Suurimmalla osalla laaja-alaisesta teollisuuslaserprosessista tuntevat ihmiset ovat nähneet suuren suorituskyvyn laser CNC-koneen leikkaamisen suuret teräslevyt ja putket huimaavan nopeudella. Ne meistä lasermikromakkeissa, joissa osan laatu riippuu mikronin tason työstötarkkuudesta, ihmettelimme, voisimmeko saavuttaa niin korkean koneen läpimenon ja tuottaa silti erittäin tarkkoja osia. Vastaus on kyllä - ja sitten kysymyksestä tulee "miten?" Tässä artikkelissa tutkitaan koneen suunnittelun ja ohjauksen perusnäkökohtia, jotka on tunnettava tarkkuuslasermikroprosessorin maksimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi.
Valmistusprosessissa hyväksyttävien osien määrittämiskriteerit eivät ole usein neuvottelemattomia. Osatoleranssit määritellään osan normaalin tai turvallisen toiminnan vaatimuksilla. Ne määrittelevät valmistusprosessin sallitun virhebudjetin. Virhebudjetti "kuluu sitten" eri virhelähteistä, jotka johtuvat koneen suunnittelusta, ohjaimen toiminnasta ja lasermateriaalien vuorovaikutuksesta koneistuksen aikana. Avain suorituskyvyn maksimoimiseen, kun valmistetaan suuria tarkkuusosat, on jättää mahdollisimman paljon virhebudjettia dynaamisiin seurantavirheisiin. Äänijärjestelmän ja rakennesuunnittelun periaatteiden noudattamisen ja tehokkaan liikkeenohjaimen valitseminen - joka hyödyntää dynaamista seurantavirhebudjettia - maksimoi läpimenon ja siten lasermikromakkeiden järjestelmien taloudellinen peruste.
Valmistusjärjestelmän rakennesuunnittelu on välttämätöntä valmistusjärjestelmän kyvyn parantamiseksi korkealla läpimenoaikalla. Jotta ohjausjärjestelmä hylkää ja minimoida virheet, antureiden "näkemiseen" järjestelmän liikkeen on kyettävä tarkkailemaan työkalun ja osan välistä suhteellista liikettä. Useimmissa järjestelmissä nämä anturit eivät suoraan tarkkaile työkalun kärjen, ts. Laserpisteen liikettä; Sen sijaan he saavat tietonsa optisesta lukijapäästä, joka katselee enkooderin asteikkoa (tehokkaasti hallitsija), joka on upotettu liikejärjestelmän mekanismiin. Siksi ohjaimen dynaamisen seurannan budjetin säästämiseksi mahdollisimman paljon, suunnittelijan on minimoitava havaittavissa olevat virheet kehyksen taivuttamisesta tai tärinästä johtuen. Avain havaitsemattoman virheen minimoimiseen on rakenteen jäykkyys maksimoida. Yksi tapa saavuttaa maksimaalinen jäykkyys on minimoida koneen rakennesilmukoiden pituus. Rakennesilmukka on voimien polku, joka syntyy koneen liikkeestä, joka vastaa tai on yhtä suuri tai päinvastainen kuin vastaavien rakenneosien tuottamat voimat. Kuvittele, että koneen rakenteelliset elementit muodostavat materiaalit muodostavat tuhannet pienet jouset, jotka on kytketty sarjaan. Lisäämällä lisää jousia tandemiketjuun todella vähentää ketjun jäykkyyttä. Siksi suunnittelijoiden tulisi lyhentää jouselementtien rakenteellista "ketjua" koneen jäykistämiseksi. Lisäksi jouselementtien lisääminen rinnakkain tekee ketjusta jäykemmäksi. Jäykkyyden maksimoimiseksi suunnittelijoiden tulisi lisätä redundantit rakenneosat koneen kehykseen inertiaalisten voimien tukemiseksi. Mitä jäykempi kone, sitä enemmän energiaa injektoidaan rakenteeseen aiheuttamatta ei -toivottua liikettä. Tämän avulla käyttäjä voi työntää liikkeenohjauselementtejä nopeammin, lisää kiihtyvyyttä ja energiaa minimoimalla havaitsemattomat käsittelyvirheet. Alla oleva kuva 1 kuvaa koneen rakennesilmukoiden ja jousielementtien sarjaa ja rinnakkaista yhteyttä.
Kuvio 1 näyttää. Jousien lisääminen sarjaan tekee jousiketjusta vähemmän jäykäksi, kun taas jousien lisääminen rinnakkain tekee jousiketjusta jäykemmän. Tätä periaatetta voidaan käyttää koneen rakennepiirin jäykkyyden maksimoimiseksi.
Jäykempi kone, joka sallii enemmän energiaa injektoida taivuttamatta, säästää enemmän muualta virhebudjettia, on välitön parannus. Tämä tasoittaa tietä seuraavalle keskittymisalueelle läpimenon parantamisessa: koneen dynamiikan periaatteet. Kun liikealustojen ja telineiden jäykkyys kasvaa, samoin niiden luontainen taajuus. Kun niiden luontainen taajuus kasvaa, samoin niiden hallittavuuden ja tuotannon nopeus.
Jokainen liikkeen etenemissuunta - laserpisteen vaadittavalla polulla osan luomiseksi - on spektripitoisuus jokaiselle liikkeen luomiseen liittyvälle akselille. Jokaisella akselikomennolla on tietty sinimuotoinen taajuuskaista, joka on edustettava matemaattisessa sarjassa tai summaus. Alla olevassa kuviossa 2 esitetään esimerkki askelfunktiosta ja sen sinimuotoisesta likiarvosta äärellisen kaistanleveyden avulla.
Kuva 2. Vaihefunktion lähentäminen siniaaltoa käyttämällä tasojen ja summien suhteen. Mitä enemmän siniaaltotaajuuksia tai kaistanleveyksiä käytetään likiarvossa, sitä lähempänä likiarvo on askelfunktio. Vaihefunktio vaatii äärettömän määrän sinusoidien vaiheita sen edustamiseksi täydellisesti, mutta sileä funktio voidaan edustaa rajallinen määrä vaiheita tai kaistanleveyksiä.
Tässä esimerkissä askelfunktiosta tarvitaan ääretön kaistanleveys askeleen täydellisesti arvioimiseksi, mikä tekee mahdottomaksi toteuttaa todellisessa koneessa. Tämä on yksi tärkeimmistä syistä, miksi liikeohjelmoijat yrittävät välttää koneelle lähetettyjen komentojen epäjatkuvuuksia. Kuviossa 2 esitetty periaate koskee jokaista komentosignaalia. Kun liikeprofiili on moniulotteinen ja siihen liittyy useita liikeakseleita, kone kulkee profiilin kulkevan nopeuden muuttaa jokaiselle asiaankuuluvalle akselille lähetettyjen komentojen kaistanleveyden. Yksinkertainen esimerkki tästä suhteesta on kahden akselin käyttäminen ympyrän luomiseen. Perustrigonometriassa kaksi akselia kulkevat ympyrän läpi ja kokevat sinimuotoisen aallon asennossa, nopeudessa ja kiihtyvyydessä. Siniaalton taajuus, jota kutakin akselia pyydetään suorittamaan, on verrannollinen ympyrän ohi. Mitä nopeammin kone tarvitaan ympyrän ajamiseen, sitä korkeampi siniaalton taajuus jokaiselle kyseiselle akselille on kyettävä suorittamaan paikoillaan, nopeudella ja kiihtyvyydellä. Jotta minkä tahansa liikeakselin suorittaminen toimitetun komentoprofiilin suorittamiseksi, kyseisen profiilin kaistanleveyden on oltava liikejärjestelmän kaistanleveyden sisällä. Se on totta, jokaisella liikejärjestelmällä on kaistanleveys.
Ohjausjärjestelmä riippuu palautesignaaleista, servoohjaussilmukoista ja tehokkaista moottoreista reagoida komentoihin ja sovittaa todelliset tulokset haluttuihin tuloksiin. Ohjausjärjestelmän reagointikyky riippuu siitä, kuinka nopeasti ohjain voi tehdä päätöksiä ja vaikutusta, kun todellinen liike ei täsmälleen vastaa käskellistä liikettä. Tämä "ohjausjärjestelmän reagointikyky" on melkein täysin riippuvainen käytetyn ohjaustuotteen eritelmistä ja suunnittelusta. Tekniset tiedot, kuten radan muodostumisnopeus, virran sulkemisnopeus (nopeus, jolla tietyn moottorin käyttöoikeuden tuottama virta voidaan muuttaa), ja laitemoottorin tuottama huippuvoima määrittää ohjausjärjestelmän vastausprosentin. Siksi on jonkin verran selvää johtopäätöstä, että tehokkaan ohjaustuotteen ja voimakkaan moottorin valitseminen hyödyttää suunnittelijaa. Ohjausjärjestelmän vastausprosentti on kuitenkin vain yksi osa liikuntajärjestelmän kyvystä reagoida komentoihin, ts. Liikejärjestelmän kaistanleveyteen. Liikealustan fyysisen jäykkyyden ja ohjausjärjestelmän kaistanleveyden yhdistelmä määrää koko järjestelmän dynaamisen kyvyn. Kun otetaan huomioon sama ohjausjärjestelmä ja moottori, mitä suurempi mekaanisen järjestelmän luontainen taajuus, ts. Mitä jäykempi se on, sitä suurempi taajuuskaistanleveys, johon järjestelmä pystyy reagoimaan.
Yleensä tärkein liikkeenohjauksen signaali on kiihtyvyyskomento. Kiihtyvyys on koneoperaattorille kiinnostava ensisijainen signaali, koska se liittyy läheisimmin siihen, mitä koneen ohjain todella hallitsee, moottorien virta. Jokaiselle akselimoottorille syötetty virta on verrannollinen kunkin moottorin tuottamaan voimaan. Kunkin moottorin tuottama voima on verrannollinen kyseisen vapauden asteen koettuun kiihtyvyyteen koneen liikkuessa. Seurantavirhe tai tuotantoprosessiin injektoitu virhe liikejärjestelmän kyvyttömyyden seuraamiseen komennettua etenemissuuntausta on verrannollinen komentetun kiihtyvyyden kaistanleveyden osaan, joka ylittää liikejärjestelmän kaistanleveyden. Auto, joka perustuu jousitukseen, moottoriin ja kuljettajaan, voi ylittää kilpailun vain tietyllä nopeudella; Jos se pakotetaan kääntymään nopeudella, joka ylittää sen rajat, se kulkee tieltä. Tämä on sama laserprosessointikoneissa. Ymmärtämällä liikkeen profiilissa koneelle lähetettyjen kiihtyvyyskomentojen kaistanleveys sekä koneen reagoivuuden tai dynamiikan kaistanleveys, meillä on vankka perusta korkealaatuisten osien varmistamiselle, joka on tuotettu suurimmalla läpimenolla. Jotkut edistyneiden liikkeenohjaimet tarjoavat tosiasiallisesti ominaisuuksia, joiden avulla ohjelmoija voi ottaa automaattisesti huomioon liikejärjestelmän kaistanleveyden ja itse rajoittaa konekomponenteille lähetetyt kiihtyvyyskomennot estämään liian monta virhettä.
Näiden käsitteiden yhdistäminen luo mielekästä viestin konesuunnittelijalle. Mitä jäykempi kehysrakenne, sitä vähemmän koneen taivutus ja tärinä vaikuttavat koneistustuloksiin, jolloin dynaamisten seurantavirheiden ansiosta on enemmän virhebudjettia. Mitä jäykempi liikejärjestelmän mekaaninen suunnittelu, sitä suurempi liikejärjestelmän kaistanleveys. Mitä korkeampi käytettyjen ohjaustuotteiden suorituskyky, sitä korkeampi liikejärjestelmän kaistanleveys. Mitä korkeampi liikejärjestelmän kaistanleveys, sitä suurempi kiihtyvyyskomentojen kaistanleveys se voi reagoida luomatta samaa tason osavirhettä. Mitä korkeampi kiihtyvyyskomentojen kaistanleveys sallitaan luomatta huonoa osaa, sitä nopeammin kone voidaan käskeä kulkea halutun muodon kulkemiseksi osan tuotannon aikana. Siksi konesuunnittelijoiden tulisi harkita kaikkia mahdollisia tapoja maksimoida koneen jäykkyys ja ohjausjärjestelmän kaistanleveys prosessien läpimenon maksimoimiseksi vaarantamatta osan laatua.
