מרבית האנשים המכירים עיבוד לייזר תעשייתי בקנה מידה גדול ראו מכונת CNC לייזר בתפוקה גבוהה חותכת צלחות פלדה גדולות וצינורות במהירות מסחררת. אלה מאיתנו במיקרו-מכשיר לייזר, כאשר איכות החלק תלויה ברמת עיבוד שבבי מיקרון, תהו אם נוכל להשיג תפוקת מכונה כה גבוהה ועדיין לייצר חלקים מדויקים ביותר. התשובה היא כן - ואז השאלה הופכת "איך?" מאמר זה בוחן את השיקולים הבסיסיים בעיצוב ובקרה של מכונות שיש להכיר כדי להשיג תפוקה מקסימאלית ממעבד מיקרו לייזר מדויק.
בתהליך הייצור, הקריטריונים לקביעת חלקים מקובלים לרוב אינם ניתנים למשא ומתן. סובלנות חלקית מוגדרת על ידי הדרישות להפעלה רגילה או בטוחה של החלק. הם מגדירים את תקציב השגיאה המותר לתהליך הייצור. אז תקציב השגיאה "מתרוקן" על ידי מקורות שגיאה שונים הנובעים מעיצוב מכונות, פונקציונליות בקר ואינטראקציות חומרי לייזר במהלך עיבוד שבבי. המפתח למקסום התפוקה בעת ייצור חלקים מדויקים גבוהים הוא להשאיר כמה שיותר תקציב שגיאות עבור שגיאות מעקב דינאמיות. בעקבות מערכת סאונד ועקרונות תכנון מבני ובחירת בקר תנועה רב עוצמה - כזה שמנצל את היתרון המרבי של תקציב שגיאות המעקב הדינאמי - ימקסם את התפוקה ולכן הרציונל הכלכלי למערכות מיקרו -מכוניות לייזר.
התכנון המבני של מערכת הייצור הוא בסיסי לשיפור היכולת של מערכת הייצור לפעול בתפוקה גבוהה. על מנת שמערכת הבקרה תדחה ולמזער שגיאות, החיישנים המשמשים "לראות" את התנועה במערכת חייבים להיות מסוגלים לצפות בתנועה היחסית בין הכלי לחלק. ברוב המערכות, חיישנים אלה אינם מתבוננים ישירות בתנועת קצה הכלי, כלומר, נקודת הלייזר; במקום זאת, הם שואבים את המידע שלהם מראש קריאה אופטי הרואה בסולם מקודד (למעשה שליט) המוטבע במנגנון מערכת התנועה. לכן, על מנת לחסוך כמה שיותר תקציב שגיאות עבור תקציב המעקב הדינמי בבקר, על המעצב למזער שגיאות בלתי ניתנות לצפייה עקב כיפוף או רטט במסגרת. המפתח למזעור השגיאה הבלתי ניתנת לצפייה הוא למקסם את קשיחות המבנה. אחת הדרכים להשיג קשיחות מקסימאלית היא למזער את אורך הלולאות המבניות של המכונה. לולאה מבנית היא נתיב של כוחות הנוצרים על ידי תנועת מכונה התואמת או שווה או הפוכה לכוחות הנוצרים על ידי היסודות המבניים המתאימים. תאר לעצמך שהחומרים המרכיבים את האלמנטים המבניים של מכונה נוצרים על ידי אלפי מעיינות זעירים המחוברים בסדרה. הוספת קפיצים נוספים לשרשרת טנדם למעשה מצמצמת את קשיחות השרשרת. לכן, על מעצבים לקצר את "השרשרת" המבנית של אלמנטים באביב כדי להקשיח את המכונה. בנוסף, הוספת אלמנטים באביב במקביל הופכת את השרשרת לקשיחה יותר. כדי למקסם את הנוקשות, על מעצבים להוסיף אלמנטים מבניים מיותרים למסגרת המכונה כדי לתמוך בכוחות האינרציה. ככל שהמכונה נוקשה יותר, כך מוזרקים אנרגיה למבנה מבלי לגרום לתנועה לא רצויה. זה מאפשר למשתמש לדחוף את אלמנטים בקרת תנועה מהר יותר, עם תאוצה ואנרגיה רבה יותר, תוך צמצום שגיאות עיבוד בלתי ניתנות לצפייה. איור 1 להלן מתאר את הסדרה ואת החיבור המקביל של לולאות המבניות של המכונה ואלמנטים באביב.
איור 1 מראה. הוספת קפיצים בסדרה הופכת את שרשרת האביב פחות נוקשה, ואילו הוספת קפיצים במקביל הופכת את שרשרת הקפיץ לקשיחה. ניתן להשתמש בעקרון זה כדי למקסם את קשיחות המעגל המבני של המכונה.
מכונה נוקשה המאפשרת הזרקת יותר אנרגיה מבלי לכיפוף, וחיסכון בתקציב השגיאה במקומות אחרים, הוא שיפור מיידי. זה סולל את הדרך לתחום המיקוד הבא בשיפור התפוקה: עקרונות דינמיקת מכונה. ככל שהקשיחות של פלטפורמות התנועה והמתלים עולה, כך גם התדר המהותי שלהם. ככל שהתדירות המהותית שלהם עולה, כך גם יכולת השליטה ומהירות הייצור שלהם.
לכל מסלול תנועה - הנתיב הנדרש למקום לייזר כדי ליצור חלק - יש תוכן ספקטרלי עבור כל ציר המעורב ביצירת התנועה. לכל פקודת ציר יש פס תדר סינוסואידי מסוים שצריך לייצג בסדרה או סיכום מתמטי כדי לייצג אותה. איור 2 להלן מציג דוגמה לפונקציה שלב ולקירוב הסינוסואידי שלה באמצעות רוחב פס סופי.
איור 2. קירוב של פונקציית שלב באמצעות גל סינוס מבחינת רמות וסכומים. ככל שתדרי גל סינוס יותר או רוחב פס המשמשים בקירוב, כך הקירוב קרוב יותר לפונקציית הצעד. פונקציית הצעד דורשת מספר אינסופי של שלבים של סינוסואידים כדי לייצג אותה בצורה מושלמת, אך ניתן לייצג את הפונקציה החלקה על ידי מספר סופי של צעדים או רוחב פס.
בדוגמה זו לפונקציה שלב, יש צורך ברוחב פס אינסופי כדי לקירב בצורה מושלמת את הצעד, מה שמאפשר ליישם במכונה אמיתית. זו אחת הסיבות העיקריות לכך שמתכנתי תנועה מנסים להימנע מפסקות בפקודות שנשלחו למכונה. העיקרון המודגם באיור 2 חל על כל אות פקודה. כאשר פרופיל התנועה הוא רב ממדי וכולל צירי תנועה מרובים, הקצב בו המכונה חוצה את הפרופיל הזה משנה את רוחב הפס של הפקודות שנשלחו לכל ציר רלוונטי. דוגמה פשוטה למערכת יחסים זו משתמשת בשני צירים ליצירת מעגל. בטריגונומטריה בסיסית, שני צירים עוברים דרך מעגל, חווים גל סינוסואידי במצב, מהירות ותאוצה. תדירות גל הסינוס שכל ציר מתבקש לבצע היא פרופורציונלית למהירות בה עובר המעגל. ככל שהמכונה נדרשת לטייל במעגל, כך תדירות גל הסינוס גבוהה יותר לכל ציר המעורב להיות מסוגלת לבצע במצב, מהירות ותאוצה. עבור כל ציר תנועה לביצוע פרופיל הפקודה שסופק, רוחב הפס של אותו פרופיל חייב להיות ברוחב הפס של מערכת התנועה. נכון, לכל מערכת תנועה יש רוחב פס.
מערכת הבקרה מסתמכת על אותות משוב, לולאות בקרת סרוו ומנועים חזקים כדי להגיב לפקודות ולהתאים את התוצאות בפועל לתוצאות הרצויות. ההיענות של מערכת הבקרה תלויה במהרה הבקר יכול לקבל החלטות ולהשפיע על שינויים כאשר התנועה בפועל אינה בדיוק תואמת את התנועה הפקודה. "היענות מערכת בקרה" זו תלויה כמעט לחלוטין במפרט ובעיצוב של מוצר הבקרה המשמש. מפרטים כמו קצב ייצור מסלול, שיעור הסגירה הנוכחית (הקצב בו ניתן לשנות את הזרם שנוצר על ידי כונן מנוע נתון), וכוח השיא שנוצר על ידי מנוע המכשיר יקבע את שיעור התגובה של מערכת הבקרה. לכן, זו מסקנה מעט ברורה כי בחירת מוצר בקרה רב עוצמה ומנוע רב עוצמה תועיל למעצב. עם זאת, שיעור התגובה של מערכת הבקרה הוא רק חלק אחד מהיכולת הכוללת של מערכת התנועה להגיב לפקודות, כלומר רוחב הפס של מערכת התנועה. השילוב של הקשיחות הגופנית של פלטפורמת התנועה ורוחב הפס של מערכת הבקרה קובע את היכולת הדינמית של המערכת כולה. בהתחשב באותה מערכת בקרה ומנוע, כך התדר המהותי של המערכת המכנית גבוהה יותר, כלומר, כך היא נוקשה יותר, כך רוחב הפס התדר בו המערכת יכולה להגיב בהצלחה.
באופן כללי, האות החשוב ביותר בבקרת התנועה הוא פקודת ההאצה. תאוצה היא האות העיקרי של עניין למפעיל המכונה מכיוון שהוא קשור באופן הדוק ביותר למה שבקר המכונה שולט בפועל, הזרם למנועים. הזרם המוזן לכל מנוע ציר פרופורציונלי לכוח שנוצר על ידי כל מנוע. הכוח שנוצר על ידי כל מנוע הוא פרופורציונלי לתאוצה שחווה דרגת חופש זו כאשר המכונה נעה. שגיאת מעקב, או שגיאה שהוזרקה לתהליך הייצור עקב חוסר היכולת של מערכת התנועה לעקוב בצורה מושלמת במסלול הפקודה, הוא פרופורציונאלי לחלק של רוחב הפס האצה המוצק העולה על רוחב הפס של מערכת התנועה. מכונית המבוססת על מתלה, מנוע ונהג יכולה לחצות רק מסלול מירוץ במהירות מסוימת; אם הוא נאלץ לפנות במהירות העולה על גבולותיה, הוא יברח מהכביש. זהה למכונות עיבוד לייזר. על ידי הבנת רוחב הפס של פקודות ההאצה שנשלחו למכונה בפרופיל התנועה, כמו גם רוחב הפס של ההיענות או הדינמיקה של המכונה, יש לנו בסיס מוצק להבטיח שחלקים באיכות גבוהה מיוצרים בתפוקה מקסימאלית. חלק מבקרי התנועה המתקדמים מציעים למעשה תכונות המאפשרות למתכנת לקחת בחשבון אוטומטית את רוחב הפס של מערכת התנועה ולהגדיל את עצמם את פקודות ההאצה שנשלחו לרכיבי המכונה כדי למנוע שגיאות רבות מדי.
שילוב מושגים אלה יוצר מסר משמעותי עבור מעצב המכונות. ככל שמבנה המסגרת נוקשה יותר, כך פחות כיפוף ורטט של מכונה ישפיעו על תוצאות העיבוד, ותשאיר יותר תקציב שגיאה לשגיאות מעקב דינאמיות. ככל שהתכנון המכני של מערכת התנועה נוקשה יותר, כך רוחב הפס של מערכת התנועה גבוה יותר. ככל שהביצועים של מוצרי הבקרה בהם נעשה שימוש, רוחב הפס של מערכת התנועה גבוה יותר. ככל שרוחב הפס של מערכת התנועה גבוה יותר, כך רוחב הפס של פקודות האצה הוא יכול להגיב מבלי ליצור אותה רמה של שגיאה חלקית. ככל שרוחב הפס של פקודות ההאצה גבוה יותר מותר מבלי ליצור חלק רע, כך ניתן לפקוד על המכונה מהר יותר לחצות את המתאר הרצוי במהלך ייצור החלקים. לכן, על מעצבי מכונות לשקול כל דרך אפשרית למקסם את רוחב הפס של קשיחות ומערכת בקרה כדי למקסם את תפוקת התהליך מבלי לפגוע באיכות החלק.
