхности материала за точкой воздействия лазерного луча по направлению перемещения и перпендикулярно траектории обработки, с возможностью автоматической коррекции ее положения относительно точки воздействия лазерного луча.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - схема положения многоэлементного линейного приемника инфракрасного излучения.
Устройство управления процессом лазерной закалки материала 1, содержит источник 2 лазерного излучения, выход которого оптически связан с входом оптической головки 3, приемник 4 инфракрасного излучения с светофильтром 5 на входе и усилителем 6 электрических сигналов на выходе, причем выход усилителя 6 подключен к входу микропроцессора 7, панель 8 управления оператора, связанную первой двухсторонней связью с контроллером 9 исполнительных механизмов, первый выход которого подключен к входу блока питания 10, второй выход - к входу привода 11 продольного перемещения материала 1, а вход - к первому выходу микропроцессора 7, при этом выход блока питания 10 подключен к входу источника 2 лазерного излучения, а панель. 8 управления оператора связана второй двухсторонней связью с микропроцессором 7. Приемник 4 инфракрасного излучения выполнен в виде многоэлементного линейного фотоприемника и установлен на оптической головке 3 с возможностью перемещения в направлении, параллельном траектории обработки материала 1, при помощи привода 12 линейного перемещения, вход которого подключен к выходу фильтра высоких частот 13, при этом вход фильтра высоких частот 13 подключен к второму выходу микропроцессора 7.
Устройство управления процессом лазерной закалки работает следующим образом.
пов
пов
yz
гл
пов
зак
пл
0
0
0
o
С помощью панели 8 управления оператора вводятся требуемая глубина упрочнения z и марка материала, которые сохраняются в памяти контроллера 9 исполнительных механизмов и микропроцессора 7. Кроме того, в память микропроцессора 7 посредством панели 8 управления оператора вводятся: зависимость интегрального коэффициента излучения ε материала от температуры Θ на его поверхности ε=f(Θ), эмпирическая зависимость F распределения температуры по глубине Θ=f(z) от распределения температуры на поверхности материала Θ=f(y) в направлении, перпендикулярном перемещению. Получив исходные данные, контроллер 9 исполнительных механизмов определяет теплофизические величины, а именно температуру закалки; Θ,. температуру плавления Θ и коэффициент теплопроводности λ, характерные для данной марки материала, и вычисляет начальные режимы лазерной закалки, а именно значения мощности излучения Р и скорости обработки v, необходимые для получения заданной глубины упрочнения z. После поступления стартового сигнала от панели 8 управления оператора контроллер 9 исполнительных механизмов активирует источник лазерного излучения с мощностью излучения Р при помощи блока питания 10. Одновременно контроллером 9 исполнительных механизмов осуществляется запуск перемещения материала 1 со скоростью v при помощи привода продольных перемещений 11.
пов
пов
yz
гл
экс
экс
экс
экс
В процессе обработки приемник 4 инфракрасного излучения измеряет дискретное распределение интенсивности пропускаемого светофильтром 5 инфракрасного излучения, излучаемого от линии визирования, расположенной на поверхности материала 1 за точкой воздействия лазерного луча по направлению перемещения и перпендикулярно траектории обработки. Электрические сигналы, пропорциональные распределению интенсивности инфракрасного излучения, поступают из приемника 4 инфракрасного излучения в микропроцессор 7 через усилитель 6. Согласно заданной зависимости ε=f((Θ) микропроцессор 7 определяет дискретное распределение температуры © на поверхности материала 1 по линии визирования. После этого по заданной эмпирической зависимости F микропроцессором 7 вычисляется распределение температуры © по глубине и глубина упрочненного поверхностного слоя z. При отклонении величины z от заданной глубины упрочнения z микропроцессор 7 вычисляет значения приращений мощности ΔР лазерного излучения и скорости Δv обработки, необходимые для достижения условия z=z, и вырабатывает сигнал рассогласования контроллеру 9 исполнительных механизмов, который выполняет коррекцию режимов лазерной закалки, необходимую для достижения постоянства глубины упрочненного поверхностного слоя z, что повышает качество упрочнения поверхности обработанного материала.
Смещение Δl приемника 4 инфракрасного излучения относительно точки лазерного воздействия корректируется микропроцессором 7 при помощи привода 12 линейного перемещения через фильтр высоких частот 13, обеспечивающий плавность регулирования, при каждом изменении режимов обработки таким образом, чтобы уровень шумов поступающих в него сигналов с усилителя 6 были минимальными, что снижает величину регистрируемого фонового инфракрасного излучения от приповерхностной плазмы, возникающей в процессе обработки.
Таким образом, снижается погрешность определения глубины упрочненного поверхностного слоя при коррекции режимов обработки, что приводит к повышению качества упрочнения поверхности обработанного материала.