Современные информационные технологии/ 1. Компьютерная инженерия

к.т.н. Лукашенко А.Г., д.т.н., профессор Лукашенко В.М.,
аспирант Чичужко М.В.,
магистрант Слись Е.А., магистрант Чиж Н.Н., магистрант Сташко А.В.

Черкасский государственный технологический университет, Украина

КРИТЕРИАЛЬНАЯ ОЦЕНКА 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;

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 линз или лазерных диодов, час

300…500

2000…5000

3000..5000

2000…5000

50000…70000

Занимаемая площадь S, м2

11

9

4

4

0,5

Длина волны λ, мкм

1,064

1,03

0,8

1,018

1,07

Дальность доставки излучения D, м

20…40

20…40

10…50

20…40

10…300

 

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:

                      (3)

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.

 –    величина, характеризующая  дальность доставки излучения, лучше при Кр→1;

 –         величина, характеризующая потерю рабочего пространства, предпочтительной является минимальная;

Из анализа приведенных выше критериев предлагается математическая модель целевой функции обобщенного аддитивного критерия, которая для n отдельных критериев имеет вид:

 ,                                    (4)

где    k = 1,2,3,4,5­ – порядковый номер предмета исследования с  критерием, эффективность которых соответствует максимальному значению;
m = 1,2,3,4,5­ – порядковый номер предмета исследования с  критериями, эффективность которых соответствует минимальному значению;                                                                                            

Верификация сказанного выше подтверждена на примерах пяти типов современных лазерных излучателей, представленных в табл.1. Проведен  расчет соответствующих критериев подобия,  используя данные основных технико-экономических показателей  и аналитические выражения (2), (3), (4).

Результаты расчёта соответствующих критериев приведены в табл. 2.

  Таблица 2

Условные критерии подобия для современных лазерных излучателей

Критерии

YAG-Nd лазеры с ламповой накачкой

YAG-Nd лазеры с диодной накачкой

Диодные лазеры

Дисковые лазеры

Волоконные лазеры

 

1

2

3

4

5

КP

0,8

0,75

0,75

0,875

0,996

КC

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

КD

0,5

0,5

0,8

0,5

0,97

К∆W

0,258∙106

0,218∙106

0,081∙106

0,095∙106

0,002∙106

2,293

2,246

2,45

2,374

2,965

1/3,5

1/3,182

1/4,167

1/3,333

1/13,572

2,579

2,56

2,689

2,674

3,039

Анализ расчетных данных показал, что наилучшими параметрами обладают волоконные лазеры (№ 5).  Это обеспечивает сокращение времени на этапе проектирования  выбор типа лазерного излучателя с высокими технико-экономическими показателями.

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, К∆W, КD – величины которых характеризируют мощность, затраты, скорость, надежность, дальность доставки излучения и величина, характеризующая потерю рабочего пространства лазерных излучателей.

3.       Предложена математическая модель многокритериальной оценки для лазерных излучателей. 

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

Литература:

1.        Основні характерні особливості сучасних лазерів / А. Г. Лукашенко, В. М. Лукашенко, С. А. Міценко та ін. //  VI Международна научна практична конференция : (17–25 дек. 2010 г., София, Болгария). – София : «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2010. – Т. 23. – С. 9–12.

2.        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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассчитанные величины    критериев для каждого  лазера приведены в табл. 2.