Upotreba servo pogona visoke frekvencije pri prekidaču u ultra preciznom kućnom CNC strojenju

Zašto visoka frekvencija prekida omogućuje brzu i preciznu radnu snagu servo uređaja

Izazov s podmikronskim pozicioniranjem u CNC sustavima za radnu površinu

Napravljanje CNC sustava za rad na podmikronskoj razini predstavlja poseban izazov koji se odnosi na vibracije i stabilnost temperature. Industrijski strojevi se nalaze na posebno dizajniranim podlogama koji apsorbiraju vibracije, ali modeli na klupi moraju se nositi s svim vrstama buke iz svog okruženja. Svakodnevne vibracije u laboratoriju ili radionici pojačavaju se samom okvirom stroja, što dovodi do većih pogrešaka pozicioniranja nego što itko želi. Kada radite s materijalima poput optičkog stakla ili određenih aerospacijskih metala, čak i male pogreške imaju veliku važnost. Razlika od pola mikrona je dovoljna da uništi cijelu komponentu. Toplota dodaje još jedan složen sloj. Dok motori rade i kuglice se okreću, one se mijenjaju na mikronskom nivou. Istraživanje objavljeno u CIRP Annals pokazuje da oko 60% tih dosadnih pogrešaka u manje veličine dolazi od toplinskog odlaska u manjim sustavima. Kako bi se to riješilo, proizvođačima su potrebni servo pogoni koji se mogu prilagoditi na brzinu tim mikroskopskim promjenama, a istovremeno i brzi i precizni pokreti kroz složene putanje alata.

Kako prekidač s frekvencijom 20 kHz smanjuje valove struje i trenje obrtnog momenta

Servo pogoni koji rade na ili iznad 20 kHz PWM frekvencije stvarno smanjuju valove struje, što je u osnovi ono što uzrokuje one dosadne trzanja obrtnog momenta koji nered površine završava tijekom precizne obrade. Visokofrekventno prekidač zapravo čini da su vremenski intervali raspada struje mnogo kraći između svakog impulsa, tako da elektromagnetna polja ostaju stabilnija, što rezultira glatkim radom motora. Testiranje u laboratorijima za kontrolu kretanja pokazalo je da ti sustavi mogu smanjiti fluktuacije obrtnog momenta za čak 40% u usporedbi s starijim sustavima ispod 10 kHz. Ta razlika postaje vrlo važna kada se radi o tim sitnim mikro-korakama ispod 10 mikrona, gdje niskofrekventni pogoni imaju tendenciju izazvati neželjene mehaničke vibracije i probleme s šaputanjem. Zahvaljujući tranzistorima od silicijuma karbida (SiC), proizvođači sada mogu dostići ove više frekvencije bez brige o prekomjernom nakupljanju toplote od gubitaka prilikom prekida, što je nekad bio veliki problem. U kombinaciji s ovim brzim servom i tehnologijom FOC-a, održavaju izvanredan konstantan obrtni moment u razini od pola posto na različitim brzinama. Za svakoga tko radi s složenim oblicima i tesnim tolerancijama, ovaj nivo performansi je apsolutno neophodan ako želimo izbjeći one frustrirajuće greške koraka koje se tokom vremena gomilaju tijekom obrisa.

Preciznost zatvorene petlje: vjernost kodera, kasnost i točnost kontura

U slučaju da je to moguće, potrebno je utvrditi razinu i veličinu uobičajenih protokola.

Izvlačenje ultra preciznosti iz CNC strojeva ovisi u velikoj mjeri o tome da ima gotovo nultu kašnjenje u povratnoj petlji. Ako je odlaganje više od 100 mikrosekundi prije nego što stroj dobije ažuriranje položaja, osi počinju izlaziti iz sinhronizacije tijekom tih sitnih koraka. To postaje pravi problem za 3D konturiranje gdje su putovi alata moraju biti manje od 10 mikrona i sve se mora savršeno pomaknuti zajedno. Neki testovi provedeni u NIST-u otkrili su da kada je u sustavu bilo oko 200 mikrosekundi kašnjenja, zapravo je uzrokovalo greške kontura u dimenzijama od oko 5 mikrona u dijelovima titanijuma. Kako bi se ovi problemi riješili, proizvođači sada koriste brze servo pogone koji smanjuju vrijeme obrade na manje od 50 mikrosekundi. Ova poboljšanja dolaze od posebnog softvera koji radi na ARM Cortex M7 upravljačima koji rješavaju zadatke u stvarnom vremenu. Strojevi bez takve brze reakcije imaju tendenciju nakupljati male pogreške zbog promjena topline i drugih čimbenika, što se na kraju povećava u primjetne probleme s pozicioniranjem nakon produženog rada.

17-bitni rezolucijski uređaji protiv magnetnih kodera: propusnostRezolucijski kompromis

Izbor kodera temeljno ograničava dostižuću preciznost u desktop CNC sustavima. Glavni kompromis uključuje:

Rezolucije su poznate po svojoj nevjerojatnoj kutnoj točnosti, često ispod jedne lukovne sekunde, ali se bore s problemima propusnosti koji stvaraju fazno kašnjenje kada se smjerovi brzo mijenjaju, što kvari kvalitet dinamičkih kontura. Magnetni enkoderi s druge strane reagiraju mnogo brže, nešto što je stvarno važno za te 5-osne sustave, iako jednostavno ne mogu odgovarati rezoluciji potrebnoj za istinsku ponovljivost na submikronskoj razini. Dobra vijest je da su moderni Field Oriented Control postavke počele rješavati ovaj problem. Uzmite open source diskove kao što je ODrive na primjer. Ovi sustavi koriste pametne adaptivne promatrače da u osnovi popune praznine između čitanja kodera, što rezultira oko plus ili minus 0,3 mikrona ponovljivosti čak i s ne tako velikim hardverom. Ono što vidimo ovdje je prilično zanimljivo zapravo. Bolji algoritmi u kombinaciji s pristupačnim komponentama znači da su visoke precizne tehnike proizvodnje koje su nekad koštale stotine tisuća dolara sada dostupne manjim trgovinama i hobiistima.

Prava brza i precizna servo kontrola: izvan tvrđivanja "servo" amatera

Razlika u ubrzanju S-krive u pokretanju proračuna

Mnogi servo pogoni koriste trapezoidne profile ubrzanja umjesto S-krive. Kada se ovi sustavi pokrenu ili prestanu kretati, stvaraju nagle drhtanje koje pokreće mehaničku rezonancu, uzrokujući vibracije koje mogu biti veće od 5 mikrometara. S druge strane, pogoni optimizirani za S-krive održavaju te vibracije na manje od 0,8 mikrometara prema testovima koje je sprovela Međunarodna federacija za proizvodni inženjering (CIRP). Za primjene poput mikrograviranja ili rada oko uskih uglova, to je jako važno jer kada se alat odvija, to utječe na to koliko su konačne dimenzije točne. Dobivanje pravilne kontrole S-krive znači imati posebne procesore za planiranje staze, nešto što još uvijek ne vidimo u pristupačnim kontrolerima zbog sve dodatne računalne snage i složenih zahtjeva firmvera.

Demokratizacija kontrole orijentirane na polje (FOC) u pogonima zasnovanim na ARM-u (npr. ODrive v3.6)

Mikrokontroleri ARM Cortex-M4 i M7 omogućuju primjenu čvrste tehnologije FOC-a čak i u servo pogonima koji danas koštaju manje od 200 dolara. Ono što čini FOC tako učinkovit je kako odvaja kontrolu obrtnog momenta od toka, što rezultira puno glatkim radovima pri većim brzinama i bolje rješavanje neočekivanih poremećaja tijekom rada. Pogledajte projekte otvorenog koda kao što je ODrive v3.6 referentni dizajn na primjer oni upravljaju impresivnom 100 kilohertz struja petlja propusnost dok održava oko 90 posto obrtnog momenta linearnost pravo do 3.000 okretaja u minuti. Industrijski FOC sustavi još uvijek imaju prednost kada je riječ o mogućnostima automatskog podešavanja i prilagođavanja različitim opterećenjima. Na primjer, ti sustavi mogu nositi promjene inercije ekstremne kao što je 10 do 1 odnos između materijala kao što su aluminij i tvrdo drvo bez potrebe za bilo kakvim recalibration prilagodbe. Ali ne računajte ARM-e zasnovane alternative još. Napravili su tako značajan napredak u posljednje vrijeme da je ono što je nekada bilo ekskluzivno za velike proizvođače sada u dometu za hobije i manje radionice koje žele ozbiljno da se bave aplikacijama za upravljanje motorima.

Validacija u stvarnom svijetu: implementacije otvorenog koda koje postižu ±0,3 μm ponavljivosti

U slučaju da je to potrebno, sustav će se koristiti za određivanje položaja. To dokazuje da brza i precizna servo kontrola nije samo više moguća, već je zapravo i dostižna u malim, pristupačnim postavkama. Zbog preciznosti ovi sustavi pogodni su za detaljan rad gdje je potrebno da su stepovi ispod 5 mikrona. Mislite na nakitne kalupke ili završetak optičkih komponenti na primjer. Zanimljivo je kako rješenja izgrađena zajednicom rješavaju stare probleme poput toplinskog pomicanja, vibracija u okviriju stroja i ograničene rezolucije kodera. To rade kombiniranjem podataka iz više izvora istodobno koristeći pametne tehnologije fuzije senzora koje gledaju čitanja kodera, razine struje motora i mjerenja temperature odjednom. -Ključna stvar? Ultra precizna obrada je zahtijevala skupu industrijsku opremu koja je koštovala stotine tisuća dolara. Sada amateri i male tvornice mogu proizvoditi dijelove s mikronom preciznošću bez razbijanja banke.