3D spausdintuvų servovariklių parinkimo vadovas

Kodėl 3D spausdintuvų servoriniai varikliai leidžia aukšto tikslumo ir patikimą spausdinimą

Žengiant toliau nei žingsniniai varikliai: kaip uždarosios kilpos servorinis valdymas neleidžia sluoksnių poslinkių ir praleistų žingsnių

Senoviniai žingsniuojantys varikliai veikia taip vadinamoje atvirojo ciklo sistemoje, kuri iš esmės reiškia, kad jų tikrosios padėties negalima tikrinti veikiant. Dėl to jie linkę praleisti žingsnius, kai spausdinama greitai, kai siūlas užsikimšta arba kai veikia fizinė įtampa. Servo variklių valdymo sistemos visiškai išsprendžia šią problemą, nes naudoja taip vadinamą uždarąjį valdymo ciklą su labai tiksliais enkoderiais, kurie gali matuoti iki 0,001 laipsnio arba dar tiksliau. Šie enkoderiai nedelsdami aptinka pozicionavimo problemas ir iškart jas taiso. Sistema per trupmenėles sekundės pritaiko sukimo momentą, kad viskas būtų tinkamai išlygiuota, todėl nepageidaujamos sluoksnių poslinkių neįvyksta net tada, kai kas nors jų dar nepastebi. Ypač CoreXY spausdintuvų konfiguracijoms servo variklių valdymo sistemos tvarko sudėtingą dalį, kur skirtingos mašinos dalys dėl diržų įtempimo skirtumų gali judėti šiek tiek skirtingais greičiais. Jos automatiškai kompensuoja šiuos skirtumus, todėl X ir Y ašys lieka išlygiuotos net staigiai posukiuose. Nesenai Motion Control Analysis atlikto tyrimo duomenimis, spausdintuvai, naudojantys tokį realiojo laiko klaidų taisymą, turėjo apytiksliai dvigubai mažiau nesėkmingų spausdinimų nei įrenginiai, vis dar naudojantys senos kartos žingsniuojančius variklius.

Tiesioginis ryšys tarp servovaldiklio reaktyvumo ir sluoksnių vientisumo mažesniu nei 50 mikronų

Nuoseklių sluoksnių gavimas mažesnių nei 50 mikronų nėra tik klausimas apie aukštą skiriamąją gebą. Svarbiausia – tai sistema, kaip dinamiškai reaguoja į keičiančias sąlygas, ar tai būtų skirtingų masių apkrovų valdymas, ar judėjimo modelių kaita. Servo varikliai viską tai tvarko dėka savo aukšto dažnio valdymo kilpų, veikiančių bent 2 kHz dažniu, taip pat adaptuotai moduliuodami sukimo momentą, kad sumažintų virpesius, pagreitėjant ar lėtinant judėjimą. Jie taip pat viduje valdo šilumą, todėl išlaiko našumą net karštuose, uždarose spausdinimo kamerose. Šiuo požiūriu ypač naudingi delta spausdintuvai. Kai rankos lieka absoliučiai sinchronizuotos, sudėtingose kreivinėse judėjimo trajektorijose neįvyksta jokio pozicijos nukrypimo. Dėl to gaunami detalės, kurių matmenys tikslūs ± 0,02 mm ribose – tokia tikslumo lygis išlieka net po ilgų spausdinimo ciklų, trunkančių be pertraukos daugiau nei 500 valandų. Pašalinus tuos nedidelius pozicijos nukrypimus, šios servoužvaldomos sistemos tampa pakankamai patikimos rimtoms pramoninėms 3D spausdinimo aplikacijoms, kur tikslumas yra lemiamas.

Kritinės techninės specifikacijos 3D spausdintuvo servoriniams varikliams

Momento, greičio ir inercijos pritaikymas pagrindinėms XY ir Delta kinematikoms

Gauti gerus rezultatus iš CoreXY ir delta spausdintuvų tikrai priklauso nuo to, kaip gerai veikia mechaninės ir elektroninės sistemos kartu. Kai variklis netinkamai pritaikytas apkrovai arba kai jo sukimo momentas nepakankamas, kyla įvairių problemų. Matome tokias problemas kaip šešėliniai vaizdai, spalvų juostos ir detalės, kurios nesėdi ten, kur turėtų būti. Šios problemos trukdo tiek spausdintų objektų išvaizdai, tiek jų tikriems matmenims. Geri valdymo įrenginiai paprastai reikalauja apie pusės iki vieno su puse niutonmetrų sukimo momento, kad galėtų tvarkytis su didelėmis pagreičio reikšmėmis be jokios įtampos. Taip pat jie kontroliuoja inercijos santykius – pageidautina, kad jie būtų ne daugiau kaip penki į vieną. Pagrindinis paslapties komponentas yra aukšto dažnio srovės valdymas – bent dviejų tūkstančių hercų dažniu, – kuris leidžia sistemai realiuoju laiku prisitaikyti prie netikėtų apkrovos pokyčių staigiuose posūkiuose. Gamykloje atlikti bandymai parodė, kad tinkamai subalansuotos sistemos gali sumažinti virpesius beveik devyniasdešimčia procentų. Tačiau jei praleidžiamos inercijos skaičiavimai – tai tiesiog kvietimas į bėdą: detalės greičiau susidėvi, o sluoksnių storis gali skirtis daugiau kaip penkiasdešimčia mikronų.

Koduotuvo skiriamoji geba (0,001°+) ir grįžtamojo ryšio kilpos juostos plotis realiajam klaidų taisymui

Norint pasiekti pozicijavimo tikslumą mažesnį nei vienas mikronas, reikia dviejų pagrindinių dalykų: labai aukštos atgalinio ryšio skiriamosios gebos ir greitų korekcijos ciklų, kurie su ja būtų suderinami. Pavyzdžiui, šiuolaikiniai daugiapoziciniai absoliutiniai enkoderiai gali pasiekti skiriamąją gebą apie 0,001 laipsnio, kas atitinka maždaug ±3 mikronus, dirbant su standartinėmis 2 mm žingsnio įvorėmis, kurios naudojamos visur. Jei tokį enkoderį sujungsite su servoribomis, kurios vykdo PID valdymo kilpas bent 10 kHz dažniu, tada šios nedidelės korekcijos vyksta kas 0,1 milisekundės. Tai labai daug ką keičia, sumažinant pozicijos atsilikimą, ypač pastebimo po traukos grąžinimo arba esant didelėms G jėgoms. Rezultatas? Pozicijos klaidos sumažėja apytikriai 89 procentais lyginant su įprastomis senomis žingsninio variklio sistemomis. Be to, verta paminėti dar vieną dalyką: uždarosios kilpos juostos plotis turi būti didesnis nei mechaninės sistemos natūralus dažnis – paprastai tai būna tarp 80 ir 150 Hz, jei teisingai prisimenu. Kitu atveju prasideda įvairios netikėtos svyravimų reišmės. Be to, šiuolaikinėse sistemose jau įmontuota temperatūrinio dreifavimo kompensacija, kuri padeda išlaikyti gerą sluoksnių sukibimą net tada, kai temperatūra dienos eigoje ar ilgalaikių spausdinimo sesijų metu kinta.

Suderinamumas, integracija ir šilumos valdymas kompaktiškuose 3D spausdintuvų rėmuose

Įtampų, srovių ir ryšio protokolų suderinimas (CANopen, STEP/DIR, EtherCAT)

Patikimo integravimo sukūrimas prasideda nuo užtikrinimo, kad viskas elektros požiūriu veiktų tinkamai ir kalbėtų tą pačią protokolo kalbą. Kai įtampos tolerancijos nenurodomos tinkamai, pavyzdžiui, kai jos neatitinka reikalaujamos ±10 % vertės maitinimo magistralėje, prasideda problemos. Neatitikimai tarp servopavarų ir variklių techninių charakteristikų, pvz., nuolatinės veiklos ir stabdymo srovės, sukelia įvairių problemų spausdinimo metu. Pastebime netikėtus judesius, staigų sukimo momento praradimą ir spausdinimą nutrūkstant per vidurį, ypač kai sunkiais krūviais apkraunamos tokios sistemos kaip CoreXY ar delta robotai. Pasirinktas protokolas taip pat labai daug reiškia. CANopen puikiai tinka kelių ašių koordinavimui be trukdžių. EtherCAT dar labiau tobulina šią funkciją – ciklo trukmė yra mažesnė nei 25 mikrosekundės, leisdama realiuoju laiku koriguoti klaidas, kai kas nors sugenda. Toliau yra STEP/DIR protokolas, kuris leidžia naudoti senesnius valdiklius, tačiau nepalaiko šių modernių diagnostikos funkcijų arba sinchronizuotos veiklos, kurių reikia šiuolaikinėms sistemoms. Variklių gamintojai nustatė, kad suderinant servopavaros integruotą protokolą su tuo, kokį protokolą tikisi pagrindinis valdiklis, ryšio klaidos sumažėja apie 92 %, kaip rodo jų lauko ataskaitos.

Šiluminis projektavimas ir deratinės kreivės: našumo palaikymas uždarose, prastai vėdinamose konstrukcijose

Kai kalbama apie mažus, uždarus 3D spausdinimo sistemas, ypač kai jos veikia aukštesnėse kamerų temperatūrose, šilumos valdymas nėra tik papildoma privaluma – jis yra visiškai būtinas. Matėme, kad variklių valdymo blokų temperatūra pakilo virš 85 °C, o tai sumažino galimą sukimo momentą nuo 15 % iki net 20 %. Kokia pasekmė? Prastesnė padėties tikslumas ir sluoksniai, kurie visame spausdiname neatrodo tinkami, kaip neseniai paskelbta IEEE Power Electronics žurnale 2023 metais. Šios galios mažinimo kreivės, rodančios, kaip sukimo momentas keičiasi priklausomai nuo temperatūros, iš esmės nustato ribas, laikomus saugiais ilgalaikio veikimo reikalavimais. Jos tikrai turėtų būti įtrauktos į bet kokį šiluminio projektavimo procesą. Gerą šilumos valdymą paprastai sudaro trys pagrindiniai metodai. Pirma, šilumos laidumas per aliuminio šilumos izoliatorius, kurių šilumos laidumo koeficientas yra ne mažesnis kaip 5 W/(m·K). Antra, konvekcinis aušinimas su ašiniais ventiliatoriais, kurie uždarose dėžėse per minutę perduoda apie 30 kubinių pėdų (≈ 0,85 m³) oro. Ir galiausiai, kai kurios gamintojų įmonės dabar integruoja į variklių korpusus sudėtingas, pritaikytas aušinimo kanalus. Ši inovacija bandymų aplinkoje sumažina nepageidaujamus karštus taškus maždaug 12 °C.

Tinkama šiluminė inžinerija užtikrina mažesnių nei 50 mikronų sluoksnių vientisumą visą ilgalaikio spausdinimo trukmę – taip išvengiama 37 % gedimų, stebėtų šiluminės valdymo neturinčiose sistemose.