大規模な産業用レーザー処理に精通しているほとんどの人は、めまいのある速度で大きなスチールプレートとチューブを切るハイスループットレーザーCNCマシンを見てきました。一部の品質がミクロンレベルの機械加工精度に依存するレーザーマイクロマシングの私たちは、このような高い機械スループットを達成し、非常に正確な部品を生成できるかどうか疑問に思いました。答えはイエスです - そして、質問は「どうやって？」になります。この記事では、精密レーザーマイクロプロセッサから最大のスループットを実現するためによく知られている必要があるマシンの設計と制御における基本的な考慮事項について説明します。
製造プロセスでは、許容可能な部品を決定するための基準は、しばしば交渉不可能です。パーツの許容範囲は、部品の通常または安全な動作の要件によって定義されます。製造プロセスの許容エラー予算を定義します。エラー予算は、機械設計、コントローラー機能、および機械加工中のレーザー材料の相互作用から生じるさまざまなエラーソースによって「枯渇」されます。高精度部品を製造するときにスループットを最大化するための鍵は、動的追跡エラーのためにできるだけ多くのエラー予算を残すことです。サウンドシステムと構造設計の原則に従い、強力なモーションコントローラー（動的追跡エラー予算を最大限に活用するもの）を選択すると、スループット、したがってレーザーマイクロマシニングシステムの経済的根拠が最大化されます。
製造システムの構造設計は、製造システムが高スループットで動作する能力を向上させるための基本です。制御システムがエラーを拒否して最小化するためには、システム内の動きを「見る」ために使用されるセンサーは、ツールと部品の間の相対的な動きを観察できる必要があります。ほとんどのシステムでは、これらのセンサーは、ツールチップ、すなわちレーザースポットの動きを直接観察しません。代わりに、モーションシステムメカニズムに埋め込まれたエンコーダースケール（事実上定規）を表示する光学読み取りヘッドから情報を導き出します。したがって、コントローラーの動的追跡予算のためにできるだけ多くのエラー予算を節約するために、設計者は、フレーム内の曲げまたは振動により、観測不能なエラーを最小限に抑える必要があります。観察不可能なエラーを最小限に抑えるための鍵は、構造の剛性を最大化することです。最大の剛性を実現する1つの方法は、マシンの構造ループの長さを最小限に抑えることです。構造ループは、対応する構造要素によって生成される力と一致する、または等しい、または反対の機械の動きによって生成される力の経路です。機械の構造要素を構成する材料は、直列に接続された数千の小さなスプリングによって形成されると想像してください。タンデムチェーンにさらにスプリングを追加すると、実際にチェーンの剛性が軽減されます。したがって、設計者は、スプリング要素の構造的な「チェーン」を短くして、マシンを抑える必要があります。さらに、スプリング要素を並行して追加すると、チェーンがより硬くなります。剛性を最大化するために、設計者は慣性力をサポートするために、マシンのフレームに冗長構造要素を追加する必要があります。マシンが硬化するほど、望ましくない動きを引き起こすことなく、より多くのエネルギーが構造に注入されます。これにより、ユーザーは、観測不能な処理エラーを最小限に抑えながら、より多くの加速とエネルギーでモーションコントロール要素をより速くプッシュできます。以下の図1は、マシンの構造ループとスプリング要素のシリーズと並列接続を示しています。
図1に示されています。スプリングを直列に追加すると、スプリングチェーンが硬くなりますが、スプリングを並行して追加すると、スプリングチェーンが硬くなります。この原理は、機械の構造回路の剛性を最大化するために使用できます。
より多くのエネルギーを曲げずに注入することを可能にするより硬いマシンは、他の場所でより多くのエラー予算を節約することは、即時の改善です。これにより、スループット：マシンダイナミクスの原則を改善するための次の焦点領域への道が開かれます。モーションプラットフォームとラックの剛性が増加すると、本質的な周波数も増加します。本質的な周波数が増加すると、制御性と生産速度も増加します。
各モーション軌道 - パーツを作成するためにレーザースポットに必要なパス - は、動きの生成に関与する各軸にスペクトルコンテンツを持っています。各軸コマンドには、数学シリーズまたは合計で表現するために表現する必要がある特定の正弦波周波数帯域があります。以下の図2は、ステップ関数の例と、有限帯域幅を使用したその正弦波近似近似を示しています。
図2。レベルと合計の観点から正弦波を使用したステップ関数の近似。近似で使用される正弦波の周波数または帯域幅が多いほど、近似はステップ関数に近いです。ステップ関数には、それを完全に表すために正弦波の無限の数のステップが必要ですが、滑らかな関数は有限数のステップまたは帯域幅で表すことができます。
ステップ関数のこの例では、ステップを完全に近似するには無限の帯域幅が必要であり、実際のマシンで実装することが不可能になります。これは、モーションプログラマーがマシンに送信されたコマンドの中断を避けようとする主な理由の1つです。図2に示す原理は、すべてのコマンド信号に適用されます。モーションプロファイルが多次元であり、複数の動き軸を含む場合、マシンが移動する速度は、各関連軸に送信されるコマンドの帯域幅を変化させます。この関係の簡単な例は、2つの軸を使用して円を作成することです。基本的な三角法では、2つの軸が円を通り、位置に正弦波波、速度、および加速度を経験します。各軸が実行するように求められる正弦波の周波数は、円が通過する速度に比例します。マシンが円を移動するのに必要なほど速いほど、関与する各軸の正弦波の周波数が高いほど、位置、速度、加速度で実行できる必要があります。提供されたコマンドプロファイルを実行する動き軸の場合、そのプロファイルの帯域幅はモーションシステムの帯域幅内にある必要があります。そうです、すべてのモーションシステムには帯域幅があります。
制御システムは、フィードバック信号、サーボ制御ループ、および強力なモーターに依存して、コマンドに反応し、実際の結果を望ましい結果と一致させます。制御システムの応答性は、実際の動きがコマンドモーションと正確に一致しない場合、コントローラーが決定を行い、変化を効果的に行うことができる速さに依存します。この「制御システムの応答性」は、使用される制御製品の仕様と設計にほぼ完全に依存しています。軌道生成率、電流閉鎖速度（特定のモーター駆動によって生成される電流の速度）、デバイスモーターによって生成されるピーク力などの仕様により、制御システムの応答速度が決まります。したがって、強力な制御製品と強力なモーターを選択することで、デザイナーに利益をもたらすということはやや明白な結論です。ただし、制御システムの応答率は、コマンド、つまりモーションシステムの帯域幅に応答するモーションシステム全体の能力の一部にすぎません。モーションプラットフォームの物理的剛性と制御システムの帯域幅の組み合わせにより、システム全体の動的能力が決まります。同じ制御システムとモーターを考えると、機械システムの固有の周波数が高くなるほど、つまり、システムが正常に応答できる周波数帯域幅が大きくなります。
一般に、モーションコントロールで最も重要な信号は加速コマンドです。加速は、マシンコントローラーが実際に制御しているもの、モーターへの電流と最も密接に関連しているため、マシンオペレーターにとって関心のある主要な信号です。各軸モーターへの電流供給は、各モーターによって生成される力に比例します。各モーターによって生成される力は、機械が移動するにつれて、その自由度によって経験される加速度に比例します。追跡エラー、またはモーションシステムが指揮された軌道に完全に従うことができないために生産プロセスに注入されたエラーは、モーションシステムの帯域幅を超える指揮された加速帯域幅の部分に比例します。サスペンション、エンジン、ドライバーに基づく車は、特定の速度でのみレーストラックを横断できます。制限を超える速度で回転させることを余儀なくされた場合、道路から走ります。これは、レーザー加工マシンでも同じです。モーションプロファイル内のマシンに送信された加速度コマンドの帯域幅と、マシンの応答性またはダイナミクスの帯域幅を理解することにより、高品質の部品を最大スループットで確保するための強固な基盤があります。一部の高度なモーションコントローラーは、実際にプログラマーがモーションシステムの帯域幅を自動的に考慮し、マシンコンポーネントに送信されたアクセラレーションコマンドを自己制限して、あまりにも多くのエラーが発生しないようにする機能を提供します。
これらの概念を組み合わせると、マシンデザイナーにとって意味のあるメッセージが作成されます。フレーム構造がより剛性の高いほど、機械の曲げと振動が少なくなり、動的追跡エラーのエラー予算が増えます。モーションシステムの機械的設計がより剛性が高いほど、モーションシステムの帯域幅が高くなります。使用される制御製品の性能が高いほど、モーションシステムの帯域幅が高くなります。モーションシステムの帯域幅が高いほど、同じレベルのパーツエラーを作成せずに応答できる加速コマンドの帯域幅が大きくなります。悪い部分を作成せずに許可された加速コマンドの帯域幅が高いほど、マシンをより速くコマンドを迅速に、部品の生産中に希望の輪郭を通過するように促すことができます。したがって、マシン設計者は、部分品質を損なうことなくプロセススループットを最大化するために、マシンの剛性と制御システムの帯域幅を最大化するためのあらゆる可能な方法を検討する必要があります。
