Proiectarea unei Instalații pentru Microgravare Comandată Numeric [306183]

Universitatea Politehnica din Bucuresti

Facultatea de Inginerie Mecanica si Mecatronica

Specializarea: Mecanica Fina si Nanotehnologii

PROIECT DE DIPLOMA

Proiectarea unei Instalații pentru Microgravare Comandată Numeric

Prof. Îndrumător : Student :

Ș. L. DR. ING. [anonimizat]

2019

[anonimizat] a fost enuntat prima data in 1916 de catre Albert Einstein. Acesta s-a bazat pe o evaluare a consecintelor legii radiatiei a lui Max Planck si introducerea unor noi concepte: emisie spontana si emisie stimulate.

Primul MASER a fost realizat in anul 1953 de catre fizicianul American Charles Townes in colaborare cu Nikolai Basov si Aleksandr Prohorov din Uniunea Sovietica.[anonimizat].Cei trei au obtinut Premiul Nobel pentru Fizica in 1964.

Theodore Maiman a [anonimizat] 1960.Avea ca mediu avtiv un cristal sintetic de rubin pompat cu pulsuri luminoase generate de o lampa cu descarcare in xenon.Primul laser cu gaz a fost realizat de catre fizicianul Iranian Ali Javan in 1960 folosind un amestec de heliu si neon. Laserul producea un fascicul cu lungimea de unda de 1.15 µm ( infrarosu apropiat) , [anonimizat] 633nm.

Romania a fost a patra tara din lume in care s-au realizat lasere.Au fost in urma rezultatelor unor zcercetari intreprinse de un colectiv condus de Ion I. Agarbiceanu.Aceste rezultate au fost raportate in 1961.

[anonimizat] , [anonimizat]. , viitoarele utilizari ale laserilor sunt numeroase.Astfel se justifica eforturile umane si materiale care se fac pentru dezvoltarea acestui domeniu.

[anonimizat] a [anonimizat].In prezent o buna parte a activitatilor din domeniul laser urmaresc perfectionarea acestor dispositive din punct de vedere tehnologic.

Aparitia laserilor care a [anonimizat]. Pentru multi savanti proiectarea si dezvoltarea primului laser a reprezentat atat verificarea ipotezei teoretice ai lui Albert Einstein ( din anul 1917 ) , care a introdus emisia indusa a luminii , cat si dezvoltarea unor domenii stiintifice ( [anonimizat], electrooptica etc.). Pentru publicul larg laserul reprezinta masurarea exacta a [anonimizat], un instrument de control perfect, o scula care poate prelucra orice material sau chiar raza vietii.

Propietatile specifice radiatiei laser ( [anonimizat], [anonimizat] a fotonilor si posebilitatea de obtinere de pulsuri ultrascurte in cazul functionarii in regim de blocare a modurilor, ofera o [anonimizat].

Capitolul 1: Generalitati

Un dispozitiv MASER (sau LASER) este alcatuit din doua sisteme fizice aflate in interactie : campul electromagnetic dintr-o cavitate rezonanta , respectiv dintr-un rezonator optic si un mediu activ ( situat in aceeasi cavitate , respectiv in acelasi rezonator optic) . Atomii, moleculele sau ionii mediului activ poseda doua nivele energetice a caror diferenta de energie corepunde unei frecvente care este in rezonanta cu una din frecventele propii ale cavitatii rezonante , respectiv ale rezonatarului optic.

Termenul provine din limba engleza, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(amplificarea luminii prin stimularea emisiei de radiație). De cand laserul a fost demonstrat pentru prima dată în 1960, numeroase aplicații de lasere au fost dezvoltate pentru industriile de producție, electronică, de consum și medicală.

Există multe tipuri de lasere, inclusiv lasere cu gaz, lasere cu fibre, lasere de stare solidă, lasere pentru coloranti (un laser tunibil folosind fluorescența unui colorant organic.), lasere diode și lasere excimer.

O instalatie laser reprezinta un echipament tehnic , a carui principala componenta este o sursa laser.

Fig.1.1: Schema de Principiu al unei instalatii Laser

Notatii:

Laser Generator – Generator Unda Laser

Power – Sursa de Alimentare

Diaphragm – Diafragma

Reflector – Oglinda Reflectoare

Focus Lens – Obiectiv de Focalizare

Workpiece – Piesa de Prelucrat

Worktable – Masa de Lucru

Mod de functionare: Sursa de energie ( Power ) alimenteaza generatorul (Laser Generator) care emite doua fascicule paralele a caror directie este directionata printr-un sistem optic ( in cazul de fata alcatuit dintr-o diagrama si un reflector ). Cele doua fascicule sunt apoi reglate cu ajutorul unui obiectiv de focalizare (Focus Lens) si apoi emise pe suprafata de contact a piesei care urmeaza a fi prelucrata(Workpiece) .Piesa este asezata pe o masa de lucru fixa (Worktable).

1.1. Tipuri constructive de instalatii laser

Fig. 1.1 Instalatie laser cu excitatie in mediu activ de CO2

Notatii:

laser beam – raza laser

Output Mirror –

Stimulated Emission – Zona de Emisie si Stimulare

Active Medium – Zona de Excitatie

Rear Mirror –

Un laser in mediu activ de CO2 de mare putere, răcit cu difuzie (denumit si laser plat) promite să înlocuiască laserele in medii active de gaz utilizate în multe aplicații, datorită unei serii de avantaje oferite de designul de bază. Același tip de design este utilizat pentru laserele cu dimensiuni reduse, cu singura diferență fiind un tub de etanșare a gazului.

O clasificare ulterioară reflectă tipul de energie introdusa. În cazul laserelor cu curent continuu (DC), energia electrică este cuplată cu gazul direct de electrozi metalici, între care are loc evacuarea gazului. La laserele cu flux axial, această descărcare are loc în direcția fluxului; în laserele cu flux încrucișat, în general se produce perpendicular pe fluxul de gaz și pe axa rezonatorului.

Laserele DC pot fi produse economic și pot atinge o eficiență generală relativ ridicată, făcându-le cele mai economice alegeri pentru o mare varietate de aplicații.

O varianta similara este :

Fig. 1.1.2: Laserul cu excitatie in mediu activ de CO2 cu flux transversal

Notatii:

Laser Beam – Raza Laser

Output Window –

Tangential Blower – Suflantă tangențială

Output Mirror – Oglindă de ieșire

Fold Mirror –

Gas Flow Direction – Directia de Curgere a gazului

RF Electrodes – Electrozi de Radiofrecvență

Heat Exchanger – Schimbător de căldură

Rear Mirror – Oglinda Retrovizoare

Real–Time Power Monitor – Monitor ce afiseaza Puterea in Timp Real

1.2. Exemple de Aplicabilitate ale Tehnologiilor Laser

Există multe aplicații pentru tehnologia laser, cum ar fi următoarele:

Gama laser de căutare

Prelucrarea informațiilor (DVD-uri și Blu-Ray)

Cititoare de coduri de bare

Operatie cu laser

Vizualizare holografică

Spectroscopie laser

Procesarea materialelor laser:

Tăiere;

Gravare;

Foraj;

Marcare;

Modificarea suprafeței.

Aplicarea indsutriala a laserilor implica o gama larga de domenii, cum ar fii procesarea materialelor, telecomunicatii si de prealuare a informatiilor, detectare si masurare etc.

Cea mai raspandita utilizare a laserilor in industrie este procesarea materialelor care acopera procese comune, inclusiv sudura, taiere, gaurire, care afecteaza propietatile fizice ale unui material.Fasciculul laser actioneaza ca o sursa de caldura in process, si de asemenea, o forma de energie poate fi foarte intensificata prin focalizare.Laseri sunt capabili sa produca concentratii mari de energie datorita monocromantei lor, coerentei , si divergenta scazuta caracteristici rare la surse de lumina obisnuite.Din cauza acestui lucru pot fi folositi pentru a incalzi, topi, si vaporariza materialele.Laserii de mare putere reprezinta unelte ideale pentru multe aplicatii de procesare a materialelor.

Raza laser nu necesita nici un contact fizic cu materialul, prin urmare ale au avantaje fata de alte metode conventionale care implica burghie mecanice sau ferastraie.Este posibil, de asemenea, de a livra un fascicul laser to locatii aflate la distanta si sa incorporam laseri cu masini automate.Cel mai comune materiale utilizate la aplicatiile de procesare pot varia de la metale, ceramice, silicon, plastic etc.

Tehnologia laser a devenit esentiala in tehnologia informatiei si va deveni mult mai importanta in viitor.Laserele cu semiconductor sunt momentan intensiv folosite in aplicatiile legate de procesarea, stocarea si transmiterea de date de mare viteza.Sunt acceptate ca ,, lumina viitorului ”

, datorita compactitatii , integrarea lor usoara si puterilor mari de iesiri.Aceste aplicatii implica o diversitate mare de domenii cum ar fi: telecomunicatiile, discuri optice (Cd si DVD), calcule optice si de afisare.Lumina ofera mai multe avantaje fata de alte tehnologii, are o frecventa mai mare decat undele radio sau TV care sunt modulate de semnale elctrice din sarme de cupru.In dispozitivele optice de stocare, nu exista contact fizic cu mediul, deci prin urmare nu exista uzura sau pierderi prin utilizare frecventa.Propietatile unice ale luminei laser au creat noi domenii de manipulare a informatiei care nu au fost posibile inainte.

Capitolul 2: Clasificare a domenilor de aplicabilitate a laserului

2.1. Medicina

Una dintre cele mai semnificative aplicații ale tehnologiei laser a fost folosirea lor în medicină. Fiind mai rapidă și mai puțin invazivă cu o mare precizie, laserele au pătruns în majoritatea disciplinelor medicale din ultima jumătate de secol, inclusiv în dermatologie, oftalmologie, stomatologie, otolaringologie, gastroenterologie, urologie, ginecologie, cardiologie, neurochirurgie și ortopedie. În multe privințe, laserul a revoluționat diagnosticul și tratamentul unei boli.

Ca instrument chirurgical, laserul este capabil de trei funcții de bază. Când se concentrează pe un punct, se poate căuta în profunzime, pe măsură ce taie, reducând traumatismul chirurgical folosit de un cuțit. Se poate vaporiza suprafața unui țesut. Sau, prin fișiere optice, poate permite adoctorului să vadă în interiorul corpului. Laserele au devenit, de asemenea, un instrument indispensabil în aplicațiile biologice de la microscopia de înaltă rezoluție la nanochirurgia subcelulară.. Sunt incluse patru categorii majore de clasificare a laserilor in medicina: tipuri de lasere, interacțiuni ale țesuturilor laser, terapeutice și diagnostice.

O metodă nouă de diagnosticare este holografia cu laser.Prin înregistrarea mișcărilor res piratorii ale pacientului uman se pot obține informații prețioase despre loviturile inimii în țesuturile din piept și despre mișcările inimii.Prin utilizarea acestei metode se pot evidenția cele mai mici dereglări ale bătăile inimii.

Fig. 2.1: Laborator Holografic Fig. 2.2: Chirurgie Laser

2.2. Știință

2.2.1. Fizică

a) Verificarea Teoriei Relativității Restrânse

Teoria Relativității restrânse se bazează pe postulatul că viteza luminii în vid este un invariant ( valoarea constantei c este cunoscută fără imprecizie )

Viteza luminii a fost stabilită ca și o constantă în urma experienței lui Michelson și Morley, în anul 1887.

În interferometrul folosit raza care se propaga într-un sens sau altul pe direcția de mișcare a sistemului de referință inerțial în care se afla interferometrul suferea o întârziere în valoare de .

Fig. 2.2.1.a: Interferometrul Michelson

b) Interactia foton-electron:

Un caz particular de interactie electromagnetica a doua particule elementare este imprastierea electronilor pe fotonii dintr-un fascicul laser.Luan in considerare intensitatile mari ale radiatiilor laser folosite, se pot face cateva aproximari simplificatoare.

Exemple: 1. Efectul Kapita – Dirac : este un efect mecanic cuantic constând în difracția materiei printr-un val stator de lumină. Efectul a fost inițial prezis ca difracția electronilor dintr-un val stator de lumină de către Paul Dirac și Piotr Kapitsa (sau Peter Kapitza) în 1933.Efectul se bazează pe dualitatea particulelor de undă a materiei, așa cum se arată în ipoteza de Broglie din 1924.

c) Ecoul fotonic:

Experimental, excitarea unui sistem prin doua pulsuri de energie , separate printr-un interval de timp (t.) are ca si urmare emiterea spontana a unui al treilea impuls de catre sistem , dupa acelas interval de timp t. intre cele doua pulsuri anterioare.

Cel mai vechi fenomen cunoscut de acest tip este ecoul de spin nuclear observat de E. L. Hahn in anul 1950.Atunci cand se aplica doua impulsuri de camp magnetic , care oscileaza resonant unei probe cu un continut ridicat de atomi paramagnetici , situate intr-un camp magnetic constant , nucleele paramagnetice generau un semnal de ecou.

Fig.2.2.1.c: Principiul de baza al ecoului fotonic

Pulse 1,Pulse 2 – Cele doua pulsuri de energie

FID

TE/2 ; TE

Spin Echo – Ecou fotonic

d) Intersectii de nivele atomice si moleculare:

Acest fenomen de intersectie de nivele atomice, sau moleculare, se manifesta prin interferenta spatiala a raditiilor emise de atomi sau molecule care apare cand doua nivele cu strctura fina sau hiperina ale unor stari atomice sau moleculare se intersecteaza prin aplicarea unui camp electric sau magnetic extern.

Se observa atunci cand doua subnivele se apropie la o distanta energetica egala ( sau inferioara ) largimii naturale a nivelului respectiv.Cu alte cuvinte , fenomenul ia nastere atunci cand cele doua subnivele pot fi excitate coerent prin absorbtia aceluiasi foton.

Pentru o valoare a campului extern la care apare intersectia de nivele se constata o modificare a distributiei unghiulare a intensitatii radiatiei de fluorescent emisa.

Folosirea laserilor in studiul intersectiilor de nivele, tipuri de excitare:

Series a fost primul care a efectuat un studio teoretic al intersectiilor de nivele cu radiatie monocromatica; In experientele intersectiilor de nivele , excitarea este de tip “ broad – band “ ( largimea spectrala a radiatiei care excita este mare comparativ cu largimea naturala a nivelelor ce se intersecteaza).

Prin folosirea radiatiei laser, excitarea este de tip “ sharp – line “ : largimea spectrala a radiatiei excitatoare este mica comparativ cu largimea naturala.

e) Spectroscopie:

Un fascicul laser poate fi folosit la analiza unor zone foarte mici de pe suprafața unei probe. Fasciculul laser, focalizat cu ajutorul unui microscop în zona de analizat, vaporizeză o cantitate mică de probă, dând naștere unui crater semisferic cu 46 diametrul de ordinul 50 μm. Atomii din vaporii rezultați sunt apoi excitați cu ajutorul unei scântei electrice produsă între doi electroni plasați deasupra probei. Această tehnică poartă numele de microanaliză spectrală cu laser. Metoda permite analiza interiorului celulelor individuale chiar în organismele vii. Se pot analiza de asemenea incluziuni în metale și minereuri.

Fig.2.2.1.d: Schema cinematica

Figura precedenta ilustrează sistemul optic al unui aparat analizor. Fasciculul luminos emis de MEMS-VCSEL, cu o gamă largă de lungimi de undă reglabile, este împărțit în trei fascicule de către splitter-ul fasciculului și apoi ajunge la fotodetectoare. Primul fascicul trece prin celula de gaz care conține gazul de eșantion înainte de a ajunge la fotodetectorul 1. Al doilea fascicul traversează celula de gaz pentru calibrarea lungimii de undă, în care este etanșat gazul metan și iradiază fotodetectorul 2. Lungimea de undă curățată de laser este calibrată automat pozițiile de vârfuri abrupte de absorbție specifice metanului. Al treilea fascicul merge direct în fotodetectorul 3 și este folosit ca referință pentru intensitatea luminii laser.

2.3. Aplicatii militare:

Operațiunile militare necesită deseori o transmitere sigură și în timp util a unei cantități masive de informații de la un loc la altul. Până în prezent, armata sa bazat pe spectrul de frecvențe radio pentru o comunicare eficientă, vulnerabilă la amenințările la adresa securității și susceptibilă la interferențe electromagnetice (EMI). De asemenea, acest spectru este presat pentru a îndeplini cerința de lățime de bandă curentă pentru imagini de înaltă rezoluție, conferințe video în aer și transfer de date în timp real. Prin urmare, accentul sa mutat la spectrul vizibil și în infraroșu utilizând tehnologia laser care este capabilă să furnizeze transfer de date securizat din cauza imunității sale la EMI. Probabilitatea de a intercepta un semnal laser este foarte scăzută datorită divergenței înguste a fasciculului și a fasciculului optic coerent, făcând laserul un candidat potrivit pentru operațiunile tactice militare sigure. În afară de aspectul de comunicare, natura extrem de direcționată a unui fascicul laser este, de asemenea, utilizată ca arma laser cu energie orientată. Aceste arme laser cu energie extrem de puternică și cu dimensiuni reduse, sunt contramăsuri foarte eficiente din punct de vedere al costurilor pentru amenințările pe calea aerului. Mai mult, senzorii laser sunt utilizați pe câmpul de luptă sau în spațiu pentru a urmări calea unei game largi de vehicule militare, cum ar fi rachete, vehicule aeriene fără pilot, avioane de luptă, nave de război, submarine și așa mai departe.

Aplicarea laserilor in aceste conditii speciale , a fost cautata inca de la aparitia laserilor in 1960.Primul laser inventat, cele cu rubin, a fost dezvoltat creat de Hughes Aircraft Company care are mari implicatii militare.Compania este de fapt cea mai mare interprindere de electronica pentru aparare din S.U.A. Primul contact dintre activitatile militare si laserul a fost in anul 1965.

Aplicabilitatea laserilor cu corp solid , cu gaz si chimici porneste de la sisteme tactice pana la cele strategice.

Fig. 2.3.1: Laserul cu Rubin

Clasificarea aplicatiilor laser in domeniul militar:

Aplicatii tactice:

– locatoarele optice : Utilizarea regiunii optice a undelor electromagnetice poate realiza localizarea prin intermediul laserului a anumitor obiective.Preocupari pe viitor in acest domeniu sunt reprezentate de folosirea luminii in calitatea de mijloc de reperare si spuraveghere.

– telemetrie : masurarea distantelor reprezinta cea mai importanta aplicatie imediata a laserilor.Pentru masurarea distantelor foarte mari cu precizie ridicata se opteaza pentru utilizarea laserilor cu solid.

Exemplu: in cadrul Programului Apollo – 11, distanta dintre Pamant si Luna a fost determinate cu o precizie de ± 0.15 m.

Telemetrele se imparte in trei categorii:

a) Telemetre sol-sol

b) Telemetre sol-aer

c) Telemetre aer-aer si aer-sol.

– iluminataore si sisteme de ghidare a proiectilelor : in cazul unui razboi de mica distanta se foloseste laserul cu mediu active solid este folosit pentru identificarea obiectivelor inamice. Aparatul lumineaza tinta care este identiicata si lovita cu un proiectil lansat pe fasciculul reflectat de tina iradiata.

– recunoastere pe timp de noapte: exista sisteme laser complexe pentru vederea in infrarosu in mediu nocturn.Fotografiile obtinute au aceeasi claritate ca cele obisnuite.

– observarea satelitilor : se utilizeaza acest tip de sisteme pentru urmarirea sau chiar recunoasterea satelitilor straini.

– traiectograful si sisteme de control al zborului : un telemetru cu laser de corp solid poate indica pozitia in trei dimensiuni.Acesta este folosit pentru zborurile de incercare al avioanelor si elicopterelor.

Exemplu: Traiectograful TTY – 17 produs de firma Compagnie Generale d’Electricite;are mediul activ din sticla dopata cu Nd , impulsul are o frecventa de repetitie de 800 Hz , campul de vizare este de 20ș si bataia de 3 km.

– comunicatii secrete la o mica distanta : dispozitive de emisie – receptie cu celule laser cu GaAs , ce permit comunicatii numai intr-o directive precizata si la mica distanta;acest aspect asigura secretul operatiei.

Aplicatii strategice :

– apararea antiracheta : acest dispoztiv este alcatuit dintr-un sistem lidar perfectionat care transmite un semnal la calculatorul situat la centrul de comanda al zborului si pe fasciculul laser este lansata o racheta ghidata de energia reflectata de pe racheta inamica.

– declansarea bombei cu hidrogen : in ultimii sase ani a fost reusita amorsarea unei reactii termonucleare controlata cu ajutorul laserilor pulsati cu sticla dopata Nd si cu ajutorul laserilor C in regim TEA (…).Rezultatele se limiteaza la volume si timpi de mentinere a reactiei in lant relativ mici, dar limita teroretica pentru amorsarea reactiei in lant de durata nu este departe.

Avantajele acestei metode: – simplitatea ;

– costul redus al instalatiei ;

– siguranta sporita;

– prelucrarea informatiei: prelucrarea optica a informatiei mareste imens posibilitatea calculatoarelor. Memoriile optice, modulatia de cod impulsuri,ghidurile de lumina sunt domenii de cercetare ce se afla direct in interesul sistemelor de aparare.

2.3.1. Aparate de masurare a distantelor cu unde lasere si sisteme de tintire

In mediul câmpului de luptă, termenele de timp dintre identificare, urmărire și fotografiere sunt foarte importante pentru a asigura succesul continuu al luptătorilor. Acest lucru necesită îmbunătățirea indicării, direcționării și desemnării capacităților în timpul operațiunilor militare. Dispozitivele de căutare cu raze laser și indicatorii țintă folosesc tehnici de scanare sau vizionare cu rezoluție înaltă pentru a determina distanța și viteza de la un obiect care se află dincolo de intervalul gol. Aceste dispozitive sunt utilizate în mod tradițional pentru controlul vizual, tridimensional (3D), poziționarea sau controlul nivelului. LRF folosește principiul timpului de zbor pentru măsurarea timpului de deplasare între transmițător și țintă. Ele pot oferi o gamă de măsurare, de la câțiva metri până la zeci de kilometri. Aceste lasere emit pulsuri scurte de durată de aproximativ 10 ns cu rate de repetare scăzută a impulsurilor, de exemplu 1-20 Hz, utilizând lungimi de undă optice care dau o pierdere scăzută a transmisiei atmosferice. Acest echipament este în general încorporat cu egalizatoare termice și sisteme de răcire având în vedere o gamă largă de temperaturi în mediul câmpului de luptă.

Modul de utilizare al laserului in operatiuni militare

2.3.2. Teledetecție cu ajutorul laserului

Radar cu laser sau LADAR (denumirea adoptată de Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST)) sau LIDAR (denumirea adoptată de US DoD) este o tehnică activă de teledetecție EO (imagistică și cartografiere 3D) care funcționează pe același principiu ca și radarul , proiectați un fascicul laser (pulsatoriu sau continuu) peste domeniul de interes necesar și procesați semnalul reflectat sau împrăștiat pentru a determina distanța, folosind principiul timpului de zbor. În comparație cu radarul tradițional RF, radarul laser oferă o precizie sporită în măsurarea intervalului, viteza și deplasarea unghiulară. În plus, compoziția materială a țintei poate fi de asemenea determinată prin măsurarea anumitor proprietăți ale luminii reflectate, cum ar fi schimbarea Doppler. LIDAR este, în general, utilizat pentru ținte moi cum ar fi detectarea chimică sau a gazelor, în timp ce LADAR este utilizat pentru obiective tari. Aceste sisteme EO pot fi clasificate în funcție de tipul tehnicii de detecție, tehnica de modulare / demodulare, lungimea de undă de operare laser, interferometrul (în radar laser coerent), datele colectate, măsurătorile care urmează a fi realizate etc. Progresul tehnologic a condus la dezvoltarea de sisteme sofisticate de tip EO cu precizie sporită și sensibilitate crescută la lumina spate-scatter.

2.3.3. Sisteme de comunicatii prin laser

Odată cu noile tendințe aduse de războiului electronic, operațiunile militare solicită capacitatea de bandă largă cu cel mai înalt nivel de securitate. În zilele noastre, operațiunile tactice sunt activate cu volume mari de imagini ISR ​​și date video care sunt transferate de la locurile de sesizare la câmpul de luptă. De asemenea, accesul la informații critice livrate soldaților pe câmpul de luptă poate schimba situatia de război. Din acest motiv, comunicarea cu laser, cunoscută și sub denumirea de optică spațială liberă (FSO), este o alegere bună datorită frecvenței sale ridicate de purtare, latenței ultra-scăzute și imunității față de radiația EM. Aceste legături permit comunicației LOS între două părți să aibă o probabilitate foarte mică de detectare, interceptare sau exploatare (LPD / LPI / LPE). LPD înseamnă împiedicarea unui inamic să detecteze transmisia, în timp ce LPI împiedică inamicul să atingă informațiile. LPE este preocupat de prevenirea exploatării semnalelor cauzate de spoofing, sniffing, decodificare sau monitorizare a poziției. Exploatarea implică utilizarea datelor transmise pentru scopuri de inteligență sau contra-inteligență. Natura ascunsă a acestei tehnologii face ca fasciculul laser să fie rezistent la blocare sau spargere, ceea ce este esențial pentru operațiile militare.

Diverse situatii pentru interceptarea unui fascicul laser: (a) interceptarea receptorului plasat între emițătorul și receptorul intenționat; (b) interceptarea receptorului plasat în spatele receptorului pentru a capta o parte a scurgerii fasciculului datorită divergenței fasciculului și (c) ecranul de blocare plasat în spatele receptorului pentru a reduce probabilitatea de interceptare. [..

Interceptarea unui fascicul laser necesită atingerea semnalului de informație utilizând un dispozitiv de detectare în calea semnalului transmis. Este aproape dificil să se intercepteze o transmisie laser fără a perturba sistemul, datorită divergenței înguste a fasciculului optic. Deoarece cea mai mare parte a semnalului se încadrează în suprafața detectorului, interceptarea semnalelor blochează calea de transmisie rezultând o scădere semnificativă a nivelului de putere recepționat și, prin urmare, ridicarea unei alarme pentru detectarea intruziunilor. În consecință, din motive de securitate, este preferată o grindă cu divergență îngustă a fasciculului, deși provoacă dificultăți în direcționarea și alinierea fasciculului cu un receptor îndepărtat. Pentru a rezolva acest lucru, scuturile de blocaj ajută la minimizarea probabilității de interceptare.

2.3.4. Arme laser

Armele cu laser sunt utilități eficiente și puternice de contramăsuri împotriva oricărei forme de amenințări externe, inclusiv amenințări militare la sol sau spațiu. Acestea oferă mai multe avantaje față de sistemele convenționale de arme. Deoarece fasciculele laser se deplasează la viteza luminii, acestea oferă transferul informațiilor soldului imediat în timp real după detectarea țintei. Coerența grinzilor laser asigură o energie foarte concentrată, care determină distrugerea fizică a structurilor, prin transformarea energiei laser în termică. Deoarece aceste dispozitive sunt alimentate sau reîncărcate în mod constant prin stocarea de energie chimică / electrică, acestea au capacitatea de a angaja mai multe ținte cu mai puține componente mecanice în mișcare. Laserele arme oferă soluții promițătoare și rentabile pentru misiunile tactice, spre deosebire de rachetele balistice convenționale. Costul incremental per lovitură pentru rachetele balistice este, în esență, costul muniției consumate, în timp ce, pe de altă parte, armele cu laser consumă numai energie. Aici, costul pe împușcare este egal cu costul combustibilului chimic sau al combustibilului necesar producerii energiei electrice, ceea ce este mult mai mic decât armele convenționale. De asemenea, aceste arme de energie direcționate oferă precizie excepțională de precizie, care rezultă cu mici daune colaterale și permite utilizarea de lasere pentru aplicații letale sau non-letale.

Arme laser pentru aplicații la sol, spațiu și maritim

Armele cu laser sunt clasificate pe baza nivelului de energie / putere: arme de mare, medie sau joasă energie. Unii experți clasifică, de asemenea, armele cu laser în funcție de impactul lor operațional, așa cum se arată în figura 8. Acestea se disting în trei zone largi, variind de la blocarea senzorilor până la distrugerea dispozitivelor optoelectronice și, în cele din urmă, distrugerea structurii mecanice complete. Laserele cu energie scăzută oferă de obicei mai puțin de 1 kW de putere și sunt utilizate în sistemele de simulare a armelor pentru antrenament sau pentru blocarea senzorilor în sistemele de comunicații sau pot fi utilizate în modul anti-personal împotriva ochiului uman. Utilizarea acestor arme cu laser pentru viitoarele operațiuni militare tactice va schimba radical situația câmpurilor de luptă; aceste lasere sunt mai silențioase și mai puțin detectabile pentru ca inamicul să se ferească de ele. Lăzile cu energie medie produc 10 kW până la 100 kW de putere și sunt utilizate pentru distrugerea dispozitivelor optice sau optoelectronice pe terenuri sau ținte bazate pe spațiu. Laserele cu mare putere (HEL) generează o putere mai mare de 100 kW și sunt utilizate pentru sistemele antiaeriane sau antirachetă. Având viteza luminii, aceste lasere oferă un timp de cuplare scurt pentru ținta, în funcție de teren și viteza țintă. Multe țări, cum ar fi SUA, Rusia, China, Europa, India și Germania, efectuează cercetări ample cu privire la HEL pentru apărare marină sau apărare aeriană. HEL, datorită costurilor ridicate și structurii mai voluminoase, va fi probabil limitată la protecția obiectivelor costisitoare de tehnologie ridicată, cum ar fi bazele aerian și marinar, posturile de comandă de nivel înalt și transportatorii de aeronave.

Clasificarea armelor laser:

– laser cu energie redusa ( folosite la distrugerea senzorilor )

– energie medie ( distrugerea exhipamentelor optoelectronice )

– energie ridicata ( distrugerea materialelor si structurilor )

2.3.5. Alte aplicatii in domeniul militar

Laserele sunt folosite în numeroase alte aplicații, cum ar fi iluminatorul câmpului de luptă, modificatorul de vreme, proiectoarele holografice și difuzoarele de putere. Dispozitivele de iluminare cu laser sunt dispozitive mici și ușoare care oferă cea mai bună viziune de noapte, pentru a ajuta soldații să ilumineze țintele pentru sistemele de recunoaștere. De asemenea, asigură o achiziție îmbunătățită a țintă, o aterizare eficientă în condiții de condiții de iluminare scăzută, o siguranță sporită în timpul nopții pentru siturile sensibile și sporește infiltrarea și exfiltrarea echipelor speciale de operare. Viitoarele bătălii pot necesita o iluminare a câmpului de luptă bazată pe spațiu pentru a îmbunătăți vizibilitatea în zonele țintă întunecate din orice poziție satelit dată. Acest lucru ar necesita un sistem precis de indicare atât pentru situl satelit cât și pentru sol, care trebuie iluminat pentru a permite calcularea unui vector de indicare a fasciculului laser. Aceste lasere funcționează, în general, în lungimi de undă de la 0,8 μm la 0,9 μm pentru sistemele de vizibilitate pe timp de noapte și de la 8 μm la 12 μm (IR) pentru sistemele IR (FLIR) cu vedere la înainte.

O altă dimensiune în care laserele pot îmbunătăți capacitatea militară în viitoarele operațiuni de câmp de luptă este utilizarea sa ca modificator de vreme. Întrucât vremea joacă un rol dominant în operațiunile militare, orice capacitate de a controla această situație poate aduce o schimbare semnificativă în scenariul de război. Laserele pot fi folosite ca modificatori de vreme folosind surse de energie direcționate; ele oferă apoi suficientă energie pentru regiunea localizată a atmosferei pentru a-și schimba vremea. Programul de Cercetare Aurorală Activă înaltă (HAARP) desfășoară diverse experimente utilizând frecvențe electromagnetice pentru a analiza comportamentul ionosferei, pentru a îmbunătăți capacitățile de comunicare și supraveghere militară în scopuri de apărare.

2.4. Aplicatii in Inginerie:

De la prelucrarea, stocarea si transmiterea informatiei pana la modificarea straturilor de material la dimensiuni de pana la ordinul micrometrului si nanometrilor, aplicabilitatea laserului a suferit o crestere segnificativa in decursul ultimilor ani. Pintre cele mai populare domenii de activitate in care laserul a devenit un instrument extreme de apreciat se numara: prelucrarea materialelor, transmiterea si stocarea de informatii, industria medicala, aplicatii militare , aplicatii optice , comunicatii etc.

2.4.1. Debitarea cu ajutorul laserului

a) Decupare rapidă cu laser a metalelor subțiri: De la apariția laserilor cu fibre de mare putere cu un singur mod de lucru, vitezele de tăiere de peste 100 m / min pot fi obținute cu ușurință pe o traiectoie dreaptă. Rezultatele tăierii prin fuziune prin laser a foilor metalice subțiri cu o fibră de un singur mod de 2 kW și un laser de 4 kW vor fi introduse. Mai multe grosimi de plăci electrice, foi de aluminiu și foi de oțel de înaltă rezistență au fost tăiate cu viteze maxime de 150 m / min. A fost analizată calitatea tăierii în ceea ce privește aspectul de tăiere, formarea burrajului și lățimea șanțului. În cazul tăierii conturului 2D, vitezele de tăiere mari nu pot fi realizate datorită decelerării și accelerării constante a mașinii de tăiat. Vor fi prezentate două concepte alternative care ajută la realizarea vitezelor mari de tăiere pe o tăietură a conturului: primul concept schimbă mișcarea mașinii pentru structurile filigranale la axele liniare dinamice grele dinamice, în timp ce al doilea concept pretinde să utilizeze gazele de tăiere și permite, prin urmare, galvanometru cu oglinzi rapide pentru a deplasa fasciculul laser.

a.1) Decupare laser liniar rapida: Materiale cele mai utilizate la acest proces sunt otelul aelectric si aluminiu.Principalul motiv pentru tăierea oțelului electric și a aluminiului cu laserul este acela de a califica o tehnică alternativă de tăiere care va putea înlocui tăietura mecanică de forfecare care cauzează diverse probleme cum ar fi uzura sculelor și deteriorarea suprafeței materialului benzii. Ambele materiale sunt tipice pentru materialul de bandă care trebuie tăiat și tăiat în benzi pentru o prelucrare ulterioară într-un mod foarte rapid. Datorită durității ridicate, oțelul de înaltă rezistență poate fi tăiat numai cu ajutorul unei scule fără contact ca laserul.

Fig.4.a.1
De la stanga la dreapta: oțel electric 300 μm 1,2 kW SM, oțel de înaltă rezistență 800 μm 2,5 kW MM, Al 500 μm 1,0 kW SM

a.2) Decupare a unui contur 2D: – Tăietor de Formă Dinamică (High Dynamic Form Cutter)

Conceptul de tăietor de formă dinamică mare este acela de a reduce dramatic masele în mișcare la mai puțin de 2 kg printr-o integrare a axelor liniare rapide în capul de tăiere (fig.2).Plicul de lucru este de 60 mm până la 60 mm în direcțiile x și y, cu o accelerație maximă de 3g respectiv 20 mm în direcția z [6]. Astfel, viteza medie de tăiere este de până la trei ori mai mare decât o mașină convențională bazată pe axe carteziene. Creșterea depinde de așa-numita agilitate (fig.3) , ​​care este un grad de finețe a unui anumit contur. Agilitatea este definită ca suma tuturor unghiurilor unui contur împărțită la suma tuturor lungimilor care este egală cu factorul de

agilitate cu unitatea [° / mm] [5].

Fig. 4.a.2 Schema cinematica

Fig. 4.a.3 – Tăiere cu laser la distanță (Remote laser cutting)

Tăierea laser la distanță utilizează un laser cu fibră optică cu o calitate a fasciculului unic, care permite tăierea sau mai degrabă ablația fără gaz de tăiere, asigurând densitatea de putere necesară la punctul focal. Procedeul este caracterizat printr-o ablație ciclică a materialului de tăiere tăiat așa cum este prezentat în figura 4. Procedeul utilizează un amestec de material topit și vaporizat în zona de proces. Adâncimea de ablație unică depinde de material, puterea laserului, intensitatea laserului, viteza de alimentare și canelura existentă [7].

Nu mai este nevoie de un cap convențional de tăiere cu laser, precum și de axe carteziene, care este utilizat pentru mișcarea relativă între laser și piesa de lucru. De fapt, axele galvanometrice rapide preiau mișcarea fasciculului laser rezultând viteze de traiectorie pe piesa de lucru de până la 1000 m / min (figura 5). În funcție de grosimea materialului sunt necesare mai multe treceri laser. Ca urmare, grosimea materialelor de la 0,05 până la 0,5 mm pentru multe materiale metalice utilizate în industrie poate fi tăiată la distanță prin intermediul unui laser cu fibră de un singur mod cu viteze finale cuprinse între 50 și 1000 m / min. Figura 6 prezintă viteza de tăiere rezultată pentru o putere diferită a laserului și o dimensiune identică de focalizare pentru o singură viteză de tracțiune de 1000 m / min în funcție de grosimea materialului pentru tăierea oțelului inoxidabil (1.4301)

Fig. 4.a.4: Ablația ciclică a tăierii laser la distanță.

Fig. 4.a.6: reglarea vitezei ( se face in functie de material si de puterea laserului)

Există mai multe dezavantaje în comparație cu tăierea convențională a fuziunii.Pot apărea crestaturi pe partea superioară a colii în loc de partea de jos. În al doilea rând, viteza extrem de ridicată a unei singure căi laser produce deviații de contur care pot fi reduse atât prin strategii de tăiere inteligente, cât și prin anticiparea planificării traseelor. De asemenea, câmpul de lucru este limitat la 100 mm la 100 mm, ceea ce este încă suficient pentru majoritatea pieselor metalice tipice de îndoire și îndoire.

Fig.4.a.7 : Piese debitate cu laser

2.4.2.Gravarea cu Laser

La gravarea cu laser suprafața piesei prelucrate este topită și vaporizată cu ajutorul căldurii produse de raza de laser. Se vorbește în acest context despre "material îndepărtat". Gravura produce astfel o adâncitură pe suprafața piesei prelucrate.

Avantaje ale procedeului :

– Adecvat pentru o gama larga de materiale : gravura cu laser este o metodă de prelucrare foarte versatilă. Cu ajutorul efectului căldurii pot fi prelucrate multe materiale diferite. Lemn, hârtie, carton, textile, materiale plastice șamd. pot fi gravate sau tăiate cu ajutorul unui aparat cu laser ;

– Utilizare simplă : Materialul grafic pentru gravare este transmis de regulă cu ajutorul unui software gravură cu laser direct din programul grafic către gravorul cu laser. Rezultă astfel o procesare simplă a datelor, care permite efectuarea de modificări rapide pe ecran. În plus, funcția de poziționare a laser software ajută (cuvânt cheie "Nesting") la reducerea pierderii de material la decupare.

– Precizie inalta : Gravura laser este una dintre cele mai precise metode de prelucrare din domeniul gravării. Cu până la 1000ppi (= 39 pixel per mm) pot fi gravate cu precizie lucrări grafice detaliate chiar și pe cea mai mică suprafață a materialului ;

Fig. 4.2.1: Operatia de gravare cu laser

2.4.3. Proiectarea structurilor 3D

Utilizarea unui laser asistat chimic este o metodă folosită pentru a produce structuri 3D în substraturi. Lumina laser este utilizată pentru a activa o reacție fotochimică. Pe de o parte, laserul activează materialul și, pe de altă parte, excită gravarea. Experimentele pot avea loc la presiune atmosferică.

Kazuyuki Minami , in colaborare cu altii , a utilizat un laser Nd: YAG cu undă continuă cu o unitate de comutare Q pentru gravarea asistată de laser (LAE) de siliciu. Laserul a funcționat în mod continuu, deoarece particulele create cu comutare Q au fost create în jurul zonei gravate. In mod similar s-au investigat gazele de gravare, HCI, SF6, NF3 și CF4. Autorii au observat că pC-Si poate fi încălzit și gravat mai repede decât substratul n-Si. Atunci când gravarea a avut loc în prezența HCl și în NF3, nu a existat formarea de particule sau redepunerea. Structurile Al s-au gravat în HCI, dar nu au fost în NF3.

Armacost , in colaborare cu altii, a folosit laserul excimer la 193 nm pentru a grava polisiliciu în atmosferă de CF3Br, CF2Cl2 și NF3. Nu a existat aproape nici o gravare cu CF2Cl2, unele au fost obtinute in mediu de corodare cu CF3Br, iar profilul neted a fost obținut cu NF3.

Barada K. Nayak a raportat gravarea siliciului și germaniului după iradiție cu laser femtosecond în hexafluorură de sulf (SF6) și acid clorhidric (HCl). S-au obținut caracteristici cu dimensiuni în domeniul nanometrului. Figura afisata anterior prezintă imagini SEM ale structurilor formate pe suprafața siliciului prin 240 de impulsuri laser de durată de 130 fs, la 0,6 J cm2 în 40 kPa de (a) SF6 și (b) HCI.

Capitolul 3:Dezavantaje intalnite in gravarea cu laser

3.1 Căi de optimizare a texturii suprafetelor libere cu ajutorul unui laser de tip CNC

1) Descrierea Problemei:

Texturarea cu laser și gravarea cu laser a suprafețelor libere formează o alternativă interesantă a proceselor de tip EDM și micro-frezare în fabricarea matrițelor. Rata de îndepărtare a materialului din acest proces este de obicei foarte scăzută, iar aria maximă de lucru este limitată de domeniul maxim de deplasare al capului de scanare galvanometric și de deformarea maximă a scanerului sau de curbura suprafeței.

Ca o consecință, pentru a produce suprafețe mari sau libere, un set de deplasări ale capului de scanare față de piesa de lucru trebuie să fie calculat și controlat de CNC. Numărul acestor destinații de plasare poate fi destul de ridicat datorită cantității reduse de material eliminată în fiecare dintre acestea, iar timpul neoperator petrecut pentru mutarea capului de scanare poate fi relevant în comparație cu timpul total. În această lucrare se propune o metodă bazată pe soluția problemei vânzătorului călător, cu scopul de a optimiza numărul de deplasări ale capului de scanare și, în general, pentru a reduce numărul de mișcări ale axelor controlate numeric.

Metoda care ține cont atât de arhitectură, cât și de caracteristicile dinamice ale unui sistem CNC cu 5 axe a fost implementată în software-ul CALM (Computer Aided Laser Manufacturing) folosit pentru programarea traseului laser pentru texturarea pieselor și aplicat în cazuri industriale.

Aplicarea tehnologiei laser în procesele de fabricație a crescut foarte repede în ultimii ani. Multe procese termice cum ar fi sudarea, tăierea, dar și frezarea folosesc acest tip de sursă de căldură. Producția laser are multe avantaje decât prelucrarea tradițională: viteza și precizia mai mari sunt garantate datorită caracteristicilor fizice ale radiațiilor laser și metodei de lucru fără contact. Cu toate acestea, diferențele dintre tehnologia laser și prelucrarea convențională provoacă unele probleme specifice și critice datorită naturii interacțiunii dintre instrument și suprafața brută. În frezarea convențională, materialul este îndepărtat datorită forțelor de forfecare schimbate între unelte și piesă de lucru. Tehnologia laser interacționează cu materialul printr-un proces termic care încălzește materialul până la temperatura de evaporare sau peste pragul de ablație.

O problemă importantă a texturii laser (LT- Laser Texture) este evidentă atunci când laserul funcționează prin căi suprapuse.

Fig. 4.2.2.a) Diferenta dintre frezarea CNC cu freza si cu laser

– Eroare cauzata de căile suprapuse.

In figura este arătata o zonă de lucru tipică suprapusă și eroarea generată în timpul prelucrării cu laser în comparație cu o prelucrare tradițională.

Pentru a rezolva problema menționată, o partiție a zonei de lucru este necesară, dar generează și alte probleme cum ar figestionarea mișcărilor de deplasare a fasciculului laser sau a capului de scanare. Numărul de destinații de plasare poate fi adesea foarte mare, în ordinea mii și trebuie repetat pentru fiecare strat prelucrat. Soluția problemei căilor suprapuse necesită o abordare strategică pentru a anticipa și a controla timpul general de prelucrare.

Se propune implementarea Problemei vânzătorilor de călătorii (TPS- Traveling Salesman Problem) în scopul minimizării timpului de antenă al unei operațiuni LT.

2) Incercari anterioare:

Problema TPS este o problemă deja cunoscută în domeniul cercetării operative. O descriere și formularea acestei probleme vor fi discutate în secțiunile următoare. Multe aspecte privind minimizarea căii sau găsirea celui mai ieftin circuit, dacă costul nu este o lungime și este exprimat printr-o formulă, poate fi urmărit de către TSP și poate fi folosit un algoritm de rezolvare a acestuia.

La început, atenția pentru optimizarea proceselor tradiționale de măcinare s-au axat pe optimizarea timpului de lucru, astfel încât productivitatea a crescut. În mod succesiv, interesul de a reduce timpul de prelucrare a fost concentrat asupra timpului de emisie, care nu este un parametru productiv și reduce eficiența și randamentul recuperării procesului de prelucrare. Acest timp este relevant atunci când trebuie să fie procesate zone mici și o mulțime de puncte, așa cum au fost discutate în [1] de Castelino si altii..

O primă implementare pentru reducerea traseului în timpul tăierii cu laser a materialului imbricat a fost discutată de Han și Na [2]; ei au dezvoltat un algoritm simplu pentru a găsi soluția optimă. Alte aplicații ale algoritmilor cu scopul de a reduce timpul de deplasare sunt propuse de Oysu și Bingul [3] prin intermediul unui algoritm hibrid genetic pentru reducerea timpului de emisie, sau de către Kolahan și Liang [4] care au luat în considerare nu doar timpul de deplasare, ci și timpul petrecut pentru schimbarea sculei și uzura sculei și întreținerea.

Autorii au testat soluția adoptată pe un obiect de formă liberă folosind o mașină CNC cu cinci axe și descrisă în paginile următoare. În literatura științifică, mai multe articole au abordat problema prelucrării unei forme libere și a problemei generate folosind un CNC cu 5 axe. De exemplu, în lucrarea lui Lazoglu și colab. [5] sa optimizat nu numai lungimea căii ci și forța generată de instrument în timpul prelucrării. Un al doilea articol al lui Stanislav Makhanov [6] descrie optimizarea traseului uneltei de frezat cu 5 axe și în acest caz mișcările uneltelor au fost parțial rezolvate.

Autorii au testat soluția adoptată pe un obiect de formă liberă folosind o mașină CNC cu cinci axe și descrisă în paginile următoare. În literatura științifică, mai multe articole au abordat problema prelucrării unei forme libere și a problemei generate folosind un CNC cu 5 axe. De exemplu, în lucrarea lui Lazoglu și colab. [5] sa optimizat nu numai lungimea căii ci și forța generată de instrument în timpul prelucrării. Un al doilea articol al lui Stanislav Makhanov [6] descrie optimizarea traseului uneltei de frezat cu 5 axe și în acest caz mișcările uneltelor au fost parțial rezolvate.

3) Un sistem de producție laser cu ajutorul calculatorului (Computer Aided Laser Manufacturing:

Autorii au prezentat deja în [8] un Computer Aided LASER Manufacturing System, care a fost numit CALM. Este un software CAM proiectat special pentru fabricarea laserului (frezare și textură) pentru a garanta o prelucrare corectă a mașinii CNC cu 3 sau 5 axe. Acest software a fost dezvoltat în limba C ++ și poate fi folosit pe diferite sisteme de operare disponibile pe piață.

În continuare, a fost implementat un instrument software în CALM pentru rezolvarea problemei TPS.

3.1 ) Teoria triunghiurilor de plasare:

CALM procesează suprafețele de intrare și generează două triunghiuri, aplicând un algoritm clasic propus de Piegl în [7]. Prima triangulație este generată minimizând eroarea chordală pentru a aproxima cu precizie suprafața brută reală și a evita erorile în timpul prelucrării; astfel o mare densitate de triunghiuri caracterizează această primă triangulare.

Un al doilea tip de triangulare, care reprezintă plasarea capului de scanare, este creat pe piesa brută pentru împărțirea zonei de lucru și rezolvarea problemei descrise în secțiunea anterioară. Aceste triunghiuri au o arie mai mare decât celălalt, deoarece nu au nevoie să se apropie cât mai mult suprafața părții prime. Parametrii care determină dimensiunea zonei de triunghiuri de plasare depind de capacitatea de focalizare a capului de prelucrare și de geometria suprafeței libere a formei. Acestia sunt:

• Distanța de focalizare.

• Laser la fața locului.

• Curbura suprafeței brute.

• Prezența raportului de adâncime / lățime mare.

Un alt aspect care trebuie luat în considerare pentru generarea triunghiurilor de plasare este rata de îndepărtare a materialului (MRR- Material Removal Rate ): de obicei, este posibil să se îndepărteze aproximativ 1 μm de material pentru o singură plasare pe fiecare strat. O repetare a triangulării plasării pe fiecare strat determină o eroare recursivă care este evidentă la marginea fiecărui triunghi al suprafeței prelucrate cu laser. Din acest motiv, partea brută este împărțită în straturi și apoi poate fi calculată o triangulare de plasare diferită pentru fiecare strat, deoarece altfel nu este posibilă garantarea celei mai înalte calități a suprafeței prelucrate.

3.2) Fișierele de ieșire:

CALM produce următoarele fișiere de ieșire pentru toate dispozitivele sistemului de frezare laser cum ar fi:

• PROIECT. JOB: conține lista fișierelor HPG în ordinea în care trebuie executate.

• Fișiere HPG pentru capul de scanare, aceste fișiere conțin coordonatele geometrice pe care este pornit sau oprit sursa și mișcările celor două oglinzi galvanometrice ale capului.

• Fișierele PP.ISO descriu mișcarea axelor CNC în codul G. Minimizarea numărului de deplasări privește fișierul PP.ISO, deoarece calea instrumentului este inclusă în el.

• PARAM.PRO conține parametrii de procesare pentru sursa laser.

3.3) Traveling Salesman Problem

Geometria părții prime este împărțită în straturi de catre CALM și fiecare dintre ele este triangulată pentru rezolvarea problemei suprafețelor suprapuse. Pentru a minimiza timpul de deplasare între triunghiuri, autorii au analizat algoritmii propuși pentru a rezolva problema Vânzătorului călător (TSP). TSP constă în a vizita un set de clienți, o singură dată,

țintă minimizează lungimea traseului (timpul de difuzare). Clienții pentru CALM sunt centrul de gravitație al triunghiurilor de plasare.

4. Programul Concorde:

Concorde nu este un algoritm, ci un program dezvoltat în codul C ANSI pentru rezolvarea problemelor TSP. A câștigat mai multe premii în rezolvarea unor situații mari [13] și poate fi considerată starea de artă a solverilor TSP. Concorde găsește de obicei o soluție bună în câteva secunde pentru o instanță cu mii de vârfuri și prezintă un decalaj mic decât soluția matematică optimă. Software-ul este gratuit pentru domeniul de cercetare și este disponibil sub formă de cod sursă sau ca program ușor de utilizat. În această lucrare sa adoptat codul sursă. Concorde conține mai mult de 700 de funcții, poate rezolva diferite tipuri de TSP și utilizează algoritmi diferiți pentru a găsi cât mai rapid posibil soluția mai bună.Acesta se bazează pe algoritmul euristic Lin-Kernighan înlănțuit.

Capitolul 4: Solutii constructive

4.1. CNC

Un exemplu de instalatie laser pentru gravare:

Fig. 4.2: Schema de principiu

Din punct de vedere functional o instalatie laser pentru microgravare poate fi considerate o masina CNC (agronim pentru Comanda Numerica cuplata la Calculator).

Termenul in limba engleza , Computer Numerical Control , sau CNC este un sistem versatil care permite utilizatorului să controleze mișcarea uneltelor și pieselor prin date numerice. Aplicarea mașinii CNC este de a efectua diverse sarcini de prelucrare prin utilizarea codurilor G. G-codul este limba de programare coordonată punct-la-punct utilizată în mașina CNC pentru a acționa uneltele în direcțiile x, y și z pentru a realiza mișcarea rapidă, interpolarea liniară, interpolarea în sens orar sau în sens contrar acelor de ceasornic etc. – teritoriile instrumentului de mașină. În mașinile procesate, mașinile CNC sunt utilizate în general pentru presa de foraj, mașină de prelucrare, unitate de concasare, laser, mașină de prelucrare a tablelor, mașină de răsucire a tubului și așa mai departe. Între timp, procesele CNC fără mașini constau în mașini de sudură (îndoială și rezistență), mașini de înfășurat și mașini de răsucire a fibrelor pentru mașinile de măsurat direcția compozitelor și electronice.

În prezent, mașina CNC poate fi găsită în orice domeniu al unităților de producție care include și procesul de prelucrare cu laser. Dispozitivul laser Nd-Yag poate fi utilizat ca sursă externă de laser pentru a fi încorporat cu orice tip de mașină CNC cu laser; un astfel de exemplu poate fi găsit în laboratorul de mașini al Universității din Malaya, care utilizează dispozitivul laser Nd-Yag ca sursă externă de laser încorporată cu mașina CNC cu laser CO2. Poate că există limitări în sistemul de coordonare atunci când sursa externă este forțată implementată într-o sistemul fabricat prin fabricare, de exemplu, atunci când operatorul laser cu laser și Nd-Yag sunt solicitați de către utilizator să fie folosiți în același timp pentru scopuri diferite. Prin urmare, se poate realiza o structură CNC substituibilă cu costuri eficiente pentru a interfața cu modulul laser Nd-Yag separat, astfel încât utilizatorul să poată efectua un experiment în mod individual fără a întrerupe mașina CO2 CNC costisitoare. Prin urmare, odată cu dezvoltarea rapidă a tehnologiei laser, noi cercetări pe tematică laser găsite aproape în fiecare lună în lume și provin mai ales din instituțiile de învățământ superior. Universitatea din Malaya nu are nici o excepție. Multe proiecte în curs de desfășurare și viitoare privind experimentul cu laser Nd-Yag sunt planificate în departamentul de inginerie mecanică. Cu toate acestea, datorită lipsei mașinii CNC Nd-Yag, multe proiecte trebuie amânate. Prin urmare, proiectarea și dezvoltarea acestei mașini CNC pot facilita cercetările Nd-Yag. Tabelul CNC este potrivit pentru oricine necesită tăiere cu laser, gravare sau sudare sarcină. Deși, pentru anumite situații, utilizatorul poate cumpăra o mașină nouă, dar prețul este încă scump. Consumatorii, cum ar fi studenții sau muncitorii și chiar universitatea sau colegiul, nu pot avea un buget complet pentru a cumpăra aceste mașini. Pe de altă parte, unul dintre obiectivele semnificative ale acestui proiect este de a proiecta și de a construi o mașină CNC cu costuri reduse și ușor de utilizat, care ar putea fi cea mai bună soluție pentru a depăși mașinile CNC costisitoare. Acest proiect se va concentra pe proiectarea practică a mașinii CNC care poate fi folosită ca instrument de atelier pentru scopuri educaționale la scară industrială mica.

4.1.1 Metodologie

Un prototip construit pentru acest proiect include direcția liniară, adică în mișcarea axei x și y. Deplasarea maximă pentru mișcarea de translație la axa x este de aproximativ 50 cm, iar la axa y este de aproximativ 40 cm. Software-ul K-cam este folosit pentru a controla parametrii mașinii. Mașina CNC este construită în trei etape; a) construirea cadrului mecanic, b) asamblarea sistemului electric și c) instalarea sistemului de control și de calcul.

Modelarea cadrului mașinii CNC în 2d și 3d a fost realizată utilizând SolidWorks. Prin calcularea cuplului pentru sarcina solicitată a fost selectat motorul pas cu pas adecvat, iar materialul de construcție utilizat pentru construirea prototipului include profilul mașinii din aluminiu (de 40 x 40 mm, 40 x 60 mm și 30 x 30 mm). Principalele componente utilizate pentru construirea mașinii sunt: ​​a) pas cu pas NEMA 23 2-ph, b) placă de control cu ​​trei axe pentru motoare pas cu pas, c) cuplaje cu arborele motor, d) întrerupătoare de limitare, d) microfoane și e) leadscrews

4.1.2 Proiectarea și implementarea sistemului

Rama de mașină CNC cu dimensiunea selectată a profilului mașinii este construită într-o structură asemănătoare cubului, așa cum se arată în figura.

Figura 4.2: Vedere izometrică a cadrului mașinii CNC

Figura 4.3. Structura reala

Această structură a fost aleasă deoarece poate oferi un spațiu de lucru mare în mijlocul unei structuri asemănătoare cu cubul pentru ca utilizatorul să efectueze tăierea cu laser a furnicăturilor etc. Experimentele și fasciculul roșu din figura 1 reprezintă calea laser selectată pentru a utiliza laserul Nd-Yag dispozitiv în etapa ulterioară de dezvoltare a sistemului. Acest design este similar cu cele trei monturi de aluminiu atașate împreună, formând forma tip H pe partea superioară a cadrului structural al cubului. Fiecare montare este alcătuită din două tije cilindrice și un ghidaj liniar pentru a permite mișcarea în direcție liniară bidirecțională. Ghidajul liniar al șinelor este ușor și rigid, utilizat în mod frecvent în mașini automate, cum ar fi mașina CNC, pentru a realiza o mișcare rapidă. În prezent, există patru tipuri de ghidaje liniare disponibile pe piață ca

i) șurub acmei,

ii) șurub cu bile,

iii) antrenarea curelei de distribuție

și iv) ghidajele liniare,

fiecare având avantajul și dezavantajul lor. Din punct de vedere al costului, motorul linear este cel mai scump dintre cele patru tipuri. Pe de altă parte, centura de distribuție are cea mai scăzută precizie din cauza spatelui și a oboselii care poate cauza probleme în special pentru poziționarea aplicației. După luarea în considerare a costurilor și a preciziei, șurubul cu bile sau șurubul acme se potrivesc nevoilor noastre de proiectare. Deoarece ne îndreptăm atenția asupra designului unei mașini CNC simple și ușor de utilizat, ghidaje liniare cu șuruburi acme sunt utilizate în dezvoltarea mașinii CNC.

4.2. Tehnologia de gravare cu laser punctată și problema de control

În producție există o clasă largă de echipamente pe bază de lasere care funcționează în modul de impuls cu frecvență de impulsuri în intervalul larg de 40 – 1000 Hz. Există câteva domenii de utilizare a unui astfel de echipament: placarea cu impulsuri laser cu impulsuri pulsarea cu laser; marcarea (desenarea informațiilor privind detaliile produsului); Dar cel mai adesea, așa cum sa spus deja, procesarea pulsului, în special cu frecvență joasă, este tipică pentru o gravare în medii transparente.

Caracteristica principală a controlului impulsului mașinii constă în necesitatea asigurării unei sincronizări stricte între impulsurile laserului și mișcarea pe conturul procesării. Schema de mai jos ilustrează interacțiunea dintre sistemul de control și mașina de impuls în timpul procesării. În partea dreaptă există o diagramă a semnalelor de control care sunt furnizate de un sistem de control și semnalele reciproce ale laserului.

. Schema sistemelor de control al interacțiunii cu aparatul laser cu impulsuri.

Fig. 4.2.1 : Instalatie laser in momentul functionarii ( dreapta )

Graficul Semnalului ( stanga) [13]

Etapele interacțiunii elementelor mașinilor în timpul procesării punctului sunt prezentate pe diagrama secvențelor (prezentata mai jos). Următoarea secvență de transmitere a semnalelor:Sistemul emite semnale de mișcare ("Pas") asupra hranei de transmisie până la atingerea următorului punct stabilit în programul de operare.

Mișcarea se oprește, apoi semnalul ("Strobe") comandă modulul laser pentru a seta rezonatorul într-o stare activă.

Sistemul așteaptă un semnal laser ("Confirmare") cu privire la procesarea cu succes a punctului în momentul următorului impuls de pompare, apoi începe noul ciclu (trecerea la următorul punct de desen).

Diagrama secvenței de livrare a semnalelor de comandă și secvența de transmitere a semnalelor pilot în timpul procesării punctului.

Schema descrisă prezintă principala caracteristică a controlului procesării impulsurilor: sistemul trebuie să sincronizeze mișcarea fasciculului cu impulsuri de emisie. Astfel, frecvența impulsurilor de pompare trebuie să se mențină cu o anumită eroare admisibilă (altfel energia și divergența fasciculului vor fi insuficiente pentru prelucrarea punctuală). Lipsa sincronizării mișcării cu semnale periodice în sistemul NC cauzează opriri în punctele procesate. Aceasta conduce la necesitatea de a implementa mișcările cu cel mai simplu profil de accelerare și frânare cu o viteză zero la începutul și la sfârșitul unui bloc NC așa cum este arătat în figura 3.

Aici min, nom, max – punctele de timp care definesc admiterea pentru livrarea impulsurilor de pompare. Din această schemă rezultă că o parte considerabilă a timpului de procesare are loc cu o viteză mai mică decât cea nominală, ceea ce conduce la pierderea productivității. O încercare de trecere a punctelor între puncte fără accelerație și frânare va duce la creșterea încărcărilor dinamice și chiar la defectarea mișcării din cauza opririi rapide a transmisiilor.

Astfel, problema dezvoltării unui nou algoritm de control al mișcării pentru prelucrarea cu laser punctată este detaliata.

4.3. Abordarea controlului mișcării ținând cont de sincronizarea cu emisia laser

4.3.1. Sincronizarea dintre mișcarea și impulsurile laser

Principala problemă a algoritmului de bază al accelerației și decelerării în timpul procesării cu impulsuri punctuale este necesitatea de a se opri în punctele procesate. Prin urmare, găsirea vitezei maxime între blocuri nu este suficientă, iar algoritmul de control al mișcării ar trebui să aibă o caracteristică importantă – sincronizarea între impulsuri de mișcare și laser pentru a elimina opririle în punctele procesate. Sincronizarea implică faptul că traiectoria dintre cele două puncte de operare trebuie să fie trecută o perioadă determinată de frecvența nominală a impulsului și de eroarea admisă. În acest caz, impulsurile lămpii de pompă sunt generate de sistemul de comandă, nu de ceasul intern al laserului.

Să luăm în considerare schema care arată lanțul algoritmilor de sincronizare cu privire la înainte și în sincronizare în modulul de accelerare / decelerare al sistemului NC (figura 4).

Flux de lucru al modulului de accelerare / decelerare.

Înainte de a începe să se deplaseze în bloc, sunt setați parametrii de accelerare / decelerare. După aceea se efectuează numărarea ciclurilor de interpolare necesare pentru trecerea blocului și se verifică următoarele condiții:

1. Numărul de cicluri corespunde cu cea mai apropiată fereastră de toleranță a frecvenței pentru pompa cu laser.

2. Numărul de cicluri este mai mare sau egal cu n_nom + n_max_syn. Aici n_nom este numărul de cicluri corespunzătoare unui număr întreg de perioade de impulsuri cu frecvență nominală; n_max_syn este numărul de cicluri care corespund perioadei pentru frecvența maximă admisă a pulsului lămpii de pompare.

A doua opțiune este asociată faptului că primul impuls din bloc poate fi făcut cu o frecvență crescută.

Dacă una dintre aceste condiții este îndeplinită, parametrii de mișcare sunt considerați valabili și procesul de analiză a blocului se oprește. În caz contrar, se efectuează o ușoară scădere a fluxului final de blocare și se repetă procesul de verificare. Dacă furajul final este zero, alimentarea nominală este redusă. Cu această metodă iterativă putem determina parametrii de mișcare ai procesării blocurilor, sincronizați cu temporizarea pulsului laser.

Rezultatul inițial și final al corecției profilului de accelerare / decelerare sunt ilustrate în figurile urmatoare.

Corecția profilului de alimentare permite atingerea punctului de lucru exact în fereastra de timp a impulsului laser. Parametrii de procesare, cum ar fi frecvența laserului, eroarea permisă de frecvență, accelerația maximă a axelor etc. pot fi personalizate de către operatorul de sistem. Aceasta permite găsirea unui echilibru optim de performanță și calitate a procesării experimentale.

Fig. 4.1.3.2. Optimizarea programului de control pentru un timp minim de procesare

Pentru rezultatul gravării punctate setul de puncte este mai important decât ordinea lor. Punctele din programul de control pot fi înlocuite în mod arbitrar pentru a optimiza timpul de execuție a programului. Atunci când se folosește controlul simplu al mișcării cu așteptare, astfel de modificări ale programului de control nu dau prea mult efect, deoarece stopul se efectuează în toate punctele. De asemenea, programele de control pentru gravare sunt inițial optimizate pentru lungimea totală minimă a căii.

4.2. ACSYS Lasertechnik

Firma ACSYS Lasertechnik din Germania este lider mondial în construcția unor mașini deosebit de performante, care acoperă următoarele tipuri de prelucrări: marcare, gravare 3D, tăiere, sudare, durificare.

Mașinile de prelucrat cu laser sunt comandate de calculator și pot prelucra imagini și modele 3D realizate cu oricare dintre programele CAD cunoscute. În plus, sistemul software al mașinii are încorporat un modul propriu de proiectare și de prelucrare a celor mai complexe imagini.

Firma a realizat pași importanți în domeniul Reverse Engineering (relevare). Pentru aceasta a dezvoltat o tehnică proprie și echipamente specifice de scanare 3D. Modelele scanate cu o rezoluție deosebit de ridicată (1µm) pot fi prelucrate, scalate și transferate direct echipamentului de prelucrare cu laser.

Fig. 4.2.1 Instalatia de Prelucrare cu Laser ( sus OYSTER;jos SHARK, ORCA)

Mașinile de prelucrat cu laser sunt realizate într-o gamă largă de tipodimensiuni, de la mașina de prelucrat cu laser de birou (OYSTER), până la mașini care pot prelucra piese cu mase de sute de kilograme, chiar mai mari (SHARK, ORCA).

Operațiile de prelucrare cu laser se pot aplica oricărui material: oțeluri, inclusiv oțeluri călite, aluminiu, mase plastice, materiale ceramice, diamant, marmură, granit, lemn, sticlă, textile, hârtie, materiale organice etc. Precizia de prelucrare depinde de configurația echipamentului laser, dar se pot obține detalii care pot fi vizibile doar la microscop. Pentru a avea o idee asupra rezoluției de prelucrare, materialul prelucrat se evaporă pe straturi (layere) care pot avea grosimi de 0,1µm, până la sutimi de milimetru.

Exemplu de prelucrari cu laser :

– Marcare: marcare, etichetare, coduri de bare și matrice de coduri pentru toate domeniile; piese auto,

rulmenți, instrumente de măsură, instrumente medicale, scule, industria alimentară, bijuterii etc.

– Gravare 3D: Ștanțe și matrițe pentru monede, medalii, icoane, bijuterii etc. Gravarea se poate

executa pe oțeluri călite, pe oțeluri inoxidabile, pe materiale ceramice, chiar și pe diamant. (b)

– Tăiere: Tăiere și decupare de mare finețe, fără bavuri. Se pot decupa table, dar și piese cilindrice sau

profilate din orice materiale. (c)

– Sudare: Suduri de mare finețe, dar cu o rezistență foarte ridicată la solicitări mecanice. Se pot suda

oțel cu oțel, plastic cu plastic, dar și cupluri de materiale diferite. (d)

– Texturare și Durificare: Aplicarea texturilor pe piese, dar și pe matrițe deja gravate, asigură o mai

bună vizibilitate 3D, precum și o galerie de nuanțe. Pe oțeluri inox, prin modificări de parametri,

se pot realiza regiuni colorate intens, dar și durificări superficiale. (e)

– Scanare 3D: Scanarea unor modele originale, dar și a unor master-modele permite obținerea

modelelor CAD 3D care pot fi prelucrate, scalate, oglindite, apoi pot fi gravate pe piese sau pe

matrițe.

Fig. 4.2.2. Elemente realizate prin prelucrarea cu laser

Mașinile de prelucrat cu laser sunt prevăzute cu sisteme inteligente de poziționare directă și precisă a imaginii zonei ce urmează a fi prelucrată pe piesă sau pe semifabricat (Live Adjust System – LAS). Prezența uneia sau a două camere de luat vederi în zona de prelucrare, permite afișarea detaliată a piesei, eventual cu o tehnică integrată de zoom digital. Imaginea ce urmează a fi marcată sau gravată poate fi vizualizată pe ecran, dar și pe piesa de prelucrat, ca o proiecție de culoare roz. Imaginea se poate scala, translata sau roti pentru o poziționare în zona dorită pentru prelucrare. Prelucrarea se face cu precizie în zona previzualizată, iar pentru poziționare, fie se deplasează piesa (masă cu poziționare în două axe, sau masă rotativă cu una sau două axe) sau prin deplasarea imaginii (de ex. cu ajutorul mouse-ului).

Fig. 4.2.3 Sistemul LAS cu două camere de luat vederi și succesiunea operațiilor; cu ajutorul camerelor se poate observa în direct, pe monitorul calculatorului, procesul de prelucrare.

Pentru gravare cu adâncimi mari, mașina este echipată cu un sistem de control continuu al adâncimii de gravare (Online Depth Control – ODC). Modulul ODC măsoară adâncimea gravurii, efectiv, fără contact și controlează adâncimea țintă exactă a laserului. Precizia de înlăturare a straturilor de material este de sub 1µm.

Totodată, mașina poate fi prevăzută cu un sistem de focalizare dinamic (Dynamic Focus Control – DFC). Acesta permite modificarea punctului de  focalizare a razei laser în timpul procesului de prelucrare. Ca urmare, suprafețe complexe pot fi procesate fără distorsiuni optice și fără a compromite calitatea piesei prelucrate

Fig. 4.2.4. Principiile de lucru ale sistemelor ODC și DFC

Operațiile de prelucrare cu laser pot fi automatizate. Pentru aceasta, un sistem opțional de recunoaștere a formelor (Optical Part Recognition – OPR), poate identifica forma piesei, poziția și orientarea acesteia, urmând să realizeze prelucrarea în locul predefinit. Sistemul este recomandat pentru marcarea și gravarea pieselor care trec pe bandă prin fața capului de prelucrare cu laser.

Fig. 4.2.4. In dreapta este prezentat programul prin care se utilizeaza instalatia;in stanga este fotografiata instalatia

Pentru prelucrări de mare precizie, unele mașini (ex. Piranha micro) pot fi realizate cu structura de bază din granit. Acestea au o mare stabilitate dinamică și termică și se recomandă pentru prelucrarea pieselor cu grad ridicat de repetitivitate. Cu astfel de mașini se pot aplica  pe piese elemente de securitate greu reproductibile (ex. matrițe pentru ștanțarea monedelor etc.). Mașinile de precizie sunt prevăzute cu encodere liniare absolute.

Deoarece prelucrarea cu laser presupune topirea materialului și vaporizarea acestuia, eliminarea vaporilor rezultați și a reziduurilor din prelucrare se asigură cu ajutorul unor sisteme de evacuare de mare putere, care rețin reziduurile în filtre speciale. Pentru a proteja personalul de operare, mașinile sunt prevăzute cu ecrane și vizoare speciale, care permit vizualizarea zonei de lucru fără a dăuna vederii.

Mașinile de prelucrat cu laser sunt destinate industriilor de automobile, aeronautică, instrumente și dispozitive medicale, ștanțe și matrițe, bijuterii, scule, instrumente de măsură, mase plastice, sticlă, mobilă, industria alimentară etc.

Capitolul 4: Memoriu Tehnic.Calculul principalelor elemente constructive

4.1. Calculul transmisiei prin curele

Transmisiile prin curele sunt transmisii mecanice, care realizează transmiterea mișcării de rotație și a sarcinii, de la o roată motoare la una sau mai multe roți conduse, prin intermediul unui element flexibil, fără sfârșit, numit curea.

Transmiterea mișcării se poate realiza cu alunecare (la transmisiile prin curele late sau trapezoidale) sau fără alunecare (la transmisiile prin curele dințate).

Transmiterea sarcinii se realizează prin intermediul frecării care ia naștere între suprafețele în contact ale curelei și roților de curea (în cazul transmisiilor cu alunecare) sau prin contactul direct dintre dinții curelei și cei ai roții (în cazul transmisiilor fără alunecare).

O transmisie prin curele se compune din roțile de curea – conducătoare 1 și condusă 2 – elementul de legătură (cureaua) 3 (fig.4.1.1), sistemul de întindere și apărători de protecție.

Forța necesară de apăsare a curelei pe roțile de curea se realizează la montaj, prin întinderea (deformarea elastică) curelei.

Fig. 4.1.1. Transmisia prin curele

Elemente geometrice

Geometria roților, a curelelor și a transmisiilor prin curele este dependentă de tipul transmisiilor prin curele: curele late netede, curele late dințate, curele trapezoidale.

Transmisii prin curele late netede. Geometria curelei și a roților de curea este reglementată prin standarde, unul pentru dimensiunile curelei, respectiv altul pentru principalele dimensiuni ale roților de curea.

Transmisii prin curele late dințate (sincrone). Curelele acestor transmisii au o geometrie specială, deoarece transmiterea momentului de torsiune se realizează prin angrenarea dinților curelei cu cei ai roții, între care trebuie să existe o compatibilitate geometrică.

Dantura curelei poate fi dispusă pe o parte (fig. 4.1.2, a) sau pe ambele părți (fig. 4.1.2, b).

Fig. 4.1.2 Caracteristicile geometrice a curelor

Sunt prezentate elementele geometrice principale:

pasul p – distanța dintre axele de simetrie ale doi dinți consecutivi, măsurat pe porțiunea rectilinie a curelei;

lungimea de divizare (primitivă) Lp – lungimea măsurată pe linia de divizare (linia pe care cureaua își păstrează lungimea constantă, chiar în situația înfășurării pe roți);

lățimea b – dimensiunea transversală a curelei;

înălțimea totală hc.

înălțimea dintelui hz – distanța dintre linia de cap și cea de picior a dintelui;

lățimea piciorului dintelui sz

lățimea piciorului dintelui sz.

Roțile curelelor dințate, asemănătoare roților dințate, au principalele elemente geometrice prezentate în fig. 3.29. Acestea sunt:

diametrul primitiv Dp, definit prin relația Dp1,2 = mz1,2, în care m este modulul danturii;

diametrul de cap de, definit prin relația de1,2 = m(z1,2 – x1,2);

raza de rotunjire a capului dintelui r1 = k1m;

raza de rotunjire a piciorului dintelui r2 = k2m;

înălțimea capului dintelui h = y

Geometria transmisiilor prin curele se studiază pe baza următoarelor ipoteze: cureaua este perfect întinsă, este neelastică și cu grosime mică; viteza oricărui punct al curelei este aceeași.

Geometria transmisiilor prin curele se analizează separat, în funcție de poziția relativă a axelor arborilor între care se transmite mișcarea, în continuare studiindu-se transmisiile cu axe paralele și ramuri deschise.

Unghiurile de înfășurare ale curelei pe cele două roți ( fig.3.2 ) se determină cu relațiile:

1    2 ; 2    2 (4.1) în care γ rezultă din triunghiul O1O2A

sin   D2  D1

2 A

 rad; (3.

( 4.9. )

In cartile de specialitate alegerea distantei dintre axe depinde de tipul curelei:

– transmisie prin curele late

0.75 – la transmisiile prin curele late tip compound

0.7 () 2() – la transmisiile prin curele trapezoidale

0.5 () + 2m 2() –transmisii prin curele dintate ( sincrone )

Observatie: În relațiile (3.2)…(3.9), pentru transmisiile prin curele trapezoidale, respectiv dințate, se fac înlocuirile D1  Dp1, respectiv D2  Dp2. În calculele practice, după alegerea distanței dintre axe preliminară și a diametrelor D1 și D2 = iD1, cu relația (3.8) se calculează lungimea necesară a curelei, pentru realizarea acestei distanțe dintre axe. Pentru calculul distanței dintre axe definitive, cu relația (3.9), se ține seama de tipul curelei, astfel:

– pentru curelele late lise (netede) se poate accepta lungimea calculată și adăugându-se capetele ce trebuie îmbinate (v. subcap. 3.2.3), se obține, în final, distanța dintre axe acceptată inițial;

– pentru curelele late dințate (curele continui), lungimea calculată (v. rel. (3.8)) trebuie rotunjită (de regulă în plus) până la o valoare care să corespundă unui număr întreg de pași; este necesară recalcularea distanței dintre axe definitivă;

– pentru curelele trapezoidale, lungimea calculată se aduce la o valoare de lungime standardizată (cureaua este continuă) și se recalculează distanța dintre axe.

La curelele dințate, dacă se cunosc numerele de dinți z1 și z2 ai roților și numărul de dinți ai curelei (zc = L/p – număr întreg ales), relațiile de calcul a lungimii curelei (3.8) și a distanței dintre axe (3.9) se pot scrie sub forma:

( 4.10. )

( 4.11. )

Verificare a numarului de dinti active ai rotii aflati in angrenare cu cureaua:

( 4.12. )

Calcule:

– Dimensionare:

a) Pasul surubului: p = 3 mm.

Latimea curelei: b = 13 mm.

Grosimea curelei: H = 1.5 mm.

Modulul curelei m = 2 mm. Se alege din catalog.

Se aleg din catalog in functie de cureaua aleasa urmatoarele:

Inaltimea dintilor: h = 1.3 mm.

Grosimea minima a dintelui: s = 0.5 mm.

Unghiul la varf al dintelui: θ = 20 ș

Distanta dintre linia de fund al dintelui si axa cablului: α = 0.3 mm.

Distanta dintre axele rotilor : A = 65 mm.

z – numarul de dinti

– diametrul cercului de constructie ;

q – coeficientul de corectie ;

q = 0.15

– numarul de dinti ai curelei

= 2 z + 0.15

Din catalog am ales o roata dintata cu numar de dinti egal 23.

Rezulta: = 2 23 + 0.15 = 46.15 mm.

Se alege de dinti.

Rezulta: L =

L = 2 65 +

L = 130 + ( 1 – 0.012 ) + 163.83 + 0.01

L = 293,5 .

b) Pasul surubului: p = 3 mm.

Latimea curelei: b = 13 mm.

Grosimea curelei: H = 1.5 mm.

Modulul curelei m = 2 mm. Se alege din catalog.

Se aleg din catalog in functie de cureaua aleasa urmatoarele:

Inaltimea dintilor: h = 1.3 mm.

Grosimea minima a dintelui: s = 0.5 mm.

Unghiul la varf al dintelui: θ = 20 ș

Distanta dintre linia de fund al dintelui si axa cablului: α = 0.3 mm.

Distanta dintre axele rotilor : A = 50 mm.

z – numarul de dinti

– diametrul cercului de constructie ;

q – coeficientul de corectie ;

q = 0.15

– numarul de dinti ai curelei

= 2 z + 0.15

Din catalog am ales o roata dintata cu numar de dinti egal 20.

Rezulta: = 2 20 + 0.15 = 40.15 mm.

Se alege de dinti.

Rezulta: L =

L = 2 50 +

L = 100 + ( 1 – 0.012 ) + 100.4 + 0.01

L = 202 mm.

4.2. Calculul transmisiei prin surub – piulita

Trebuie parcursi urmatorii pasi:

1. Alegerea profilului filetat. Pentru prese se alege profil trapezoidal sau ferastrau iar pentru cricuri filet se utilizeaza trapezoidal.

Tabel 1.Valorile pentru filetul trapezoidal

2. Alegerea materialului surubului si piulitei si stabilirea valorilor rezistentelor admisibile la toate solicitarile tijei surubului, respective spirelor.

De exemplu: pentru surub se alege otel iar pentru piulita o fonta ( tabelul 4 ) sau un bronz ( tabelul 5). In functie de materialul ales se stabileste presiuna de contact admisibila si coeficentul de freacare ( tab. 6).

Tabel 2.Valorile pentru filetul ferastrau

Tabel 3. Oteluri de constructii , oteluri carbon de calitate si oteluri aliate – rezistente admisibile.

Tabel 4. Fonte cenusii si grafit nodular

Tabel 5. Bronzuri

Tabel 6. Tensiuni admisibile si coeficienti de frecare.

3. Dimensionare: Se calculeaza din solicitarea la presiunea de contact a spirelor.

( 4.12. )

Se mai poate utiliza si urmatoarea varianta:

– coeficientul inaltimii spirei

– coeficientul lungimii filetate a piulitei

; m – lungimea filetului piulitei

Coeficientul are valori cuprinse in intervalul 1.2 ≤ ≤ 2.5 .

Uzual se foloseste valoarea = 1.8

Dupa ce am obinut valoarea lui se determina valoarea diametrului nominal d ( se alege din tabel in functie de tipul constructiv ). Se alege filetul de diametrul imediat superior decat cel din calcul.

Din table se aleg si celalate elemente geometrice.

Dupa definitivarea filetului si alegerea filetului standard se calzuleaza numarul de spire ( z).

Trebuie sa indeplineasca conditia : 6 ≤ z ≤ 11.

4. Alegerea numarului de inceputuri ( in functie de scopul transmisiei )

a) La cricuri ( unde se impune conditia de autofranare) se alege un surub cu un singur inceput;la prese se aleg , in functie e destinatia concreta, doua , trei sau un singur inceput.

b) Pentru filetele cu mai multe inceputuri se pun in evidenta , pe langa pasul aparent P , pasul eliciei directoare .

; n – numarul de inceputuri.

5. Verificarea la autofranare ( daca este ceruta )

6. Verificarea spirelor: atat la surub cat si la piulita se verifica incovoiere si forfecare.

7. Verificarea tijei surubului: se verifica la solicitari compuse , si la flambaj.

8. Calculul randamentului transmisiei.

Calcule:

– Dimensionare (pentru surub) :

Materialul tijei : OL 50

Corespunzator materialului tijei: se alege intre 40……60 N/

F – forta de strangere

= 60 N/

F = 1400 N

Rezulta :

Se alege din catalog un surub M9 care are = 5.44 mm. si d = 6.5 mm.

– Verificare:

– La solicitari compuse :

rezistenta minima la compresiune pentru materialul surubului ( cu concentratori de ternsiune )

Capitolul 5: Proiectarea Instalatiei

5.1. Elemente constructive

5.1.1. Elemente de actionare

a. Motoarele electrice:

Au fost utilizate patru motoare electrice pas cu pas. Motoarele sincrone pas cu pas sunt destinate transformării impulsurilor de urent, în deplasări unghiulare sau liniare discrete, numite pași. Motoarele pas cu pas pot îndeplini funcția de decodificator al semnalelor liniare, utilizate în tehnica comenzilor numerice, permițând realizarea unor sisteme automate discrete fără necesitatea prezenței unei legături de reactie. Această proprietate se bazează pe faptul că se stabilește o corespondență riguroasă, univoca între informația primită sub formă de impulsuri și deplasarea sau numărul de pași pe care îi execută rotorul.

Avantajele principale ale acestor tipuri de motoare sunt:

• convertesc direct și univoc într-o deplasare determinată semnalele electrice fără a fi nevoie de reacție;

• au o gamă largă de viteze, mai ales în domeniul valorilor mici, uzual între zero și cîteva zeci de mii de pași/sec.;

• prezintă o revoluție excelentă a mișcării obiectului reglat, deoarece deplasarea se realizează cu pași mici, precizie de poziționare și rezoluție mari;

• memorează poziția finală a obiectului reglat, uneori chiar și după deconectarea de la sursă;

• sunt compatibile cu comanda numerică;

• gamă largă a frecvențelor de comandă;

• permit porniri, opriri, reversări fără pierderi de pași.

Principalele dezavantaje ale motoarelor pas cu pas sunt:

• unghi de pas, deci increment de rotație, de valoare fixă pentru un motor dat;

• viteză de rotație relativ scăzută;

• putere dezvoltată la arbore de valoare redusă;

• randament energetic scăzut.

Fig. 5.2.1: Motorul electric

b. Cureaua dintata de transmisie :

Dintre dezavantajele acestor transmisii se pot menționa: capacitate de încărcare limitată; dimensiuni de gabarit mari, comparativ cu transmisiile prin roți dințate; forțe de pretensionare mari, care solicită arborii și reazemele; raport de transmitere variabil, ca urmare a alunecării curelei pe roți; sensibilitate mărită la căldură și umiditate; durabilitate limitată; necesitatea utilizării unor dispozitive de întindere a curelei.

Unele dintre dezavantajele transmisiilor cu alunecare sunt anulate de transmisiile prin curele dințate. Astfel: mișcarea se transmite sincron, vitezele unghiulare ale roților fiind constante și ridicate; randamentul mecanic este mai ridicat; pretensionare mai mică la montaj, deci o solicitare redusă a arborilor și lagărelor. Principalele dezavantaje ale transmisiilor prin curele dințate sunt legate atât de tehnologia de execuție, mai pretențioasă, atât a roților de curea dințate cât și a curelelor, cât și de costurile montajului.

Fig. 5.2.2. Una din cele doua curele dintate si roti dintate

Fig. 5.2.3. A doua transmisie cu roti dintate

c. Rotile dintate:

O roată dințată este o roată care are „dinți” de-a lungul circumferinței sale pentru a angrena una sau alte roți dințate sau piese similare ale unui mecanism mai complex cu scopul de a realiza transmiterea forței de-a lungul unei direcții tangențiale la suprafețele ambelor. O roată ne-dințată poate realiza transmiterea, într-o oarecare măsură, a unei forțe tangențiale, dar are utilizări limitate deoarece la forțe mari se produc fenomene de alunecare (sau patinare) și de deteriorare ale roții

a)

b)

Fig. 5.2.4. a ) Roata Dintata 2 (3D)

b) Schita 2D a Rotii Dintate 2

d . Surub – piulita:

Transmisia surub-piulita, alcatuita dintr-un surub si o piulita, aflate in miscare relativa in timpul functionarii, realizeaza transmiterea si transformarea miscarii si a fortei.

Ca principale avantaje ale folosirii transmisiei surub-piulita se pot enumera: constructia si executia relativ simple, precizia buna, functionarea fara zgomot, gabaritul redus, posibilitatea transmiterii unor forte relativ mari.

Ca principal dezavantaj se mentioneaza existenta unor frecari importante intre spirele filetelor, care determina randamente mici, uzuri mari (care conduc in timp la jocuri mari) si, in consecinta viteze de lucru limitate.

Fig. 5.2.6. Surub Piulita

e. Surub – pe directia z

Fig. 5.2.7

d. Dioda Laser :

Pentru aceasta instalatia am ales un modul laser , denumirea lui din catalog Laser Linie 5mW 650nm achizitionat de la Unda Technologies.

Fig. 5.2.8: Imaginea din catalogul magazinului UndaTechnologies

Caracteritici tehnice:

Lungime Unda:650nm

Putere:5mW

Tensiune lucru:3 – 5V

Dimensiune:12x12x35mm

Forma laser: linie

Pentru a obtine o fixare cat mai sigura a diodei in suport am proiectat si un cilindru exterior la imprimanta 3D.

Fig. 5.2.3 Dioda Laser fara Suport

Fig. 5.2.4 Dioda Laser Prinsa in Suport.

Fig. 5.2.5 Dioda Laser Inainte sa fie Montata pe Instalatie

5.1.2. Structura Instalatie

“ Scheletul “ este instalatiei este alcatuit dintr-un numar de ghidaje aranjate intre ele prin elemente de fixare. Ca si mod de ansamblare au fost utlizate suruburi si piulite.

Fig. 5.2.6. Un exemplu de Ghidaj

Fig. 5.2.7. Varianta 2D

Cateva ghidaje sunt prevazute la capete cu cate un capac din plastic realizat la imprimanta 3D.

Fig. 5.2.8. Capac

Fig. 5.2.9. Strucura Instalatie

Fig. 5.2.10. Vederea din fata a instalatie

Structura este prevazut la un capat si la celalat cu doua placi pe care vor fi montate ulterior una din cele doua curele dintate impreuna cu surub – piulita si alte elemente de fixare.Cele doua placi sunt fabricate din sticla.

Fig. 5.2.11. Unul din cei doi suporti

5.1.3. Elemente de fixare si suporti :

a) Suporti motoarelor de actionare:

Au fost obtinuti tot cu ajutorul imprimantei 3D.Au fost utilizati doar pentru doua din cele patru motoare de actionare ( cele de pe directia Z )

Fig. 5.2.12. a) Suport pentru motorul de actionare.

Fig. 5.2.12. b) Suport pentru motorul de actionare.

b) Suportul pentru cureau dintata/surub –piulita:

– Pentru directia Y:

Fig. 5.2.13. Suport Surub – Piulita

Fig. 5.2.14. Suport Curea – Dintata

– Pentru directia X:

Fig. 5.2.14: Suport (folosit doar pentru curea dintata)

Tot cu acest suport este poztionat si al treilea motor de actionare.

Fig. 5.2.15

c) Elemente de fixare pentru structura:

Fig. 5.2.16. Fixarea a ghidajelor

Piesa este folosita pentru imbinarea nedemontabila a doua ghidaje.

Fig. 5.2.17. Imbinarea ghidajelor interioare

Capitolul 6: Asamblarea si punerea in functiune

6.1. Asamblare

Fig. 5.1.1. Instalatia Laser in timpul funtionarii

Varianta constructiva aleasa este caracterizata prin urmatoarele caracteristici: Modul de materializare a miscarii pe cele trei axe (X,Y,Z) se realiza prin intermediul transmisiilor cu curele-roti dintate si sirub-piulita.

Piesa ce urmeaza a fi prelucrata este asezata pe o masa de din sticla care la randul ei este fixata pe o platforma de ce se va deplasa pe directia axiala datorita ghidajelor si transmisiei surub-piulita.Aceasta miscare de translatie va fie executata si de catre suportul in care est fixata diode laser cu acelas principiu.

Fig. 5.1.2: Vederea din spate

Structura este alcatuita dintr-o serie de ghidaje fixate intre ele cu suruburi.Din motive de siguranta zona de lucru este separate de care operator pintr-un perete din sticla.

Fig. 5.1.3: Vedere de sus

6.2. Programul utilizat

Soft-ul utilizat la programarea instalatiei se numeste Repetier – Host V 2.0.5. Este un software simplu de utilizat, care este compatibil cu majoritatea firmware-urilor actuale. Este cel mai des intalnit si la programarea imprimantelor 3D.Puteți să adăugați și să poziționați fișierele STL pe suportul de imprimare simulat și să le așezați împreună.

Fig. 6.2.1: Pagina principala a programului Repetier – Host V 2.0.5.

În editorul de G-code puteți modifica sau analiza codul. Pentru a vă ajuta să obțineți o scurtă descriere a codului curent, o scurta descriere este afișata sub editor. Gazda funcționează pe Windows XP sau o versiune superioară, Linux și Mac OS.

Fig. 6.2.2: Rularea unui cod.

( in acest caz instalatia realizeaza gravarea unui cerc )

Fig. 6.2.3: a) Masina fotografiata in timpul functionarii

Fig. 6.2.3: b)

Capitolul 7. Concluzii

In urma asamblarii si determinarilor experimentale intalatia a fcuntionat in conditii optime.Pe baza calculelor au fost alese marea majoritate a pieselor componentelor.Instalatia a fost proiectata in SolidWorks.

Pe baza analizelor tehnico – functionale au fost stabilite principalele avantaje si dezavantaje ale utilizarii tehnologiilor laser in industrie.Cea mai mare problema a implementarii dispozitivelor cu laser a fost identificata in aplicatiile ce necesita utilizarea fascicului in modificarea directa a sraturilor de material ( debitare , gravare etc.).Principala problema tehnica este asigurarea modului de comanda care poate necesita un algoritm extreme de complex.Cu tot acestea nu au fost intampinate dificultati la instalatia prezentata anterior atat din punct de vedere al operarii.

De asemenea, in restul aplicatiilor unde se intalnesc tehnologii bazate pe utilizarea laserului, cum ar fi procesarea si transmiterea de informatii sau experimente stiintifice si experimentale,modul de implementare este mult mai accesibil.

Gravura laser este tehnologia care a evoluat cel mai mult în ultima vreme și devine din ce în ce mai preferată în rândul consumatorilor de materiale promoționale . Spre deosebire de gravarea manuală sau cea mecanică, gravarea cu laser are un risc mai scăzut de deterioare a produselor prelucrate. Mai concret, gravura laser constă în săparea efectiv, în materialul ce trebuie prelucrat. Funcționează similar cu o imprimantă cu jet de cerneală, doar că acest jet, este înlocuit cu un fascicol de lumină trimis pe material, cu „o precizie de ceas elvețian”.

Adâncimea gravurii laser poate să varieze între 0.01 și 3 mm. Totul depinde de complexitatea lucrării, de dorința clientului cât și de materialul folosit.

Acest procedeu conferă durabilitate în timp și un plus de acuratețe lucrărilor. Un avantaj al procedeului este că nu suferă deplasări pe masa de lucru sau necesitatea unei prinderi speciale a produsului.

Calitatea gravurii laser este de neegalat. Produce o imagine extrem de detaliată și fină. Este foarte important acest detaliu atunci când dorim reprezentarea și celor mai complexe detalii. Ceea ce rezultă, cu siguranță va crea o impresie plăcută și va atrage atenția de la primul contact cu produsul în cauză.

Cercetarile pe viitor in acest domeniu,vor determina o imbunatatire considerabila a performantelor deja obtinute, in timp ce totodata vor reduce numarul de dificultati si probleme.

Posibilitatea modificarii si redirectionarii luminii in moduri care ar putea influenta propietatile fizice, mecanice,chimice si chiar biologice ale elementelor din mediul inconjurator reprezinta o evolutie imensa in modul in care pot fi alterate atat materialele fizice cat si semnalele si identitatile informationale.

Acesta noua metoda de prelucrare entuziasmeaza atat pe oamenii de stiinta, cat si publicul larg motiv pentru care tehnologiile LASER se vor populariza exponential in viitorul apropiat.