Büyük ölçekli endüstriyel lazer işlemeye aşina olan çoğu insan, baş döndürücü hızlarda büyük çelik plakaları ve tüpleri kesen yüksek verimli bir lazer CNC makinesi gördü. Parça kalitesinin mikron düzeyinde işleme doğruluğuna bağlı olduğu lazer mikroakinasyondaki bizler, bu kadar yüksek makine verimini elde edip edemeyeceğimizi ve hala son derece doğru parçalar üretip üretemeyeceğimizi merak ettik. Cevap evet - ve sonra soru "Nasıl?" Bu makale, bir hassas lazer mikroişlemciden maksimum verim elde etmek için aşina olması gereken makine tasarımındaki ve kontrolündeki temel hususları araştırmaktadır.
Üretim sürecinde, kabul edilebilir parçaların belirlenmesi için kriterler genellikle pazarlık edilemez. Parça toleransları, parçanın normal veya güvenli çalışması gereklilikleri ile tanımlanır. Üretim süreci için izin verilen hata bütçesini tanımlarlar. Hata bütçesi, işleme sırasında makine tasarımı, denetleyici işlevselliği ve lazer malzeme etkileşimlerinden kaynaklanan farklı hata kaynakları tarafından "tükenir". Yüksek hassasiyetli parçalar üretirken verimi en üst düzeye çıkarmanın anahtarı, dinamik izleme hataları için mümkün olduğunca fazla hata bütçesi bırakmaktır. Ses sistemini ve yapısal tasarım prensiplerini takip etmek ve dinamik izleme hatası bütçesinin maksimum avantajını alan güçlü bir hareket denetleyicisi seçmek, verimi ve dolayısıyla lazer mikro -uzama sistemleri için ekonomik mantığı en üst düzeye çıkaracaktır.
Üretim sisteminin yapısal tasarımı, üretim sisteminin yüksek verimle çalışabilme yeteneğini geliştirmek için temeldir. Kontrol sisteminin hataları reddetmesi ve en aza indirmesi için, sistemdeki hareketin araç ve parça arasındaki göreceli hareketi gözlemleyebilmelidir. Çoğu sistemde, bu sensörler takım ucunun, yani lazer noktasının hareketini doğrudan gözlemlemez; Bunun yerine, bilgilerini hareket sistemi mekanizmasına gömülü bir kodlayıcı ölçeğini (etkili bir şekilde bir cetvel) görüntüleyen optik bir okuma başlığından türetirler. Bu nedenle, denetleyicideki dinamik izleme bütçesi için mümkün olduğunca fazla hata bütçesinden tasarruf etmek için tasarımcı, çerçevedeki bükülme veya titreşim nedeniyle gözlemlenmeyen hataları en aza indirmelidir. Gözlemlenemez hatayı en aza indirmenin anahtarı, yapının sertliğini en üst düzeye çıkarmaktır. Maksimum sertlik elde etmenin bir yolu, makinenin yapısal döngülerinin uzunluğunu en aza indirmektir. Yapısal bir döngü, karşılık gelen yapısal elemanlar tarafından üretilen kuvvetlerle eşleşen veya eşleşen veya eşit veya zıt olan bir makinenin hareketiyle üretilen kuvvetlerin bir yoludur. Bir makinenin yapısal elemanlarını oluşturan malzemelerin seri olarak bağlanan binlerce küçük yay tarafından oluşturulduğunu düşünün. Bir tandem zincirine daha fazla yay eklemek aslında zincirin sertliğini azaltır. Bu nedenle, tasarımcılar, makineyi sertleştirmek için yay elemanlarının yapısal "zincirini" kısaltmalıdır. Buna ek olarak, paralel olarak yay öğeleri eklemek zinciri daha katı hale getirir. Sertliği en üst düzeye çıkarmak için tasarımcılar, atalet kuvvetlerini desteklemek için makinenin çerçevesine gereksiz yapısal elemanlar eklemelidir. Makine daha sert olursa, istenmeyen harekete neden olmadan yapıya o kadar çok enerji enjekte edilir. Bu, kullanıcının hareket kontrol öğelerini daha fazla ivme ve enerji ile daha hızlı itmesine izin verirken, gözlemlenemeyen işlem hatalarını en aza indirir. Aşağıdaki Şekil 1, makinenin yapısal döngülerinin ve yay elemanlarının serisini ve paralel bağlantısını göstermektedir.
Şekil 1 göstermektedir. Seri içine yaylar eklemek, yay zincirini daha az sertleştirirken, paralel yaylar eklenir, yay zinciri daha sert hale getirir. Bu prensip, bir makinenin yapısal devresinin sertliğini en üst düzeye çıkarmak için kullanılabilir.
Bükülmeden daha fazla enerjinin enjekte edilmesini sağlayan daha sert bir makine, başka bir yerde hata bütçesinin daha fazla tasarrufu derhal bir gelişmedir. Bu, bir sonraki odak alanının verimi iyileştirmesinin yolunu açar: Makine Dinamiği İlkeleri. Hareket platformlarının ve raflarının sertliği arttıkça, iç frekansları da artmaktadır. İçsel frekansları arttıkça, kontrol edilebilirlik ve üretim hızları da artmaktadır.
Her hareket yörüngesi - bir parça oluşturması için bir lazer noktan için gereken yol - hareketin üretilmesinde yer alan her eksen için spektral içeriğe sahiptir. Her eksen komutu, bir matematiksel seride veya özette temsil edilmesi gereken belirli bir sinüzoidal frekans bandına sahiptir. Aşağıdaki Şekil 2, bir adım fonksiyonunun bir örneğini ve sonlu bir bant genişliği kullanan sinüzoidal yaklaşımını göstermektedir.
Şekil 2, bir sinüs dalgası kullanılarak bir adım fonksiyonunun seviyeler ve toplamlar olarak yaklaşımı. Yaklaşımda kullanılan sinüs dalgası frekansları veya bant genişlikleri ne kadar çok, yaklaşım adım işlevine o kadar yakın olur. Adım fonksiyonu, mükemmel bir şekilde temsil etmek için sonsuz sayıda sinüzoid adım gerektirir, ancak düzgün fonksiyon sonlu sayıda adım veya bant genişliği ile temsil edilebilir.
Bu adım işlevi örneğinde, adımı mükemmel bir şekilde yaklaştırmak için sonsuz bir bant genişliğine ihtiyaç vardır, bu da gerçek bir makinede uygulamayı imkansız hale getirir. Bu, hareket programcılarının makineye gönderilen komutlardaki süreksizliklerden kaçınmaya çalışmasının ana nedenlerinden biridir. Şekil 2'de gösterilen ilke her komut sinyali için geçerlidir. Hareket profili çok boyutlu olduğunda ve birden fazla hareket eksenini içerdiğinde, makinenin profilin geçme hızı, ilgili her eksene gönderilen komutların bant genişliğini değiştirir. Bu ilişkinin basit bir örneği, bir daire oluşturmak için iki eksen kullanmaktır. Temel trigonometride, iki eksen, pozisyonda, hızda ve ivmede sinüzoidal bir dalga yaşar. Her eksenin gerçekleştirmesi istenen sinüs dalgasının sıklığı, dairenin geçme hızıyla orantılıdır. Makinenin bir daireyi ne kadar hızlı hareket ettirmesi gerekirse, ilgili her eksen için sinüs dalgasının sıklığı o kadar yüksek olur, pozisyonda, hız ve ivme yapabilmelidir. Sağlanan komut profilini yürütmek için herhangi bir hareket ekseni için, bu profilin bant genişliği hareket sisteminin bant genişliği içinde olmalıdır. Bu doğru, her hareket sisteminin bir bant genişliği var.
Kontrol sistemi, komutlara tepki vermek ve gerçek sonuçları istenen sonuçlarla eşleştirmek için geri bildirim sinyallerine, servo kontrol döngülerine ve güçlü motorlara dayanır. Kontrol sisteminin yanıt verebilirliği, gerçek hareket komuta edilen hareketle tam olarak eşleşmediğinde denetleyicinin ne kadar hızlı karar verebileceğine ve etki değişikliklerine bağlıdır. Bu "kontrol sistemi duyarlılığı" neredeyse tamamen kullanılan kontrol ürününün özelliklerine ve tasarımına bağlıdır. Yörünge üretim oranı, akım kapanma oranı (belirli bir motor sürücüsü tarafından üretilen akımın değiştirilebileceği hızı) ve cihaz motoru tarafından üretilen tepe kuvveti kontrol sisteminin tepki oranını belirleyecektir. Bu nedenle, güçlü bir kontrol ürünü ve güçlü bir motor seçmenin tasarımcıya fayda sağlayacağı biraz açık bir sonuçtur. Bununla birlikte, kontrol sisteminin yanıt oranı, genel hareket sisteminin komutlara, yani hareket sistemi bant genişliğine yanıt verme yeteneğinin sadece bir parçasıdır. Hareket platformunun fiziksel sertliğinin ve kontrol sisteminin bant genişliğinin kombinasyonu, tüm sistemin dinamik kapasitesini belirler. Aynı kontrol sistemi ve motor göz önüne alındığında, mekanik sistemin iç frekansı ne kadar yüksek olursa, yani daha sert olursa, sistemin başarıyla yanıt verebileceği frekans bant genişliği o kadar büyük olur.
Genel olarak, hareket kontrolündeki en önemli sinyal ivme komutudur. Hızlanma, makine operatörünün ilginin birincil sinyalidir, çünkü makine denetleyicisinin gerçekte kontrol ettiği, motorlara akım ile yakından ilişkilidir. Her eksen motoruna verilen akım, her motor tarafından üretilen kuvvet ile orantılıdır. Her motor tarafından üretilen kuvvet, makine hareket ettikçe bu serbestlik derecesinin yaşadığı hızlanma ile orantılıdır. Hareket sisteminin komuta edilen yörüngeyi mükemmel bir şekilde takip edememesi nedeniyle üretim sürecine enjekte edilen izleme hatası veya hata, komuta edilen ivme bant genişliğinin hareket sisteminin bant genişliğini aşan kısmı ile orantılıdır. Süspansiyon, motor ve sürücüye dayanan bir araba sadece bir yarış pistini belirli bir hızda geçebilir; Sınırlarını aşan bir hızda dönmeye zorlanırsa, yoldan çıkacaktır. Bu, lazer işleme makineleri için de aynıdır. Hareket profilindeki makineye gönderilen hızlanma komutlarının bant genişliğini ve makinenin yanıt verebilirliğinin veya dinamiklerinin bant genişliğini anlayarak, maksimum verimle yüksek kaliteli parçaların üretilmesini sağlamak için sağlam bir temelimiz var. Bazı gelişmiş hareket denetleyicileri aslında programcının hareket sisteminin bant genişliğini otomatik olarak dikkate almasını ve çok fazla hatanın meydana gelmesini önlemek için makine bileşenlerine gönderilen hızlanma komutlarını kendi kendini sınırlandırmasını sağlayan özellikler sunar.
Bu kavramları birleştirmek, makine tasarımcısı için anlamlı bir mesaj oluşturur. Çerçeve yapısı ne kadar katı olursa, daha az makine bükülmesi ve titreşim işleme sonuçlarını etkileyerek dinamik izleme hataları için daha fazla hata bütçesi bırakır. Hareket sisteminin mekanik tasarımı ne kadar katı olursa, hareket sisteminin bant genişliği o kadar yüksek olur. Kullanılan kontrol ürünlerinin performansı ne kadar yüksek olursa, hareket sisteminin bant genişliği o kadar yüksek olur. Hareket sisteminin bant genişliği ne kadar yüksek olursa, aynı parça hatasını oluşturmadan yanıt verebileceği hızlanma komutlarının bant genişliği o kadar büyük olur. Kötü bir parça oluşturmadan izin verilen ivme komutlarının bant genişliği ne kadar yüksek olursa, makine kısım üretimi sırasında istenen konturu geçmesi için daha hızlı emredilebilir. Bu nedenle, makine tasarımcıları, parça kalitesinden ödün vermeden işlem verimini en üst düzeye çıkarmak için makine sertliğini ve kontrol sistemi bant genişliğini en üst düzeye çıkarmanın mümkün olan her yolu dikkate almalıdır.
