Majoritatea oamenilor familiarizați cu prelucrarea laserului industrial pe scară largă au observat o mașină CNC cu laser cu un randament ridicat care taie plăci mari și tuburi din oțel la viteze amețitoare. Cei dintre noi în micromachinarea cu laser, unde calitatea piesei depinde de precizia prelucrării la nivel micron, s-au întrebat dacă putem obține un astfel de randament ridicat al mașinii și încă producem piese extrem de precise. Răspunsul este da - și atunci întrebarea devine „Cum?” Acest articol explorează considerațiile de bază în proiectarea și controlul mașinii cu care trebuie să fie familiarizați pentru a obține un randament maxim de la un microprocesor laser de precizie.
În procesul de fabricație, criteriile pentru determinarea pieselor acceptabile sunt adesea negociabile. Toleranțele parțiale sunt definite de cerințele pentru funcționarea normală sau sigură a piesei. Ei definesc bugetul de eroare admisibil pentru procesul de fabricație. Bugetul de eroare este apoi „epuizat” de diferite surse de eroare care rezultă din proiectarea mașinii, funcționalitatea controlerului și interacțiunile cu laser în timpul prelucrării. Cheia pentru maximizarea debitului atunci când fabricați piese de înaltă precizie este să lăsați cât mai mult buget de eroare pentru erori de urmărire dinamică. În urma unui sistem de sunet și a principiilor de proiectare structurală și selectarea unui controler de mișcare puternic - unul care profită maxim al bugetului de eroare de urmărire dinamică - va maximiza randamentul și, prin urmare, rațiunea economică pentru sistemele de micromachinare laser.
Proiectarea structurală a sistemului de fabricație este fundamentală pentru îmbunătățirea capacității sistemului de fabricație de a funcționa la un randament ridicat. Pentru ca sistemul de control să respingă și să minimizeze erorile, senzorii folosiți pentru a „vedea” mișcarea din sistem trebuie să poată observa mișcarea relativă dintre instrument și parte. În majoritatea sistemelor, acești senzori nu observă în mod direct mișcarea vârfului instrumentului, adică locul laser; În schimb, își obțin informațiile dintr -o citire optică care vizionează o scară a codificatorului (efectiv un conducător) încorporată în mecanismul sistemului de mișcare. Prin urmare, pentru a economisi cât mai mult buget de eroare pentru bugetul dinamic de urmărire din controler, proiectantul trebuie să minimizeze erorile neobservabile din cauza îndoitului sau a vibrațiilor în cadru. Cheia pentru minimizarea erorii neobservabile este maximizarea rigidității structurii. O modalitate de a obține o rigiditate maximă este de a minimiza lungimea buclelor structurale ale mașinii. O buclă structurală este o cale de forțe generate de mișcarea unei mașini care se potrivește sau este egală sau opusă forțelor generate de elementele structurale corespunzătoare. Imaginează -ți că materialele care alcătuiesc elementele structurale ale unei mașini sunt formate din mii de arcuri minuscule conectate în serie. Adăugarea mai multor arcuri la un lanț în tandem reduce de fapt rigiditatea lanțului. Prin urmare, proiectanții ar trebui să scurteze „lanțul” structural al elementelor de primăvară pentru a înăbuși mașina. În plus, adăugarea de elemente de primăvară în paralel face ca lanțul să fie mai rigid. Pentru a maximiza rigiditatea, proiectanții ar trebui să adauge elemente structurale redundante în cadrul mașinii pentru a susține forțele inerțiale. Cu cât mașina este mai rigidă, cu atât este injectată mai multă energie în structură, fără a provoca mișcare nedorită. Acest lucru permite utilizatorului să împingă mai repede elementele de control al mișcării, cu mai multă accelerare și energie, reducând în același timp erorile de procesare neobservabile. Figura 1 de mai jos prezintă seria și conexiunea paralelă a buclelor structurale ale mașinii și a elementelor de primăvară.
Figura 1 arată. Adăugarea arcurilor în serie face ca lanțul de arc să fie mai puțin rigid, în timp ce adăugarea arcurilor în paralel face ca lanțul de arc să fie mai rigid. Acest principiu poate fi utilizat pentru a maximiza rigiditatea circuitului structural al unei mașini.
O mașină mai rigidă care permite injectarea mai multă energie fără îndoire, economisind mai mult din bugetul de eroare pentru alte părți, este o îmbunătățire imediată. Aceasta deschide calea pentru următoarea zonă de concentrare în îmbunătățirea debitului: principiile dinamicii mașinilor. Pe măsură ce rigiditatea platformelor și rafturilor de mișcare crește, la fel și frecvența lor intrinsecă. Pe măsură ce frecvența lor intrinsecă crește, la fel și viteza de controlabilitate și producție.
Fiecare traiectorie de mișcare - calea necesară pentru un loc laser pentru a crea o parte - are conținut spectral pentru fiecare axă implicată în generarea mișcării. Fiecare comandă axă are o anumită bandă de frecvență sinusoidă care trebuie reprezentată într -o serie matematică sau o însumare pentru a o reprezenta. Figura 2 de mai jos prezintă un exemplu de funcție de pas și aproximarea sa sinusoidală folosind o lățime de bandă finită.
Figura 2. Apropierea unei funcții de pas folosind o undă sinusoidală în ceea ce privește nivelurile și sumele. Cu cât sunt mai multe frecvențe de undă sinusoidale sau lățimi de bandă utilizate în aproximare, cu atât aproximarea este mai aproape de funcția de pas. Funcția pas necesită un număr infinit de pași de sinusoide pentru a -l reprezenta perfect, dar funcția netedă poate fi reprezentată de un număr finit de pași sau lățimi de bandă.
În acest exemplu de funcție de pas, este necesară o lățime de bandă infinită pentru a aproxima perfect pasul, ceea ce face imposibilă implementarea într -o mașină reală. Acesta este unul dintre principalele motive pentru care programatorii de mișcare încearcă să evite întreruperile în comenzile trimise mașinii. Principiul demonstrat în figura 2 se aplică fiecărui semnal de comandă. Când profilul de mișcare este multidimensional și implică multiple axe de mișcare, rata la care mașina traversează profilul schimbă lățimea de bandă a comenzilor trimise fiecărei axe relevante. Un exemplu simplu al acestei relații este utilizarea a două axe pentru a crea un cerc. În trigonometria de bază, două axe călătoresc printr -un cerc, experimentând o undă sinusoidă în poziție, viteză și accelerație. Frecvența undei sinusoidale pe care fiecare axă este solicitată să o efectueze este proporțională cu viteza cu care trece cercul. Cu cât mașina este mai rapidă pentru a călători un cerc, cu atât frecvența undei sinusoidale este mai mare pentru fiecare axă implicată trebuie să poată efectua în poziție, viteză și accelerație. Pentru orice axă de mișcare pentru a executa profilul de comandă furnizat, lățimea de bandă a profilului respectiv trebuie să fie în lățimea de bandă a sistemului de mișcare. Așa este, fiecare sistem de mișcare are o lățime de bandă.
Sistemul de control se bazează pe semnale de feedback, bucle de control servo și motoare puternice pentru a reacționa la comenzi și pentru a se potrivi cu rezultatele reale la rezultatele dorite. Răspunsul sistemului de control depinde de cât de rapid poate lua controlerul și modificările efectului atunci când mișcarea reală nu se potrivește exact cu mișcarea comandată. Această „reacție a sistemului de control” depinde aproape în întregime de specificațiile și proiectarea produsului de control utilizat. Specificații, cum ar fi rata de generare a traiectoriei, rata de închidere a curentului (rata la care curentul generat de o acționare motor dată poate fi modificat), iar forța de vârf generată de motorul dispozitivului va determina rata de răspuns a sistemului de control. Prin urmare, este o concluzie oarecum evidentă că alegerea unui produs de control puternic și un motor puternic va beneficia de proiectant. Cu toate acestea, rata de răspuns a sistemului de control este doar o parte din capacitatea generală a sistemului de mișcare de a răspunde la comenzi, adică lățimea de bandă a sistemului de mișcare. Combinația de rigiditate fizică a platformei de mișcare și lățimea de bandă a sistemului de control determină capacitatea dinamică a întregului sistem. Având în vedere același sistem de control și motor, cu cât este mai mare frecvența intrinsecă a sistemului mecanic, adică cu atât este mai rigidă, cu atât este mai mare lățimea de bandă a frecvenței la care sistemul poate răspunde cu succes.
În general, cel mai important semnal în controlul mișcării este comanda de accelerație. Accelerația este semnalul principal de interes pentru operatorul de mașini, deoarece este cel mai strâns legat de ceea ce controlerul mașinii controlează de fapt, curentul la motoare. Curentul alimentat pentru fiecare motor axa este proporțional cu forța generată de fiecare motor. Forța generată de fiecare motor este proporțională cu accelerația experimentată de acel grad de libertate pe măsură ce mașina se mișcă. Eroarea de urmărire sau eroarea injectată în procesul de producție datorită incapacității sistemului de mișcare de a urma perfect traiectoria comandată, este proporțională cu porțiunea din lățimea de bandă de accelerație comandată care depășește lățimea de bandă a sistemului de mișcare. O mașină bazată pe suspensie, motor și șofer nu poate traversa decât o pistă de curse la o anumită viteză; Dacă este obligat să se întoarcă cu o viteză care să -și depășească limitele, va curge de pe drum. Acest lucru este același pentru mașinile de procesare cu laser. Înțelegând lățimea de bandă a comenzilor de accelerație trimise mașinii în profilul de mișcare, precum și lățimea de bandă a receptivității sau dinamicii mașinii, avem o bază solidă pentru asigurarea pieselor de înaltă calitate sunt produse la un randament maxim. Unele controlere de mișcare avansate oferă de fapt caracteristici care permit programatorului să țină cont automat de lățimea de bandă a sistemului de mișcare și să se auto-limiteze comenzile de accelerație trimise componentelor mașinii pentru a preveni apariția prea multor erori.
Combinarea acestor concepte creează un mesaj semnificativ pentru proiectantul de mașini. Cu cât este mai rigidă structura cadrului, cu atât mai puțin îndoirea și vibrațiile mașinii vor afecta rezultatele prelucrării, lăsând mai mult buget de eroare pentru erori de urmărire dinamică. Cu cât este mai rigid proiectarea mecanică a sistemului de mișcare, cu atât este mai mare lățimea de bandă a sistemului de mișcare. Cu cât este mai mare performanța produselor de control utilizate, cu atât este mai mare lățimea de bandă a sistemului de mișcare. Cu cât este mai mare lățimea de bandă a sistemului de mișcare, cu atât este mai mare lățimea de bandă a comenzilor de accelerație la care poate răspunde fără a crea același nivel de eroare de piese. Cu cât este mai mare lățimea de bandă a comenzilor de accelerație permise fără a crea o parte proastă, cu atât mașina poate fi poruncită să traverseze conturul dorit în timpul producției de piese. Prin urmare, proiectanții de mașini ar trebui să ia în considerare toate modalitățile posibile de a maximiza rigiditatea mașinii și lățimea de bandă a sistemului de control pentru a maximiza debitul procesului fără a compromite calitatea părților.
