बड़े पैमाने पर औद्योगिक लेजर प्रसंस्करण से परिचित अधिकांश लोगों ने एक उच्च-थ्रूपुट लेजर सीएनसी मशीन को बड़े स्टील प्लेटों और ट्यूबों को चक्करदार गति से काटते हुए देखा है। लेजर माइक्रोमैचिनिंग में हम में से, जहां भाग की गुणवत्ता माइक्रोन-स्तरीय मशीनिंग सटीकता पर निर्भर करती है, आश्चर्य है कि क्या हम इस तरह के उच्च मशीन थ्रूपुट को प्राप्त कर सकते हैं और अभी भी अत्यधिक सटीक भागों का उत्पादन कर सकते हैं। जवाब हाँ है - और फिर सवाल "कैसे?" यह लेख मशीन डिजाइन और नियंत्रण में बुनियादी विचारों की पड़ताल करता है कि एक सटीक लेजर माइक्रोप्रोसेसर से अधिकतम थ्रूपुट प्राप्त करने के लिए परिचित होना चाहिए।
विनिर्माण प्रक्रिया में, स्वीकार्य भागों का निर्धारण करने के मानदंड अक्सर गैर-परक्राम्य होते हैं। भाग सहिष्णुता को भाग के सामान्य या सुरक्षित संचालन के लिए आवश्यकताओं द्वारा परिभाषित किया जाता है। वे विनिर्माण प्रक्रिया के लिए स्वीकार्य त्रुटि बजट को परिभाषित करते हैं। मशीनिंग के दौरान मशीन डिजाइन, नियंत्रक कार्यक्षमता और लेजर सामग्री इंटरैक्शन से उत्पन्न त्रुटि के विभिन्न स्रोतों द्वारा त्रुटि बजट तब "समाप्त" किया जाता है। उच्च परिशुद्धता भागों का निर्माण करते समय थ्रूपुट को अधिकतम करने की कुंजी गतिशील ट्रैकिंग त्रुटियों के लिए जितना संभव हो उतना त्रुटि बजट छोड़ना है। ध्वनि प्रणाली और संरचनात्मक डिजाइन सिद्धांतों का पालन करना और एक शक्तिशाली गति नियंत्रक का चयन करना - एक जो गतिशील ट्रैकिंग त्रुटि बजट का अधिकतम लाभ उठाता है - थ्रूपुट को अधिकतम करेगा और इसलिए लेजर माइक्रोमाचिनिंग सिस्टम के लिए आर्थिक तर्क।
विनिर्माण प्रणाली का संरचनात्मक डिजाइन उच्च थ्रूपुट पर संचालित करने के लिए विनिर्माण प्रणाली की क्षमता में सुधार करने के लिए मौलिक है। नियंत्रण प्रणाली को त्रुटियों को अस्वीकार करने और कम करने के लिए, सिस्टम के भीतर गति को "देखने" के लिए उपयोग किए जाने वाले सेंसर को उपकरण और भाग के बीच सापेक्ष गति का निरीक्षण करने में सक्षम होना चाहिए। अधिकांश प्रणालियों में, ये सेंसर सीधे टूल टिप की गति का निरीक्षण नहीं करते हैं, अर्थात, लेजर स्पॉट; इसके बजाय, वे अपनी जानकारी एक ऑप्टिकल रीडहेड से प्राप्त करते हैं जो गति प्रणाली तंत्र में एम्बेडेड एक एनकोडर स्केल (प्रभावी रूप से एक शासक) को देखता है। इसलिए, नियंत्रक में गतिशील ट्रैकिंग बजट के लिए अधिक से अधिक त्रुटि बजट को बचाने के लिए, डिजाइनर को फ्रेम के भीतर झुकने या कंपन के कारण अप्राप्य त्रुटियों को कम करना चाहिए। असंबद्ध त्रुटि को कम करने की कुंजी संरचना की कठोरता को अधिकतम करना है। अधिकतम कठोरता प्राप्त करने का एक तरीका मशीन के संरचनात्मक छोरों की लंबाई को कम करना है। एक संरचनात्मक लूप एक मशीन की गति द्वारा उत्पन्न बलों का एक मार्ग है जो मेल खाता है या संबंधित संरचनात्मक तत्वों द्वारा उत्पन्न बलों के बराबर या विपरीत है। कल्पना कीजिए कि एक मशीन के संरचनात्मक तत्वों को बनाने वाली सामग्री श्रृंखला में जुड़े हजारों छोटे स्प्रिंग्स द्वारा बनाई जाती है। एक अग्रानुक्रम श्रृंखला में अधिक स्प्रिंग्स जोड़ने से वास्तव में श्रृंखला की कठोरता कम हो जाती है। इसलिए, डिजाइनरों को मशीन को कठोर करने के लिए वसंत तत्वों की संरचनात्मक "श्रृंखला" को छोटा करना चाहिए। इसके अलावा, समानांतर में वसंत तत्वों को जोड़ना श्रृंखला को अधिक कठोर बनाता है। कठोरता को अधिकतम करने के लिए, डिजाइनरों को जड़त्वीय बलों का समर्थन करने के लिए मशीन के फ्रेम में निरर्थक संरचनात्मक तत्वों को जोड़ना चाहिए। मशीन को स्टिफ़र, अधिक ऊर्जा को अवांछित गति का कारण बिना संरचना में इंजेक्ट किया जाता है। यह उपयोगकर्ता को गति नियंत्रण तत्वों को तेजी से आगे बढ़ाने की अनुमति देता है, अधिक त्वरण और ऊर्जा के साथ, जबकि अप्राप्य प्रसंस्करण त्रुटियों को कम करता है। चित्रा 1 नीचे मशीन के संरचनात्मक छोरों और वसंत तत्वों की श्रृंखला और समानांतर कनेक्शन को दर्शाता है।
चित्रा 1 दिखाता है। श्रृंखला में स्प्रिंग्स को जोड़ने से स्प्रिंग चेन कम कठोर हो जाती है, जबकि समानांतर में स्प्रिंग्स को जोड़ने से स्प्रिंग चेन स्टिफ़र बन जाता है। इस सिद्धांत का उपयोग मशीन के संरचनात्मक सर्किट की कठोरता को अधिकतम करने के लिए किया जा सकता है।
एक स्टिफ़र मशीन जो अधिक ऊर्जा को बिना झुकने के इंजेक्शन लगाने की अनुमति देती है, कहीं और के लिए त्रुटि बजट को अधिक बचत करता है, एक तत्काल सुधार है। यह थ्रूपुट को बेहतर बनाने में फोकस के अगले क्षेत्र के लिए मार्ग प्रशस्त करता है: मशीन डायनेमिक्स सिद्धांत। जैसे -जैसे मोशन प्लेटफॉर्म और रैक की कठोरता बढ़ती जाती है, वैसे -वैसे उनकी आंतरिक आवृत्ति होती है। जैसे -जैसे उनकी आंतरिक आवृत्ति बढ़ती है, वैसे -वैसे उनकी नियंत्रणीयता और उत्पादन की गति होती है।
प्रत्येक गति प्रक्षेपवक्र - एक भाग बनाने के लिए एक लेजर स्पॉट के लिए आवश्यक पथ - गति को उत्पन्न करने में शामिल प्रत्येक अक्ष के लिए वर्णक्रमीय सामग्री है। प्रत्येक अक्ष कमांड में एक निश्चित साइनसोइडल फ्रीक्वेंसी बैंड होता है जिसे इसका प्रतिनिधित्व करने के लिए एक गणितीय श्रृंखला या योग में प्रतिनिधित्व करने की आवश्यकता होती है। नीचे चित्र 2 एक चरण समारोह और इसके साइनसोइडल सन्निकटन का एक उदाहरण एक परिमित बैंडविड्थ का उपयोग करके दिखाता है।
चित्रा 2। स्तरों और रकम के संदर्भ में एक साइन लहर का उपयोग करके एक चरण फ़ंक्शन का अनुमान। अधिक साइन वेव आवृत्तियों या सन्निकटन में उपयोग किए जाने वाले बैंडविड्थ्स, सन्निकटन उतना ही करीब है जो चरण फ़ंक्शन के लिए होता है। चरण फ़ंक्शन को पूरी तरह से प्रतिनिधित्व करने के लिए साइनसोइड्स के अनंत संख्या की आवश्यकता होती है, लेकिन चिकनी फ़ंक्शन को एक परिमित संख्या में चरणों या बैंडविथ्स द्वारा दर्शाया जा सकता है।
एक चरण फ़ंक्शन के इस उदाहरण में, एक अनंत बैंडविड्थ को इस कदम को पूरी तरह से अनुमानित करने की आवश्यकता होती है, जिससे वास्तविक मशीन में लागू करना असंभव हो जाता है। यह मुख्य कारणों में से एक है कि गति प्रोग्रामर मशीन को भेजे गए आदेशों में असंतोष से बचने की कोशिश करते हैं। चित्रा 2 में प्रदर्शित सिद्धांत प्रत्येक कमांड सिग्नल पर लागू होता है। जब गति प्रोफ़ाइल बहुआयामी होती है और इसमें गति के कई अक्ष शामिल होते हैं, तो वह दर जिस पर मशीन का पता चलता है कि प्रोफ़ाइल प्रत्येक प्रासंगिक अक्ष पर भेजे गए कमांड के बैंडविड्थ को बदल देती है। इस संबंध का एक सरल उदाहरण एक सर्कल बनाने के लिए दो अक्षों का उपयोग कर रहा है। बुनियादी त्रिकोणमिति में, दो कुल्हाड़ियों एक सर्कल के माध्यम से यात्रा करते हैं, स्थिति, वेग और त्वरण में एक साइनसोइडल लहर का अनुभव करते हैं। साइन वेव की आवृत्ति जिसे प्रत्येक अक्ष को प्रदर्शन करने के लिए कहा जाता है, वह उस गति के लिए आनुपातिक है जिस पर सर्कल गुजरता है। एक सर्कल की यात्रा करने के लिए मशीन जितनी तेजी से होती है, प्रत्येक अक्ष के लिए साइन वेव की आवृत्ति जितनी अधिक होती है, वह स्थिति, वेग और त्वरण में प्रदर्शन करने में सक्षम होनी चाहिए। प्रदान की गई कमांड प्रोफाइल को निष्पादित करने के लिए गति के किसी भी अक्ष के लिए, उस प्रोफ़ाइल की बैंडविड्थ मोशन सिस्टम के बैंडविड्थ के भीतर होनी चाहिए। यह सही है, हर मोशन सिस्टम में एक बैंडविड्थ है।
नियंत्रण प्रणाली फीडबैक सिग्नल, सर्वो कंट्रोल लूप्स और शक्तिशाली मोटर्स पर निर्भर करती है, जो कमांड पर प्रतिक्रिया करने और वास्तविक परिणामों को वांछित परिणामों से मेल खाने के लिए। नियंत्रण प्रणाली की जवाबदेही इस बात पर निर्भर करती है कि नियंत्रक कितनी जल्दी निर्णय ले सकता है और प्रभाव परिवर्तन कर सकता है जब वास्तविक गति कमांड गति से मेल नहीं खाती है। यह "नियंत्रण प्रणाली जवाबदेही" लगभग पूरी तरह से उपयोग किए गए नियंत्रण उत्पाद के विनिर्देशों और डिजाइन पर निर्भर है। प्रक्षेपवक्र उत्पादन की दर, वर्तमान बंद की दर (जिस दर पर किसी दिए गए मोटर ड्राइव द्वारा उत्पन्न वर्तमान को बदला जा सकता है) जैसे विनिर्देशों, और डिवाइस मोटर द्वारा उत्पन्न शिखर बल नियंत्रण प्रणाली की प्रतिक्रिया दर को निर्धारित करेगा। इसलिए, यह एक स्पष्ट निष्कर्ष है कि एक शक्तिशाली नियंत्रण उत्पाद और एक शक्तिशाली मोटर चुनने से डिजाइनर को लाभ होगा। हालांकि, नियंत्रण प्रणाली की प्रतिक्रिया दर समग्र गति प्रणाली की कमांड, अर्थात, गति प्रणाली बैंडविड्थ पर प्रतिक्रिया देने की क्षमता का केवल एक हिस्सा है। मोशन प्लेटफॉर्म की भौतिक कठोरता और नियंत्रण प्रणाली की बैंडविड्थ का संयोजन पूरे सिस्टम की गतिशील क्षमता को निर्धारित करता है। एक ही नियंत्रण प्रणाली और मोटर को देखते हुए, मैकेनिकल सिस्टम की आंतरिक आवृत्ति जितनी अधिक होती है, यानी, यह स्टिफ़र होता है, उतनी ही अधिक आवृत्ति बैंडविड्थ होती है जिस पर सिस्टम सफलतापूर्वक जवाब दे सकता है।
सामान्य तौर पर, गति नियंत्रण में सबसे महत्वपूर्ण संकेत त्वरण कमांड है। त्वरण मशीन ऑपरेटर के लिए ब्याज का प्राथमिक संकेत है क्योंकि यह सबसे अधिक निकटता से संबंधित है कि मशीन नियंत्रक वास्तव में क्या नियंत्रित कर रहा है, मोटर्स के लिए वर्तमान। प्रत्येक अक्ष मोटर को खिलाया गया वर्तमान प्रत्येक मोटर द्वारा उत्पन्न बल के लिए आनुपातिक है। प्रत्येक मोटर द्वारा उत्पन्न बल मशीन के चलते समय स्वतंत्रता की उस डिग्री द्वारा अनुभव किए गए त्वरण के लिए आनुपातिक है। ट्रैकिंग त्रुटि, या त्रुटि उत्पादन प्रक्रिया में इंजेक्ट की गई, गति प्रणाली की अक्षमता के कारण पूरी तरह से कमांड किए गए प्रक्षेपवक्र का पालन करने में असमर्थता, कमांड किए गए त्वरण बैंडविड्थ के हिस्से के लिए आनुपातिक है जो मोशन सिस्टम के बैंडविड्थ से अधिक है। निलंबन, इंजन और ड्राइवर पर आधारित एक कार केवल एक निश्चित गति से एक रेस ट्रैक को पार कर सकती है; यदि यह एक गति को चालू करने के लिए मजबूर किया जाता है जो अपनी सीमा से अधिक है, तो यह सड़क से भाग जाएगा। यह लेजर प्रसंस्करण मशीनों के लिए समान है। मोशन प्रोफाइल में मशीन को भेजे गए त्वरण कमांड की बैंडविड्थ को समझकर, साथ ही मशीन की जवाबदेही या गतिशीलता की बैंडविड्थ, हमारे पास उच्च गुणवत्ता वाले भागों को सुनिश्चित करने के लिए एक ठोस आधार है जो अधिकतम थ्रूपुट पर उत्पादित होते हैं। कुछ उन्नत गति नियंत्रक वास्तव में उन सुविधाओं की पेशकश करते हैं जो प्रोग्रामर को स्वचालित रूप से गति प्रणाली के बैंडविड्थ को ध्यान में रखने की अनुमति देते हैं और मशीन घटकों को भेजे गए त्वरण कमांड को स्व-सीमित करने के लिए बहुत अधिक त्रुटियों को रोकने के लिए।
इन अवधारणाओं को मिलाकर मशीन डिजाइनर के लिए एक सार्थक संदेश बनाता है। फ्रेम संरचना जितनी अधिक कठोर होगी, कम मशीन झुकने और कंपन मशीनिंग परिणामों को प्रभावित करेगा, जिससे गतिशील ट्रैकिंग त्रुटियों के लिए अधिक त्रुटि बजट छोड़ देगा। गति प्रणाली के यांत्रिक डिजाइन जितना अधिक कठोर होगा, गति प्रणाली का बैंडविड्थ उतना ही अधिक होगा। नियंत्रण उत्पादों का प्रदर्शन जितना अधिक होता है, गति प्रणाली का बैंडविड्थ उतना ही अधिक होता है। मोशन सिस्टम की बैंडविड्थ जितनी अधिक होगी, त्वरण कमांड की बैंडविड्थ जितनी अधिक थी, वह भाग त्रुटि के समान स्तर को बनाए बिना जवाब दे सकती है। एक बुरा हिस्सा बनाने के बिना त्वरण कमांड की बैंडविड्थ जितनी अधिक होती है, उतनी ही तेजी से मशीन को भाग उत्पादन के दौरान वांछित समोच्च को पार करने के लिए आज्ञा दी जा सकती है। इसलिए, मशीन डिजाइनरों को भाग की गुणवत्ता से समझौता किए बिना प्रक्रिया थ्रूपुट को अधिकतम करने के लिए मशीन की कठोरता और नियंत्रण प्रणाली बैंडविड्थ को अधिकतम करने के लिए हर संभव तरीके पर विचार करना चाहिए।
