شهد معظم الأشخاص المطلعين على معالجة الليزر الصناعية على نطاق واسع آلة CNC عالية الإنتاجية من CNC تقطع ألواح وأنابيب الفولاذ الكبيرة بسرعات مذهلة. أولئك منا في Micromachining الليزر ، حيث تعتمد جودة الجزء على دقة الآلات على مستوى الميكرون ، تساءلوا عما إذا كان بإمكاننا تحقيق مثل هذه الإنتاجية عالية الجهاز وما زلنا ينتجون أجزاء دقيقة للغاية. الجواب نعم - ثم يصبح السؤال "كيف؟" تستكشف هذه المقالة الاعتبارات الأساسية في تصميم الآلات والتحكم فيها والتي يجب أن يكون الشخص على دراية بتحقيق أقصى قدر من الإنتاجية من المعالج الدقيق بالليزر الدقيق.
في عملية التصنيع ، غالبًا ما تكون معايير تحديد الأجزاء المقبولة غير قابلة للتفاوض. يتم تعريف التحمل الجزئي من خلال متطلبات التشغيل العادي أو الآمن للجزء. أنها تحدد ميزانية الخطأ المسموح بها لعملية التصنيع. ثم يتم "استنفاد ميزانية الخطأ" من خلال مصادر خطأ مختلفة ناشئة عن تصميم الماكينة ، ووظيفة وحدة التحكم ، وتفاعلات المواد بالليزر أثناء الآلات. المفتاح لزيادة الإنتاجية عند تصنيع أجزاء عالية الدقة هو ترك أكبر قدر ممكن من ميزانية الخطأ لأخطاء التتبع الديناميكي. اتباع نظام الصوت ومبادئ التصميم الهيكلي واختيار وحدة تحكم قوية للحركة - واحد يستفيد من أقصى قدر من ميزانية خطأ التتبع الديناميكي - سيزيد من الإنتاجية إلى الحد الأقصى وبالتالي الأساس المنطقي الاقتصادي لأنظمة التهيئة الدقيقة بالليزر.
يعد التصميم الهيكلي لنظام التصنيع أمرًا أساسيًا لتحسين قدرة نظام التصنيع على العمل بإنتاجية عالية. لكي يرفض نظام التحكم الأخطاء وتقليلها ، يجب أن تكون المستشعرات المستخدمة "لمشاهدة" الحركة داخل النظام قادرة على مراقبة الحركة النسبية بين الأداة والجزء. في معظم الأنظمة ، لا تلاحظ هذه المستشعرات مباشرة حركة نصيحة الأداة ، أي بقعة الليزر ؛ بدلاً من ذلك ، يستمدون معلوماتهم من رأس Readical Optical الذي ينظر إلى مقياس التشفير (حاكم فعال) مضمن في آلية نظام الحركة. لذلك ، من أجل توفير أكبر قدر ممكن من ميزانية الخطأ لميزانية التتبع الديناميكي في وحدة التحكم ، يجب على المصمم تقليل الأخطاء التي لا يمكن ملاحظتها بسبب الانحناء أو الاهتزاز داخل الإطار. المفتاح لتقليل الخطأ الذي لا يمكن ملاحظته هو زيادة تصلب الهيكل إلى الحد الأقصى. طريقة واحدة لتحقيق أقصى قدر من الصلابة هي تقليل طول الحلقات الهيكلية للماكينة. الحلقة الهيكلية هي مسار للقوى الناتجة عن حركة الجهاز الذي يتطابق أو متساوية أو معاكسة للقوى الناتجة عن العناصر الهيكلية المقابلة. تخيل أن المواد التي تشكل العناصر الهيكلية للآلة تتشكل من قبل الآلاف من الينابيع الصغيرة المتصلة في السلسلة. إضافة المزيد من الينابيع إلى سلسلة ترادفية تقلل فعليًا من تصلب السلسلة. لذلك ، يجب على المصممين تقصير "السلسلة" الهيكلية لعناصر الربيع لتصلب الماكينة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن إضافة عناصر الربيع بالتوازي يجعل السلسلة أكثر صلابة. لزيادة الصلابة ، يجب على المصممين إضافة عناصر هيكلية زائدة إلى إطار الماكينة لدعم القوى بالقصور الذاتي. كلما زاد عدد الطاقة ، كلما تم حقن الطاقة في الهيكل دون التسبب في حركة غير مرغوب فيها. يتيح ذلك للمستخدم دفع عناصر التحكم في الحركة بشكل أسرع ، مع مزيد من التسارع والطاقة ، مع تقليل أخطاء المعالجة التي لا يمكن ملاحظتها. يوضح الشكل 1 أدناه السلسلة والاتصال الموازي للحلقات الهيكلية للجهاز وعناصر الربيع.
يوضح الشكل 1. إضافة الينابيع في سلسلة تجعل سلسلة الربيع أقل صلابة ، مع إضافة الينابيع بالتوازي يجعل سلسلة الربيع أكثر صلابة. يمكن استخدام هذا المبدأ لزيادة صلابة الدائرة الهيكلية للآلة.
إن آلة أكثر صلابة تسمح بحقن المزيد من الطاقة دون الانحناء ، وتوفير المزيد من ميزانية الخطأ في مكان آخر ، هي تحسن فوري. هذا يمهد الطريق لمجال التركيز التالي في تحسين الإنتاجية: مبادئ ديناميات الماكينة. مع زيادة صلابة منصات الحركة والرفوف ، وكذلك تواترها الجوهرية. مع زيادة ترددها الجوهرية ، وكذلك قابلية التحكم وسرعة الإنتاج.
كل مسار حركة - المسار المطلوب لبقعة ليزر لإنشاء جزء - له محتوى طيفي لكل محور متورط في توليد الحركة. يحتوي كل أمر محور على نطاق تردد جيب من الجيوب الأنفية يحتاج إلى تمثيله في سلسلة أو ملخص رياضي لتمثيله. يوضح الشكل 2 أدناه مثالًا على وظيفة الخطوة وتقريبها الجيبي باستخدام النطاق الترددي المحدود.
الشكل 2. تقريب وظيفة الخطوة باستخدام موجة جيبية من حيث المستويات والمبالغ. كلما زادت ترددات الموجة أو النطاق الترددي المستخدمة في التقريب ، كلما اقترب التقريب من وظيفة الخطوة. تتطلب وظيفة الخطوة عددًا لا حصر له من خطوات الجيوب الأنفية لتمثيلها بشكل مثالي ، ولكن يمكن تمثيل الوظيفة السلسة بعدد محدود من الخطوات أو النطاق الترددي.
في هذا المثال لوظيفة الخطوة ، هناك حاجة إلى عرض النطاق الترددي اللانهائي لتقريب الخطوة تمامًا ، مما يجعل من المستحيل تنفيذها في جهاز حقيقي. هذا هو أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل مبرمجي الحركة يحاولون تجنب الانقطاعات في الأوامر المرسلة إلى الجهاز. ينطبق المبدأ الموضح في الشكل 2 على كل إشارة أمر. عندما يكون ملف تعريف الحركة متعدد الأبعاد ويتضمن محاور متعددة للحركة ، فإن المعدل الذي يعبر فيه الجهاز هذا المظهر الجانبي عرض النطاق الترددي للأوامر المرسلة إلى كل محور ذي صلة. مثال بسيط على هذه العلاقة هو استخدام محورين لإنشاء دائرة. في علم المثلثات الأساسي ، يسافر محوران عبر دائرة ، يعانيان من موجة جيب في الموضع والسرعة والتسارع. يتناسب تواتر الموجة الجيبية التي يُطلب من كل محور أداءها مع السرعة التي تمر بها الدائرة. كلما كان الماكينة مطلوبة أسرع لسفر دائرة ، كلما زاد تواتر الموجة الجيبية لكل محور المعني يجب أن يكون قادرًا على الأداء في الموضع والسرعة والتسارع. لأي محور للحركة لتنفيذ ملف تعريف الأمر المقدم ، يجب أن يكون النطاق الترددي لهذا الملف الشخصي ضمن عرض النطاق الترددي لنظام الحركة. هذا صحيح ، كل نظام حركة لديه عرض النطاق الترددي.
يعتمد نظام التحكم على إشارات التغذية المرتدة وحلقات التحكم المؤازرة والمحركات القوية للرد على الأوامر ومطابقة النتائج الفعلية مع النتائج المطلوبة. تعتمد استجابة نظام التحكم على السرعة التي يمكن أن تتخذها وحدة التحكم بالقرارات وتغيير التأثير عندما لا تتطابق الحركة الفعلية مع الحركة المطلوبة تمامًا. يعتمد "استجابة نظام التحكم" هذا تمامًا تقريبًا على مواصفات وتصميم منتج التحكم المستخدم. يمكن تغيير مواصفات مثل معدل توليد المسار ، ومعدل الإغلاق الحالي (المعدل الذي يمكن أن يتغير به التيار الناتج عن محرك محرك معين) ، وستحدد قوة الذروة الناتجة عن محرك الجهاز معدل استجابة نظام التحكم. لذلك ، إنه استنتاج واضح إلى حد ما مفاده أن اختيار منتج تحكم قوي ومحرك قوي سيفيد المصمم. ومع ذلك ، فإن معدل الاستجابة لنظام التحكم هو جزء واحد فقط من قدرة نظام الحركة الكلي على الاستجابة للأوامر ، أي عرض نطاق نظام الحركة. يحدد الجمع بين الصلابة المادية لمنصة الحركة وعرض النطاق الترددي لنظام التحكم القدرة الديناميكية للنظام بأكمله. بالنظر إلى نفس نظام التحكم والمحرك ، كلما ارتفع التردد الجوهري للنظام الميكانيكي ، أي كلما كان ذلك أكثر صلابة ، كلما زاد عرض النطاق الترددي للتردد الذي يمكن أن يستجيب فيه النظام بنجاح.
بشكل عام ، الإشارة الأكثر أهمية في التحكم في الحركة هي أمر التسارع. التسارع هو الإشارة الأساسية التي تهم مشغل الماكينة لأنه يرتبط ارتباطًا وثيقًا بما تتحكم فيه وحدة تحكم الماكينة بالفعل ، والتيار إلى المحركات. يتناسب التيار الحالي لكل محرك محور مع القوة الناتجة عن كل محرك. تتناسب القوة الناتجة عن كل محرك مع التسارع الذي تعاني من درجة الحرية مع تحرك الماكينة. تتبع الخطأ ، أو الخطأ الذي تم حقنه في عملية الإنتاج بسبب عدم قدرة نظام الحركة على اتباع المسار المطلوب تمامًا ، يتناسب مع جزء النطاق الترددي للتسارع الذي يتجاوز نطاق النطاق الترددي لنظام الحركة. يمكن لسيارة تعتمد على التعليق والمحرك والسائق عبور مسار السباق بسرعة معينة ؛ إذا أجبرت على الدوران بسرعة تتجاوز حدودها ، فسوف يركض على الطريق. هذا هو نفسه لآلات معالجة الليزر. من خلال فهم عرض النطاق الترددي لأوامر التسارع المرسلة إلى الجهاز في ملف تعريف الحركة ، وكذلك عرض النطاق الترددي لاستجابة الجهاز أو دينامياتها ، لدينا أساس متين لضمان إنتاج أجزاء عالية الجودة بأقصى إنتاجية. تقدم بعض وحدات التحكم في الحركة المتقدمة في الواقع ميزات تتيح للمبرمج أن يأخذ في الاعتبار تلقائي عرض النطاق الترددي لنظام الحركة وتحديد أوامر التسارع المرسلة إلى مكونات الجهاز لمنع حدوث الكثير من الأخطاء.
يخلق الجمع بين هذه المفاهيم رسالة ذات معنى لمصمم الماكينة. كلما زادت صلابة بنية الإطار ، سيؤثر ثني الجهاز والاهتزاز على نتائج الآلات ، مما يترك المزيد من ميزانية الخطأ لأخطاء التتبع الديناميكي. كلما زاد عدد التصميم الميكانيكي لنظام الحركة ، زاد عرض النطاق الترددي لنظام الحركة. كلما ارتفع أداء منتجات التحكم المستخدمة ، زاد عرض النطاق الترددي لنظام الحركة. كلما ارتفع عرض النطاق الترددي لنظام الحركة ، زاد عرض النطاق الترددي لأوامر التسارع التي يمكنه الاستجابة لها دون إنشاء نفس مستوى خطأ الجزء. كلما ارتفع عرض النطاق الترددي لأوامر التسارع دون إنشاء جزء سيء ، كلما كان الماكينة أسرع لاجتياز الكفاف المطلوب أثناء إنتاج الجزء. لذلك ، يجب على مصممي الماكينة النظر في كل طريقة ممكنة لزيادة تصلب الماكينة والتحكم في عرض النطاق الترددي لنظام التشغيل لزيادة إنتاجية العملية دون المساس بجودة الجزء.
