大多數(shù)熟悉大型工業(yè)激光加工的人都見(jiàn)過(guò)一臺(tái)高通量的激光數(shù)控機(jī)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(jí)的加工精度，想知道我們是否能在實(shí)現(xiàn)如此高的機(jī)器吞吐量的同時(shí)，仍然生產(chǎn)出高精度的零件。答案是肯定的——然后問(wèn)題就變成了“怎么做？”本文探討了機(jī)器設(shè)計(jì)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(jī)中獲得最大的吞吐量。

在制造過(guò)程中，確定可接受部件的標(biāo)準(zhǔn)通常是不可協(xié)商的。零件公差是由零件正常或安全運(yùn)行的要求確定的。它們規(guī)定了制造過(guò)程的允許誤差預(yù)算。然后，由機(jī)器設(shè)計(jì)、控制器功能和加工過(guò)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(shí)實(shí)現(xiàn)最大吞吐量的關(guān)鍵是盡可能多地為動(dòng)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(jì)原則，并選擇一個(gè)功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器-一個(gè)利用動(dòng)態(tài)跟蹤誤差預(yù)算的最大優(yōu)勢(shì)-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(jì)理由。

制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高制造系統(tǒng)高通量運(yùn)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(yùn)動(dòng)的傳感器必須能夠觀察工具和零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)，即激光光斑，相反，它們的信息來(lái)自光學(xué)讀取頭，該讀取頭查看嵌入在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)制中的編碼器刻度（實(shí)際上是一把尺子）。因此，為了盡可能地為控制器中的動(dòng)態(tài)跟蹤預(yù)算節(jié)省誤差預(yù)算，設(shè)計(jì)人員必須盡量減少由于機(jī)架內(nèi)彎曲或振動(dòng)引起的不可觀察誤差。使不可觀測(cè)誤差最小化的關(guān)鍵是使結(jié)構(gòu)的剛度最大化。實(shí)現(xiàn)最大剛度的一種方法是最小化機(jī)器結(jié)構(gòu)回路的長(zhǎng)度。結(jié)構(gòu)環(huán)是由機(jī)器運(yùn)動(dòng)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(jī)器結(jié)構(gòu)元件的材料是由成千上萬(wàn)個(gè)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(shí)際上降低了鏈條的剛度。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)縮短彈簧元件的結(jié)構(gòu)“鏈”以使機(jī)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(jì)人員應(yīng)該在機(jī)器的框架上添加冗余支持慣性力的結(jié)構(gòu)元件。機(jī)器越硬，注入結(jié)構(gòu)的能量就越多，而不會(huì)造成不必要的運(yùn)動(dòng)。這允許用戶更快地推動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制元素，具有更多的加速度和能量，同時(shí)最大限度地減少不可觀察的處理錯(cuò)誤。下面的圖1描述了機(jī)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(huì)使彈簧鏈變得不那么僵硬，而平行添加彈簧會(huì)使彈簧鏈變得更僵硬。這一原理可用于最大化機(jī)器結(jié)構(gòu)回路的剛度。

一個(gè)剛性的機(jī)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(gè)直接的改進(jìn)。這為提高吞吐量的下一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域鋪平了道路：機(jī)器動(dòng)力學(xué)原理。隨著運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和機(jī)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(huì)提高。

每個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡——激光光斑制造零件所需的路徑——都有產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)所涉及的每個(gè)軸的光譜內(nèi)容。每個(gè)軸的命令都有一定的正弦波頻帶，需要用數(shù)學(xué)級(jí)數(shù)或求和來(lái)表示它。下面的圖2顯示了一個(gè)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(jí)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(wú)限級(jí)數(shù)的正弦波來(lái)完美地表示，但平滑函數(shù)可以用有限級(jí)數(shù)或帶寬表示。

在這個(gè)階躍函數(shù)的例子中，需要無(wú)限的帶寬來(lái)完美地逼近階躍，這使得它不可能在實(shí)際機(jī)器中實(shí)現(xiàn)。這是運(yùn)動(dòng)程序員盡量避免發(fā)送給機(jī)器的命令不連續(xù)的一個(gè)主要原因。圖2中演示的原理適用于每個(gè)命令信號(hào)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)輪廓是多維的，涉及多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸時(shí)，機(jī)器遍歷該輪廓的速度會(huì)改變發(fā)送到每個(gè)相關(guān)軸的命令帶寬。這種關(guān)系的一個(gè)簡(jiǎn)單例子是用兩個(gè)軸來(lái)創(chuàng)建一個(gè)圓。在基礎(chǔ)三角學(xué)中，兩個(gè)軸穿過(guò)一個(gè)圓，在位置、速度和加速度上經(jīng)歷一個(gè)正弦波。每個(gè)軸被要求執(zhí)行的正弦波的頻率與圓通過(guò)的速度成正比。機(jī)器需要走一圈的速度越快，所涉及的每個(gè)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(lái)。對(duì)于任何運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的帶寬內(nèi)。沒(méi)錯(cuò)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)都有帶寬。

控制系統(tǒng)依靠反饋信號(hào)、伺服控制回路和強(qiáng)大的電機(jī)對(duì)命令做出反應(yīng)，并使實(shí)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(shí)際運(yùn)動(dòng)與命令運(yùn)動(dòng)不完全匹配時(shí)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(jì)。軌跡產(chǎn)生率、電流閉環(huán)率（給定電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的電流可以改變的速度）和設(shè)備電機(jī)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(qiáng)大的控制產(chǎn)品和強(qiáng)大的電機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)師有利，這是一個(gè)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(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)命令能力的一部分，即運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶寬。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的物理剛度和控制系統(tǒng)帶寬的結(jié)合決定了整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)能力。給定相同的控制系統(tǒng)和電機(jī)，機(jī)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(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)控制中最重要的信號(hào)是加速命令。加速是機(jī)器操作員感興趣的主要信號(hào)，因?yàn)樗�與機(jī)器控制器實(shí)際控制的東西最密切相關(guān)，即電機(jī)的電流。送入各軸電機(jī)的電流與各電機(jī)產(chǎn)生的力成正比。每個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的力與機(jī)器運(yùn)動(dòng)時(shí)該自由度所經(jīng)歷的加速度成正比。跟蹤誤差，或由于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法完美地遵循指令軌跡而注入到生產(chǎn)過(guò)程中的誤差，與指令加速度帶寬中超出運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶寬的部分成正比。一輛基于懸掛系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和駕駛員的汽車(chē)只能以一定的速度穿過(guò)賽道，如果被迫以超過(guò)其極限的速度轉(zhuǎn)彎，它就會(huì)沖出道路。這對(duì)于激光加工機(jī)也是一樣的。通過(guò)了解在運(yùn)動(dòng)配置文件中發(fā)送到機(jī)器的加速命令的帶寬以及機(jī)器的反應(yīng)能力或動(dòng)力學(xué)的帶寬，我們有一個(gè)堅(jiān)實(shí)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(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)際上提供了一些功能，允許程序員自動(dòng)考慮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的帶寬，并自我限制發(fā)送到機(jī)器元件的加速命令，以防止發(fā)生過(guò)多的錯(cuò)誤。

結(jié)合這些概念為機(jī)器設(shè)計(jì)師創(chuàng)造了一個(gè)有意義的信息。機(jī)架結(jié)構(gòu)越剛性，機(jī)床彎曲和振動(dòng)對(duì)加工結(jié)果的影響越小，為動(dòng)態(tài)跟蹤誤差留下更多的誤差預(yù)算。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)越剛性，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的帶寬就越高。所使用的控制產(chǎn)品的性能越高，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的帶寬就越高。運(yùn)動(dòng)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(guò)程中，可以命令機(jī)器越快地遍歷所需的輪廓。因此，機(jī)器設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮每一種可能的方法來(lái)最大限度地提高機(jī)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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