ПОИСКОВОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ НА УГЛЕКИСЛОМ ГАЗЕ

Качество конструкторских разработок технологических лазеров (ТЛ) во многом зависит от успеха решения задач, возникающих на начальных стадиях проектирования. Существует ряд подходов для решения подобных задач. В работе [1] приводится описание графовой модели физического принципа действия (ФПД) преобразователей энергии, которая отражает взаимодействия рабочего тела, маршрут его перемещения внутри устройства, а также последовательность действия всех потоков.

На основе этой методики разработан руководящий методический материал (РММ) для разработки концептуальных технических решений лазеров на углекислом газе с соответствующим информационным обеспечением. РММ состоит из четырех частей. В первой части даны теоретические основы метода, позволяющие конструктору получить представления об основных понятиях, которые легли в основу данной методики. Вторая часть содержит описание проектных процедур специализированного алгоритма для проектирования СО₂-лазеров. В третьей части приведены примеры синтеза концептуальных технических решений газоразрядных и газодинамических лазеров.

Важной составляющей специализированного метода является четвертая часть РММ, представляющая собой информационное обеспечение, в котором дается необходимая справочная информация. Она состоит из следующих информационных фондов: Ф1 – информация для разработки технических требований; Ф2 – технологические процессы, реализуемые с помощью ТЛ; Ф3 – технические решения лазеров на углекислом газе; Ф4 – описания физических процессов для создания инверсной заселенности в рабочей смеси; Ф5 – межотраслевой фонд эвристических приемов; Ф6 – конструктивные элементы ТЛ; Ф7 – методы оценки и выбора вариантов технических решений.

На рис. 1 приведена структура специализированного алгоритма. На диаграмме указаны наименования этапов, порядок их следования, а также количество шагов и наименования информационных фондов для их осуществления.

Рисунок 1. Схема специализированного алгоритма

По результатам первого этапа принимается решение о методе решения задачи. Вариант A предусматривает выполнение шагов в случае, когда имеется некоторое техническое решение, которое является прототипом. Вариант В используется для построения модели ФПД на основе описания физического процесса преобразования какого-либо вида энергии в когерентное электромагнитное излучение.

Результаты обработки информации по рекомендациям каждого шага алгоритма должны соответствующим образом документироваться в виде текстового описания, списка, графической схемы и т. п.

Эффективность работы с алгоритмом зависит от того, насколько правильно и тщательно составлено информационное обеспечение, которое является одной из важнейших составных частей РММ. Поэтому структура информационных фондов не может быть произвольной и должна строго соответствовать логической структуре алгоритма. Ниже приводится перечень разделов информационного обеспечения, включенных в РММ, который разработан для проектирования технологических СО₂-лазеров. В конце каждого из разделов приводится список использованной литературы.

Ф1 – информация для разработки технических требований. Представляет собой подборку научно-технической информации, которую необходимо изучить для формирования списка требований к технологическим лазерам на углекислом газе. Эта информация сгруппирована по следующим разделам:

взаимодействие мощного лазерного излучения с веществом;

требования к параметрам лазерного излучения со стороны лазерных технологических процессов;

свойства лазерного излучения;

надежность и срок службы промышленных лазеров;

перспективы развития лазеров.

В разделе, содержащем сведения о свойствах лазерного излучения, даются понятия о направленности, монохроматичности, когерентности, яркости, мощности, а также пространственных и временных характеристиках лазерных пучков.

Ф2 – технологические процессы, реализуемые с помощью технологических лазеров. В разделе дается информация о параметрах лазерного излучения, которые необходимо обеспечить при реализации того или иного технологического процесса. Вследствие специфической направленности РММ приводятся данные только для технологий, которые могут быть реализованы с помощью лазеров на углекислом газе.

Ф3 – технические решения лазеров на углекислом газе. Фонд содержит наиболее интересные, перспективные и существенно отличающиеся друг от друга технические решения в области лазерной техники. Технические решения сгруппированы в соответствии с осуществляемыми в них методами создания инверсной населенности, способами возврата рабочей смеси в исходное состояние, а также другими наиболее характерными конструктивными признаками.

Ф4 – описания физических процессов для создания инверсной заселенности в рабочей смеси. Дается описание газоразрядного и газодинамического способов создания инверсной заселенности, а также сопутствующих физических процессов, происходящих при работе лазеров на углекислом газе.

Ф5 – межотраслевой фонд эвристических приемов. Эвристические приемы сгруппированы в соответствии с процедурами модификации модели ФПД. Для каждой из процедур сформирован свой фонд. При этом некоторые приемы могут находиться сразу в двух фондах, поскольку носят инвариантный характер.

Ф6 – конструктивные элементы технологических лазеров. Фонд конструктивных элементов содержит взятые из патентного фонда технические решения, которые могут быть использованы при разработке лазерных установок (оптические системы, средства прокачки рабочего газа, затворы, сопла, диффузоры, нагреватели, системы охлаждения, схемы газового разряда и т. п.). Каждому элементу сопоставлен класс МПК, а также выполняемые им наборы элементарных функций.

Ф7 – методы оценки и выбора вариантов технических решений. Предназначены для сравнительной оценки множества технических решений с целью выбора наилучших вариантов, чаще всего по векторному критерию.

Методика синтеза технических решений лазеров на углекислом газе реализована в виде программного комплекса «LASER», осуществляющего методическую и информационную поддержку поискового конструирования ТЛ на углекислом газе. Программный комплекс включает ряд взаимодействующих подсистем, представленных на рис. 2.

Рисунок 2. Структура программного комплекса «Laser»

Подсистема обслуживания базы данных предназначена для создания и сопровождения реляционной базы данных, содержащую информацию, необходимую для разработки моделей ФПД и синтеза технических решений лазеров на углекислом газе. В таблицах базы данных хранятся описания функциональных элементов, известных технических решений лазеров на углекислом газе, описания физических процессов, реализуемых в технологических лазерах, и другая необходимая информация. Имеется возможность добавлять, удалять и редактировать содержащуюся в таблицах информацию.

Мастер разработки модели ФПД функционирует на основе алгоритма, который в определенной последовательности выводит экранные формы для поддержки этапа постановки задачи и построения модели ФПД. Здесь вводится информация о технологическом процессе, который должен быть реализован, составляется список требований к техническому решению, осуществляется выбор прототипа и составляется список его недостатков.

Мастер модификации модели ФПД предлагает пользователю эвристические приемы, которые могут помочь изменить модель ФПД с целью получения улучшенного технического решения. Запуск мастера осуществляется по желанию пользователя.

Мастер разработки таблицы технических решений предлагает пользователю осуществить анализ модели ФПД для выявления элементарных функций, необходимых для построения таблицы технических решений. После выявления функций мастер, используя базу данных конструктивных элементов заполняет таблицу технических решений.

Синтез технических решений. Программа синтеза составлена на основе специализированного алгоритма, реализованного в виде продукционных правил. Для получения технического задания программа задает пользователю ряд вопросов, ответы на которые принимают форму фактов, являющихся исходной информацией для осуществления цепочек рассуждений. После того, как опрос окончен, программа начинает сопоставлять факты, которые характеризуют техническое задание, с содержащимися в ней предметными знаниями, представленными набором правил. Таким образом, осуществляется цепочка выводов, которая приводит к синтезу технического решения.

После того, как процесс синтеза завершен, на экран выводится меню, в котором пользователю предлагается описание лазерной установки и ее принципиальная схема, а также описания и графические изображения входящих в нее функциональных элементов. При желании пользователь может вывести на печать всю данную информацию.

Выводы:

1. Разработана методика проектирования технологических лазеров на углекислом газе, которая реализована в виде руководящего методического материала, который содержит описание теоретических основ инженерно-физического метода, проектные процедуры построения модели ФПД, модификации ФПД и синтеза технических решений.

2. Разработан программно-информационный комплекс для синтеза технических решений лазеров на углекислом газе. В качестве методологической основы в нем использован специализированный алгоритм, ориентированный на разработку лазеров на углекислом газе.

Список литературы:

1. Камаев, В. А. Обучение концептуальному проектированию преобразователей энергии на базе системного подхода / В. А. Камаев, А. А. Яковлев // Открытое образование. – 2005. – № 5 (52). – С. 62–69.
2. Яковлев, А. А. Метод построения моделей физических принципов действия преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Известия вузов. Машино­строение. – 2005. – № 10. – С. 22–28.
3. Яковлев, А. А. Инженерно-физический подход к проектированию преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Справочник. Инженерный журнал. – 2006. – № 2. С. 32–38.
4. A new method of search design of refrigerating systems containing a liquid and gaseous working medium based on the graph model of the physical operating principle [Электронный ресурс] / А.А. Яковлев, В.С. Сорокин, С.Н. Мишустина, Н.В. Пройдакова, С.Г. Поступаева // Journal of Physics: Conference Series. — 2017. — Vol. 803, No. 1 : International Conference on Information Technologies in Business and Industry (21–26 September 2016, Tomsk, Russian Federation). — 7 p. — URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/803/1/012181.