Analiza funkcjonalna przemysłowego lasera do precyzyjnego wycinania detali

Analiza funkcjonalna przemysłowego lasera do precyzyjnego wycinania detali

S.W. Jegorow, L. J. Pustow, A.B. Rożnow

Tłum. J. Boratyński

Wstęp

We współczesnym świecie techniki urządzenia laserowe stosowane są w różnych gałęziach przemysłu. Jednym z kierunków zastosowania lasera jest cięcie metali. Szczególną wartością technologii laserowej jest to, że pozwala ona przygotowywać i obrabiać skomplikowane kształty, także z materiałów kruchych, łatwo dających się deformować i z twardych metali i stopów. Jednakowoż wysoka cena przemysłowych laserów ogranicza ich zastosowanie, a w związku z tym przed specjalistami laserowej techniki stoi aktualnie zadanie podniesienia idealności laserów (pod pojęciem idealności systemów rozumiemy stosunek funkcjonalnej wartości do kosztów i problemów użytkowania).

Dla wycinania różnych metalowych detali wykorzystuje się lasery krystaliczne i gazowe, które pracują w sposób impulsowy lub ciągły. Podstawowym komponentem lasera jest rezonator ( Rys 01) złożony z dwóch umieszczonych na wspólnej osi optycznej zwierciadeł (wklęsłego 1 i wypukłego 2) ustawionych jedno na przeciw drugiego. Pomiędzy zwierciadła jest podawane aktywne medium 3, które jest źródłem powstającego w laserze promieniowania podczerwonego ( PP) 4 (Promieniowania Podczerwonego).

Aktywne medium to strumień cząsteczek ( atomów, molekuł, jonów) znajdujących się w stanie nierównowagi. Pomiędzy zwierciadłami zachodzi spontaniczne wypromieniowanie fotonów w aktywnym medium. W obszarze przyosiowym ( wąski pas wzdłuż osi optycznej zwierciadeł) fotony zaczynają wielokrotnie odbijać się od zwierciadeł, ponieważ promień krzywizny zwierciadeł w tym miejscy jest równy nieskończoności ( zwierciadła są równoległe). W ten sposób właśnie w tym miejscu zachodzi inicjacja PP- promienia, który dalej wielokrotnie odbija się od zwierciadeł, rozprzestrzenia się po obwodzie i i wychodzi przez optyczne okna ( na przykład przeźroczyste kryształy NaCl. W procesie przechodzenia promienia przez aktywne medium zachodzi jego wzmocnienie.

Rys. 1. Schemat rezonatora lasera przemysłowego

Emitowany przez laser podczerwony (PP) promień nie jest widoczny dla ludzkiego oka. Długość fali podczerwonego promieniowania λPP = 5 – 10 μm, podczas gdy długość fali światła widzialnego λSW = 0,4 – 0,75 μm. W warunkach precyzyjnie cięcia metali, wymaga to jego wizualizacji.

Dla podświetlania PP – promieniowania proponowano różne techniczne rozwiązania, w których zakładano wstawienie lasera małej mocy ze spektrum światła, widzialnym dla oka.

Początkowo proponowano wstawić źródło widzialnego światła na wyjściu z lasera PP - promieniowania. Schemat układu takiego lasera pokazano na Rys.2. Wspomagający laser 6 świecił na zwierciadło 5, wstawione za wypukłym zwierciadłem 2 rezonatora lasera roboczego.

Odbity promień 7 widzialnego światła wskazywał miejsce padania PP – promieniowania.

Rys. 2. Schemat rezonatora lasera przemysłowego z podświetleniem promienia PP światłem widzialnym.

Jednakowoż to rozwiązanie okazało się nieefektywne, gdyż okazało się, że w procesie pracy, zwierciadła lasera nagrzewają się i rozjustowują ( naruszają wzajemne położenie), co prowadzi do odchylenia PP – promienia od zadanego kierunku. Promień światła widzialnego ( promień podświetlenia) pozostaje przy tym na miejscu i nie pokazuje dokładnie miejsca padania promienia podczerwonego (PP) na detal. Stało się jasne, że dla zapewnienia wysokiej dokładności współpołożenia promieni, powinny one rozprzestrzeniać się po jednakowej trajektorii jeszcze w obszarze aktywnego medium.

Dlatego żeby wprowadzić promień światła widzialnego do obszaru przyosiowego zaproponowano wykonanie w centrum zwierciadła wklęsłego maleńki otworek (Rys.3). Przez ten otworek - 8 z zewnątrz podawany promień światła widzialnego 7, pochodzący od ustawionego za zwierciadłem wklęsłym małego lasera 6. W ten sposób, promień światła widzialnego wielokrotnie odbijał się w obszarze przyosiowym, w pełni powtarzając trajektorię PP – promienia i zawsze wskazując miejsce padania promienia podczerwonego na detal. Wada takiego rozwiązania było to, że PP – promień procesie pracy wychodził na zewnątrz przez otwór 8, PP – promień padał na prosto na ustawiony tam laser małej mocy i naruszał jego parametry. Żeby uchronić laser światła widzialnego przed uszkodzeniem w konstrukcji systemy przewidziano zasłonkę 5, która w czasie pracy zakrywała się i chroniła laser przed wychodzącym przez otwór PP – promieniem.

Rys. 3. Schemat rezonatora przemysłowego lasera z podświetleniem promienia PP światłem widzialnym (alternatywne ustawienie lasera pomocniczego)
 

Otrzymane rozwiązanie zapewniało podświetlenie miejsca padania promienia PP na detal tylko dla początku pracy lasera. ( a nie w czasie pracy). W ten sposób, z pomocą tego rozwiązania udawało się przeprowadzić „wycelowanie” promienia PP, ale kontrola jego położenia w czasie obróbki detalu była niemożliwa.

Dla rozwiązania problemu stałego podświetlania PP promienia światłem widzialnym zaproponowano nowe rozwiązanie, opisane w patencie Nr. 1625306. Schemat całego laserowego urządzenia pokazano na Rys.4, Sens rozwiązania polegał na tym, że na osi optycznej rezonatora z wklęsłym zwierciadłem z otworkiem, ustawiono zwierciadło z siatką dyfrakcyjną, a mały laser światła widzialnego ustawiono niżej, naprzeciwko tego zwierciadła.

Promieniowanie małego lasera światła widzialnego podlega dyfrakcji na zwierciadle z siatką dyfrakcyjną i wpada przez otworek we wklęsłym zwierciadle do rezonatora, a PP promień padał na to zwierciadło, nie podlegał dyfrakcji i był odbijany w bok.

Laserowe urządzenia zawierało następujące komponenty: (Rys.4): wklęsłe zwierciadło 1 z centralnym otworem 2 ( dalej – wklęsłe zwierciadło), wypukłe zwierciadło 3. Wspomagający laser światła widzialnego 4 (dalej: laser wspomagający) zwierciadło z siatką dyfrakcyjna ( dalej: zwierciadło z SD, podziałka siatki dyfrakcyjnej - d<λp/2 - gdzie λp długość fali światła PP)

Urządzenia pracują w następujący sposób. Do rezonatora roboczego lasera przez otwór 2 wpada część promieniowania lasera pomocniczego ( dalej – promień światła widzialnego), która podlegała dyfrakcji na zwierciadle z SD 5. Odbita od zwierciadła z SD 5 część promieni światła widzialnego biegnie w kierunku 6. Promieniowanie podczerwone (PP) wychodzące z rezonatora przez otwór 2odbija się od zwierciadła z DS. i nie pada na pomocniczy laser, a kierowane jest w kierunku 7, ponieważ nie podlega dyfrakcji na siatce. W tym samym kierunku biegnie odbita od wyjściowego zwierciadła część promienia światła widzialnego. W rezonatorze promień światła widzialnego w pełni powtarza trajektorię odbić PP – promieniowania podczerwonego. ( dalej PP promień) rodzącego się w aktywnym medium 8. W rezultacie promienie roboczego i wspomagającego lasera, wychodzące z rezonatora lasera roboczego, są współosiowe i rozprzestrzeniają się w kierunku 9.

Rys. 4. Schemat rezonatora lasera przemysłowego z podświetleniem światła PP światłem widzialnym przez zwierciadło z siatką dyfrakcyjną.

W ten sposób osiągnięto wizualizację promienia PP lasera roboczego, która może być podtrzymywana w czasie obróbki detalu. Rozwiązanie to okazało się efektywne i było wdrożone, nie patrząc na niedostatki:

  • straty PP- promieniowania (w kierunku 7 na rys.1), prowadzące do zniżenia intensywności,

  • rozproszenie promienia światła widzialnego na zwierciadle z SD (kierunek 6,7) prowadzące do osłabienia intensywności wizualizującego promienia.

Oprócz tego system stał się bardziej złożony przez wprowadzenie dodatkowego elementu (zwierciadło z SD).

W niniejszej pracy będzie wykonana analiza funkcjonalna danego urządzenia laserowego w celu usunięcia wskazanych wyżej niepożądanych efektów, uproszczenia konstrukcji i – wyrażając się językiem TRIZ – podniesienia „idealności” systemu. Przed przeprowadzeniem analizy funkcjonalnej będzie wykonana analiza komponenta i analiza strukturalna systemu technicznego (ST). Na podstawie rezultatów analizy funkcjonalnej zostanie przeprowadzone zwijanie elementów systemu – trimming.

1. Analiza komponenetna

Analiza komponenetna – to analiza dystenu technicznego, oparta na ujawnieni części (komponentów), z których składa się obiekt analizy. Oprócz tego, w procesie analizy ujawniają się zewnętrzne elementy, z którymi współdziała lub współistnieje obiekt analizy. Analiza komponenetna stanowi przygotowanie dla następnych rodzajów analizy.

Pierwszym krokiem analizy ST jest ujawnienie głównej użytkowej funkcji systemu (GFU). GFU – to funkcja dla której cały ten system jest przeznaczo0ny na danym etapie cyklu życia technicznego. W naszym przypadku GFU „Przemysłowego lasera do precyzyjnego wycinania detali” wycinać detal. Zewnętrznymi elementem z którym współdziała system, i jednocześnie obiektem GFU jest obrąbiony detal. Metodyka prowadzenie analizy funkcjonalnej zaleca rozpatrywać nie więcej niż 7 komponentów systemu technicznego. W przeciwnym przypadku analiza wychodzi bardzo złożona, a jej jakość się nie podnosi. W rozpatrywanym systemie wybrano 6 najważniejszych elementów z punktu widzenie spełnienia GFU: aktywne medium, wypukłe zwierciadło, wklęsłe zwierciadło, PP promień, promień światła widzialnego, zwierciadło z SD. Do analizy nie wzięto na przykład lasera wspomagającego, okna optycznego. Analiza komponenetna danego ST schematycznie pokazana jest na Rys. 5.
Rys.5. Komponenetny model przemysłowego lasera do precyzyjnego wycinania detali

2. Analiza strukturalna

Analiza strukturalna – to analiza systemu technicznego, oparta na ujawnieniu wzajemnych oddziaływań miedzy elementami, wchodzącymi w model komponentny. Informacja otrzymana w procesie analizy strukturalnej, jest wykorzystywana przy budowie modelu funkcjonalnego.

W rezultacie analizy strukturalnej rozpatrywanego lasera ujawniono wzajemne oddziaływania między jego komponentami. Te oddziaływania przedstawiono w postaci matrycy wzajemnych oddziaływań. W poziomych wierszach i w pionowych kolumnach wpisano komponenty ST, a na przecięciu kolumn i wierszy plusami zaznaczono korzystne oddziaływania ukierunkowane na wypełnienie GFU. (Tablica 1.)

Tablica 1. Model strukturalny przemysłowego lasera do precyzyjnego wycinania detali

3. Analiza funkcjonalna

Analiza funkcjonalna - to analiza systemu technicznego, oparta na ujawnieniu i ocenie funkcji elementów systemu technicznego. Funkcja - to działanie materialnego obiektu na drugi materialny obiekt dla zmiany jego parametrów. Funkcje ocenia się wg kryteriów korzystności lub szkodliwości. Określa się względną ważność i jakość wypełnienia funkcji. Głównym celem analizy funkcjonalnej jest ujawnienie specyficznych niedostatków obiektu - funkcji szkodliwych, a także niedostatecznie wypełnianych – korzystnych. Dlatego analizę tę niekiedy nazywa się analiza diagnostyczną. Na podstawie analizy funkcjonalnej prowadzi się zwijanie elementów ST.

3.1. Formułowanie funkcji

Najpierw określimy terminy. Rozróżniamy korzystne i szkodliwe funkcje. Korzystna funkcja – to funkcja, w rezultacie której parametr jej obiektu zmienia się pożądanym kierunku.

Szkodliwa funkcja – to funkcja, w rezultacie której parametr jej obiektu zmienia się w niepożądanym kierunku. W przeważającej liczbie przypadków szkodliwa funkcja okazuje się być niedostatkiem, podlegającym usunięciu.

Opiszemy proces pracy rozpatrywanego ST, wykorzystując język funkcji: aktywne medium wypromieniowuje promienie PP, które dalej padają na wklęsłe i wypukłe zwierciadła. Funkcja promienia PP – oświetlić wklęsłe i wypukłe zwierciadła. Zwierciadła odbijają promienie PP, tj. zmieniają ich parametr: kierunek rozprzestrzenienia. W procesie przechodzenia PP promieniowania przez aktywne medium, wzmacnia ono promienie PP, tj. zmienia energię promieniowania. Przy tym aktywne medium traci swoją energię. Wyrażając się językiem funkcji – PP promieniowanie ma funkcję szkodliwą: opróżniać aktywne medium, obniżając jego energię. Promienie PP mają poza tym szereg szkodliwych funkcji – nagrzewają wypukłe i wklęsłe zwierciadła, nagrzewają aktywne medium i nagrzewają zwierciadło z DS. (dyfrakcyjną siatką). Zmieniający się parametr – temperatura.
 

Promień PP padając w centrum wklęsłego zwierciadła przeznaczone dla wprowadzenia promienia widzialnego światła do systemu zwierciadeł, traci swoją intensywność, ponieważ część promieni PP wychodzi z systemu. Dlatego wklęsłe zwierciadło z otworem ma szkodliwą funkcję: przepuszczać promienie PP, zmniejszając tym samym ich intensywność.

Dalej, wychodzący przez otwór we wklęsłym zwierciadle promień PP, pada na zwierciadło z SD, które zmienia kierunek jego dalszego biegu. Zwierciadło z SD wypełnia dwie funkcje, nakierowane na PP promień: korzystną funkcję: skierować PP promień, zmieniając kierunek jego rozprzestrzenienia w celu ochrony źródła światła widzialnego przed uszkodzeniem przez promieniowanie PP i szkodliwą: kierować promień PP w bok, co prowadzi do strat energii (a mogłoby kierować go z powrotem).

Po wielokrotnych odbiciach wzmocniony PP promień dosięga obrabianego detalu, wypełniając przy tym swoją podstawową funkcję: nagrzewać metal, która odpowiada za wypełnienie głównej funkcji: ciąć metal.

Analogicznie rozpisujemy wzajemne oddziaływania promienia światła widzialnego ze wszystkimi elementami systemu, który na końcu swojej drogi osiąga obrabiany detal.

Funkcja promienia światła widzialnego, skierowana na detal – oświetlać detal.

Funkcje wszystkich elementów przedstawiono w Tablicy 2.W tej samej tablicy umownymi określeniami zaznaczono „Typ funkcji” i „Poziom wypełnienia” i ilościowo ocenione funkcjonalne i problemowe wartości każdej funkcji. Metody określania tych parametrów opisano niżej.

3.2. Określenie jakości wypełniania funkcji

Kiedy funkcje elementów systemu zostały ujawnione, zdefiniowane i wniesione w tablicę, prowadzi się ocenę poziomu wypełniania funkcji dla określenia jakości pracy elementów systemu. Zgodnie z zasadami wykonywania analizy funkcjonalnej, rezultatem wypełnienia funkcji jest przejście od początkowej wartości parametru jej obiektu do wartości końcowej. Istnieje także interwał (zakres, przedział) pożądanych wartości parametru. Jakość wypełnienia funkcji określa się także tym, czy końcowa wartość parametru wpada w pożądany interwał, czy też nie. Jeżeli wartość zmienionego parametru nie osiąga pożądanego interwału, poziom wypełnienia funkcji uważamy za niedostateczny. Jeżeli ta wartość wpada w interwał, to poziom wypełnienia funkcji uważamy za normalny. Jeżeli zaś wartość ta przewyższa interwał, to poziom wypełnienia funkcji uważamy za nadmiarowy. Niedostateczny i nadmiarowy poziom wypełnienia korzystnych funkcji (z punktu widzenie realizacji GFU) uważamy za wadę. Jeżeli nadmiarowe wypełnianie użytecznej funkcji prowadzi do niepożądanych następstw, to tę wadę należy usunąć.

W rozpatrywanym ST większość korzystnych funkcji jest wypełniana normalnie ( por. Tablica 2), z następującymi wyjątkami:

  • wklęsłe zwierciadło z centralnym otworem, funkcja którego polega na: odbijaniu promienia PP i odbijaniu promienia świata widzialnego – jest wypełniana na niedostatecznym poziomie wg oceny parametru intensywności, ponieważ obecność otworu prowadzi do straty energetycznej efektywności promienia PP i promienia światła widzialnego – działających na detal.

  • zwierciadło z siatką dyfrakcyjną, którego funkcją jest kierować promień światła widzialnego wypełnia tę funkcję na niedostatecznym poziomie, ponieważ zachodzi rozproszenie promienia światła widzialnego na siatce dyfrakcyjnej, powodujące straty jego intensywności.


Tablica 2.Funkcjonalny model przemysłowego lasera do preryjnego wycinania detali.

Szkodliwym funkcjom nadaje się rangi analogicznie jak funkcjom korzystnym: jeżeli działanie szkodliwej funkcji prowadzi do tego, że wartość parametru systemu wychodzi poza dopuszczalne granice – to poziom wypełnienia funkcji uważamy za nadmiarowy. Jeżeli znajduje się w dopuszczalnym interwale, to poziom wypełnienia funkcji uważamy za adekwatny ( normalny). Jeżeli poziom wypełnienia funkcji znajduje się poniżej dolnej granicy interwalu, to uważamy go za niedostateczny. Obydwie sytuacje ( nadmiar i niedomiar) podlegają usunięciu.

W naszym przykładzie 6 z 8 szkodliwych funkcji w systemie wypełnionych jest adekwatnie ( normalnie). Nadmiarowy poziom wypełnienia funkcji mają funkcje:

  • wklęsłego zwierciadła: odbijać promień PP;

  • zwierciadła z siatką dyfrakcyjną: odbijać promień PP w bok.

Wypełnianie tych funkcji wyprowadza parametry lasera poza dopuszczalne granice interwałów – prowadzi do straty mocy urządzenia.

3.3. Porządkowanie funkcji (nadanie rang)

Dla oceny wkładu każdej funkcji w proces wypełniania głównej funkcji użytkowej ST prowadzimy tzw. porządkowanie funkcji ( nadanie im rang).Określenie rangi funkcji prowadzi się wg jej obiektu. Za najważniejsze uważamy funkcje skierowane na obiekt głównej funkcji systemu. Rangi pozostałych funkcji są tym wyższe, im ich obiekty (w sensie funkcjonalnym) są bliższe obiektom głównej funkcji. Funkcje ukierunkowane na obiekt głównej funkcji uważamy za podstawowe. Funkcje skierowane na komponenty systemu, mają rangę wspomagających. Wspomagającym funkcjom nadajemy rangi dodatkowo: funkcja, której obiekt wypełnia chociażby jedną podstawową funkcje, posiada rangę 1; funkcja, której obiekt nie ma podstawowych funkcji, ale wypełnia chociażby jedną funkcję wspomagającą 1 rangi, posiada rangę 2. Funkcja skierowana na element nadsystemu, który nie jest obiektem głównej funkcji systemu, posiada rangę uzupełniającą.

W sytuacji gdy wszystkie elementy systemu współdziałają z elementem, wypełniającym podstawową funkcję, ranga funkcji wspomagających nie spada poniżej 2. Przy tym jednak model funkcjonalny wychodzi nieprawidłowy, ponieważ nie można wydzielić ważności funkcji wspomagających elementów systemu w zadaniu wypełnienia funkcji podstawowej rangi – wydaje się, że wszystkie funkcje wspomagające są jednakowo ważne. Dla podobnych systemów nadawanie rang wspomagającym funkcjom należy prowadzić z uwzględnieniem ich ważności.

Początkowo określa się element wypełniający podstawową funkcje, sprzyjającą wypełnieniu głównej. W naszym przypadku jest to promień PP. Jego funkcja: nagrzewać detal. Wszystkim funkcjom skierowanym na ten element, nadajemy rangę 1. Następnie pozostałe elementy systemu rozstawiamy w kolejności określającej ważność funkcji tych elementów w zadaniu wypełnienia funkcji wysokiej rangi.

W naszym przypadku kolejność wygląda następująco: aktywne medium, wypromieniowujące i wzmacniające promienie PP, bez których nie jest możliwe wypełnienie podstawowych funkcji systemu. Dalej, wg stopni ważności: wklęsłe zwierciadło z centralnym otworem i wypukłe zwierciadło zapewniające odbicie promieniowania PP. Dwa pozostałe elementy: promień światła widzialnego i zwierciadło z siatką dyfrakcyjną, definiujemy jako systemy wspomagające dla wizualizacji promienia PP, dlatego ich ważność jest najmniejsza. (Rys. 6) Rys.6. Funkcjonalny model przemysłowego lasera do precyzyjnego wycinania detali

W ten sposób funkcje skierowane na aktywne medium, mają rangę 2. Funkcje skierowane na wklęsłe zwierciadło mają rangę 3. Na promień światła widzialnego i zwierciadło z siatką dyfrakcyjna – rangi odpowiednio 4 i 5. Należy zauważyć, że funkcje skierowane na promień światła widzialnego mają rangi 4, a nie 1, jak byłoby w przypadku określania rangi bez wzięcia pod uwagę ważności funkcji. Przy takim określaniu rang funkcje otrzymały bardziej głębokie rangi, wyrażające ważność wzajemnych oddziaływań w kierunku wypełnienia głównej funkcji systemu.

W rozpatrywanym systemie szkodliwe funkcje silnie różnią się stopniem swojego wpływu na system. W takiej sytuacji konieczne jest określenie rang szkodliwych funkcji. Rangi szkodliwych funkcji określa się wg ich obiektów. Przypisanie rang odbywa się analogicznie jak dla funkcji wspomagających. Szkodliwa funkcja działająca na obiekt głównej funkcji systemu ma rangę 0 i określamy ją jako najbardziej szkodliwą. Szkodliwa funkcja działająca na obiekt wypełniający podstawową funkcje ma rangę 1, na obiekt wypełniający funkcję wspomagającą pierwszej rangi - szkodliwa funkcja ma rangę 2. Czym wyższy numer rangi, tym mniej szkodliwa jest funkcja.

W naszym przykładzie szkodliwe funkcje rangi 0 nie istnieją, ponieważ żaden z elementów systemu nie działa szkodliwie na detal. Szkodliwą funkcję pierwszej rangi wypełnia zwierciadło z siatką dyfrakcyjną kierując promienie PP w bok. Szkodliwe funkcje drugiej rangi wypełnia promień PP, opróżniając aktywne medium,, tj. zmniejszając jego energię i nagrzewając aktywne medium w procesie przechodzenia przez nie. Promień PP wypełnia także szko0dliwe funkcję 3 rangi nagrzewając wypukłe i wklęsłe zwierciadło z otworem centralnym. Szkodliwą funkcję 4 rangi wypełnia aktywne medium, pochłaniając promień widzialnego światła, tj., obniżając jego intensywność PP – promień także wypełnia szkodliwą funkcje 5 rangi – nagrzewając zwierciadło z siatką dyfrakcyjna. Jak widać w miarę powiększania rangi funkcji ich szkodliwość dla wypełnienia głównej funkcji użytkowej staje się coraz mniej istotna (patrz Tablica 2 i Rrys 6.). W ten sposób w rozpatrywanym systemie wydzielono 6 rang rang korzystnych i szkodliwych funkcji.

3.4. Budowa ilościowego modelu funkcjonalnego

Budowa ilościowego modelu funkcjonalnego ułatwia interpretację rezultatów analizy funkcjonalnej. Dla każdej funkcji określa się jej wartość funkcjonalną i problemowość przez wprowadzenie współczynników „wagowych”. Następnie wartość funkcjonalną i problemowość oblicza się dla każdego elementu systemu. Otrzymane wartości wstawia się w okładzie współrzędnych problemowość – funkcjonalność. Na podstawie położenia elementu w diagramie wnioskuje się o jego ważności i problemowości w systemie.

Dla określenia wartości funkcjonalnej każdej randze funkcji przypisuje się współczynnik ważności. W rozpatrywanym systemie podstawowej funkcji był przypisany współczynnik ważności 10. W wspomagającym od 8 do 1 (Tablica 3).
 

Typ funkcji Oznaczenie Współczynnik ważności
Podstawowa funkcja W 10
Korzystna funkcja. Ranga 1 U1 8
Korzystna funkcja. Ranga 2 U2 6
Korzystna funkcja. Ranga 3 U3 4
Korzystna funkcja. Ranga 4 U4 3
Korzystna funkcja. Ranga 5 U5 2
Korzystna funkcja. Ranga 6 U6 1
Uzupełniająca funkcja Ad 4
Szkodliwa funkcja N 0

Tablica 3. Współczynniki ważności funkcji

Problemowość elementów uwzględniamy przez wprowadzenie stopnia problemowości. Stopień problemowości dla korzystnych funkcji w przypadku normalnego jej wypełnienia równy 0. W przypadku niedostatecznego poziomu wypełnienia 2, w przypadku nadmiernego 1. Stopień problemowości szkodliwych funkcji określany rangą funkcji waha się od 6 dla szkodliwych funkcji 0-ej rangi do 1 dla szkodliwej funkcji 5-ej rangi. Oprócz tego na stopień problemowości szkodliwej funkcji wpływa ranga jej wypełnienia. Jeśli szkodliwa funkcja wypełniana jest z nadmiarem, to stopień problemowości powiększamy na 1 (Tablica 4.)

Stopień wypełniania funkcji Oznaczenie Stopień problemowości
Nadmierny poziom E 1
Normalny (adekwatny) poziom A 0
Niedostateczny poziom I 2
Szkodliwa funkcja. Ranga 0 N 6
Szkodliwa funkcja. Ranga 1 N1 5
Szkodliwa funkcja. Ranga 2 N2 4
Szkodliwa funkcja. Ranga 3 N3 3
Szkodliwa funkcja. Ranga 4 N4 2
Szkodliwa funkcja. Ranga 5 N5 1

Tablica 4. Stopień problemowości funkcji

Funkcjonalną wartość każdego elementu określamy sumując współczynniki ważności, a problemowość sumą stopnia problemowości jego funkcji. Otrzymane wartości były normowane (?) i wniesione w Tablicę 5.
 

 

 

Lp.

 

 

Element

 

Wartość funkcjonalna w punktach

 

Wartość funkcjonalna w %

 

 

Wartość problemowa w punktach

 

Wartość problemowa w %

1

Medium aktywne

16

16

2,0

5,7

2

Zwierciadło wypukłe

22

19,4

0,0

0,0

3

Zwierciadło wklęsłe

25

21,9

10

28,6

4

Zwierciadło z SD

11

9,7

8

22,9

5

Promień widzialny

20

17,5

0,0

0,0

6

PP promień

20

17,5

15

42,8

 

Suma

114

100

35

100

Tablica 5 Funkcjonalne i problemowe wartości komponentów przemysłowego lasera dla precyzyjnego wycinania detali

Na Rys. 6 pokazano położenia elementów we współrzędnych „problemowość – funkcjonalność”. Obszar wartości umownie podzielono na cztery kwadraty pozwalające sądzić o funkcjonalności i problemowości elementów.

Elementy, które znalazły się w lewym górnym kwadracie mają wysoką funkcjonalność i niską problemowość. W naszym systemie to wypukłe zwierciadło, promień widzialnego światła i aktywne medium.

W prawym górnym kwadracie znalazły się elementy mające wysoka funkcjonalność przy wysokim poziomie problemowości. Poziom problemowości tych elementów należy obniżyć.

W naszym przykładzie to promień PP i wklęsłe zwierciadło z centralnych otworem.

Lewy dolny kwadrat – elementy mające niską funkcjonalność i niska problemowość. Funkcjonalność takich elementów na ogół się podwyższa. Jak widać, w naszym systemie takich elementów nie ma.

W prawym dolnym kwadracie znalazły się elementy, mające niską funkcjonalność i wysoką problemowość. To potencjalni kandydaci na „zwijanie”. W rozpatrywanym systemie w ten kwadrat wpadł jeden element– zwierciadło z SD.

4. Zwijanie

Celem procedury zwijania jest usunięcie elementów z ST z przekazaniem ich funkcji pozostałym elementom. Jak wspomniano zwijaniu podlegają najbardziej problemowe i nisko funkcjonalne elementy. Po zwijaniu idealność ST wzrasta kosztem obniżenia problemowo - kosztowej części.

Rys. 7. Wykres „Funkcjonalność – problemowość”

Na początku procedury zwijania, konieczne jest wybranie elementu, który zamierzamy usunąć. Kryteria wyboru elementu dla zwijania mogą być ilościowe i jakościowe. Przy jakościowej ocenie, dla zwijania w pierwszej kolejności wybieramy elementy, wypełniające funkcje najniższej rangi lub dużą ilość szkodliwych funkcji. Ilościowo, element dla zwijania można wybierać dwoma drogami: na podstawie obliczenie trimming – faktora i na podstawie wykresu zależności „Funkcjonalność – problemowość” wg algorytmu pokazanego wyżej.

W niniejszym, opracowaniu jako element dla zwijania wybrano „Zwierciadło z SD” ( patrz. Rys. 6.)

Sformułujemy teraz warunki zwijania elementu zwierciadła z SD – metody przekazania funkcji usuniętego elementu na inne elementy ST.

Zwierciadło z SD można usunąć jeśli:

  1. Nie ma promienia PP i promienia światła widzialnego;

  2. Promień PP „sam siebie” kieruje wychodząc z otworu we wklęsłym zwierciadle i promień światła widzialnego „sam siebie” kieruje wpadając w otwór we wklęsłym zwierciadle ( punkt padania promieni PP i punkt wyjścia promienia światła widzialnego same rozdzielają się w przestrzeni);

  3. Jeden z elementów systemu kieruje promień PP i promień światła widzialnego.

Wybieramy wariant warunków zwijania. Wariant „A” – zakazany, ponieważ promień PP i promień światła widzialnego wypełniają podstawową funkcje i ich nie można usunąć. Wariantu „B” nie można zrealizować bez wprowadzenia do systemu dodatkowego elementu lub pola. Wariant „C” najbardziej optymalny.

Przekażemy funkcję zwierciadła z SD innemu elementowi ST. 0dpowiednimi elementami dla wypełnienia funkcji zwierciadła z SD okazują się być wklęsłe zwierciadło z centralnym otworem i wypukłe zwierciadło. Te elementy mają funkcje bardziej wysokiej rangi i najprawdopodobniej nie będą zwinięte. Do tego elementy te wypełniają zbieżne funkcje kierują promień PP i promień widzialny). Wybieramy do przekazania funkcji element – wklęsłe zwierciadło z centralnym otworem, ponieważ ono ma wyższą problemowość. ( por. Rys. 7)

Sformułujemy zadania zwijania – zadania, które należy rozwiązać dla praktycznej realizacji wybranego wariantu warunków zwijania:

  • Jak zrobić, żeby wklęsłe zwierciadło z centralnym otworem kierowało promień widzialnego światła w strefę generacji promienia PP,

  • Jak zrobić, żeby wklęsłe zwierciadło z centralnym otworem kierowało PP promienie tak, żeby one nie padały na laser światła widzialnego.

Dla rozwiązania tych na pierwszy rzut oka nierozwiązywalnych zadań wystarczy tylko u usunąć centralny otwór we wklęsłym zwierciadle, a na miejsce gdzie był otwór nanieść siatkę dyfrakcyjną. (Rys 8). Laser światła widzialnego przenosimy w prawo tak, że kieruje on swoje światło na siatkę dyfrakcyjną na wklęsłym zwierciadle, prosto przez aktywne medium. To rozwiązanie pozwoliło pozbyć się takiego niedostatku rozpatrywanego systemu jak straty PP promieniowania przez centralny otwór we wklęsłym zwierciadle i technicznie uprościć system – usunąć z niego „zbyteczny” komponent – zwierciadło z SD.

Funkcjonalny schemat ST po zwinięciu zwierciadła z SD pokazano na Rys. 9.

Na schemacie nie ma już zwiniętego elementu – zwierciadła z SD, a jego funkcje przekazano wklęsłemu zwierciadłu z centralnym otworem. Funkcję zwierciadła z SD „kierować” promień światła widzialnego, wypełnia wklęsłe zwierciadło, w którym już nie ma otworu. Konieczność wypełnienia drugiej funkcji zwierciadła z SD – „nakierować” PP promieniowanie odpadła ponieważ zwierciadło nie ma już otworu i promienie PP nie opuszczają granic rezonatora, w rezultacie laser nie może uszkodzić lasera światła widzialnego. Promienie PP odbijają się od wklęsłego zwierciadła. Na schemacie dla tego elementu dodano funkcję odbijać PP promieniowanie. Zlikwidowano także szkodliwą funkcję zwierciadła z SD „odchylać” PP promienie (w bok). Teraz PP promienie wracają dzięki wklęsłemu zwierciadłu. Zlikwidowano

także szkodliwą funkcję wklęsłego zwierciadła z centralnym otworem „przepuszczać” PP promieniowanie, prowadząca do strat intensywności lasera.

Rys. 8. Zwijanie zwierciadła z SD w przemysłowym laserze do precyzyjnego wycinania detali

Rys. 9. Funkcjonalny model przemysłowego lasera do precyzyjnego wycinania detali (schemat)

Nowa konstrukcja rozpatrywanego systemu technicznego pokazana jest na Rys. 10

Rys. 10. Nowa konstrukcja przemysłowego lasera do precyzyjnego wycinania detali po zwinięciu.

Promień światła widzialnego od lasera pomocniczego 4 pada na siatkę wklęsłego zwierciadła 1.

Promień rozczepia się na siatce dyfrakcyjnej 2 i jedna jego część rozprzestrzenia się w kierunku zwierciadła wypukłego 3, a druga część uchodzi w kierunku 5. Promień światła widzialnego rozprzestrzeniający się w kierunku wypukłego zwierciadła, dalej w pełni powtarza trajektorię rozprzestrzeniania się PP promieniowania w rezonatorze i dokładnie pokazuje miejsce padania promieni PP na obrabiany detal w ciągu całego procesu pracy podstawowego ( roboczego) lasera.

Część promieni światła widzialnego, która rozczepiła się na siatce dyfrakcyjnej, tak jak poprzednio jest tracona ( kierunek 5) Zaproponowane rozwiązanie nie pozwoliło usunąć tego niedostatku. Jednakże należy zaznaczyć, że moc lasera światła widzialnego jest bardzo mała w porównaniu z mocą promieniowania PP i te straty nie są istotne. Nie mniej jednak ten niedostatek może być usunięty na kolejnym etapie zwijania, jako że odbity promień światła widzialnego może być wykorzystany jako resurs dla wypełnienia innych funkcji ST. Ważniejsze jest to, że zaproponowane rozwiązanie pozwoliło zlikwidować straty promieniowania PP, przez centralny otwór we wklęsłym zwierciadle. Rozwiązanie to z sukcesem wdrożono w produkcję laserów.

Zwijania danego ST można nie ograniczać do usunięcia tylko jednego elementu. Kolejnym kandydatem na zwijanie, jak widać z Rys. 9, może być „promień światła widzialnego”, i konsekwentnie laser pomocniczy ( oczywiście, dla dokładnego wyboru następnego pretendenta do zwinięcia, konieczne będzie określenie miejsca położenia pozostałych w systemie elementów na diagramie „Funkcjonalność – Problemowość”) W przypadku rozwiązania tych zadań funkcjonalny model uprości się jeszcze bardziej istotnym stopniu ( Rys. 11).

Rys. 11. Funkcjonalny model przemysłowego lasera do precyzyjnego wycinania detali po zwinięciu „promienia światła widzialnego” i lasera pomocniczego ( prognoza)

Zakończenie

Funkcjonalna analiza lasera przemysłowego do precyzyjnego wycinania detali pozwoliła ilościowo ocenić problemowość i funkcjonalność komponentów tego systemu technicznego. Promień światła widzialnego, wypukłe zwierciadło i aktywne medium okazały się wysoko funkcjonalnymi i małoproblemowymi elementami. Wklęsłe zwierciadło z SD i promienie PP – to elementy wysoko funkcjonale, ale i wysoko problemowe. Zwierciadło z SD – element posiadający niską funkcjonalność i bardzo wysoka problemowość, dlatego należało go zwinąć.

Zwinięcie zwierciadła z SD doprowadziło do pojawienia się nowego technicznego rozwiązania – usunięcia otworu we wklęsłym zwierciadle, umieszczenia w tym miejscu siatki dyfrakcyjnej i przeniesienia lasera pomocniczego w stronę rezonatora lasera roboczego. W rezultacie system techniczny uprościł się, usunięte zostały dotychczasowe niedostatki a także szkodliwe funkcje ujawnione w trakcje analizy funkcjonalnej.

Spis zalecanej literatury.

Uwaga: spis literatury pozostawiono w wersji oryginalnej ( cyrylicą) z uwago na możliwość poszukiwania pozycji w Google metodą kopiuj – wklej. Transkrypcja na alfabet łaciński by to uniemożliwiła.

1. Г.С. Альтшуллеp, Б.Л. Злотин, В.И.Филатов. Профессия - поиск нового. Кишинев, "Каpтя Молдовеняскэ", 1985, - 196с.

2. В.С. Голубев и др. Лазерная техника и технология. Кн. 2, Инженерные основы создания технологических лазеров. М.: Высшая школа, 1988, с. 51.

3. С.С. Литвин, В.М. Герасимов. Основные положения методики проведения функционально-стоимостного анализа. Методические рекомендации. М. Информ-ФСА, 1991, - 40с.

4. Innovative technology of design. Методический справочник компании Gen3Partners, 1998.

5. В.М. Герасимов, С.С. Литвин. Основные положения методики проведения функционально-стоимостного анализа. Свертывание и сверхэффект. Методические рекомендации. Части 4 и 5. Журнал ТРИЗ 3.2.1992, с 7-45.