Většina lidí, kteří jsou obeznámeni s rozsáhlým průmyslovým laserovým zpracováním, zaznamenala vysoce výkonný laserový stroj CNC, který řezá velké ocelové destičky a trubice při závratě. Ti z nás v laserovém mikromachiningu, kde kvalita součásti závisí na přesnosti obrábění na úrovni mikronů, se zajímali, jestli bychom mohli dosáhnout tak vysoké propustnosti stroje a stále produkovat vysoce přesné části. Odpověď zní ano - a pak je otázka „jak?“ Tento článek zkoumá základní úvahy o návrhu a kontrole stroje, které musí být obeznámeni, aby se dosáhlo maximální propustnosti z přesného laserového mikroprocesoru.
Ve výrobním procesu jsou kritéria pro určování přijatelných částí často neelegovatelná. Tolerance součástí jsou definovány požadavky na normální nebo bezpečný provoz součásti. Definují přípustný chybový rozpočet na výrobní proces. Rozpočet chyby je poté „vyčerpán“ různými zdroji chyb vyplývajících z návrhu stroje, funkčnosti řadiče a interakcí laserového materiálu během obrábění. Klíčem k maximalizaci propustnosti při výrobě vysoce přesných dílů je ponechat co nejvíce rozpočtu chyb pro chyby dynamického sledování. Následující zásady zvukového systému a strukturálního návrhu a výběru výkonného řadiče pohybu - ten, který využívá maximální výhodu rozpočtu chybového sledování dynamického sledování - maximalizuje propustnost, a proto ekonomické zdůvodnění laserových mikromachinovacích systémů.
Strukturální návrh výrobního systému je zásadní pro zlepšení schopnosti výrobního systému fungovat při vysoké propustnosti. Aby řídicí systém mohl odmítnout a minimalizovat chyby, musí být senzory používané k „vidění“ pohybu v systému schopny pozorovat relativní pohyb mezi nástrojem a součástí. Ve většině systémů tyto senzory přímo nepozorují pohyb špičky nástroje, tj. Laserové místo; Místo toho odvozují své informace z optického čtení, která zobrazuje stupnici kodéru (efektivně vládce) zabudovaného do mechanismu pohybového systému. Proto, aby se ušetřilo co nejvíce chybového rozpočtu pro dynamický sledovací rozpočet v řadiči, musí návrhář minimalizovat nepozorovatelné chyby v důsledku ohýbání nebo vibrací v rámci. Klíčem k minimalizaci nepozorovatelné chyby je maximalizace tuhosti struktury. Jedním ze způsobů, jak dosáhnout maximální tuhosti, je minimalizovat délku strukturálních smyček stroje. Strukturální smyčka je cesta sil generovaných pohybem stroje, který odpovídá nebo je stejný nebo opačný jako síla generované odpovídajícími strukturálními prvky. Představte si, že materiály, které tvoří strukturální prvky stroje, jsou tvořeny tisíci malých pramenů připojených v sérii. Přidání dalších pružin do tandemového řetězce ve skutečnosti snižuje tuhost řetězce. Návrháři by proto měli zkrátit strukturální „řetězec“ jarních prvků, aby stroj vyztuhl. Kromě toho přidání pružinových prvků paralelně dělá řetězec přísnější. Pro maximalizaci tuhosti by návrháři měli přidat do rámu stroje redundantní strukturální prvky, aby podporovali inerciální síly. Čím tužší stroj, tím více energie je vstříknuta do struktury, aniž by způsobila nežádoucí pohyb. To umožňuje uživateli rychleji tlačit ovládací prvky pohybu s větší zrychlení a energií a zároveň minimalizovat nepozorovatelné chyby zpracování. Obrázek 1 níže zobrazuje řadu a paralelní připojení strukturálních smyček stroje a pružinových prvků.
Obrázek 1 ukazuje. Přidání pružin v sérii způsobuje, že jarní řetězec je méně tuhý, zatímco přidávání pramenů paralelně způsobuje, že pružinový řetězec je tučnější. Tento princip lze použít k maximalizaci tuhosti strukturálního obvodu stroje.
Terší stroj, který umožňuje injikci více energie bez ohýbání, ušetří více chybového rozpočtu na jinde, je okamžitým zlepšením. To připravuje cestu pro další oblast zaměření při zlepšování propustnosti: principy dynamiky stroje. Jak se zvyšuje tuhost pohybových plošin a stojanů, také jejich vnitřní frekvence. Jak se jejich vnitřní frekvence zvyšuje, také jejich ovladatelnost a rychlost výroby.
Každá trajektorie pohybu - cesta požadovaná pro laserovou spot pro vytvoření části - má spektrální obsah pro každou osu zapojenou do generování pohybu. Každý příkaz osy má určitý sinusový frekvenční pás, který je třeba reprezentovat v matematické sérii nebo souhrnu, aby jej reprezentoval. Obrázek 2 níže ukazuje příklad krokové funkce a její sinusoidní aproximace pomocí konečné šířky pásma.
Obrázek 2. Aproximace krokové funkce pomocí sinusové vlny z hlediska úrovní a součtů. Čím více sinusových vlnových frekvencí nebo šířky pásma používaných při aproximaci, tím bližší je aproximace ke krokové funkci. Funkce kroku vyžaduje nekonečný počet kroků sinusoidů, aby jej dokonale reprezentoval, ale hladká funkce může být reprezentována konečným počtem kroků nebo šířky pásma.
V tomto příkladu funkce kroku je nutná nekonečná šířka pásma k dokonalému přiblížení kroku, což znemožňuje implementaci v reálném stroji. To je jeden z hlavních důvodů, proč se programátoři pohybu snaží zabránit diskontinuitám v příkazech odeslaných do stroje. Princip demonstrovaný na obrázku 2 platí pro každý příkazový signál. Když je pohybový profil vícerozměrný a zahrnuje více osavů pohybu, rychlost, při které stroj prochází tímto profilem, mění šířku pásma příkazů odeslaných na každou relevantní osu. Jednoduchým příkladem tohoto vztahu je použití dvou os k vytvoření kruhu. V základní trigonometrii procházejí dvě osy kruhem a zažívají sinusovou vlnu v poloze, rychlosti a zrychlení. Frekvence sinusové vlny, kterou je každá osa požádána o provedení, je úměrná rychlosti, při které kruh prochází. Čím rychleji je stroj povinen cestovat kruhem, čím vyšší je frekvence sinusové vlny pro každou zúčastněnou osu, musí být schopna provádět v poloze, rychlosti a zrychlení. Pro jakoukoli osu pohybu k provedení poskytnutého příkazového profilu musí být šířka pásma tohoto profilu v rámci šířky pásma pohybového systému. Správně, každý systém pohybu má šířku pásma.
Řídicí systém se spoléhá na signály zpětné vazby, kontrolní smyčky servo a výkonné motory, aby reagovaly na příkazy a odpovídaly skutečným výsledkům s požadovanými výsledky. Citlivost řídicího systému závisí na tom, jak rychle může ovladač rozhodovat a změny účinků, když skutečný pohyb neodpovídá velenému pohybu. Tento „reagovat v řídicím systému“ je téměř zcela závislý na specifikacích a návrhu použitého ovládacího produktu. Specifikace, jako je rychlost generování trajektorie, rychlost uzavření proudu (rychlost, při které lze změnit proud generovaný daným motorovým pohonem) a maximální síla generovaná motorem zařízení určí rychlost odezvy řídicího systému. Proto je poněkud zřejmým závěrem, že výběr výkonného ovládacího produktu a výkonného motoru bude přínosem pro návrháře. Míra odezvy řídicího systému je však pouze jednou částí schopnosti celkového pohybového systému reagovat na příkazy, tj. Šířku pásma pohybového systému. Kombinace fyzické tuhosti pohybové platformy a šířky pásma řídicího systému určuje dynamickou schopnost celého systému. Vzhledem ke stejnému řídicímu systému a motoru, čím vyšší je vnitřní frekvence mechanického systému, tj. JE TO, tím větší je frekvenční šířka pásma, při které může systém úspěšně reagovat.
Obecně je nejdůležitějším signálem v řízení pohybu příkaz zrychlení. Zrychlení je primárním signálem zájmu operátora stroje, protože nejvíce souvisí s tím, co strojový řadič skutečně ovládá, proud pro motory. Proud krmený na každém motoru osy je úměrný síle generované každým motorem. Síla generovaná každým motorem je úměrná akceleraci, která se zažívá tím, že se stroj pohybuje. Chyba sledování nebo chyba vstřikovaná do procesu výrobního procesu kvůli neschopnosti pohybového systému dokonale následovat velenou trajektorii, je úměrná části velící šířky pásma zrychlení, která přesahuje šířku pásma pohybového systému. Auto založené na odpružení, motoru a řidiči může překročit závodní dráhu pouze určitou rychlostí; Pokud je nucen se otočit rychlostí, která překračuje jeho limity, uteče ze silnice. To je stejné pro stroje pro zpracování laseru. Pochopením šířky pásma příkazů zrychlení odeslaného do stroje v pohybovém profilu a šířkou pásma reakce nebo dynamiky stroje máme pevný základ pro zajištění vysoce kvalitních dílů s maximální propustností. Některé pokročilé řadiče pohybu skutečně nabízejí funkce, které programátorovi umožňují automaticky vzít v úvahu šířku pásma systému pohybu a samy omezují příkazy zrychlení odeslané do komponent stroje, aby se zabránilo příliš mnoha chybám.
Kombinace těchto konceptů vytváří pro návrháře stroje smysluplnou zprávu. Čím přísnější struktura rámu, tím méně ohýbání stroje a vibrace ovlivní výsledky obrábění, což ponechá více rozpočtu chyb pro dynamické chyby sledování. Čím přísnější je mechanický návrh pohybového systému, tím vyšší je šířka pásma pohybového systému. Čím vyšší je výkon použitých ovládacích produktů, tím vyšší je šířka pásma pohybového systému. Čím vyšší je šířka pásma pohybového systému, tím větší je šířka pásma příkazů zrychlení, na které může reagovat bez vytvoření stejné úrovně chyby části. Čím vyšší je šířka pásma příkazů zrychlení bez vytvoření špatné části, čím rychleji může být stroj přikázán procházet požadovanou obrysem během výroby součástí. Návrháři strojů by proto měli zvážit všechny možné způsob, jak maximalizovat tuhost stroje a šířku pásma řídicího systému, aby se maximalizovala propustnost procesu bez ohrožení kvality dílu.
