La majoria de les persones que coneixen el processament de làser industrial a gran escala han vist una màquina CNC de làser de gran rendiment que talla grans plaques i tubs d’acer a velocitats vertiginoses. Els que ens trobem en micromacinisme làser, on la qualitat de la part depèn de la precisió de mecanitzat a nivell de micres, ens preguntem si podríem aconseguir un rendiment tan alt de la màquina i encara produir parts altament precises. La resposta és que sí, i la pregunta es converteix en "com?" Aquest article explora les consideracions bàsiques en el disseny i el control de màquines que cal conèixer per aconseguir el màxim rendiment a partir d’un microprocessador làser de precisió.
En el procés de fabricació, els criteris per determinar peces acceptables sovint no són negociables. Les toleràncies de parts es defineixen pels requisits per al funcionament normal o segur de la part. Defineixen el pressupost d’error admissible per al procés de fabricació. El pressupost d'error es "es va esgotar" per diferents fonts d'error derivades del disseny de la màquina, la funcionalitat del controlador i les interaccions de material làser durant el mecanitzat. La clau per maximitzar el rendiment en fabricar peces d’alta precisió és deixar el pressupost d’error possible per als errors de seguiment dinàmic. Seguint el sistema de so i els principis de disseny estructural i seleccionar un potent controlador de moviment, que aprofiti el màxim del pressupost de l'error de seguiment dinàmic, maximitzarà el rendiment i, per tant, la raó econòmica dels sistemes de micromacinització làser.
El disseny estructural del sistema de fabricació és fonamental per millorar la capacitat del sistema de fabricació d’operar amb un alt rendiment. Perquè el sistema de control rebutgi i minimitzi els errors, els sensors utilitzats per "veure" el moviment dins del sistema han de ser capaços d'observar el moviment relatiu entre l'eina i la part. En la majoria dels sistemes, aquests sensors no observen directament el moviment de la punta de l’eina, és a dir, el punt làser; En lloc d'això, obtenen la seva informació a partir d'un cap de lectura òptica que considera una escala de codificadors (efectivament una regla) incrustada en el mecanisme del sistema de moviment. Per tant, per tal d’estalviar el màxim pressupost d’error possible per al pressupost de seguiment dinàmic del controlador, el dissenyador ha de minimitzar els errors que no es poden observar a causa de la flexió o la vibració dins del marc. La clau per minimitzar l’error no observable és maximitzar la rigidesa de l’estructura. Una forma d’aconseguir la màxima rigidesa és minimitzar la longitud dels bucles estructurals de la màquina. Un bucle estructural és un camí de les forces generat pel moviment d’una màquina que coincideix o és igual o oposat a les forces generades pels elements estructurals corresponents. Imagineu -vos que els materials que formen els elements estructurals d’una màquina estan formats per milers de minúscules fonts connectades en sèrie. Afegir més molles a una cadena en tàndem redueix la rigidesa de la cadena. Per tant, els dissenyadors haurien d’escurçar la “cadena” estructural d’elements de molla per endurir la màquina. A més, afegir elements de molla en paral·lel fa que la cadena sigui més rígida. Per maximitzar la rigidesa, els dissenyadors han d’afegir elements estructurals redundants al marc de la màquina per suportar les forces inercials. Com més rígida sigui la màquina, més energia s’injecta a l’estructura sense provocar un moviment no desitjat. Això permet a l’usuari impulsar els elements de control de moviment més ràpidament, amb més acceleració i energia, alhora que minimitza els errors de processament inobservables. La figura 1 següent representa la sèrie i la connexió paral·lela dels bucles estructurals de la màquina i els elements de molla.
La figura 1 mostra. L’addició de molles en sèrie fa que la cadena de primavera sigui menys rígida, mentre que l’afegit de molles en paral·lel fa que la cadena de primavera sigui més rígida. Aquest principi es pot utilitzar per maximitzar la rigidesa del circuit estructural d’una màquina.
Una màquina més rígida que permet injectar més energia sense doblar -se, estalviar més del pressupost d’error per a altres llocs, és una millora immediata. Això obre el camí per a la propera àrea d’enfocament en la millora del rendiment: els principis de la dinàmica de màquines. A mesura que la rigidesa de les plataformes de moviment i els bastidors augmenta, també ho fa la seva freqüència intrínseca. A mesura que la seva freqüència intrínseca augmenta, també ho fa la seva controlabilitat i la seva velocitat de producció.
Cada trajectòria de moviment: la ruta necessària per a un punt làser per crear una part - té contingut espectral per a cada eix implicat en la generació del moviment. Cada ordre de l’eix té una determinada banda de freqüència sinusoïdal que s’ha de representar en una sèrie o sumació matemàtica per representar -la. La figura 2 següent mostra un exemple de funció de pas i la seva aproximació sinusoïdal mitjançant una amplada de banda finita.
Figura 2. Aproximació d’una funció de pas mitjançant una ona sinusoïdal en termes de nivells i sumes. Com més freqüències d’ona sinusoïdal o amplades de banda utilitzades en l’aproximació, més a prop és l’aproximació a la funció de pas. La funció de pas requereix un nombre infinit de passos de sinusoides per representar -la perfectament, però la funció suau pot ser representada per un nombre finit de passos o amplades de banda.
En aquest exemple de funció de pas, es necessita una amplada de banda infinita per aproximar perfectament el pas, cosa que fa impossible la implementació en una màquina real. Aquesta és una de les raons principals per les quals els programadors de moviment intenten evitar discontinuïtats a les ordres enviades a la màquina. El principi demostrat a la figura 2 s'aplica a cada senyal d'ordres. Quan el perfil de moviment és multidimensional i implica múltiples eixos de moviment, la velocitat a la qual la màquina recorre aquest perfil canvia l’ample de banda de les ordres enviades a cada eix rellevant. Un exemple senzill d’aquesta relació és utilitzar dos eixos per crear un cercle. En la trigonometria bàsica, dos eixos viatgen a través d’un cercle, experimentant una ona sinusoïdal en posició, velocitat i acceleració. La freqüència de l’ona sinusoïdal que es demana que realitzi cada eix és proporcional a la velocitat a la qual passa el cercle. Com més ràpida sigui la màquina per recórrer un cercle, més gran és la freqüència de l’ona sinusoïdal per a cada eix implicat ha de ser capaç de realitzar la posició, la velocitat i l’acceleració. Perquè qualsevol eix de moviment executi el perfil de comandament proporcionat, l'amplada de banda d'aquest perfil ha d'estar dins de l'amplada de banda del sistema de moviment. És així, cada sistema de moviment té una amplada de banda.
El sistema de control es basa en senyals de retroalimentació, bucles de control i motors potents per reaccionar a les ordres i coincidir amb els resultats reals als resultats desitjats. La resposta del sistema de control depèn de la rapidesa amb què el controlador pot prendre decisions i canvis d’efecte quan el moviment real no coincideix exactament amb el moviment comandat. Aquesta "resposta del sistema de control" depèn gairebé de les especificacions i del disseny del producte de control utilitzat. Especificacions com la taxa de generació de trajectòries, la velocitat de tancament de corrent (la velocitat a la qual es pot canviar el corrent generat per una unitat del motor determinat) i la força màxima generada pel motor del dispositiu determinarà la velocitat de resposta del sistema de control. Per tant, és una conclusió una mica evident que l’elecció d’un producte de control potent i un motor potent beneficiarà el dissenyador. Tanmateix, la velocitat de resposta del sistema de control és només una part de la capacitat del sistema de moviment general de respondre a les ordres, és a dir, l'amplada de banda del sistema de moviment. La combinació de la rigidesa física de la plataforma de moviment i l'amplada de banda del sistema de control determina la capacitat dinàmica de tot el sistema. Tenint en compte el mateix sistema de control i el motor, com més alta sigui la freqüència intrínseca del sistema mecànic, és a dir, com més dura sigui, més gran és l'ample de banda de freqüència en què el sistema pot respondre amb èxit.
En general, el senyal més important en el control del moviment és l’ordre d’acceleració. L’acceleració és el senyal d’interès principal per a l’operador de la màquina perquè està més relacionat amb el que el controlador de la màquina controla realment, el corrent dels motors. El corrent alimentat a cada motor de l’eix és proporcional a la força generada per cada motor. La força generada per cada motor és proporcional a l’acceleració experimentada per aquest grau de llibertat a mesura que es mou la màquina. L’error de seguiment o l’error injectat al procés de producció a causa de la incapacitat del sistema de moviment de seguir perfectament la trajectòria comandada, és proporcional a la part de l’ample de banda d’acceleració comandat que supera l’amplada de banda del sistema de moviment. Un cotxe basat en suspensió, motor i conductor només pot creuar una pista de cursa a una certa velocitat; Si es veu obligat a girar a una velocitat que superi els seus límits, es sortirà a la carretera. Això és el mateix per a les màquines de processament làser. Entenent l’ample de banda de les ordres d’acceleració enviades a la màquina al perfil de moviment, així com l’ample de banda de la resposta o dinàmica de la màquina, tenim un fonament sòlid per assegurar que es produeixin parts d’alta qualitat al màxim. Alguns controladors de moviment avançats ofereixen realment funcions que permeten al programador tenir en compte automàticament l’ample de banda del sistema de moviment i auto-limitar les ordres d’acceleració enviades als components de la màquina per evitar que es produeixin massa errors.
Combinar aquests conceptes crea un missatge significatiu per al dissenyador de màquines. Com més rígida sigui l'estructura del marc, menys flexió i vibració de la màquina afectaran els resultats del mecanitzat, deixant més pressupost d'error per als errors de seguiment dinàmic. Com més rígid sigui el disseny mecànic del sistema de moviment, més gran és l'ample de banda del sistema de moviment. Com més gran sigui el rendiment dels productes de control utilitzats, més gran és l'ample de banda del sistema de moviment. Com més gran sigui l’ample de banda del sistema de moviment, més gran és l’ample de banda de les ordres d’acceleració a la qual es pot respondre sense crear el mateix nivell d’error de part. Com més gran sigui l’ample de banda de les ordres d’acceleració permesa sense crear una part dolenta, més ràpid es pot comandar la màquina per recórrer el contorn desitjat durant la producció de peces. Per tant, els dissenyadors de màquines han de considerar totes les maneres possibles de maximitzar la rigidesa de la màquina i controlar l'amplada de banda del sistema per maximitzar el rendiment del procés sense comprometre la qualitat de la part.
