Современные информационные технологии/ 1. Компьютерная инженерия

к.т.н. Лукашенко А.Г., д.т.н., профессор Лукашенко В.М.,
к.т.н. Уткина Т.Ю., аспирант Вербицкий А.С., ассистент Миценко С.А.,
магистрант Слись Е.А., магистрант Чиж Н.Н., магистрант Сташко А.В.

Черкасский государственный технологический университет, Украина

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ЛАЗЕРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ НЕПОЛНОГО
ПОДОБИЯ И РАЗМЕРНОСТЕЙ

Одним из важнейших направлений в развитии промышленности является применение лазерных технологий, использующих лазерные технологические комплексы (ЛТК). Основным компонентом ЛТК являются лазерные излучатели в качестве инструмента. Исследования показывают, что повышение качественных показателей технологических процессов в значительной степени зависит от выбора лазерного излучателя при обработке материалов.

Ряд работ В.В. Долгова, С.А Жукова, Г.И. Колесникова, В.Ф. Лазукина, В.Ф. Майбороды, С.Л. Погорельского, А.Г. Шипунова, Г.П. Пихновской, М.А. Абрамова и др. посвящен вопросам лазерных излучателей и ЛТК.

Однако недостаточно систематизированы основные технические параметры для перечня современных видов излучателей при лазерной сварке тонкостенных конструкций.

Целью работы является ускорение процесса многокритериального анализа современных видов лазерных излучателей.

Для достижения этой цели необходимо:

·          составить перечень современных лазерных излучателей и их основных технико-экономических показателей, как определяющих величин при физическом моделировании;

·          предложить математическую модель общего вида;

·          разработать условные критерии подобия по соответствующим технико-экономическим показателям;

·          составить критериальное уравнение по 4-м квадрантам в безразмерных координатах.

Перечень современных лазерных излучателей и их основные технико-экономические показатели составляются на основе эвристического метода и приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные технико-экономические показатели современных
лазерных излучателей

 

                   Вид лазера

Параметр

YAG-Nd лазеры с ламповой накачкой

YAG-Nd лазеры с диодной накачкой

Диодные лазеры

Дисковые лазеры

Волоконные лазеры

 

1

2

3

4

5

Выходная мощность,

кВт

1…5

1…4

1…4

2…16

0,1…30

Частота модуляции

излучения, Гц

1…150

1…250

1…10

1…10000

1…50000

Стоимость монтажа, отн. ед. (без штрихов)

1

0,8

0,2

0,3

0,05

Стоимость эксплу­атации, отн. ед. (’)

1

0,6

0,2

0,3

0,13

Стоимость обслужи­вания, отн. ед. (’’)

1

4…12

4…10

4…10

0,1

Периодичность замены ламп или лазерных диодов, час

300…500

2000…5000

3000..5000

2000…5000

50000…70000

 

По приведенным в табл. 1 параметрам записываем математическую модель общего вида:

              (1)

Учитывая, что отсутствует математическая зависимость между основными приведенными параметрами лазерных излучателей (1), предлагается использовать теорию неполного подобия и размерностей, физическое моделирование и на основе эвристического метода создать условные критерии подобия. Обобщённый вид критерия подобия через определяющие величины имеет следующий вид:

,                                     (2)

где индексы max и min соответствуют выбранному параметру, при этом
Кi – условный критерий, характеризирующий выбранный параметр, является безразмерной величиной.

Эти величины будут характеризовать соответствующие технико-экономические показатели. Тогда критериальное уравнение для лазерных излучателей согласно определяющим величинам принимает вид:

где  –      величина, характеризирующая энергетические показатели, лучше при Кр→1;

 –     величина, характеризирующая затраты, предпочтительной является минимальная;

 –     величина, характеризирующая скорость операции, лучше при Кf →1;

 –    величина, характеризирующая надежность работы линз, предпочтительной является минимальная.

Результаты расчёта соответствующих коэффициентов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Условные критерии подобия для современных лазерных излучателей

Параметр

YAG-Nd лазеры с ламповой накачкой

YAG-Nd лазеры с диодной накачкой

Диодные лазеры

Дисковые лазеры

Волоконные лазеры

 

1

2

3

4

5

Кр

0,8

0,75

0,75

0,875

0,996

Кс

1

0,66

0,6

0,6

0,1

Кf

0,993

0,996

0,9

0,999

0,999

КT

0,4

0,6

0,4

0,6

0,28

 

1

5

3

5

4

3

1

2

1

1

2

 

4

4’’

2’’

4’

 

2

4

0,5

0,9

0,5

0,8

0,7

5

0,5

0,9

5

0,4

0,1

0,1

0,7

 

 

 

 

1

2

0

5’

5’’

5’

5’’

1’

1’’

1’

1’’

2’’

2’

2’

3’’

3’’

3’

3

3’

3

 

4’

4

4’’

0,5

0,9
Используя данные табл. 1, 2 и π-теорему, построены зависимости основных технических параметров в безразмерных координатах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Зависимости основных технических параметров в безразмерных
координатах для современных лазерных излучателей

Примечание:

1 – цифры – 1, 2, 3, 4, 5 соответствуют порядковому номеру лазерных излучателей, приведенных в табл. 2;

2 – в квадрантах ІІІ и IV величины, характеризующие стоимости: обслуживания; эксплуатации; монтажа обозначены соответственно (’’); (’); (без штрихов).

 

Анализ зависимостей приведённых на рис. 1 показал, что по 4-м квадрантам наилучшими параметрами обладают волоконные лазеры 5 (выходная мощность, надежность, стоимость, производительность). Это, в совокупности, обеспечивает данным типам лазерных излучателей самые высокие технико-экономические показатели.

Выводы

1.       На основе эвристического метода составлен перечень современных лазерных излучателей и их основных технико-экономических показателей: выходная мощность, надежность, стоимость, производительность, которые являются определяющими величинами при физическом моделировании.

2.       Разработаны условные критерии подобия Кр, Кс, Кf, КT – величины которых характеризируют мощность, затраты, скорость, надежность лазерных излучателей.

3.       Построена многокритериальная знаковая модель по 4-м квадрантам в безразмерных координатах, визуализация которых показала, что наилучшими излучателями являются волоконные лазеры.

Это позволяет ускорить процесс многокритериального анализа современных видов лазерных излучателей и значительно сократить время при проектировании системы ЛТК в целом.

 

Литература:

1.        Бернадский В. Н. Современный рынок лазерной техники для сварки и обработки материалов / В. Н. Бернадский, В. Д. Шелягин, О. К. Маковецкая // Автоматечиская сварка. – 2007. – № 10.

2.        Основні характерні особливості сучасних лазерів / А. Г. Лукашенко, В. М. Лукашенко, О. С. Вербицький, С. А. Міценко, О. Ю. Талімончук // Поглед върху световната наука – 2010 : материали VI Международна научна практична конференция : (17–25 дек. 2010 г., София, Болгария). – София : «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2010. – Т. 23. – С. 9–12.

3.        Лукашенко А. Г. Виявлення резерву предмета дослідження на основі теорії неповної подібності та розмірностей / А. Г. Лукашенко, О. А. Кулигін, В. М. Лукашенко // Вісник Хмельницького національного університету. – 2009. – № 3. – С. 184–187.