Aukšto perjungimo dažnio servoribų variklių taikymas ultra tiksliai namų CNC apdirbimui

Kodėl aukštas perjungimo dažnis leidžia pasiekti didelio greičio ir didelės tikslumo servoribų našumą

Submikroninio pozicionavimo iššūkis stalinėse CNC sistemose

Stacionariųjų CNC sistemų veikimo pasiekimas submikroniniuose lygiuose kelia ypatingų iššūkių, susijusių su virpėjimais ir temperatūros stabilumu. Pramoninės klasės įrenginiai pastatyti ant specialiai suprojektuotų pamatų, kurie sugeria virpėjimus, tačiau stalčio tipo modeliai turi susidoroti su visokiais aplinkos triukšmais. Kasdieniniai laboratorijoje ar dirbtuvėse vykstantys virpėjimai patys įrenginio rėmas sustiprina, dėl ko padėties nustatymo klaidos tampa didesnės, nei kas nors norėtų. Dirbant su medžiagomis, tokios kaip optinis stiklas ar kai kurie aviacijos ir kosmonautikos metalai, net mažiausios klaidos turi didelės reikšmės. Pusės mikrono skirtumas gali sugadinti visą komponentą. Šiluma prideda dar vieną sudėtingumo sluoksnį. Veikiant varikliams ir sukantis rutuliniams sraigtams jie laikui bėgant iš tikrųjų keičia savo dydį mikronų lygiu. Tyrimai, paskelbti CIRP Annals žurnale, rodo, kad apytiksliai 60 % šių nepatogios submikroninės klaidos kyla dėl šiluminio poslinkio mažesnėse sistemose. Šiai problemai išspręsti gamintojams reikia servorūšių variklių, kurie galėtų realiuoju laiku koreguoti šiuos mikroskopinius pokyčius, tuo pat metu užtikrindami greitus ir tikslus judesius sudėtingose įrankių trajektorijose.

Kaip 20 kHz perjungimas sumažina srovės svyravimus ir sukimo momento drebulį

Servovariklių valdymo įrenginiai, veikiantys 20 kHz ar aukštesniu PWM dažniu, iš tikrųjų žymiai sumažina srovės banguotumą, kuris esminiu būdu sukelia tas nepatogias sukimo momento virpesių problemas, trikdančias paviršiaus apdorojimo kokybę tikslausis apdirbimo metu. Aukšto dažnio perjungimas iš tikrųjų padaro srovės mažėjimo tarp kiekvienos impulsinės bangos trukmes žymiai trumpesnę, todėl elektromagnetiniai laukai išlieka stabilesni visuma, o tai lemia lygesnį variklio veikimą. Judėjimo valdymo laboratorijose atlikti bandymai parodė, kad šie sistemos gali sumažinti sukimo momento svyravimus net iki 40 % palyginti su senesnėmis sistemomis, veikiančiomis žemesniu nei 10 kHz dažniu. Ši skirtis tampa ypač svarbi dirbant su mikrožingsniu, mažesniu nei 10 mikronų, kai žemo dažnio varikliai dažnai sukelia netikėtus mechaninius virpesius ir džiūgavimo (chatter) problemas. Dėka silicio karbido (SiC) tranzistoriams gamintojai dabar gali pasiekti šiuos aukštesnius dažnius, nebesibaimindami per didelio šilumos kaupimosi dėl perjungimo nuostolių, kas anksčiau buvo viena pagrindinių problemų. Su jungiamaisiais greitaisiais servovaldymo sistemomis ir lauko orientuoto valdymo (FOC) technologija galima išlaikyti nepaprastai pastovų sukimo momentą – tik pusės procento ribose – esant skirtingiems sukimosi dažniams. Visiems, kurie dirba su sudėtingomis formomis ir tiksliais matmenimis, tokio lygio našumas yra absoliučiai būtinas, norint išvengti tų erzinančių žingsnių klaidų, kurios laikui bėgant kaupiasi kontūrinio apdirbimo metu.

Uždarojo ciklo tikslumas: koduoklio tikslumas, delsa ir kontūro tikslumas

Delsos sukeliamos kontūro klaidos mikroapdirbime (<10 µm žingsniai)

Ultratikslaus CNC mašinų darbo pasiekimas labai priklauso nuo to, kad atgalinio ryšio kilpoje būtų beveik nulinė delsa. Jei padėties atnaujinimai į mašiną patenka su daugiau nei 100 mikrosekundžių vėlavimu, ašys pradeda nebesutapti per tuos mažyčius žingsnius. Tai tampa tikra problema atliekant 3D kontūrinį apdirbimą, kai įrankio judėjimo trajektorijos turi būti nutolusios viena nuo kitos mažiau nei 10 mikronų ir viskas turi judėti idealiai sinchroniškai. Kai kurie NIST atlikti bandymai parodė, kad apytiksliai 200 mikrosekundžių sistemos vėlavimas iš tikrųjų sukėlė apytiksliai 5 mikronų kontūro paklaidas titano detalių apdirbimo metu. Šioms problemoms išspręsti gamintojai dabar naudoja didelės našumo servorinius variklius, kurie sumažina apdorojimo laiką iki mažiau nei 50 mikrosekundžių. Šie pagerinimai pasiekiami dėka specialios programinės įrangos, veikiančios ARM Cortex M7 valdikliuose ir vykdančios užduotis realiuoju laiku. Mašinos, neturinčios tokio greito atsako, linkusios kaupti mažas paklaidas dėl temperatūros pokyčių ir kitų veiksnių, kurios ilgalaikiu eksploatavimu galiausiai susikaupia į pastebimą pozicionavimo problemą.

17 bitų ir daugiau rezoliucijos rezoliucijos keitikliai prieš magnetinius koduotuvus: pralaidumo–rezoliucijos kompromisai

Koduotuvo pasirinkimas esminiu būdu apriboja pasiekiamą tikslumą stalo CNC sistemose. Pagrindiniai kompromisai yra:

Rezoliutorai žinomi dėl nuostabios kampinės tikslumo, dažnai mažesnio nei viena lankio sekundė, tačiau jie susiduria su juostos pločio problemomis, kurios sukelia fazės atsilikimą, kai kryptis keičiama greitai, todėl blogėja dinaminių kontūrų kokybė. Magnetiniai koduotuvai, kita vertus, reaguoja žymiai greičiau – tai ypač svarbu penkių ašių sistemoms, nors jie negali pasiekti to tikslumo, kuris būtinas tikrai submikroniniam pakartojamumui. Geros naujienos taip pat yra: šiuolaikinės lauko orientuotos valdymo (FOC) sistemos pradeda šią problemą spręsti. Pavyzdžiui, atvirojo kodo variklių valdymo įrenginiai, tokie kaip ODrive. Šios sistemos naudoja išmanius adaptacinius stebėtojus, kurie efektyviai užpildo tarpus tarp koduotuvo rodmenų, todėl net su ne tokiais geromis techninėmis priemonėmis pasiekiamas apytikslis ±0,3 mikrono pakartojamumas. Tai, ką čia matome, iš tikrųjų yra labai įdomu: geresni algoritmai kartu su prieinamomis komponentėmis leidžia mažesnėms dirbtuvėms ir mėgėjams dabar pasiekti aukštos tikslumo gamybos technologijas, kurios anksčiau kainuodavo šimtus tūkstančių dolerių.

Tikroji didelės našumo ir didelės tikslumo servovaldymo sistema: už hobistų „servo“ teiginių ribų

S-kreivės pagreitinimo tarpas nebrangiuose varikliuose

Daugelis nebrangių servovaldiklių iš tikrųjų naudoja trapecinio tipo pagreitinimo profilius vietoj tikrosios S-kreivės judėjimo planavimo. Kai šios sistemos pradeda arba sustabdo judėjimą, jos sukelia staigius šuolius, kurie sužadina mechaninį rezonansą ir sukelia virpesius, viršijančius 5 mikrometrus. Priešingai, S-kreivėms optimizuoti valdikliai, kaip parodė Tarptautinės gamybos inžinerijos federacijos (CIRP) atlikti bandymai, šiuos virpesius sumažina mažiau nei iki 0,8 mikrometro. Štai kodėl tai ypač svarbu taikymams, tokiems kaip mikrograviravimas ar darbas aplink siaurus posūkius: kai įrankiai nukrypsta, tai veikia galutinių matmenų tikslumą. Tinkamas S-kreivės valdymas reikalauja specialių kelių planavimo procesorių – tokio sprendimo kol kas retai pasitaiko prieinamuose valdikliuose dėl reikalingos papildomos skaičiavimo galios ir sudėtingų programinės įrangos reikalavimų.

Lauko orientuoto valdymo (FOC) demokratizavimas ARM pagrįstuose varikliuose (pvz., ODrive v3.6)

ARM Cortex-M4 ir M7 mikrovaldikliai leidžia įdiegti patikimą lauko orientuoto valdymo (FOC) technologiją netgi po 200 JAV dolerių kainuojančiuose servoriniuose varikliuose šiais laikais. FOC yra tokia veiksminga dėl to, kad ji atskiria sukimo momento nuo magnetinio srauto valdymą, todėl veikimas tampa žymiai sklandesnis aukštesnėmis apsisukimo dažnio reikšmėmis ir geriau kompensuojamos netikėtos triktys veikimo metu. Pavyzdžiui, pažvelkite į atvirojo kodo projektus, tokius kaip ODrive v3.6 etaloninis dizainas: jie pasiekia įspūdingą 100 kilohercų srovės kilpos juostos plotį, išlaikydami apie 90 procentų sukimo momento tiesiškumą iki pat 3000 apsisukimų per minutę. Pramoninės klasės FOC sistemos vis dar turi pranašumą, kai kalbama apie automatinio derinimo galimybes ir prisitaikymą prie įvairių apkrovų. Pavyzdžiui, šios sistemos gali tvarkyti inercijos pokyčius iki 10:1 santykio tarp tokių medžiagų kaip aliuminis ir kietasis medis be jokio papildomo perkalinimo ar reguliavimo. Tačiau dar neverta atmesti ARM pagrindu sukurtų alternatyvių sprendimų. Jie pastaruoju metu pasiekė tokį reikšmingą progresą, kad tai, kas anksčiau buvo rezervuota tik dideliems gamintojams, dabar tapo pasiekiamas hobistams ir mažesnių dirbtuvių aplinkoms, kurios rimtai susidomėjo variklių valdymo programinėmis priemonėmis.

Realus patvirtinimas: atvirojo kodo realizacijos, pasiekiančios ±0,3 µm pakartojamumą

Atvirojo kodo servoriniai varikliai, įdiegti ant stalinės CNC mašinos, gali pasiekti padėties tikslumą apie ±0,3 mikrono, kai sąlygos yra stabilios. Tai įrodo, kad greitas ir tikslus servovaldymas nebetikra tik įmanomas, bet jau iš tiesų pasiekiamas mažose ir prieinamose kainomis sistemose. Toks tikslumas daro šias sistemas tinkamas detaliai apdirbti, kur žingsnio dydis turi būti mažesnis nei 5 mikronai. Pavyzdžiui, tai gali būti žiedų formos arba optinių komponentų baigiamasis apdirbimas. Įdomu tai, kaip bendruomenės sukurtos sprendimai sprendžia senas problemas, tokias kaip temperatūrinis poslinkis, mašinos rėmo virpesiai ir ribota koduoklio skiriamoji geba. Tai pasiekta derinant duomenis iš kelių šaltinių vienu metu naudojant išradingas jutiklių sujungimo technikas, kurios vienu metu analizuoja koduoklio rodmenis, variklio srovės lygius ir temperatūros matavimus. Pagrindinė išvada? Ultra tikslus apdirbimas anksčiau reikalavo brangios pramoninės įrangos, kuri kainuodavo šimtus tūkstančių dolerių. Dabar mėgėjai ir mažos gamybos dirbtuvės gali nuolat gaminti detalės su mikronų tikslumu, nesunaudojant viso biudžeto.