La maggior parte delle persone che ha familiarità con l'elaborazione laser industriale su larga scala ha visto una macchina CNC laser ad alto rendimento che taglia grandi piastre e tubi in acciaio a velocità vertiginose. Quelli di noi nella micromachining laser, in cui la qualità della parte dipende dalla precisione di lavorazione a livello di micron, si chiedevano se potevamo ottenere una velocità così elevata e produrre ancora parti altamente accurate. La risposta è sì - e poi la domanda diventa "Come?" Questo articolo esplora le considerazioni di base nella progettazione e nel controllo delle macchine che si devono avere familiarità per ottenere la massima throughput da un microprocessore laser di precisione.
Nel processo di produzione, i criteri per determinare le parti accettabili sono spesso non negoziabili. Le tolleranze delle parti sono definite dai requisiti per il funzionamento normale o sicuro della parte. Definiscono il budget di errore ammissibile per il processo di produzione. Il budget di errore viene quindi "esaurito" da diverse fonti di errore derivanti dalla progettazione della macchina, funzionalità del controller e interazioni materiali laser durante la lavorazione. La chiave per massimizzare il throughput quando si producono parti ad alta precisione è lasciare il budget di errore più possibile per errori di monitoraggio dinamico. Seguire il sistema audio e i principi di progettazione strutturale e la selezione di un potente controller di movimento - uno che sfrutta il massimo del budget di errore di tracciamento dinamico - massimizzerà il throughput e quindi la logica economica per i sistemi di micromachining laser.
La progettazione strutturale del sistema di produzione è fondamentale per migliorare la capacità del sistema di produzione di funzionare ad alto rendimento. Affinché il sistema di controllo respingi e minimizza gli errori, i sensori usati per "vedere" il movimento all'interno del sistema devono essere in grado di osservare il movimento relativo tra lo strumento e la parte. Nella maggior parte dei sistemi, questi sensori non osservano direttamente il movimento della punta dello strumento, cioè il punto laser; Invece, derivano le loro informazioni da una lettura ottica che vede una scala di encoder (effettivamente un righello) incorporato nel meccanismo del sistema di movimento. Pertanto, al fine di risparmiare il maggior budget di errore possibile per il budget di monitoraggio dinamico nel controller, il progettista deve ridurre al minimo gli errori non osservabili dovuti a flessione o vibrazione all'interno del frame. La chiave per ridurre al minimo l'errore non osservabile è massimizzare la rigidità della struttura. Un modo per ottenere la massima rigidità è ridurre al minimo la lunghezza dei circuiti strutturali della macchina. Un ciclo strutturale è un percorso di forze generate dal movimento di una macchina che corrisponde o è uguale o opposta alle forze generate dagli elementi strutturali corrispondenti. Immagina che i materiali che compongono gli elementi strutturali di una macchina siano formati da migliaia di piccole molle collegate in serie. L'aggiunta di più molle a una catena in tandem riduce effettivamente la rigidità della catena. Pertanto, i progettisti dovrebbero accorciare la "catena" strutturale degli elementi a molla per irrigidimento della macchina. Inoltre, l'aggiunta di elementi di primavera in parallelo rende la catena più rigida. Per massimizzare la rigidità, i progettisti dovrebbero aggiungere elementi strutturali ridondanti al telaio della macchina per supportare le forze inerziali. Più rigida la macchina, maggiore è l'energia iniettata nella struttura senza causare movimento indesiderato. Ciò consente all'utente di spingere gli elementi di controllo del movimento più velocemente, con maggiore accelerazione ed energia, riducendo al minimo gli errori di elaborazione non osservabili. La Figura 1 di seguito mostra la serie e la connessione parallela dei loop strutturali della macchina e degli elementi a molla.
La Figura 1 mostra. L'aggiunta di molle in serie rende la catena a molla meno rigida, mentre l'aggiunta di molle in parallelo rende la catena a molla più rigida. Questo principio può essere utilizzato per massimizzare la rigidità del circuito strutturale di una macchina.
Una macchina più rigida che consente di iniettare più energia senza piegatura, risparmiare più del budget di errore per altrove, è un miglioramento immediato. Ciò apre la strada alla prossima area di messa a fuoco nel miglioramento della throughput: i principi della dinamica della macchina. All'aumentare della rigidità delle piattaforme di movimento e dei rack, aumenta anche la loro frequenza intrinseca. All'aumentare della loro frequenza intrinseca, aumenta anche la loro velocità di controllabilità e la loro velocità di produzione.
Ogni traiettoria di movimento - il percorso richiesto per un punto laser per creare una parte - ha un contenuto spettrale per ciascun asse coinvolto nella generazione del movimento. Ogni comando dell'asse ha una certa banda di frequenza sinusoidale che deve essere rappresentata in una serie matematica o somma per rappresentarlo. La Figura 2 seguente mostra un esempio di funzione di passo e la sua approssimazione sinusoidale usando una larghezza di banda finita.
Figura 2. Approssimazione di una funzione di passaggio usando un'onda sinusoidale in termini di livelli e somme. Più frequenze di onde sinusoidali o larghezza di banda utilizzate nell'approssimazione, più si avvicina l'approssimazione è alla funzione del passaggio. La funzione Step richiede un numero infinito di passaggi di sinusoidi per rappresentarlo perfettamente, ma la funzione regolare può essere rappresentata da un numero finito di passaggi o larghezze di banda.
In questo esempio di funzione di passo, è necessaria una larghezza di banda infinita per approssimare perfettamente il passaggio, il che rende impossibile implementare in una vera macchina. Questo è uno dei motivi principali per cui i programmatori di movimento cercano di evitare discontinuità nei comandi inviati alla macchina. Il principio dimostrato nella Figura 2 si applica a ogni segnale di comando. Quando il profilo di movimento è multidimensionale e coinvolge più assi di movimento, la velocità con cui la macchina attraversa quel profilo cambia la larghezza di banda dei comandi inviati a ciascun asse pertinente. Un semplice esempio di questa relazione è l'uso di due assi per creare un cerchio. Nella trigonometria di base, due assi viaggiano attraverso un cerchio, sperimentando un'onda sinusoidale in posizione, velocità e accelerazione. La frequenza dell'onda sinusoidale a cui viene chiesto a ciascun asse è proporzionale alla velocità con cui il cerchio passa. Più velocemente è necessaria la macchina per percorrere un cerchio, maggiore è la frequenza dell'onda sinusoidale per ciascun asse coinvolto deve essere in grado di eseguire in posizione, velocità e accelerazione. Per qualsiasi asse di movimento per eseguire il profilo di comando fornito, la larghezza di banda di quel profilo deve essere all'interno della larghezza di banda del sistema di movimento. Esatto, ogni sistema di movimento ha una larghezza di banda.
Il sistema di controllo si basa su segnali di feedback, loop di controllo dei servi e potenti motori per reagire ai comandi e abbinare i risultati effettivi ai risultati desiderati. La reattività del sistema di controllo dipende dalla rapidità con cui il controller può prendere decisioni ed effetto cambia quando il movimento effettivo non corrisponde esattamente al movimento comandato. Questa "reattività del sistema di controllo" dipende quasi interamente dalle specifiche e dalla progettazione del prodotto di controllo utilizzato. Specifiche come il tasso di generazione di traiettorie, il tasso di chiusura di corrente (la velocità con cui è possibile modificare la corrente generata da una determinata azionamento del motore) e la forza di picco generata dal motore del dispositivo determinerà il tasso di risposta del sistema di controllo. Pertanto, è una conclusione in qualche modo ovvia che la scelta di un potente prodotto di controllo e un motore potente andrà a beneficio del designer. Tuttavia, il tasso di risposta del sistema di controllo è solo una parte della capacità del sistema di movimento generale di rispondere ai comandi, cioè la larghezza di banda del sistema di movimento. La combinazione della rigidità fisica della piattaforma di movimento e della larghezza di banda del sistema di controllo determina la capacità dinamica dell'intero sistema. Dato lo stesso sistema di controllo e il motore, maggiore è la frequenza intrinseca del sistema meccanico, cioè più rigido è, maggiore è la larghezza di banda di frequenza in cui il sistema può rispondere correttamente.
In generale, il segnale più importante nel controllo del movimento è il comando di accelerazione. L'accelerazione è il segnale primario di interesse per l'operatore della macchina perché è più strettamente correlata a ciò che il controller della macchina sta effettivamente controllando, la corrente ai motori. La corrente alimentata a ciascun motore dell'asse è proporzionale alla forza generata da ciascun motore. La forza generata da ciascun motore è proporzionale all'accelerazione sperimentata da quel grado di libertà mentre la macchina si muove. L'errore di monitoraggio o l'errore iniettato nel processo di produzione a causa dell'incapacità del sistema di movimento di seguire perfettamente la traiettoria comandata, è proporzionale alla parte della larghezza di banda di accelerazione comandata che supera la larghezza di banda del sistema di movimento. Un'auto basata su sospensioni, motore e conducente possono attraversare solo una pista a una certa velocità; Se è costretto a girare a una velocità che supera i suoi limiti, scapperà fuori strada. Questo è lo stesso per le macchine per l'elaborazione laser. Comprendendo la larghezza di banda dei comandi di accelerazione inviati alla macchina nel profilo di movimento, nonché la larghezza di banda della reattività o delle dinamiche della macchina, abbiamo una solida base per garantire che parti di alta qualità siano prodotte al massimo rendimento. Alcuni controller di movimento avanzati offrono in realtà funzionalità che consentono al programmatore di tenere conto automatico della larghezza di banda del sistema di movimento e di auto-limitare i comandi di accelerazione inviati ai componenti della macchina per impedire che si verifichino troppi errori.
La combinazione di questi concetti crea un messaggio significativo per il designer della macchina. Più rigida è la struttura del telaio, meno flessione e vibrazione della macchina influenzeranno i risultati della lavorazione, lasciando più budget di errore per errori di tracciamento dinamico. Più rigida è la progettazione meccanica del sistema di movimento, maggiore è la larghezza di banda del sistema di movimento. Maggiore è le prestazioni dei prodotti di controllo utilizzati, maggiore è la larghezza di banda del sistema di movimento. Maggiore è la larghezza di banda del sistema di movimento, maggiore è la larghezza di banda dei comandi di accelerazione a cui può rispondere senza creare lo stesso livello di errore della parte. Maggiore è la larghezza di banda dei comandi di accelerazione consentita senza creare una parte negativa, più velocemente è possibile che si possa comandare per attraversare il contorno desiderato durante la produzione di parti. Pertanto, i progettisti di macchine dovrebbero considerare ogni modo possibile per massimizzare la rigidità della macchina e la larghezza di banda del sistema di controllo per massimizzare la velocità di trasmissione del processo senza compromettere la qualità delle parti.
