La mayoría de las personas familiarizadas con el procesamiento láser industrial a gran escala han visto una máquina CNC láser de alto rendimiento que corta grandes placas de acero y tubos a velocidades vertiginales. Aquellos de nosotros en el micromachina láser, donde la calidad de la pieza depende de la precisión de mecanizado a nivel de micrones, nos preguntamos si podríamos lograr un rendimiento de la máquina alto y aún producir piezas altamente precisas. La respuesta es sí, y luego la pregunta se convierte en "¿Cómo?" Este artículo explora las consideraciones básicas en el diseño y el control de la máquina con los que uno debe estar familiarizado para lograr el máximo rendimiento de un microprocesador láser de precisión.
En el proceso de fabricación, los criterios para determinar piezas aceptables a menudo no son negociables. Las tolerancias de la pieza se definen por los requisitos para la operación normal o segura de la pieza. Definen el presupuesto de error permitido para el proceso de fabricación. El presupuesto de error está "agotado" por diferentes fuentes de error que surgen del diseño de la máquina, la funcionalidad del controlador e interacciones del material láser durante el mecanizado. La clave para maximizar el rendimiento al fabricar piezas de alta precisión es dejar el mayor presupuesto de errores posible para errores de seguimiento dinámico. Seguir el sistema de sonido y los principios de diseño estructural y seleccionar un potente controlador de movimiento, uno que aprovecha el máximo beneficio del presupuesto de error de seguimiento dinámico, maximizará el rendimiento y, por lo tanto, la justificación económica de los sistemas de micromachinados láser.
El diseño estructural del sistema de fabricación es fundamental para mejorar la capacidad del sistema de fabricación para operar con alto rendimiento. Para que el sistema de control rechace y minimice los errores, los sensores utilizados para "ver" el movimiento dentro del sistema deben poder observar el movimiento relativo entre la herramienta y la pieza. En la mayoría de los sistemas, estos sensores no observan directamente el movimiento de la punta de la herramienta, es decir, el punto de láser; En cambio, derivan su información de un decojo óptico que ve una escala de codificador (efectivamente una regla) incrustada en el mecanismo del sistema de movimiento. Por lo tanto, para ahorrar el mayor presupuesto de errores posible para el presupuesto de seguimiento dinámico en el controlador, el diseñador debe minimizar los errores no observables debido a la flexión o la vibración dentro del marco. La clave para minimizar el error no observable es maximizar la rigidez de la estructura. Una forma de lograr la máxima rigidez es minimizar la longitud de los bucles estructurales de la máquina. Un bucle estructural es una ruta de fuerzas generadas por el movimiento de una máquina que coincide o es igual u opuesta a las fuerzas generadas por los elementos estructurales correspondientes. Imagine que los materiales que componen los elementos estructurales de una máquina están formados por miles de pequeños resortes conectados en serie. Agregar más resortes a una cadena en tándem en realidad reduce la rigidez de la cadena. Por lo tanto, los diseñadores deben acortar la "cadena" estructural de los elementos de resorte para endurecer la máquina. Además, agregar elementos de primavera en paralelo hace que la cadena sea más rígida. Para maximizar la rigidez, los diseñadores deben agregar elementos estructurales redundantes al marco de la máquina para soportar fuerzas inerciales. Cuanto más rígido es la máquina, más energía se inyecta en la estructura sin causar movimiento no deseado. Esto permite al usuario impulsar los elementos de control de movimiento más rápido, con más aceleración y energía, al tiempo que minimiza los errores de procesamiento no observables. La Figura 1 a continuación muestra la serie y la conexión paralela de los bucles estructurales de la máquina y los elementos de resorte.
Figura 1 muestra. Agregar resortes en la serie hace que la cadena de primavera sea menos rígida, mientras que agregar resortes en paralelo hace que la cadena de primavera sea más rígida. Este principio se puede utilizar para maximizar la rigidez del circuito estructural de una máquina.
Una máquina más rígida que permite que se inyecte más energía sin doblar, ahorrando más del presupuesto de error para otros lugares, es una mejora inmediata. Esto allana el camino para la próxima área de enfoque para mejorar el rendimiento: los principios de la dinámica de la máquina. A medida que aumenta la rigidez de las plataformas y bastidores de movimiento, también lo hace su frecuencia intrínseca. A medida que aumenta su frecuencia intrínseca, también lo hace su control y velocidad de producción.
Cada trayectoria de movimiento, la ruta requerida para que un punto láser cree una parte, tiene contenido espectral para cada eje involucrado en la generación del movimiento. Cada comando del eje tiene una cierta banda de frecuencia sinusoidal que debe representarse en una serie o suma matemática para representarla. La Figura 2 a continuación muestra un ejemplo de una función de paso y su aproximación sinusoidal utilizando un ancho de banda finito.
Figura 2. Aproximación de una función de paso usando una onda sinusoidal en términos de niveles y sumas. Cuanto más frecuencias de onda sinusoidal o anchos de banda utilizados en la aproximación, más cerca será la aproximación a la función de paso. La función de paso requiere un número infinito de pasos de sinusoides para representarlo perfectamente, pero la función suave puede representarse mediante un número finito de pasos o anchos de banda.
En este ejemplo de una función de paso, se necesita un ancho de banda infinito para aproximar perfectamente el paso, lo que hace que sea imposible implementar en una máquina real. Esta es una de las principales razones por las cuales los programadores de movimiento intentan evitar las discontinuidades en los comandos enviados a la máquina. El principio demostrado en la Figura 2 se aplica a cada señal de comando. Cuando el perfil de movimiento es multidimensional e involucra múltiples ejes de movimiento, la velocidad a la que la máquina atraviesa ese perfil cambia el ancho de banda de los comandos enviados a cada eje relevante. Un ejemplo simple de esta relación es usar dos ejes para crear un círculo. En la trigonometría básica, dos ejes viajan a través de un círculo, experimentando una onda sinusoidal en posición, velocidad y aceleración. La frecuencia de la onda sinusoidal que se pide a cada eje que realice es proporcional a la velocidad a la que pasa el círculo. Cuanto más rápida se requiere la máquina para viajar un círculo, mayor será la frecuencia de la onda sinusoidal para cada eje involucrado debe poder realizar en posición, velocidad y aceleración. Para cualquier eje de movimiento para ejecutar el perfil de comando proporcionado, el ancho de banda de ese perfil debe estar dentro del ancho de banda del sistema de movimiento. Así es, cada sistema de movimiento tiene un ancho de banda.
El sistema de control se basa en señales de retroalimentación, bucles de control de servo y potentes motores para reaccionar a los comandos y coincidir con los resultados reales con los resultados deseados. La capacidad de respuesta del sistema de control depende de la rapidez con que el controlador pueda tomar decisiones y cambios en el efecto cuando el movimiento real no coincide exactamente con el movimiento ordenado. Esta "capacidad de respuesta del sistema de control" depende casi por completo de las especificaciones y el diseño del producto de control utilizado. Especificaciones como la tasa de generación de trayectoria, la tasa de cierre de corriente (la velocidad a la que se puede cambiar la corriente generada por una unidad de motor dada), y la fuerza máxima generada por el motor del dispositivo determinará la tasa de respuesta del sistema de control. Por lo tanto, es una conclusión algo obvia que elegir un poderoso producto de control y un motor potente beneficiará al diseñador. Sin embargo, la tasa de respuesta del sistema de control es solo una parte de la capacidad del sistema de movimiento general para responder a los comandos, es decir, el ancho de banda del sistema de movimiento. La combinación de la rigidez física de la plataforma de movimiento y el ancho de banda del sistema de control determina la capacidad dinámica de todo el sistema. Dado el mismo sistema de control y motor, cuanto mayor sea la frecuencia intrínseca del sistema mecánico, es decir, más rígido es, mayor es el ancho de banda de frecuencia al que el sistema puede responder con éxito.
En general, la señal más importante en el control de movimiento es el comando de aceleración. La aceleración es la señal principal de interés para el operador de la máquina porque está más estrechamente relacionada con lo que el controlador de la máquina realmente está controlando, la corriente a los motores. La corriente alimentada a cada motor del eje es proporcional a la fuerza generada por cada motor. La fuerza generada por cada motor es proporcional a la aceleración experimentada por ese grado de libertad a medida que se mueve la máquina. El error de seguimiento, o el error inyectado en el proceso de producción debido a la incapacidad del sistema de movimiento para seguir perfectamente la trayectoria ordenada, es proporcional a la parte del ancho de banda de aceleración ordenado que excede el ancho de banda del sistema de movimiento. Un automóvil basado en la suspensión, el motor y el conductor solo puede cruzar una pista de carreras a cierta velocidad; Si se ve obligado a girar a una velocidad que excede sus límites, saldrá saliendo de la carretera. Esto es lo mismo para las máquinas de procesamiento láser. Al comprender el ancho de banda de los comandos de aceleración enviados a la máquina en el perfil de movimiento, así como el ancho de banda de la capacidad de respuesta o la dinámica de la máquina, tenemos una base sólida para garantizar que las piezas de alta calidad se produzcan en el máximo rendimiento. Algunos controladores avanzados de movimiento en realidad ofrecen características que permiten al programador tener en cuenta automáticamente el ancho de banda del sistema de movimiento y auto-ligado los comandos de aceleración enviados a los componentes de la máquina para evitar que ocurran demasiados errores.
La combinación de estos conceptos crea un mensaje significativo para el diseñador de máquinas. Cuanto más rígida sea la estructura del marco, menos flexión y vibración de la máquina afectarán los resultados del mecanizado, dejando más presupuesto de error para errores de seguimiento dinámico. Cuanto más rígido sea el diseño mecánico del sistema de movimiento, mayor será el ancho de banda del sistema de movimiento. Cuanto mayor sea el rendimiento de los productos de control utilizados, mayor será el ancho de banda del sistema de movimiento. Cuanto mayor sea el ancho de banda del sistema de movimiento, mayor es el ancho de banda de los comandos de aceleración a los que puede responder sin crear el mismo nivel de error de pieza. Cuanto mayor sea el ancho de banda de los comandos de aceleración permitidos sin crear una parte mala, más rápida se puede ordenar a la máquina para atravesar el contorno deseado durante la producción de piezas. Por lo tanto, los diseñadores de máquinas deben considerar todas las formas posibles de maximizar la rigidez de la máquina y el ancho de banda del sistema de control para maximizar el rendimiento del proceso sin comprometer la calidad de la pieza.
