База знаний в лазерных технологиях

В статье рассматриваются некоторые аспекты автоматизации лазерных технологических комплексов с точки зрения обеспечения гарантии качества и воспроизводимости процессов лазерной обработки материалов. Для достижения этих целей предлагается реализация технологической базы знаний. Рассматриваются особенности представления информации в ней и ее структурная схема.

Возможности практических промышленных применений лазеров обсуждались и изучались уже с момента создания первых оптических квантовых генераторов. С ростом энергетических параметров, расширением спектрального диапазона, созданием специальных оптических систем, происходило накопление знаний по взаимодействию излучения с веществом, начали появляться первые, ставшие классическими, работы теоретического и экспериментального характера. Появились первые промышленные лазерные установки, начался процесс внедрения лазерных технологий обработки материалов в различных отраслях промышленности.

За последнее десятилетие ситуация качественно изменилась. В 80-х годах во многих странах был налажен серийный выпуск достаточно совершенных и надежных технологических лазеров и автоматизированных лазерных комплексов. Лазеры перестали быть экзотикой и стали неотъемлемой частью большинства современных производств [1].

Экономические требования, предъявляемые к современному производству, привели к необходимости повышения качества производимых изделий, уменьшения издержек и времени доводки процессов производства. Оптимистические прогнозы использования лазеров с большой мощностью излучения в промышленности, сделанные в 70-х годах, очевидно, будут реализованы по следующим причинам:

• гибкость производства и другие современные промышленные концепции (уменьшение запасов, продукция по запросу, нулевой дефект, короткие времена жизни изделия, высокая специализация). Для каждого специфического случая возможного применения лазеров, или в малом предприятии, или в тяжелой промышленности, экономический анализ должен принимать во внимание новую технологию;
• новые материалы нуждаются в новых методах обработки;
• надежность лазеров, предлагаемых на мировом рынке, существенно повышена и стала совместимой с промышленными требованиями;
• системы управления лучом (портальная оптика, волоконные световоды и пр.) теперь обладают требуемой механической точностью.

Следовательно, наиболее актуальная задача, стоящая перед разработчиками лазерных технологических комплексов, - повышение качества и воспроизводимости механических и микроструктурных преобразований, вызванных обработкой материалов лазером.

Цели разработки

Традиционные способы управления лазерными технологическими комплексами (ЛТК) могут достаточно эффективно увеличить качество обработки только до определенного уровня, ограниченного, в первую очередь, самой физикой процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом. Любое неуправляемое физическое явление уменьшает воспроизводимость обрабатываемых деталей.

Следовательно, необходимо создаваемые ЛТК снабдить набором таких знаний и устройств, которые обеспечат гарантию качества и воспроизводимости процесса.

В первую очередь, речь идет об оптимальном управлении процессом в реальном масштабе времени. Решение оптимизационной задачи управления в каждый квант времени в реальном масштабе должно давать соответствующие значения для команд управления, чтобы оптимизировать (минимизировать или максимизировать) данный физический (энергию, движение и т. п.), технологический (стабильность, точность и т. п.), или экономический (стоимость, производительность и т. п.) критерий, одновременно при учете специфических ограничений в ситуации.

Например, лазерная резка толстых материалов имеет следующие особенности:

• при резке материалов могут проявляться некоторые возмущения: шероховатость (зарубочные прерывания) резки, связанная с поглотительными нерегулярностями, с изменениями в материале, с включениями в материале, с изменениями в расплавленном потоке и прочее.
• не имеется никакой надежной математической модели, чтобы описать соотношения [2]:
  • состояние системы, мера качества резки (критерии оценки зависят от различных параметров резки: шероховатость и параллельность торцов, температура в зоне воздействия, окисление, и т.п.);
  • команды (мощность луча лазера, параметры фокусировки, параметры используемых газов, скорость резки, и т.п.);
  • наблюдаемые особенности, т.е. параметры обратной связи в системе управления в реальном масштабе времени, например: геометрия (апертура, флуктуация пятна) и текстура (плотный, разбросанный и т.п.) конуса луча ниже зоны резки.

Идентификация процесса - в смысле автоматизации - является трудной (сложная физика, большое число входов и выходов). Синтез системы управления также является сложным при использовании классического, ранее применявшегося, подхода. Если в системе возникает возмущение и параметр, вызвавший его неизвестен, эта система должна найти минимальную корректировку команд, которая приведет процесс обратно к удовлетворительному управлению.

Поэтому для обеспечения заявленных целей авторы предлагают использовать адаптивную систему управления ЛТК с базой технологических знаний. Кроме того, за последнее десятилетие во всем мире было накоплено и опубликовано очень большое количество разнообразной практической информации, связанной с промышленными применениями лазеров. Опыт технических сотрудников также может быть формализован в базе технологических знаний и статистический анализ этого опыта явится основой выбора базовой стратегии автоматического управления процессом обработки материалов на ЛТК в конкретных ситуациях.

Примем, что начальная база технологических знаний опишет с достаточной подробностью процесс и даст возможность выбрать начальную стратегию управления ЛТК. База, впоследствии, должна быть развита в процессе экспериментальной работы ЛТК, то есть база знаний должна быть самообучаема. Это означает, что в состав ЛТК с базой технологических знаний должно входить неявно работающее "шпионское" программное обеспечение (записывающее цепочку решений, команд и наблюдений в течение реальных процессов лазерной обработки материалов). Экспериментальная работа с таким программным обеспечением сформирует новый "динамический" банк данных.

Особенности представления информации в базе знаний

Каждая запись информации, которая вводится в базу знаний, должна быть разбита на отдельные элементы, имеющие одинаковые форматы, размерность и т. п. Вместе с тем, в различных источниках информации используются свои системы единиц, методики измерений и критерии оценки результатов, что создает определенные технические сложности. Однако главная проблема - в полноте представления результатов. Обычно пишут, что сделано, но не как сделано. Нет ни одной публикации, где по какому - либо лазерному технологическому процессу была бы дана полная информация и было бы возможным заполнить все графы соответствующей таблицы в базе знаний. Это и понятно, так как такая запись - это полные данные для воспроизводства технологии, а относящиеся к высоким технологиям лазерные техпроцессы требуют больших затрат на разработку и имеют высокую коммерческую стоимость. Полную технологию никто в открытой печати не описывает.

Структурная схема построения базы знаний

Определим базу знаний как набор базовых параметров, которые однозначно, в смысле воспроизводимости на тождественном ЛТК, задают технологический процесс. Вообще говоря, параметры - это состояние системы, мера качества, команды, наблюдаемые особенности. Такую информацию наиболее адекватно возможно представить с помощью средств реляционной СУБД. В этом случае, обобщенно, одна запись описывает один технологический процесс.

Более принципиальным является вопрос о составе и характере параметров. По существу они являются базисной информацией и как у всякого базиса нам необходимо выявить минимальность и полноту (а также добиться ортогональности). И здесь не все очевидно. Казалось бы, это должны быть константы (стабильность которых гарантируется производителем, может быть, с допуском в 1-2%) и управляемые переменные (команды). Однако, в силу конструктивных особенностей некоторых подсистем ЛТК, отдельные константы могут стать очень неуправляемыми переменными (стабильность диаграммы направленности, время срабатывания затвора и т.п.), поэтому при разработке ЛТК с учетом требований воспроизводимости технологических процессов, необходимо разработать со статусом стандарта предприятия альбом технологий. Здесь речь идет не о информации как таковой, а полном наборе параметров (начиная от требований к инженерным сетям), соответствие которых заданным величинам гарантирует воспроизводимость. Очевидно, этот стандарт должны принимать и гарантировать производители, а не только разработчики технологических процессов. Соответствие всех этих параметров должны проверять сервисные инженеры как при пусконаладке ЛТК, так и в других случаях взаимодействия с пользователями комплексов и заполнять соответствующий сертификат для фирмы-производителя. Такой документ является основой для компетентного обсуждения и принятия решений техническими экспертами по проблемам эксплуатации ЛТК у удаленного пользователя. Параметры, зависящие от условий эксплуатации ЛТК (инженерные сети и коммуникации, газы и т.д.), обеспечиваются потребителем лазерного комплекса и должны являться для него частью договорных обязательств, несоблюдение которых приводит к автоматическому несоблюдению гарантированной воспроизводимости.

Вариант базы технологических знаний предлагается авторами в настоящей работе.Первым этапом в создании базы знаний было определение основных полей (таблиц) и логических (реляционных) связей между ними. База знаний должна содержать следующую основную техническую информацию: лазеры, ЛТК, а также лазерные технологии - резка, сварка, закалка, легирование и т. п. Кроме того база должна содержать информацию общего характера: фирмы - производители, источники информации (литература), сведения об авторах, данные по материалам, данные по применяемым газам (рабочим, технологическим) и т.д. Структура информации должна быть открыта и допускать модернизацию и наращивание.

Информация по разделам хранится в таблицах. В работе СУБД используются также, так называемые, формы, запросы и отчеты. Формы служат для удобства ввода информации в таблицы (одна форма - одна запись в соответствующей таблице). Поля формы повторяют графы (столбцы) таблицы. Запросы предназначены для вывода на экран информации в требуемом (предварительно разработанном) виде. Для печати (а также и для дисплея) используются отчеты, которые позволяют получать более развитой документ с требуемой информацией.

При разработке структуры базы использовался проект европейского технологического сертификата процесса лазерной обработки [3]. Отличия от этого проекта дискусионны и авторами отмечаются по ходу представления проекта базы (в случае отсутствия предлагаемых полей в нашей базе).

Состав записей соответствующих таблиц (виды форм) рассматривается ниже. Для формы "Лазерные технологические комплексы" логичны следующие поля: изготовитель, наименование ЛТК, используемый лазер, область применения, источник информации, изображение комплекса, а также кнопки выхода из формы (есть на всех) и перехода к записи с соответствующими характеристиками комплекса.

Форма "Характеристики лазерных технологических комплексов" более сложна. Она, кроме наименования ЛТК, описания технологического поста и описания вспомогательных систем, содержит группу технических характеристик ЛТК, состоящую из полей: количество степеней свободы технологического поста, габариты рабочей зоны, максимальные линейная и вращательная скорости, точность позиционирования, повторяемость, динамическое отклонение инструментальной головки от заданного контура, максимальная масса обрабатываемой заготовки. Форма также содержит группу эксплуатационных характеристик ЛТК, включающую поля: масса технологического поста, полная площадь, занимаемая комплексом, мощность электроэнергии, потребляемая комплексом (в т.ч. с учетом потребления электроэнергии лазером отдельно), расход воды, воздуха и технологических газов, стоимость техобслуживания и запчастей на 1000 часов работы, стоимость минуты эксплуатации, цена ЛТК у производителя.

Проект технологического сертификата ЕС предполагает детальное описание систем транспортировки пучка и формирования его на образец, а именно: схему транспортировки, количество зеркал, расстояние от источника до образца, фокусное расстояние, относительное расположение фокальной области и образца, конечный диаметр пучка, диаметр пучка в фокальной плоскости, распределение энергии в конце транспортировки, пространственное распределение интенсивности пучка в фокальной плоскости, временная форма мощности пучка и частота повторения импульса, характеристика оптической системы, характеристика окон, мощность пучка на образце, процедуры измерений, марки и модели использованных измерительных приборов. Некоторые из этих параметров учитываются в формах, характеризующих технологический процесс.

Форма "Лазеры" содержит поля: наименование, длина волны, выходная мощность излучения, стабильность выходной мощности, апертура излучения, модовый состав, стабильность модового состава, расходимость излучения, стабильность диаграммы направленности, поляризация, давление рабочей смеси газа, накачка, область применения, примечание, изображение лазера, кнопки к соответствующим записям о газовой конфигурации, источнике информации, эксплуатационных характеристиках лазера, а также группу полей импульсного режима: длительность импульса, частота следования импульсов, энергия в импульсе, диапазон регулирования мощности.

Проект технологического сертификата ЕС предполагает описание методики калибровки измерителя мощности.

Форма "Эксплуатационные характеристики лазеров" содержит следующие поля: наименование установки, полная масса, потребляемая мощность, полная занимаемая площадь, габаритные размеры, расход воды, воздуха, газовой смеси, группу полей экономических характеристик (стоимость техобслуживания и запчастей на 1000 часов работы, стоимость минуты эксплуатации, цена лазера у производителя), гарантийные обязательства производителя, а также кнопки к соответствующим записям о типовой рабочей газовой смеси, источнике информации.

Форма технологического процесса "Лазерная резка" содержит кнопки к соответствующим записям о используемом в процессе материале, виде режущего газа и источнике информации, а также следующие поля: наименование используемого лазера, толщина материала, диаметр пучка на материале, фокусное расстояние линзы резака, заглубление фокуса в материал, точность поддержания фокуса, форма сопла, диаметр сопла, линейная скорость резки, мощность излучения, давление режущего газа в сопле, расход режущего газа, изображение графических зависимостей, характеризующих процесс, кроме того группу полей с результатами лазерной обработки (ширина реза, шероховатость, наличие грата, изменение структуры поверхностного слоя) и группу полей с параметрами импульсного режима в процессе (длительность импульса, частота следования импульсов, энергия в импульсе).

Форма технологического процесса "Лазерная сварка" содержит кнопки к соответствующим записям о используемом в процессе материале, виде защитного газа и источнике информации, а также следующие поля: наименование используемого лазера, толщина материала, мощность излучения в процессе сварки, диаметр светового пятна в фокальной плоскости, плотность мощности, энергия излучения, изменение энергии за пять минут, фокусное расстояние линзы объектива, заглубление фокуса на материал, режим генерации излучения, давление защитного газа, линейная скорость сварки, глубина проплавления, ширина прохода, изображение графических зависимостей, характеризующих процесс, кроме того группу полей с параметрами импульсного режима в процессе (длительность импульса, частота следования импульсов, энергия в импульсе).

Проект технологического сертификата ЕС предполагает подробное описание характеристики процесса лазерной сварки (резки): необходим график зависимости глубины провара (реза) h от мощности лазерного пучка Р и от скорости v перемещения образца, а также зависимость h (P, v) при разных частотах и скважностях импульсно-периодического режима. Вводятся графы, требующие сложных исследований: химический состав и металлографическая структура (в зоне термического воздействия и вне ее). И, кроме того, следующие поля: технологические характеристики образцов (твердость, прочность, усталостная прочность, коррозионная стойкость, горячие и холодные трещины), термическая обработка (до процесса и после него), подготовка поверхности образца, форма шва/реза (толщина, глубина, неоднородности геометрии), подготовка поверхности стыка (при сварке), допуска на стык (рез), механическое крепление образца, материал присадка (флюса, проволоки), угол наклона лазерного пучка к поверхности образца, циклограмма мощности лазера, положение образца (шва, реза) по отношению к направлению силы тяжести.

По вспомогательным газам и атмосфере процесса в ЕС требуется учитывать: давление (вакуум) в процессе, объем рабочей камеры, состав атмосферы (или остаточного газа) в рабочей камере, защитные газы (с лицевой и с тыльной сторон образца): состав, давление, расход, а также по внешним системам - состав газов и их расходы.

Форма "Публикации" содержит поля с названием публикации, библиографической ссылкой на издание, год издания, а также кнопки к соответствующим записям об авторах и фирме, которую представляют авторы,.

Форма "Авторы" содержит поля с фамилией, сведениями об авторе и кнопку к информации о фирме.

Форма "Фирмы" имеет поля: краткое и полное наименование, страна, вышестоящая организация, e-mail, WWW, почтовый адрес, факс, телефон, имя и должность представителя, дополнительная информация.

Форма "Газовые смеси" имеет поля: вид газовой смеси (химическая формула), информация о комплексах или процессах, в которых смесь используется как рабочее тело, технологический или защитный газ.

Форма "Материалы" содержит следующие поля: наименование материала, марка материала, примечание - информация, как правило, о комплексах и процессах, в которых использовался данный материал.

Выводы

Собственно аналогичная база знаний является неотъемлемым элементом современного ЛТК, что можно наблюдать по работе лазерных станков фирм Trumf, Mazak. Однако, полезность такой работы видна еще на предварительных этапах в случае общесистемного подхода к разработке. В первую очередь это должно выразиться в виде формализованного для компьютера сертификата на выпускаемые лазерные комплексы. Такая формализация (если она возможна) позволит не только упростить процесс инсталляции наших машин, но и построить достаточно адекватную статистическую модель работы ЛТК, без чего невозможно создавать собственно такую базу знаний по технологическим процессам, которая предназначена для использования в составе ЛТК.

При сравнении нашей работы с предполагаемой по проекту европейского сертификата заметно отставание в химических, металлографических исследованиях, соответствующего наличия приборов и методик всевозможных измерений.

Авторы выражают глубокую благодарность директору научно-исследовательского центра по технологическим лазерам Российской Академии Наук проф. В.Я. Панченко и зам. директора по науке проф. В.С. Голубеву за постановку задачи, постоянное внимание к решаемой проблеме и многократные плодотворные дискуссии.

Литература