Väčšina ľudí, ktorí sú oboznámení s rozsiahlym priemyselným laserovým spracovaním, zaznamenala vysoko výkonný laserový CNC stroj na strihanie veľkých oceľových dosiek a trubíc pri závratných rýchlostiach. Tí z nás v laserovom mikromachiningu, kde kvalita dielu závisí od presnosti obrábania na úrovni mikronu, premýšľali, či by sme mohli dosiahnuť takú vysokú priepustnosť stroja a stále produkovať vysoko presné časti. Odpoveď je áno - a potom sa otázka stane „ako?“ Tento článok skúma základné úvahy pri návrhu a kontrole strojov, ktoré musia byť oboznámení, aby sa dosiahol maximálnu priepustnosť z presného laserového mikroprocesora.
Vo výrobnom procese sú kritériá na určovanie prijateľných častí často neobchodovateľné. Tolerancie časti sú definované podľa požiadaviek na normálnu alebo bezpečnú prevádzku časti. Definujú povolený rozpočet na chyby pre výrobný proces. Rozpočet chýb je potom „vyčerpaný“ rôznymi zdrojmi chýb v dôsledku návrhu stroja, funkčnosti radiča a interakcií s laserovým materiálom počas obrábania. Kľúčom k maximalizácii priepustnosti pri výrobe vysokých presných dielov je ponechať čo najviac rozpočtu na chyby na chyby dynamického sledovania. Podľa princípov zvukového systému a konštrukčného návrhu a výber výkonného radiča pohybu - ten, ktorý má maximálnu výhodu rozpočtu na chybu dynamického sledovania - maximalizuje priepustnosť, a teda ekonomické odôvodnenie pre systémy laserového mikromachinovania.
Konštrukčný návrh výrobného systému je základom zlepšenia schopnosti výrobného systému pracovať pri vysokej priepustnosti. Aby riadiaci systém odmietol a minimalizoval chyby, senzory používané na „videnie“ pohybu v systéme musia byť schopné pozorovať relatívny pohyb medzi nástrojom a časťou. Vo väčšine systémov tieto senzory priamo nepozorujú pohyb špičky nástroja, tj laserové miesto; Namiesto toho odvodzujú svoje informácie z optickej čítačky, ktorá vníma stupnicu kodéra (efektívne pravítko) zabudovaného do mechanizmu pohybu. Preto, aby sa dizajnér ušetril čo najviac rozpočtu na chyby pre rozpočet dynamického sledovania v ovládači, musí dizajnér minimalizovať nepozorovateľné chyby v dôsledku ohýbania alebo vibrácií v rámci. Kľúčom k minimalizácii nepozorovateľnej chyby je maximalizácia tuhosti štruktúry. Jedným zo spôsobov, ako dosiahnuť maximálnu tuhosť, je minimalizácia dĺžky štrukturálnych slučiek stroja. Štrukturálna slučka je cesta síl generovaných pohybom stroja, ktorý sa zhoduje alebo je rovnaký alebo opačný ako sily generované zodpovedajúcimi štrukturálnymi prvkami. Predstavte si, že materiály, ktoré tvoria konštrukčné prvky stroja, tvoria tisíce malých prameňov spojených v sérii. Pridanie ďalších prameňov do tandemového reťazca v skutočnosti znižuje tuhosť reťazca. Preto by dizajnéri mali skrátiť štrukturálny „reťazec“ pružinových prvkov na stučenie stroja. Okrem toho pridanie pružinových prvkov paralelne robí reťaz tuhavejšou. Aby sa maximalizovala tuhosť, dizajnéri by mali do rámu stroja pridať redundantné konštrukčné prvky na podporu zotrvačných síl. Čím tuhší stroj, tým viac energie sa vstrekuje do štruktúry bez toho, aby spôsobila nežiaduci pohyb. To umožňuje užívateľovi rýchlejšie tlačiť prvky riadenia pohybu, s väčším zrýchlením a energiou, pričom minimalizuje nepozorovateľné chyby spracovania. Obrázok 1 nižšie zobrazuje sériu a paralelné spojenie štrukturálnych slučiek stroja a pružinových prvkov.
Obrázok 1 zobrazuje. Pridanie pružín v sérii robí pružinový reťazec menej tuhý, zatiaľ čo pružiny paralelne robí pružinový reťazec tuhší. Tento princíp sa dá použiť na maximalizáciu tuhosti štrukturálneho obvodu stroja.
Stvrdší stroj, ktorý umožňuje injekciu viac energie bez ohýbania, čo ušetrí viac rozpočtu na chyby inde, je okamžitým zlepšením. Toto pripravuje cestu pre ďalšiu oblasť zamerania pri zlepšovaní priepustnosti: princípy dynamiky stroja. Ako sa zvyšuje tuhosť pohybových platforiem a stojanov, zvyšuje sa aj ich vnútorná frekvencia. Ako sa zvyšuje ich vnútorná frekvencia, zvyšuje sa aj ich ovládateľnosť a rýchlosť výroby.
Každá trajektória pohybu - cesta potrebná na laserové miesto na vytvorenie časti - má spektrálny obsah pre každú os, ktorá sa podieľa na generovaní pohybu. Každý príkaz osi má určité sínusové frekvenčné pásmo, ktoré musí byť zastúpené v matematickej sérii alebo sumarime, ktoré ho reprezentujú. Obrázok 2 nižšie zobrazuje príklad funkcie kroku a jej sínusovej aproximácie pomocou konečnej šírky pásma.
Obrázok 2. Aproximácia funkcie kroku s použitím sínusovej vlny z hľadiska úrovní a sumy. Čím viac frekvencií sínusových vĺn alebo šírky pásma používané v aproximácii, tým bližšie je aproximácia k funkcii kroku. Kroková funkcia vyžaduje nekonečný počet krokov sínusoidov, aby ho dokonale reprezentoval, ale hladká funkcia môže byť reprezentovaná konečným počtom krokov alebo šírky pásma.
V tomto príklade funkcie kroku je potrebná nekonečná šírka pásma, aby sa dokonale priblížil krok, čo znemožňuje implementáciu implementácie v skutočnom stroji. To je jeden z hlavných dôvodov, prečo sa programátori pohybu snažia vyhnúť diskontinuitám v príkazoch zaslaných do stroja. Princíp demonštrovaný na obrázku 2 sa vzťahuje na každý príkazový signál. Ak je pohybový profil viacrozmerný a zahŕňa viac osi pohybu, rýchlosť, akou stroj prechádza týmto profilom, zmení šírku pásma príkazov zaslaných do každej príslušnej osi. Jednoduchým príkladom tohto vzťahu je použitie dvoch osí na vytvorenie kruhu. V základnej trigonometrii sa dve osi pohybujú kruhom a zažívajú sínusovú vlnu v polohe, rýchlosti a zrýchlení. Frekvencia sínusovej vlny, ktorú je žiadaná o vykonanie každej osi, je úmerná rýchlosti, pri ktorej kruh prechádza. Čím rýchlejšie je stroj vyžaduje prejsť kruhom, tým vyššia je frekvencia sínusovej vlny pre každú príslušnú osi, musí byť schopná vykonávať polohu, rýchlosť a zrýchlenie. Aby sa každá osá pohybu vykonala poskytnutého príkazového profilu, musí byť šírka pásma tohto profilu v rámci šírky pásma pohybu. To je pravda, každý pohybový systém má šírku pásma.
Riadiaci systém sa spolieha na signály spätnej väzby, ovládacie slučky servo a výkonné motory, ktoré reagujú na príkazy a zodpovedajú skutočným výsledkom s požadovanými výsledkami. Responzívnosť riadiaceho systému závisí od toho, ako rýchlo môže ovládač robiť rozhodnutia a zmeny účinku, keď skutočný pohyb presne nezodpovedá príkazému pohybu. Táto „reakcia systému riadiaceho systému“ je takmer úplne závislá od špecifikácií a návrhu použitého riadiaceho produktu. Špecifikácie, ako je rýchlosť generovania trajektórií, rýchlosť uzáveru prúdu (rýchlosť, akou je možné zmeniť prúd generovaný daným pohonom motora), a maximálna sila generovaná motorom zariadenia určí rýchlosť odozvy riadiaceho systému. Preto je trochu zrejmý záver, že výber výkonného riadiaceho produktu a výkonného motora bude prínosom pre dizajnéra. Rýchlosť odozvy riadiaceho systému je však iba jednou časťou schopnosti celkového pohybu reagovať na príkazy, tj šírku pásma pohybu. Kombinácia fyzickej tuhosti pohybovej platformy a šírky pásma riadiaceho systému určuje dynamickú schopnosť celého systému. Vzhľadom na rovnaký riadiaci systém a motor, čím vyššia je vnútorná frekvencia mechanického systému, tj. Čím je to tuhšie, tým väčšia je šírka pásma frekvencie, pri ktorej môže systém úspešne reagovať.
Všeobecne je najdôležitejším signálom v riadení pohybu príkaz zrýchlenia. Zrýchlenie je primárnym signálom, ktorý je predmetom záujmu pre operátora stroja, pretože najviac súvisí s tým, čo ovládač stroja skutočne ovláda, prúd do motorov. Prúd, ktorý sa privádzal do každého motora osi, je úmerný sile generovanej každým motorom. Sila generovaná každým motorom je úmerná zrýchleniu, ktoré sa vyskytuje v tomto stupni voľnosti, keď sa stroj pohybuje. Chyba sledovania alebo chyby vstreknutá do výrobného procesu v dôsledku neschopnosti pohybu dokonale riadiť príkazovú trajektóriu je úmerná časti šírky pásma príkazu, ktorá presahuje šírku pásma pohybu. Auto založené na zavesení, motor a vodič môže prekročiť závodnú dráhu iba určitou rýchlosťou; Ak je nútený otočiť rýchlosťou, ktorá presahuje jej limity, vyteká z cesty. To isté platí pre stroje na spracovanie laserov. Pochopením šírky pásma príkazov zrýchlenia zaslaných do stroja v pohybe profilu, ako aj šírky pásma citlivosti alebo dynamiky stroja, máme solídny základ na zabezpečenie výroby vysoko kvalitných častí pri maximálnom priepustnosti. Niektoré pokročilé radiče pohybu v skutočnosti ponúkajú funkcie, ktoré umožňujú programátorovi automaticky vziať do úvahy šírku pásma pohybu a sebaobrané príkazy zrýchlenia odoslané do komponentov stroja, aby sa zabránilo výskytu príliš veľkého množstva chýb.
Kombinácia týchto konceptov vytvára pre návrhára stroja zmysluplnú správu. Čím pevná je štruktúra rámu, tým menej ohýbania a vibrácie stroja bude mať vplyv na výsledky obrábania, pričom viac chybových rozpočtov pre dynamické chyby sledovania. Čím pevnejší je mechanická konštrukcia pohybu, tým vyššia je šírka pásma pohybu. Čím vyšší je výkon použitých kontrolných produktov, tým vyššia je šírka pásma pohybu. Čím vyššia je šírka pásma pohybu, tým väčšia je šírka pásma príkazov zrýchlenia, na ktorú môže reagovať bez vytvorenia rovnakej úrovne chyby dielov. Čím vyššia je šírka pásma príkazov na zrýchlenie povolená bez vytvorenia zlej časti, tým rýchlejšie sa môže stroj prikazovať, aby počas výroby časti prešiel požadovaným obrysom. Dizajnéri strojov by preto mali zvážiť všetky možné spôsoby, ako maximalizovať šírku pásma tuhosti a riadiaceho systému stroja, aby sa maximalizovala priepustnosť procesu bez ohrozenia kvality dielov.
