Застосування сервоприводів з високою частотою перемикання в ультраточному домашньому ЧПУ-обробленні

Чому висока частота перемикання забезпечує високу швидкість і високу точність роботи сервоприводів

Завдання підмікронного позиціонування в настільних ЧПУ-системах

Забезпечення роботи настільних систем ЧПК з точністю до підмікронного рівня ставить особливі виклики, пов’язані з вібраціями та стабільністю температури. Промислові верстати встановлюють на спеціально спроектованих фундаментах, які поглинають вібрації, тоді як настільні моделі змушені працювати в умовах різноманітних зовнішніх перешкод. Звичайні вібрації в лабораторії чи майстерні посилюються самим каркасом верстата, що призводить до більших похибок позиціонування, ніж цього бажають будь-які користувачі. Працюючи з такими матеріалами, як оптичне скло або певні аерокосмічні метали, навіть незначні похибки мають велике значення. Різниця в півмікрона достатня, щоб зруйнувати весь компонент. Тепловий вплив додає ще один рівень складності. У процесі роботи двигунів і обертання кулькових гвинтів їхні розміри фактично змінюються на рівні мікронів з часом. Дослідження, опубліковане в журналі CIRP Annals, показує, що близько 60 % цих неприємних підмікронних похибок виникає через тепловий дрейф у менших системах. Щоб вирішити цю проблему, виробникам потрібні сервоприводи, здатні адаптуватися в режимі реального часу до цих мікроскопічних змін, одночасно забезпечуючи швидкі та точні рухи вздовж складних траєкторій інструменту.

Як перемикання на частоті 20 кГц зменшує пульсації струму та дрижання крутного моменту

Сервоприводи, що працюють на частоті ШІМ 20 кГц і вище, дійсно значно зменшують пульсації струму — саме вони й спричиняють ті неприємні коливання крутного моменту, які погіршують якість поверхневої обробки під час прецизійного фрезерування. Високочастотне перемикання фактично скорочує інтервали спаду струму між окремими імпульсами, тому електромагнітні поля залишаються стабільнішими загалом, що забезпечує плавнішу роботу двигуна. Випробування в лабораторіях керування рухом показали, що такі системи можуть зменшити коливання крутного моменту аж на 40 % порівняно зі старшими системами, що працюють на частотах нижче 10 кГц. Ця різниця стає надзвичайно важливою при обробці мікропереходів менше 10 мкм, оскільки приводи низької частоти часто викликають небажані механічні вібрації та явище «дренчання». Благодаря транзисторам із карбіду кремнію (SiC) виробники тепер можуть досягати цих вищих частот без занепокоєння щодо надмірного нагрівання через втрати на перемикання, що раніше було серйозною проблемою. Поєднавши ці швидкодіючі сервосистеми з технологією керування за орієнтацією поля (FOC), можна забезпечити надзвичайну сталість крутного моменту в межах половини відсотка на різних швидкостях. Для будь-кого, хто працює зі складними формами та жорсткими допусками, такий рівень продуктивності є абсолютно необхідним, щоб уникнути тих дратівливих похибок позиціонування, які накопичуються з часом під час операцій контурного фрезерування.

Точність замкненого контуру: вірність енкодера, затримка та точність контурного відтворення

Помилки контурного відтворення, спричинені затримкою, у мікрорізанні (<10 мкм крок подачі)

Отримання надвисокої точності від верстатів з ЧПК значною мірою залежить від практично нульового запізнення в контурі зворотного зв’язку. Якщо затримка між моментом, коли машина отримує оновлення положення, перевищує 100 мікросекунд, осі починають виходити з синхронізації під час тих мініатюрних переміщень. Це стає справжньою проблемою при 3D-обробці контурів, де відстань між траєкторіями інструменту має бути меншою за 10 мікрон, а всі рухи мають відбуватися абсолютно синхронно. Деякі випробування, проведені в NIST, показали, що при затримці системи близько 200 мікросекунд у деталях із титану виникали похибки контурів приблизно 5 мікрон. Щоб усунути ці проблеми, виробники тепер використовують високошвидкісні сервоприводи, які скорочують час обробки до менш ніж 50 мікросекунд. Такі покращення досягаються завдяки спеціальному програмному забезпеченню, що працює на контролерах ARM Cortex-M7 і виконує завдання в режимі реального часу. Верстати без такого швидкого реагування схильні накопичувати невеликі похибки через зміни температури та інші чинники, що з часом призводить до помітних проблем із позиціонуванням після тривалої експлуатації.

резольвери з роздільною здатністю 17 біт і більше порівняно з магнітними енкодерами: компроміс між смугою пропускання та роздільною здатністю

Вибір енкодера принципово обмежує досяжну точність у настільних системах ЧПК.

Резольвери відомі своєю вражаючою кутовою точністю, яка часто становить менше одного кутового секунди, але вони стикаються з проблемами смуги пропускання, що призводять до фазового запізнення під час швидкої зміни напрямку руху, що погіршує якість динамічних контурів. Магнітні енкодери, навпаки, реагують значно швидше — це дуже важливо для п’ятиосевих систем, хоча вони не можуть забезпечити роздільну здатність, необхідну для справжньої повторюваності на рівні менше одного мікрона. Доброю новиною є те, що сучасні системи керування з орієнтацією на поле (FOC) починають вирішувати цю проблему. Візьмемо, наприклад, відкриті драйвери, такі як ODrive. Ці системи використовують розумних адаптивних спостерігачів, щоб фактично «заповнювати прогалини» між показаннями енкодера, забезпечуючи повторюваність близько ±0,3 мікрона навіть за умови використання не найкращого обладнання. Те, що ми спостерігаємо тут, насправді досить цікаво: кращі алгоритми в поєднанні з доступними компонентами роблять технології високоточної обробки, які раніше коштували сотні тисяч доларів, тепер доступними для менших майстерень і любителів.

Справжній високошвидкісний та високоточний сервоконтроль: за межами маркетингових заяв «сервоприводів» для хобі

Розрив у прискоренні за S-подібною кривою в бюджетних приводах

Багато бюджетних сервоприводів насправді використовують трапецієподібні профілі прискорення замість справжнього планування руху за S-подібною кривою. Коли такі системи починають або зупиняють рух, вони створюють раптові ривки, що викликають механічний резонанс і вібрації, які можуть перевищувати 5 мікрометрів. Натомість приводи, оптимізовані для руху за S-подібною кривою, згідно з тестами Міжнародної федерації інженерів з виробництва (CIRP), зменшують ці вібрації до менш ніж 0,8 мікрометра. Це має велике значення для застосувань, таких як мікро-гравірування або обробка в умовах тісних поворотів, оскільки відхилення інструменту впливає на точність кінцевих розмірів. Забезпечення справжнього контролю за S-подібною кривою вимагає спеціалізованих процесорів планування траєкторії — технологію, яку досі рідко зустрічають у доступних контролерах через необхідність додаткової обчислювальної потужності та складних вимог до прошивки.

Демократизація керування з орієнтацією на поле (FOC) у приводах на основі ARM (наприклад, ODrive v3.6)

Мікроконтролери ARM Cortex-M4 та M7 роблять можливим реалізацію надійної технології керування з орієнтацією на поле (FOC) навіть у сервоприводах, вартість яких сьогодні становить менше 200 доларів США. Ефективність FOC забезпечує розділення керування моментом і магнітним потоком, що призводить до значно плавнішої роботи на високих швидкостях і кращого реагування на неочікувані збурення під час експлуатації. Наприклад, зверніть увагу на проекти з відкритим вихідним кодом, такі як еталонна конструкція ODrive v3.6: вона забезпечує вражаючу смугу пропускання струмового контуру — 100 кГц — і зберігає лінійність моменту близько 90 відсотків аж до 3000 обертів на хвилину. Промислові FOC-системи досі мають перевагу щодо автоматичних функцій налаштування та адаптації до різних навантажень. Наприклад, такі системи можуть компенсувати зміни інерції в діапазоні до 10:1 (наприклад, між алюмінієм та твердим деревом), не потребуючи жодних коригувань після первинного налаштування. Однак не варто поки що виключати з розгляду альтернативи на основі ARM. За останній час вони досягли настільки значного прогресу, що те, що раніше було доступне лише великим виробникам, тепер поступово стає доступним для ентузіастів і невеликих майстерень, які серйозно займаються застосуваннями керування двигунами.

Реальне підтвердження: реалізації з відкритим вихідним кодом, що забезпечують повторюваність ±0,3 мкм

Сервоприводи з відкритим вихідним кодом, встановлені на настільні CNC-верстати, можуть забезпечувати точність позиціонування близько ±0,3 мікрона за стабільних умов. Це доводить, що швидке й точне сервокерування вже не лише можливе, а й реально досяжне в невеликих та доступних за ціною системах. Така точність робить ці системи придатними для детальних робіт, де крок інструменту має бути меншим за 5 мікронів. Наприклад, для виготовлення форм для прикрас або остаточної обробки оптичних компонентів. Цікаво, як рішення, створені спільнотою, вирішують старі проблеми, такі як тепловий дрейф, вібрації каркасу верстата та обмежена роздільна здатність енкодера. Вони досягають цього шляхом одночасного поєднання даних із кількох джерел за допомогою розумних методів злиття даних з сенсорів, які одночасно аналізують показання енкодера, рівень струму двигуна та вимірювання температури. Підсумовуючи: ультраточне фрезерування раніше вимагало дорогого промислового обладнання вартістю в сотні тисяч доларів. Тепер любителі та дрібні виробничі майстерні можуть регулярно виготовляти деталі з точністю на рівні мікронів, не руйнуючи при цьому свій бюджет.