Hầu hết mọi người quen thuộc với xử lý laser công nghiệp quy mô lớn đã thấy máy CNC thông lượng cao cắt các tấm và ống thép lớn ở tốc độ chóng mặt. Những người trong chúng ta trong micromachining laser, trong đó chất lượng bộ phận phụ thuộc vào độ chính xác gia công ở cấp độ micron, tự hỏi liệu chúng ta có thể đạt được thông lượng máy cao như vậy và vẫn tạo ra các phần chính xác cao không. Câu trả lời là có - và sau đó câu hỏi trở thành "làm thế nào?" Bài viết này khám phá những cân nhắc cơ bản trong thiết kế và điều khiển máy mà người ta phải quen thuộc để đạt được thông lượng tối đa từ bộ vi xử lý laser chính xác.
Trong quy trình sản xuất, các tiêu chí xác định các bộ phận chấp nhận thường không thể thương lượng. Dung sai bộ phận được xác định bởi các yêu cầu đối với hoạt động bình thường hoặc an toàn của bộ phận. Họ xác định ngân sách lỗi cho phép cho quy trình sản xuất. Ngân sách lỗi sau đó đã bị "cạn kiệt" bởi các nguồn lỗi khác nhau phát sinh từ thiết kế máy, chức năng bộ điều khiển và tương tác vật liệu laser trong quá trình gia công. Chìa khóa để tối đa hóa thông lượng khi sản xuất các bộ phận chính xác cao là để lại càng nhiều ngân sách lỗi càng tốt cho các lỗi theo dõi động. Theo hệ thống âm thanh và các nguyên tắc thiết kế kết cấu và chọn bộ điều khiển chuyển động mạnh mẽ - một điều khoản tận dụng tối đa ngân sách lỗi theo dõi động - sẽ tối đa hóa thông lượng và do đó cơ sở kinh tế cho các hệ thống micromachining laser.
Thiết kế kết cấu của hệ thống sản xuất là cơ bản để cải thiện khả năng của hệ thống sản xuất hoạt động ở thông lượng cao. Để hệ thống điều khiển từ chối và giảm thiểu các lỗi, các cảm biến được sử dụng để "xem" chuyển động trong hệ thống phải có khả năng quan sát chuyển động tương đối giữa công cụ và bộ phận. Trong hầu hết các hệ thống, các cảm biến này không quan sát trực tiếp chuyển động của đầu công cụ, tức là điểm laser; Thay vào đó, họ lấy thông tin của họ từ một đầu đọc quang học xem quy mô bộ mã hóa (có hiệu quả là một thước đo) được nhúng trong cơ chế hệ thống chuyển động. Do đó, để tiết kiệm càng nhiều ngân sách lỗi càng tốt cho ngân sách theo dõi động trong bộ điều khiển, nhà thiết kế phải giảm thiểu các lỗi không thể quan sát được do uốn cong hoặc rung trong khung. Chìa khóa để giảm thiểu lỗi không quan sát được là tối đa hóa độ cứng của cấu trúc. Một cách để đạt được độ cứng tối đa là giảm thiểu chiều dài của các vòng cấu trúc của máy. Một vòng lặp cấu trúc là một đường dẫn của các lực được tạo ra bởi chuyển động của một máy khớp hoặc bằng hoặc đối diện với các lực được tạo ra bởi các yếu tố cấu trúc tương ứng. Hãy tưởng tượng rằng các vật liệu tạo nên các yếu tố cấu trúc của một máy được hình thành bởi hàng ngàn lò xo nhỏ được kết nối theo chuỗi. Thêm nhiều lò xo vào chuỗi song song thực sự làm giảm độ cứng của chuỗi. Do đó, các nhà thiết kế nên rút ngắn "chuỗi" các yếu tố lò xo để làm cứng máy. Ngoài ra, việc thêm các yếu tố lò xo song song làm cho chuỗi cứng hơn. Để tối đa hóa độ cứng, các nhà thiết kế nên thêm các yếu tố cấu trúc dự phòng vào khung của máy để hỗ trợ các lực quán tính. Máy càng cứng hơn, càng được bơm vào cấu trúc mà không gây ra chuyển động không mong muốn. Điều này cho phép người dùng đẩy các yếu tố điều khiển chuyển động nhanh hơn, với khả năng tăng tốc và năng lượng nhiều hơn, đồng thời giảm thiểu các lỗi xử lý không thể quan sát được. Hình 1 bên dưới mô tả chuỗi và kết nối song song của các vòng cấu trúc và các yếu tố lò xo của máy.
Hình 1 cho thấy. Thêm lò xo trong loạt làm cho chuỗi lò xo ít cứng hơn, trong khi thêm lò xo song song làm cho chuỗi lò xo cứng hơn. Nguyên tắc này có thể được sử dụng để tối đa hóa độ cứng của mạch kết cấu của máy.
Một cỗ máy cứng hơn cho phép tiêm nhiều năng lượng hơn mà không bị uốn cong, tiết kiệm nhiều ngân sách lỗi cho nơi khác, là một cải tiến ngay lập tức. Điều này mở đường cho lĩnh vực tập trung tiếp theo trong việc cải thiện thông lượng: các nguyên tắc động lực của máy. Khi độ cứng của các nền tảng và giá đỡ chuyển động tăng lên, tần số nội tại của chúng cũng vậy. Khi tần số nội tại của họ tăng lên, khả năng kiểm soát và tốc độ sản xuất của họ cũng vậy.
Mỗi quỹ đạo chuyển động - đường dẫn cần thiết cho một điểm laser để tạo một phần - có nội dung phổ cho mỗi trục liên quan đến việc tạo chuyển động. Mỗi lệnh trục có một dải tần số hình sin nhất định cần được biểu diễn trong một chuỗi toán học hoặc tổng để đại diện cho nó. Hình 2 dưới đây cho thấy một ví dụ về hàm bước và xấp xỉ hình sin của nó bằng cách sử dụng băng thông hữu hạn.
Hình 2. Xấp xỉ hàm bước bằng cách sử dụng sóng hình sin về mức độ và tổng. Nhiều tần số sóng hình sin hoặc băng thông được sử dụng trong phép tính gần đúng, gần đúng với hàm bước. Hàm bước yêu cầu vô số bước hình sin để thể hiện nó một cách hoàn hảo, nhưng chức năng trơn tru có thể được biểu thị bằng một số bước hữu hạn hoặc băng thông.
Trong ví dụ này về hàm bước, một băng thông vô hạn là cần thiết để gần đúng với bước, điều này khiến nó không thể thực hiện trong một máy thực. Đây là một trong những lý do chính khiến các lập trình viên chuyển động cố gắng tránh sự không liên tục trong các lệnh được gửi đến máy. Nguyên tắc được thể hiện trong Hình 2 áp dụng cho mọi tín hiệu lệnh. Khi cấu hình chuyển động là đa chiều và liên quan đến nhiều trục chuyển động, tốc độ mà máy đi qua cấu hình thay đổi băng thông của các lệnh được gửi đến từng trục có liên quan. Một ví dụ đơn giản về mối quan hệ này là sử dụng hai trục để tạo một vòng tròn. Trong lượng giác cơ bản, hai trục di chuyển qua một vòng tròn, trải qua một sóng hình sin ở vị trí, vận tốc và gia tốc. Tần số của sóng hình sin mà mỗi trục được yêu cầu thực hiện tỷ lệ thuận với tốc độ mà vòng tròn đi qua. Máy càng nhanh để di chuyển một vòng tròn, tần số của sóng hình sin càng cao cho mỗi trục liên quan phải có khả năng thực hiện ở vị trí, vận tốc và gia tốc. Đối với bất kỳ trục chuyển động nào để thực hiện cấu hình lệnh được cung cấp, băng thông của cấu hình đó phải nằm trong băng thông của hệ thống chuyển động. Đúng vậy, mọi hệ thống chuyển động đều có băng thông.
Hệ thống điều khiển phụ thuộc vào tín hiệu phản hồi, vòng điều khiển servo và động cơ mạnh mẽ để phản ứng với các lệnh và khớp kết quả thực tế với kết quả mong muốn. Khả năng đáp ứng của hệ thống điều khiển phụ thuộc vào mức độ nhanh chóng của bộ điều khiển có thể đưa ra quyết định và thay đổi hiệu ứng khi chuyển động thực tế không khớp chính xác với chuyển động được chỉ huy. "Khả năng đáp ứng hệ thống điều khiển" này gần như hoàn toàn phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật và thiết kế của sản phẩm điều khiển được sử dụng. Các thông số kỹ thuật như tốc độ tạo quỹ đạo, tốc độ đóng hiện tại (tốc độ hiện tại được tạo ra bởi một ổ đĩa động cơ đã cho có thể được thay đổi) và lực cực đại được tạo ra bởi động cơ thiết bị sẽ xác định tốc độ phản hồi của hệ thống điều khiển. Do đó, đó là một kết luận có phần rõ ràng rằng việc chọn một sản phẩm điều khiển mạnh mẽ và một động cơ mạnh mẽ sẽ có lợi cho nhà thiết kế. Tuy nhiên, tốc độ phản hồi của hệ thống điều khiển chỉ là một phần của khả năng phản hồi của hệ thống chuyển động tổng thể của hệ thống chuyển động, tức là băng thông hệ thống chuyển động. Sự kết hợp của độ cứng vật lý của nền tảng chuyển động và băng thông của hệ thống điều khiển xác định khả năng động của toàn bộ hệ thống. Với cùng một hệ thống điều khiển và động cơ, tần số nội tại của hệ thống cơ học càng cao, tức là càng cứng, băng thông tần số mà hệ thống có thể đáp ứng thành công càng lớn.
Nói chung, tín hiệu quan trọng nhất trong điều khiển chuyển động là lệnh tăng tốc. Tăng tốc là tín hiệu chính mà người vận hành máy quan tâm vì nó liên quan chặt chẽ nhất đến những gì bộ điều khiển máy thực sự đang điều khiển, dòng điện cho động cơ. Dòng điện được cho ăn cho mỗi động cơ trục tỷ lệ thuận với lực được tạo ra bởi mỗi động cơ. Lực được tạo ra bởi mỗi động cơ tỷ lệ thuận với gia tốc trải qua bởi mức độ tự do đó khi máy di chuyển. Lỗi theo dõi hoặc lỗi được đưa vào quy trình sản xuất do hệ thống chuyển động không có khả năng tuân thủ hoàn hảo quỹ đạo được chỉ huy, tỷ lệ thuận với phần băng thông gia tốc được chỉ huy vượt quá băng thông của hệ thống chuyển động. Một chiếc xe dựa trên hệ thống treo, động cơ và người lái chỉ có thể vượt qua một đường đua với tốc độ nhất định; Nếu nó bị buộc phải quay với tốc độ vượt quá giới hạn của nó, nó sẽ chạy khỏi đường. Điều này là giống nhau cho các máy xử lý laser. Bằng cách hiểu băng thông của các lệnh gia tốc được gửi đến máy trong cấu hình chuyển động, cũng như băng thông của phản ứng hoặc động lực của máy, chúng tôi có một nền tảng vững chắc để đảm bảo các bộ phận chất lượng cao được tạo ra ở thông lượng tối đa. Một số bộ điều khiển chuyển động nâng cao thực sự cung cấp các tính năng cho phép lập trình viên tự động tính đến băng thông của hệ thống chuyển động và tự giới hạn các lệnh gia tốc được gửi đến các thành phần máy để ngăn chặn quá nhiều lỗi xảy ra.
Kết hợp các khái niệm này tạo ra một thông điệp có ý nghĩa cho nhà thiết kế máy. Cấu trúc khung càng cứng, việc uốn và rung của máy càng ít sẽ ảnh hưởng đến kết quả gia công, để lại nhiều ngân sách lỗi cho các lỗi theo dõi động. Thiết kế cơ học của hệ thống chuyển động càng cứng nhắc, băng thông của hệ thống chuyển động càng cao. Hiệu suất của các sản phẩm điều khiển được sử dụng càng cao, băng thông của hệ thống chuyển động càng cao. Băng thông càng cao của hệ thống chuyển động, băng thông của các lệnh gia tốc có thể đáp ứng càng lớn mà không tạo ra cùng một mức độ lỗi một phần. Băng thông của các lệnh gia tốc cho phép mà không tạo ra phần xấu, máy càng nhanh có thể được lệnh đi qua đường viền mong muốn trong quá trình sản xuất một phần. Do đó, các nhà thiết kế máy nên xem xét mọi cách có thể để tối đa hóa độ cứng của máy và băng thông hệ thống điều khiển để tối đa hóa thông lượng quy trình mà không ảnh hưởng đến chất lượng bộ phận.
