แนวคิดพื้นฐานของความแม่นยำและความสามารถในอุปกรณ์ประมวลผลเลเซอร์

คนส่วนใหญ่ที่คุ้นเคยกับการแปรรูปเลเซอร์อุตสาหกรรมขนาดใหญ่ได้เห็นเครื่องเลเซอร์ CNC ที่มีความเร็วสูงตัดแผ่นเหล็กและหลอดขนาดใหญ่ที่ความเร็วเวียนศีรษะ พวกเราในเลเซอร์ micromachining ซึ่งคุณภาพส่วนหนึ่งขึ้นอยู่กับความแม่นยำในการตัดเฉือนระดับไมครอนสงสัยว่าถ้าเราสามารถบรรลุปริมาณงานที่สูงเช่นนี้และยังคงผลิตชิ้นส่วนที่แม่นยำสูง คำตอบคือใช่ - แล้วคำถามจะกลายเป็น "อย่างไร" บทความนี้สำรวจข้อควรพิจารณาพื้นฐานในการออกแบบเครื่องจักรและการควบคุมที่ต้องคุ้นเคยเพื่อให้ได้ปริมาณงานสูงสุดจากไมโครโปรเซสเซอร์เลเซอร์ที่แม่นยำ

ในกระบวนการผลิตเกณฑ์สำหรับการพิจารณาชิ้นส่วนที่ยอมรับได้มักจะไม่สามารถต่อรองได้ ความคลาดเคลื่อนของชิ้นส่วนถูกกำหนดโดยข้อกำหนดสำหรับการทำงานปกติหรือปลอดภัยของชิ้นส่วน พวกเขากำหนดงบประมาณข้อผิดพลาดที่อนุญาตสำหรับกระบวนการผลิต งบประมาณข้อผิดพลาดจะถูก "หมดลง" โดยแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดที่แตกต่างกันที่เกิดขึ้นจากการออกแบบเครื่องฟังก์ชั่นคอนโทรลเลอร์และการโต้ตอบวัสดุเลเซอร์ในระหว่างการตัดเฉือน กุญแจสำคัญในการเพิ่มปริมาณงานสูงสุดเมื่อผลิตชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูงคือการทิ้งงบประมาณข้อผิดพลาดให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้สำหรับข้อผิดพลาดในการติดตามแบบไดนามิก การติดตามระบบเสียงและหลักการออกแบบโครงสร้างและการเลือกคอนโทรลเลอร์การเคลื่อนไหวที่ทรงพลังซึ่งเป็นสิ่งที่ใช้ประโยชน์สูงสุดจากงบประมาณข้อผิดพลาดในการติดตามแบบไดนามิก - จะเพิ่มปริมาณงานและดังนั้นเหตุผลทางเศรษฐกิจสำหรับระบบไมโครมิเตอร์เลเซอร์

การออกแบบโครงสร้างของระบบการผลิตเป็นพื้นฐานในการปรับปรุงความสามารถของระบบการผลิตในการทำงานที่ปริมาณงานสูง เพื่อให้ระบบควบคุมปฏิเสธและลดข้อผิดพลาดให้น้อยที่สุดเซ็นเซอร์ที่ใช้ "ดู" การเคลื่อนไหวภายในระบบจะต้องสามารถสังเกตการเคลื่อนไหวสัมพัทธ์ระหว่างเครื่องมือและชิ้นส่วน ในระบบส่วนใหญ่เซ็นเซอร์เหล่านี้ไม่ได้สังเกตการเคลื่อนที่ของปลายเครื่องมือโดยตรงเช่นจุดเลเซอร์ แต่พวกเขาได้รับข้อมูลจากหัวอ่านแสงที่ดูสเกลตัวเข้ารหัส (ไม้บรรทัดอย่างมีประสิทธิภาพ) ที่ฝังอยู่ในกลไกระบบการเคลื่อนไหว ดังนั้นเพื่อที่จะประหยัดงบประมาณข้อผิดพลาดให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้สำหรับงบประมาณการติดตามแบบไดนามิกในคอนโทรลเลอร์นักออกแบบจะต้องลดข้อผิดพลาดที่ไม่สามารถสังเกตได้เนื่องจากการดัดหรือการสั่นสะเทือนภายในเฟรม กุญแจสำคัญในการลดข้อผิดพลาดที่ไม่สามารถสังเกตได้คือการเพิ่มความแข็งของโครงสร้าง วิธีหนึ่งในการบรรลุความแข็งสูงสุดคือการลดความยาวของลูปโครงสร้างของเครื่อง ลูปโครงสร้างเป็นเส้นทางของแรงที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของเครื่องที่ตรงกับหรือเท่ากันหรือตรงข้ามกับแรงที่เกิดจากองค์ประกอบโครงสร้างที่สอดคล้องกัน ลองนึกภาพว่าวัสดุที่ประกอบขึ้นเป็นองค์ประกอบโครงสร้างของเครื่องนั้นเกิดจากสปริงเล็ก ๆ นับพันที่เชื่อมต่อกันเป็นชุด การเพิ่มสปริงมากขึ้นในห่วงโซ่ตีคู่ช่วยลดความแข็งของโซ่ ดังนั้นนักออกแบบควรย่อโครงสร้าง "โซ่" ขององค์ประกอบสปริงเพื่อทำให้เครื่องแข็งขึ้น นอกจากนี้การเพิ่มองค์ประกอบสปริงในแบบคู่ขนานทำให้โซ่แข็งขึ้น เพื่อเพิ่มความแข็งให้สูงสุดนักออกแบบควรเพิ่มองค์ประกอบโครงสร้างที่ซ้ำซ้อนลงในกรอบของเครื่องเพื่อรองรับแรงเฉื่อย ความแข็งของเครื่องจะมีการฉีดพลังงานเข้าไปในโครงสร้างมากขึ้นโดยไม่ทำให้เกิดการเคลื่อนไหวที่ไม่พึงประสงค์ สิ่งนี้ช่วยให้ผู้ใช้สามารถผลักดันองค์ประกอบการควบคุมการเคลื่อนไหวได้เร็วขึ้นด้วยการเร่งความเร็วและพลังงานมากขึ้นในขณะที่ลดข้อผิดพลาดในการประมวลผลที่ไม่สามารถสังเกตได้ รูปที่ 1 ด้านล่างแสดงชุดและการเชื่อมต่อแบบขนานของลูปโครงสร้างและองค์ประกอบสปริงของเครื่อง

รูปที่ 1 แสดง การเพิ่มสปริงในอนุกรมทำให้ห่วงโซ่สปริงแข็งน้อยลงในขณะที่การเพิ่มสปริงในแบบคู่ขนานทำให้โซ่สปริงแข็งตัว หลักการนี้สามารถใช้เพื่อเพิ่มความแข็งของวงจรโครงสร้างของเครื่อง

เครื่อง stiffer ที่ช่วยให้พลังงานมากขึ้นสามารถฉีดได้โดยไม่ต้องงอประหยัดงบประมาณข้อผิดพลาดมากขึ้นสำหรับที่อื่นเป็นการปรับปรุงทันที วิธีนี้ปูทางสำหรับพื้นที่โฟกัสถัดไปในการปรับปรุงปริมาณงาน: หลักการพลวัตของเครื่อง เมื่อความแข็งของแพลตฟอร์มการเคลื่อนไหวและชั้นวางเพิ่มขึ้นความถี่ที่แท้จริงก็เช่นกัน เมื่อความถี่ที่แท้จริงของพวกเขาเพิ่มขึ้นความสามารถในการควบคุมและความเร็วในการผลิตก็เช่นกัน

วิถีการเคลื่อนที่แต่ละครั้ง - เส้นทางที่จำเป็นสำหรับจุดเลเซอร์เพื่อสร้างชิ้นส่วน - มีเนื้อหาสเปกตรัมสำหรับแต่ละแกนที่เกี่ยวข้องในการสร้างการเคลื่อนไหว แต่ละคำสั่งแกนมีแถบความถี่ไซน์บางอย่างที่จำเป็นต้องแสดงในชุดคณิตศาสตร์หรือการรวมเพื่อแสดง รูปที่ 2 ด้านล่างแสดงตัวอย่างของฟังก์ชั่นขั้นตอนและการประมาณ SINUSOIDAL โดยใช้แบนด์วิดท์ จำกัด

รูปที่ 2. การประมาณของฟังก์ชั่นขั้นตอนโดยใช้คลื่นไซน์ในแง่ของระดับและผลรวม ความถี่คลื่นหรือแบนด์วิดธ์ที่ใช้ในการประมาณความถี่ของคลื่นกว่านั้นยิ่งใกล้เข้ามามากเท่าใดก็ยิ่งมีฟังก์ชั่นขั้นตอน ฟังก์ชั่นขั้นตอนต้องใช้จำนวนขั้นตอนของไซนัสเพื่อแสดงถึงมันอย่างสมบูรณ์แบบ แต่ฟังก์ชั่นที่ราบรื่นสามารถแสดงได้ด้วยจำนวนขั้นตอนหรือแบนด์วิดธ์จำนวน จำกัด

ในตัวอย่างของฟังก์ชั่นขั้นตอนนี้จำเป็นต้องใช้แบนด์วิดท์ที่ไม่มีที่สิ้นสุดเพื่อประมาณขั้นตอนอย่างสมบูรณ์แบบซึ่งทำให้ไม่สามารถใช้งานได้ในเครื่องจริง นี่คือหนึ่งในเหตุผลหลักที่ทำให้โปรแกรมเมอร์เคลื่อนไหวพยายามหลีกเลี่ยงความไม่ต่อเนื่องในคำสั่งที่ส่งไปยังเครื่อง หลักการที่แสดงในรูปที่ 2 ใช้กับทุกสัญญาณคำสั่ง เมื่อโปรไฟล์การเคลื่อนไหวเป็นหลายมิติและเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวหลายแกนอัตราที่เครื่องผ่านโปรไฟล์นั้นจะเปลี่ยนแบนด์วิดท์ของคำสั่งที่ส่งไปยังแต่ละแกนที่เกี่ยวข้อง ตัวอย่างง่ายๆของความสัมพันธ์นี้คือการใช้สองแกนเพื่อสร้างวงกลม ในตรีโกณมิติขั้นพื้นฐานสองแกนเดินทางผ่านวงกลมประสบกับคลื่นไซน์ในตำแหน่งความเร็วและการเร่งความเร็ว ความถี่ของคลื่นไซน์ที่แต่ละแกนถูกขอให้ดำเนินการเป็นสัดส่วนกับความเร็วที่วงกลมผ่าน ยิ่งต้องใช้เครื่องเร็วขึ้นในการเดินทางวงกลมความถี่ของคลื่นไซน์ที่สูงขึ้นสำหรับแต่ละแกนที่เกี่ยวข้องจะต้องสามารถทำงานได้ในตำแหน่งความเร็วและการเร่งความเร็ว สำหรับแกนใด ๆ ของการเคลื่อนไหวเพื่อดำเนินการโปรไฟล์คำสั่งที่มีให้แบนด์วิดท์ของโปรไฟล์นั้นจะต้องอยู่ภายในแบนด์วิดท์ของระบบการเคลื่อนไหว ถูกต้องทุกระบบการเคลื่อนไหวมีแบนด์วิดท์

ระบบควบคุมอาศัยสัญญาณตอบรับลูปควบคุมเซอร์โวและมอเตอร์ที่ทรงพลังเพื่อตอบสนองต่อคำสั่งและจับคู่ผลลัพธ์จริงกับผลลัพธ์ที่ต้องการ การตอบสนองของระบบควบคุมขึ้นอยู่กับความรวดเร็วของคอนโทรลเลอร์สามารถทำการตัดสินใจและการเปลี่ยนแปลงผลกระทบเมื่อการเคลื่อนไหวจริงไม่ตรงกับการเคลื่อนไหวที่ได้รับคำสั่ง "การตอบสนองของระบบควบคุม" นี้เกือบทั้งหมดขึ้นอยู่กับข้อกำหนดและการออกแบบผลิตภัณฑ์ควบคุมที่ใช้ ข้อมูลจำเพาะเช่นอัตราการสร้างวิถีการปิดอัตราการปิดปัจจุบัน (อัตราที่กระแสไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยมอเตอร์ไดรฟ์ที่กำหนดสามารถเปลี่ยนแปลงได้) และแรงสูงสุดที่สร้างโดยมอเตอร์อุปกรณ์จะกำหนดอัตราการตอบสนองของระบบควบคุม ดังนั้นจึงเป็นข้อสรุปที่ชัดเจนว่าการเลือกผลิตภัณฑ์ควบคุมที่ทรงพลังและมอเตอร์ที่ทรงพลังจะเป็นประโยชน์ต่อนักออกแบบ อย่างไรก็ตามอัตราการตอบสนองของระบบควบคุมเป็นเพียงส่วนหนึ่งของความสามารถของระบบการเคลื่อนไหวโดยรวมในการตอบสนองต่อคำสั่งเช่นแบนด์วิดท์ระบบการเคลื่อนไหว การรวมกันของความแข็งทางกายภาพของแพลตฟอร์มการเคลื่อนไหวและแบนด์วิดท์ของระบบควบคุมกำหนดความสามารถแบบไดนามิกของระบบทั้งหมด ด้วยระบบควบคุมและมอเตอร์เดียวกันยิ่งความถี่ที่แท้จริงของระบบกลไกมากขึ้นเช่นความแข็งก็คือยิ่งแบนด์วิดท์ความถี่มากขึ้นซึ่งระบบสามารถตอบสนองได้สำเร็จ

โดยทั่วไปสัญญาณที่สำคัญที่สุดในการควบคุมการเคลื่อนไหวคือคำสั่งเร่งความเร็ว การเร่งความเร็วเป็นสัญญาณหลักที่น่าสนใจสำหรับผู้ดำเนินการเครื่องเพราะมันเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดที่สุดกับสิ่งที่ตัวควบคุมเครื่องควบคุมจริงกระแสของมอเตอร์ กระแสไฟฟ้าที่ป้อนเข้ากับมอเตอร์แต่ละแกนนั้นเป็นสัดส่วนกับแรงที่เกิดจากมอเตอร์แต่ละตัว แรงที่เกิดขึ้นจากมอเตอร์แต่ละตัวนั้นเป็นสัดส่วนกับการเร่งความเร็วที่เกิดขึ้นจากระดับอิสระในขณะที่เครื่องเคลื่อนที่ การติดตามข้อผิดพลาดหรือข้อผิดพลาดที่ถูกฉีดเข้าไปในกระบวนการผลิตเนื่องจากระบบการเคลื่อนไหวไม่สามารถทำตามวิถีการเคลื่อนที่ได้อย่างสมบูรณ์แบบเป็นสัดส่วนกับส่วนของแบนด์วิดท์เร่งความเร็วที่ได้รับคำสั่งซึ่งเกินแบนด์วิดท์ของระบบการเคลื่อนไหว รถยนต์ที่ใช้ระบบกันสะเทือนเครื่องยนต์และคนขับสามารถข้ามแทร็กการแข่งขันได้ด้วยความเร็วที่แน่นอน หากถูกบังคับให้หมุนด้วยความเร็วที่เกินขีด จำกัด มันจะวิ่งออกไปจากถนน นี่เป็นสิ่งเดียวกันสำหรับเครื่องประมวลผลเลเซอร์ โดยการทำความเข้าใจแบนด์วิดท์ของคำสั่งเร่งความเร็วที่ส่งไปยังเครื่องในโปรไฟล์การเคลื่อนไหวรวมถึงแบนด์วิดท์ของการตอบสนองหรือการเปลี่ยนแปลงของเครื่องจักรเรามีรากฐานที่มั่นคงสำหรับการสร้างความมั่นใจว่าชิ้นส่วนคุณภาพสูง ตัวควบคุมการเคลื่อนไหวขั้นสูงบางตัวมีคุณสมบัติที่อนุญาตให้โปรแกรมเมอร์คำนึงถึงแบนด์วิดท์ของระบบการเคลื่อนไหวโดยอัตโนมัติและ จำกัด คำสั่งเร่งความเร็วที่ส่งไปยังส่วนประกอบของเครื่องเพื่อป้องกันข้อผิดพลาดมากเกินไป

การรวมแนวคิดเหล่านี้สร้างข้อความที่มีความหมายสำหรับนักออกแบบเครื่อง ยิ่งโครงสร้างเฟรมเข้มงวดมากขึ้นการดัดและการสั่นสะเทือนของเครื่องจะส่งผลต่อผลลัพธ์การตัดเฉือนน้อยลงทำให้งบประมาณข้อผิดพลาดมากขึ้นสำหรับข้อผิดพลาดในการติดตามแบบไดนามิก ยิ่งการออกแบบเชิงกลของระบบการเคลื่อนไหวเข้มงวดมากขึ้นเท่าใดแบนด์วิดท์ของระบบการเคลื่อนไหวก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ยิ่งประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ควบคุมที่ใช้มากเท่าใดแบนด์วิดท์ของระบบการเคลื่อนไหวก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ยิ่งแบนด์วิดท์ของระบบการเคลื่อนไหวสูงเท่าใดแบนด์วิดท์ของคำสั่งเร่งความเร็วก็จะสามารถตอบสนองได้โดยไม่ต้องสร้างข้อผิดพลาดในระดับเดียวกัน ยิ่งแบนด์วิดท์ของคำสั่งการเร่งความเร็วที่ได้รับอนุญาตโดยไม่ต้องสร้างส่วนที่ไม่ดีเท่าไหร่เครื่องก็จะได้รับคำสั่งให้ข้ามเส้นเข้าที่ต้องการในระหว่างการผลิต ดังนั้นนักออกแบบเครื่องจักรควรพิจารณาทุกวิธีที่เป็นไปได้ในการเพิ่มความแข็งของเครื่องและแบนด์วิดท์ระบบควบคุมเพื่อเพิ่มปริมาณงานกระบวนการโดยไม่ลดทอนคุณภาพของชิ้นส่วน