CC BY
145
ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКИ
Виктор Павлович Бессмельцев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, кандидат технических наук, заведующий лабораторией лазерной графики, 630090, Россия, г. Новосибирск, просп. Академика Коптюга, 1, тел.: (383) 333-24-91 e-mail: [email protected]
В статье рассматриваются основные подходы к проектированию лазерных комплексов микрообработки, основанные на методах адаптивного управления как параметрами лазерного луча, так и технологиями лазерной обработки, методиках мониторинга процесса лазерной микрообработки (в том числе в реальном времени), объединённых в единую систему контроля и интеллектуального управления.
Ключевые слова: лазерная микрообработка, адаптивные системы управления, системы поддержки принятия решений.
Victor P. Bessmeltsev
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, Ph.D., senior scientist, Head of laboratory, 630090, Russia, Novosibirsk, 1, Academic Koptyug prosp., Tel.: +7 (383) 333-24-91, e-mail: [email protected]
PROBLEMS OF LASER MICROPROCESSING AUTOMATED COMPLEXES CREATION
The paper examines the main approaches to the design of laser micromachining systems based on the methods of adaptive control just as laser beam parameter, so laser processing technologies as well as methods for laser micromachining monitoring (including in real time), consolidated in the common inspection system and intelligent control.
Key words: laser micromachining, system of adaptive control, decision Support System.
1. Введение
Большое число параметров, от которых зависит качество и точность лазерной термической и термохимической обработки материалов (длина волны лазера, качество пучка, длительности импульса экспозиции, мощность лазерного излучения, скорость движения пучка, глубина фокуса, физические и химические свойства обрабатываемых материалов и окружающей атмосферы, временные характеристики процесса обработки, технология постобработки и т.д.) и нестационарность процессов обработки делают практически невозможным точное моделирование таких процессов. Это фактически означает, что точность и качество лазерной обработки, в особенности трехмерной микро- и нанообработки, недостаточно прогнозируемы. В настоящее время в системы лазерной микрообработки для контроля качества обработки устанавливаются скоростные видеокамеры высокого разрешения. Однако данные только с видеокамер не полностью характеризуют процесс, а другие необходимые исследования (спектральные, метрологические, материаловедческие) проводятся на отдельных
приборах и требуют съёма обрабатываемого материала и многократного повторения тестовых записей [1, 2]. Поэтому процесс настройки технологии микрообработки существенно удлиняется и сильно зависит от квалификации оператора.
Таким образом, актуальной задачей является разработка и исследование методов адаптивного управления системами лазерной микрообработки, включающих в себя средства контроля результатов микрообработки и специальных программных средств прогнозирования и проектирования, основанных на современных методах управления положением и экспозиционной энергией лазерного луча, методиках мониторинга процесса лазерной микрообработки, объединённых в единую систему контроля и интеллектуального управления.
2. Оптимизация систем и методов управления положением лазерного луча для прецизионной скоростной микро обработки больших изделий
В Институте автоматики и электрометрии (ИАиЭ СО РАН) предложен и реализован аппаратно-программный метод составного сканирования лазерного луча, основанный на использовании сканирующей головки, обеспечивающей быстрое контролируемое перемещение сфокусированного лазерного луча в малом поле записи, при этом перемещение сканирующей головки относительно полной зоны обработки обеспечивается модулем трехкоординатных подвижек с большим полем перемещения и датчиками контроля перемещения с той же точностью, что и датчики сканирующей головки.
Разработанные нами алгоритмы и аппаратные средства обеспечивают пространственное и временное сопряжение координаты лазерного луча относительно полной зоны обработки.
Пример реализации таких систем - системы прецизионной лазерной микрообработки на основе сканерной головки (содержит угловые гальванометри-ческие сканеры X иУ координат с объективом плоского поля или телецентриче-ским объективом), установленной на трехкоординатном механизме перемещения с оптическими датчиками координат или сопряженных с движущимся обрабатываемым материалом [3, 4]. Основные ошибки, возникающие при лазерной записи или микрообработке при относительном движении сканерной головки или носителя, связаны с необходимостью точной корректировки положения лазерного луча с учетом движения носителя и динамики сканера (динамические ошибки) и геометрических искажений, вызванных дисторсией фокусирующего объектива, и ошибкой преобразования углового положения зеркала сканера в перемещение лазерного луча в плоскости записи (статические ошибки). Для одновременного обеспечения максимально возможных точностных и скоростных характеристик лазерной обработки движущихся носителей разработаны методы управления движением лазерного луча и носителя с учетом выше приведенных ошибок взаимного позиционирования и требований, предъявляемых к скорости перемещения, интенсивности и диаметру сканирующего лазерного луча, и параметров, определяющих технологические особенности лазерной обработки.
Для формирования потока данных с учетом движения регистрирующей среды создано специализированное программно-аппаратное обеспечение (СПО). СПО содержит две основные части: программное обеспечение управления (драйвер) и программное обеспечение технологии лазерной обработки, обеспечивающее интерфейс пользователя для формирования задания, его визуализации, подготовки данных для вывода, ввода параметров записи. Подготовленные в системе проектирования данные о перемещении лазерного луча в заданную позицию X, Y преобразуются программой в два потока координат: позиции кадра хт на материале, и вектора перехода луча внутри зоны записи объектива У|(х|, у)) 0 - номер вектора в последовательности) такие, что
х^ у J = У)-
Вектора У)(х), у)) для обеспечения равномерности скорости движения луча разбиваются на микровектора Аук(хк, ук) длиной I. Далее осуществляется формирование временной диаграммы, обеспечивающей подачу данных (хк, ук) на драйверы сканеров в заданное время с задержками, формируемыми в начале и в конце векторов V), и синхронизацию данных с модуляцией лазерного излучения. В результате формируются зависимые от времени координаты микровекторов в поле записи объектива хк(1:), ук(1:).
В процессе микрообработки при перемещении лазерного луча от начальной позиции кадра происходит коррекция текущей координаты на величину смещения материала в данный момент времени:
хх0) = хк0) + УхО) = УкО) - ЛуО),
где Лб(1:) = б(1:) - Б1, а Лу(1:) - поперечное смещение материала.
На последнем этапе обработки данных производится коррекция геометрических искажений сканирующей системы с применением преобразования Б-1 (х (1), у(1:)); вычисление значений управляющих воздействий их(1:) = Б-1х(х^(1), ухО), иу(1)= Б-1у(хх(1:), Ух(1)), соответствующих результирующему положению лазерного луча в зоне записи объектива, и преобразование их в аналоговый вид.
Структура управления данными, созданная на основе рассмотренного выше подхода, представлена на рис. 1.
Применение систем составного сканирования позволяет обеспечить близкую к максимально возможной для данных сканеров скорость обработки (м/с) при погрешности в единицы микрон, что существенно увеличивает диапазон регулируемых скоростей микробработки и, таким образом, позволяет без потери точности получить оптимальные параметры обработки. Например, прецизионная обработка многих полимерных материалов возможна только при высоких скоростях движения лазерного луча (порядка единиц метров в секунду.
Рис. 1. Структура управления данными
3. Методы автоматического измерения геометрических параметров изделий после лазерной микрообработки
На наш взгляд, наиболее подходящими методами автоматического контроля структур являются оптические методы, поскольку необходимое быстродействие измерительной системы и методов обработки данных должно быть около 1 минуты для структуры 1 X 1 X 0,1 мм .
Нами были проведены исследования применимости и определение эффективности ряда оптических методов для быстрого измерения параметров модельных объектов, полученных трехмерной послойной лазерной микрообработкой заготовок из металлов лазерным пятном 10 микронного диаметра с координатным разрешением системы 5 мкм в различных режимах обработки. Исследовались методы: вариации фокуса, конфокальной хроматической микроскопии, конфокальной микроскопии и структурного освещения на основе фазового сдвига. При измерении методом вариации фокуса применялся микроскоп Carl Zeiss Axio Observer (объективы 10-20Х, камера 5 Мпксл, шаг по Z при измерении 2 мкм). Методика измерений с помощью конфокальной микроскопии исследовалась на микроскопе Carl Zeiss LSM 700. При хроматической конфокальной микроскопии применялся сенсор CL4-MG35 (Stil Франция). Методы структурного освещения исследовались на измерительной системе собственной разработки [5]. Тестирование показало, что микроскоп широкого поля позволяет получать высококонтрастные изображения с высоким быстродействием, однако при большой шероховатости поверхности обработки (Ra > 5 мкм) возможно неточное восстановление высоты, так как кривая аксиального отклика в точке может не иметь выраженного максимума. Конфокальный микроскоп обеспечивает высокую детализацию восстанавливаемой 3D геометрии, среднее быстродействие метода: 5 с на изображение оптического среза. Структурное освещение позволяет получать изображения оптического среза с характеристиками, сравнимыми с конфокальной микроскопией. Недостатком двух последних методов является сложность задания оптимальной экспозиции сенсора, поскольку в объекте исследования имеются зоны, отличающиеся большим динамическим диапазоном коэффициента отражения (более 16 разрядов). Для кон-
фокального хроматического сенсора быстродействие ниже максимального
-5
(~3 мин. на 1 х 1 х ОД мм ), так как необходимо проводить сканирование на низкой частоте (~500 Гц) из-за вариации оптических свойств поверхности. При этом, при получении данных от трёхмерных структур с большим перепадом высот (> 0,1 мм) такие системы лучше по быстродействию, по сравнению с системами на основе метода вариации фокуса и конфокальной микроскопии, так как вертикальное сканирование не требуется.
4. Системы поддержки принятия решений (СППР) и соответствующих программно-аппаратных средств для адаптивного формирования режимов микрообработки различных материалов и сложных 3Б структур
Большинство лазерных технологий микрообработки - резка, сверление, сварка, фрезерование - опираются на методы локального взаимодействия мощного излучения с обрабатываемым материалом. Возникающие при этом термические, термохимические, гидродинамические процессы нестационарны и плохо поддаются математическому моделированию. Кроме того, в процессе лазерной обработки в материалах могут происходить фазовые превращения, изменяются их структура и кристаллическая решетка, возникают внутренние напряжения и т.д. В области лазерного воздействия формируются участки, содержащие продукты взаимодействия материала и окружающей среды, с характеристиками, отличающимися от характеристик основного объема вещества. Также на процесс физико-химического взаимодействия излучения с веществом влияют параметры сканирующей системы (точность, быстродействие). Например, недостаточная скорость перемещения лазерного луча может приводить к нежелательному обгоранию поверхности, либо ее деформации вследствие локального перегрева. Сложность настройки лазерной системы под конкретную технологическую задачу обусловлена также многообразием обрабатываемых материалов, различными требованиями к характеру обработки и ее результатам, а также регулируемыми параметрами лазерных систем.
Известные программно-аппаратные решения, позволяющие автоматизировать процесс настройки оборудования, можно условно разделить на три типа.
1. Экспертные системы, или системы поддержки принятия решения (СППР), упрощающие настройку режима обработки до начала эксперимента.
2. Системы управления, позволяющие корректировать режим лазерной обработки, основываясь на оценке оператором результатов предыдущих экспериментов по определенной совокупности параметров.
3. Системы контроля, анализирующие взаимодействие лазерного луча с материалом в режиме реального времени и автоматически корректирующие режим лазерной обработки.
Однако ни одно из перечисленных решений в настоящее время не позволяет точно определить параметры лазерной обработки исходя из компьютерных моделей и учета свойств материала.
Объединив возможности систем первого и второго типа [6, 7], можно обеспечить автоматическую работу созданной системы. В полученной системе поступление информации о качестве лазерной обработки и ее анализ происхо-
дят автоматически, с использованием высокоразрешающей системы технического зрения, профилометра и спектрофотометра. Программные средства обеспечивают оперативное пополнение базы данных СППР и оптимизацию режима лазерной обработки на основе накопленной информации. На настоящем этапе основное внимание уделяется использованию системы технического зрения при оценке качества обработки и формировании базы СППР. Основываясь на аппаратной платформе для прецизионной скоростной микрообработки, нами разработаны программные средства, позволяющие контролировать линейные и угловые размеры микроструктур, полученных при лазерной микрообработке. Программные средства обеспечивают совмещение изображений CAD-модели задания и зоны лазерной микрообработки, автоматический анализ размеров структур и детектирование геометрических ошибок формообразования сразу после завершения лазерной микрообработки.
5. Заключение
Современные системы лазерной микрообработки, использующие данные CAD-CAM проектирования для прецизионного управления лазерным пучком и оптимальные параметры лазерного излучения могут, в принципе, обеспечить послойное формирование 3D структур на различных материалах с высоким быстродействием и заданной точностью.
Однако в настоящее время отсутствуют технологии, позволяющие по CAD модели и физико-химическим характеристикам материала получить точные данные об оптимальной технологии обработки (включая выбор типа лазера, скоростные и энергетические характеристики лучевой обработки т.д.) и позволяющие получить изделие с заданной точностью и характеристиками поверхности после обработки. Развитие рассмотренных в данной статье методов управления, контроля и создание специализированных экспертных систем позволят вплотную подойти к решению данной задачи.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Orazi L. et al. An automated procedure for material removal rate prediction in laser surface micromachining // International Journal of Advanced Manufacturing Techniques. - 2009. - Т. 46. -P. 163-171.
2. Soveja A. et al. Optimization of TA6V alloy surface laser texturing using an experimental design approach // Optics and Lasers in Engineering. - 2008. - Т. 46. - P. 671-678.
3. Бессмельцев В.П., Голошевский Н.В., Смирнов К.К. Аппаратно-программные средства динамической коррекции для управления лазерными системами микрообработки на основе комплементарных сканеров. // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2009. - № 3. - C. 48-52.
4. Бессмельцев В.П., Голошевский Н.В., Смирнов К.К. Особенности управления лазерными системами микрообработки движущихся носителей // Автометрия. - 2010. - № 1. -С. 98-107.
5. Бессмельцев В.П., Булушев Е.Д. Применение структурного освещения для восстановления топографии объектов с различными оптическими свойствами поверхности Труды конференции // Лазеры. Измерения. Информация. С. Петербург. - 2012. - С. 70.
6. Bessmeltsev V.P., Bulushev E.D., Goloshevsky N.V. Method for Localizing and Measuring Structures Formed under Laser Microprocessing // Pattern Recognition and Image Analysis. -2011. - Т. 21. - № 3. - P. 373-376.
7. Бессмельцев В.П., Булушев Е.Д., Голошевский Н.В. Экспертная система для оптимизации режима лазерной микрообработки // Известия вузов. Приборостроение. - 2011. -C.17-22.
© В.П. Бессмельцев, 2013
