Διερεύνηση και ανάπτυξη συστήματος παρακολούθησης και ελέγχου της διεργασίας διάτρησης με παλμούς δέσμης laser σε πραγματικό χρόνο

Abstract

The main objective of the present study is the investigation and development of a realtime monitoring method of the percussion laser drilling process. Percussion laser drilling process involves the utilization of a focused laser beam, presenting high power density to melt of vaporize the material. The present work is focalized in the development of a process monitoring system capable to predict the geometrical characteristics of the drill in real time utilizing optical and acoustic emissions originating from the processing zone. The signals acquired by means of photodiodes and microphone, are correlated with the process evolution and consequently can be used for the evaluation of the process output. Theoretical analysis of sensors’ response in relation with the geometry of the drill led in the development of sensor models able to predict the geometrical characteristics of the drill, such as the depth and entrance diameter, utilizing the signals acquired during the process. Additionally, the development of empirical models, correlating hole’s geometrical characteristics with process parameters, able to be utilized for the off-line programming as also and the control of the process, comprised research topic of the present dissertation. The main conclusion of the present work is that both optical and acoustic signals originating from the processing zone during the laser drilling process, can be utilized for real-time process monitoring and consequently for process control purposes ensuring that the final product of the process is within the defined requirements, as far as geometry of the hole is concerned

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση και η ανάπτυξη μεθόδου παρακολούθησης της διεργασίας διάτρησης με παλμούς δέσμης Laser (Laser drilling). Η διεργασία διάτρησης με δέσμη Laser περιλαμβάνει την χρήση μιας εστιασμένης δέσμης Laser υψηλής ενεργειακής πυκνότητας για την διάτρηση του υλικού μέσω της τήξης ή ακόμα και εξάτμισης του. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη ενός συστήματος παρακολούθησης ικανό να προβλέψει σε πραγματικό χρόνο τα διάφορα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του αποτελέσματος της διεργασίας αξιοποιώντας οπτικές αλλά και ακουστικές εκπομπές προερχόμενες από την περιοχή κατεργασίας. Τα σήματα που καταγράφονται μέσω φωτοδιόδων και μικροφώνων, σχετίζονται με την εξέλιξη της διεργασίας και κατά συνέπεια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της. Θεωρητική ανάλυση της απόκρισης των αισθητήρων σε σχέση με την γεωμετρία της οπής που δημιουργείται, οδήγησε στην δημιουργία θεωρητικών μοντέλων ικανών να προβλέψουν άμεσα τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της οπής, όπως είναι το βάθος και η διάμετρος εισόδου, χρησιμοποιώντας τα σήματα που λαμβάνονται κατά την διάρκεια της διεργασίας. Παράλληλα, η ανάπτυξη εμπειρικών προτύπων συσχέτισης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών με τις παραμέτρους της διεργασίας, προκειμένου να αξιοποιηθούν για τον προγραμματισμό και τον έλεγχο της διεργασίας, αποτέλεσε αντικείμενο έρευνας της παρούσης διατριβής. Το σημαντικότερο συμπέρασμα που προκύπτει από την συγκεκριμένη διατριβή είναι ότι τόσο τα οπτικά όσο και τα ακουστικά σήματα που δημιουργούνται κατά την διάρκεια της διεργασίας διάτρησης με δέσμη Laser μπορούν να αξιοποιηθούν για την παρακολούθηση της διεργασίας σε πραγματικό χρόνο και κατά συνέπεια για τον άμεσο έλεγχο της διασφαλίζοντας έτσι την επίτευξη των στόχων και απαιτήσεων που ορίζονται, όσον αφορά τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της οπής