大多數(shù)熟悉大型工業(yè)激光加工的人都見過一臺高通量的激光數(shù)控機床，以令人眼花繚亂的速度切割出大型鋼板和鋼管。我們這些從事激光微加工的人，零件的質(zhì)量取決于微米級的加工精度，想知道我們是否能在實現(xiàn)如此高的機器吞吐量的同時，仍然生產(chǎn)出高精度的零件。答案是肯定的——然后問題就變成了“怎么做？”本文探討了機器設(shè)計和控制方面的基本考慮，人們必須熟悉這些考慮，才能從精密激光微處理機中獲得最大的吞吐量。

在制造過程中，確定可接受部件的標(biāo)準通常是不可協(xié)商的。零件公差是由零件正�；虬踩�運行的要求確定的。它們規(guī)定了制造過程的允許誤差預(yù)算。然后，由機器設(shè)計、控制器功能和加工過程中激光材料相互作用產(chǎn)生的不同誤差源“耗盡”了誤差預(yù)算。在制造高精度零件時實現(xiàn)最大吞吐量的關(guān)鍵是盡可能多地為動態(tài)跟蹤誤差留下誤差預(yù)算。遵循健全的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，并選擇一個功能強大的運動控制器-一個利用動態(tài)跟蹤誤差預(yù)算的最大優(yōu)勢-將最大限度地提高吞吐量，因此是激光微加工系統(tǒng)的經(jīng)濟理由。

制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是提高制造系統(tǒng)高通量運行能力的基礎(chǔ)。為了使控制系統(tǒng)拒絕并最小化誤差，用于“觀察”系統(tǒng)內(nèi)運動的傳感器必須能夠觀察工具和零件之間的相對運動。在大多數(shù)系統(tǒng)中，這些傳感器并不直接觀察工具尖端的運動，即激光光斑，相反，它們的信息來自光學(xué)讀取頭，該讀取頭查看嵌入在運動系統(tǒng)機制中的編碼器刻度（實際上是一把尺子）。因此，為了盡可能地為控制器中的動態(tài)跟蹤預(yù)算節(jié)省誤差預(yù)算，設(shè)計人員必須盡量減少由于機架內(nèi)彎曲或振動引起的不可觀察誤差。使不可觀測誤差最小化的關(guān)鍵是使結(jié)構(gòu)的剛度最大化。實現(xiàn)最大剛度的一種方法是最小化機器結(jié)構(gòu)回路的長度。結(jié)構(gòu)環(huán)是由機器運動產(chǎn)生的力與相應(yīng)結(jié)構(gòu)元件產(chǎn)生的力相一致或相等或相反的力的路徑。想象一下，組成機器結(jié)構(gòu)元件的材料是由成千上萬個微小的彈簧串聯(lián)在一起形成的。在串聯(lián)鏈條上增加更多的彈簧實際上降低了鏈條的剛度。因此，設(shè)計人員應(yīng)縮短彈簧元件的結(jié)構(gòu)“鏈”以使機器變硬。此外，并聯(lián)增加彈簧元件使鏈條更剛性。為了獲得最大的剛度，設(shè)計人員應(yīng)該在機器的框架上添加冗余支持慣性力的結(jié)構(gòu)元件。機器越硬，注入結(jié)構(gòu)的能量就越多，而不會造成不必要的運動。這允許用戶更快地推動運動控制元素，具有更多的加速度和能量，同時最大限度地減少不可觀察的處理錯誤。下面的圖1描述了機器結(jié)構(gòu)回路和彈簧元件的串聯(lián)與并聯(lián)。

圖1所示。串聯(lián)添加彈簧會使彈簧鏈變得不那么僵硬，而平行添加彈簧會使彈簧鏈變得更僵硬。這一原理可用于最大化機器結(jié)構(gòu)回路的剛度。

一個剛性的機器，允許注入更多的能量，而不彎曲，節(jié)省更多的誤差預(yù)算，為其他地方，是一個直接的改進。這為提高吞吐量的下一個重點領(lǐng)域鋪平了道路：機器動力學(xué)原理。隨著運動平臺和機架剛度的增大，其固有頻率也隨之增大。隨著它們的固有頻率增加，它們的可控性和生產(chǎn)速度也會提高。

每個運動軌跡——激光光斑制造零件所需的路徑——都有產(chǎn)生運動所涉及的每個軸的光譜內(nèi)容。每個軸的命令都有一定的正弦波頻帶，需要用數(shù)學(xué)級數(shù)或求和來表示它。下面的圖2顯示了一個階躍函數(shù)及其使用有限帶寬的正弦波近似的例子。

圖2.用正弦波的級數(shù)和逼近階躍函數(shù)。近似值中使用的正弦波頻率或帶寬越多，近似值與階躍函數(shù)越接近。階躍函數(shù)需要無限級數(shù)的正弦波來完美地表示，但平滑函數(shù)可以用有限級數(shù)或帶寬表示。

在這個階躍函數(shù)的例子中，需要無限的帶寬來完美地逼近階躍，這使得它不可能在實際機器中實現(xiàn)。這是運動程序員盡量避免發(fā)送給機器的命令不連續(xù)的一個主要原因。圖2中演示的原理適用于每個命令信號。當(dāng)運動輪廓是多維的，涉及多個運動軸時，機器遍歷該輪廓的速度會改變發(fā)送到每個相關(guān)軸的命令帶寬。這種關(guān)系的一個簡單例子是用兩個軸來創(chuàng)建一個圓。在基礎(chǔ)三角學(xué)中，兩個軸穿過一個圓，在位置、速度和加速度上經(jīng)歷一個正弦波。每個軸被要求執(zhí)行的正弦波的頻率與圓通過的速度成正比。機器需要走一圈的速度越快，所涉及的每個軸的正弦波的頻率就越高，必須能夠在位置、速度和加速度上表現(xiàn)出來。對于任何運動軸執(zhí)行所提供的命令配置文件，該配置文件的帶寬必須在運動系統(tǒng)的帶寬內(nèi)。沒錯，每個運動系統(tǒng)都有帶寬。

控制系統(tǒng)依靠反饋信號、伺服控制回路和強大的電機對命令做出反應(yīng)，并使實際結(jié)果與期望結(jié)果相匹配�？刂葡到y(tǒng)的反應(yīng)速度取決于控制器在實際運動與命令運動不完全匹配時做出決策和效果變化的速度。這種“控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度”幾乎完全取決于所使用的控制產(chǎn)品的規(guī)格和設(shè)計。軌跡產(chǎn)生率、電流閉環(huán)率（給定電機驅(qū)動產(chǎn)生的電流可以改變的速度）和設(shè)備電機產(chǎn)生的峰值力等規(guī)格將決定控制系統(tǒng)的反應(yīng)速率。因此，選擇功能強大的控制產(chǎn)品和強大的電機對設(shè)計師有利，這是一個有些明顯的結(jié)論。然而，控制系統(tǒng)的反應(yīng)速率只是整個運動系統(tǒng)響應(yīng)命令能力的一部分，即運動系統(tǒng)帶寬。運動平臺的物理剛度和控制系統(tǒng)帶寬的結(jié)合決定了整個系統(tǒng)的動態(tài)能力。給定相同的控制系統(tǒng)和電機，機械系統(tǒng)的固有頻率越高，即越硬，則系統(tǒng)能夠成功響應(yīng)的頻率帶寬越大。

一般來說，運動控制中最重要的信號是加速命令。加速是機器操作員感興趣的主要信號，因為它與機器控制器實際控制的東西最密切相關(guān)，即電機的電流。送入各軸電機的電流與各電機產(chǎn)生的力成正比。每個電機產(chǎn)生的力與機器運動時該自由度所經(jīng)歷的加速度成正比。跟蹤誤差，或由于運動系統(tǒng)無法完美地遵循指令軌跡而注入到生產(chǎn)過程中的誤差，與指令加速度帶寬中超出運動系統(tǒng)帶寬的部分成正比。一輛基于懸掛系統(tǒng)、發(fā)動機和駕駛員的汽車只能以一定的速度穿過賽道，如果被迫以超過其極限的速度轉(zhuǎn)彎，它就會沖出道路。這對于激光加工機也是一樣的。通過了解在運動配置文件中發(fā)送到機器的加速命令的帶寬以及機器的反應(yīng)能力或動力學(xué)的帶寬，我們有一個堅實的基礎(chǔ)，以確保高質(zhì)量的零件生產(chǎn)在最大的吞吐量。一些先進的運動控制器實際上提供了一些功能，允許程序員自動考慮運動系統(tǒng)的帶寬，并自我限制發(fā)送到機器元件的加速命令，以防止發(fā)生過多的錯誤。

結(jié)合這些概念為機器設(shè)計師創(chuàng)造了一個有意義的信息。機架結(jié)構(gòu)越剛性，機床彎曲和振動對加工結(jié)果的影響越小，為動態(tài)跟蹤誤差留下更多的誤差預(yù)算。運動系統(tǒng)的機械設(shè)計越剛性，運動系統(tǒng)的帶寬就越高。所使用的控制產(chǎn)品的性能越高，運動系統(tǒng)的帶寬就越高。運動系統(tǒng)的帶寬越高，在產(chǎn)生相同水平零件誤差的情況下，它所能響應(yīng)的加速度命令帶寬就越大。在不制造壞零件的情況下，允許加速命令的帶寬越高，在零件生產(chǎn)過程中，可以命令機器越快地遍歷所需的輪廓。因此，機器設(shè)計人員應(yīng)該考慮每一種可能的方法來最大限度地提高機器剛度和控制系統(tǒng)帶寬，以最大限度地提高工藝吞吐量，而不影響零件質(zhì)量。

轉(zhuǎn)自：北京微納通科技

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