大多数熟悉大型工业激光加工的人都见过一台高通量的激光数控机床，以令人眼花缭乱的速度切割出大型钢板和钢管。我们这些从事激光微加工的人，零件的质量取决于微米级的加工精度，想知道我们是否能在实现如此高的机器吞吐量的同时，仍然生产出高精度的零件。答案是肯定的——然后问题就变成了“怎么做？”本文探讨了机器设计和控制方面的基本考虑，人们必须熟悉这些考虑，才能从精密激光微处理机中获得最大的吞吐量。

在制造过程中，确定可接受部件的标准通常是不可协商的。零件公差是由零件正常或安全运行的要求确定的。它们规定了制造过程的允许误差预算。然后，由机器设计、控制器功能和加工过程中激光材料相互作用产生的不同误差源“耗尽”了误差预算。在制造高精度零件时实现最大吞吐量的关键是尽可能多地为动态跟踪误差留下误差预算。遵循健全的系统和结构设计原则，并选择一个功能强大的运动控制器-一个利用动态跟踪误差预算的最大优势-将最大限度地提高吞吐量，因此是激光微加工系统的经济理由。

制造系统的结构设计是提高制造系统高通量运行能力的基础。为了使控制系统拒绝并最小化误差，用于“观察”系统内运动的传感器必须能够观察工具和零件之间的相对运动。在大多数系统中，这些传感器并不直接观察工具尖端的运动，即激光光斑，相反，它们的信息来自光学读取头，该读取头查看嵌入在运动系统机制中的编码器刻度（实际上是一把尺子）。因此，为了尽可能地为控制器中的动态跟踪预算节省误差预算，设计人员必须尽量减少由于机架内弯曲或振动引起的不可观察误差。使不可观测误差最小化的关键是使结构的刚度最大化。实现最大刚度的一种方法是最小化机器结构回路的长度。结构环是由机器运动产生的力与相应结构元件产生的力相一致或相等或相反的力的路径。想象一下，组成机器结构元件的材料是由成千上万个微小的弹簧串联在一起形成的。在串联链条上增加更多的弹簧实际上降低了链条的刚度。因此，设计人员应缩短弹簧元件的结构“链”以使机器变硬。此外，并联增加弹簧元件使链条更刚性。为了获得最大的刚度，设计人员应该在机器的框架上添加冗余支持惯性力的结构元件。机器越硬，注入结构的能量就越多，而不会造成不必要的运动。这允许用户更快地推动运动控制元素，具有更多的加速度和能量，同时最大限度地减少不可观察的处理错误。下面的图1描述了机器结构回路和弹簧元件的串联与并联。

图1所示。串联添加弹簧会使弹簧链变得不那么僵硬，而平行添加弹簧会使弹簧链变得更僵硬。这一原理可用于最大化机器结构回路的刚度。

一个刚性的机器，允许注入更多的能量，而不弯曲，节省更多的误差预算，为其他地方，是一个直接的改进。这为提高吞吐量的下一个重点领域铺平了道路：机器动力学原理。随着运动平台和机架刚度的增大，其固有频率也随之增大。随着它们的固有频率增加，它们的可控性和生产速度也会提高。

每个运动轨迹——激光光斑制造零件所需的路径——都有产生运动所涉及的每个轴的光谱内容。每个轴的命令都有一定的正弦波频带，需要用数学级数或求和来表示它。下面的图2显示了一个阶跃函数及其使用有限带宽的正弦波近似的例子。

图2.用正弦波的级数和逼近阶跃函数。近似值中使用的正弦波频率或带宽越多，近似值与阶跃函数越接近。阶跃函数需要无限级数的正弦波来完美地表示，但平滑函数可以用有限级数或带宽表示。

在这个阶跃函数的例子中，需要无限的带宽来完美地逼近阶跃，这使得它不可能在实际机器中实现。这是运动程序员尽量避免发送给机器的命令不连续的一个主要原因。图2中演示的原理适用于每个命令信号。当运动轮廓是多维的，涉及多个运动轴时，机器遍历该轮廓的速度会改变发送到每个相关轴的命令带宽。这种关系的一个简单例子是用两个轴来创建一个圆。在基础三角学中，两个轴穿过一个圆，在位置、速度和加速度上经历一个正弦波。每个轴被要求执行的正弦波的频率与圆通过的速度成正比。机器需要走一圈的速度越快，所涉及的每个轴的正弦波的频率就越高，必须能够在位置、速度和加速度上表现出来。对于任何运动轴执行所提供的命令配置文件，该配置文件的带宽必须在运动系统的带宽内。没错，每个运动系统都有带宽。

控制系统依靠反馈信号、伺服控制回路和强大的电机对命令做出反应，并使实际结果与期望结果相匹配。控制系统的反应速度取决于控制器在实际运动与命令运动不完全匹配时做出决策和效果变化的速度。这种“控制系统的反应速度”几乎完全取决于所使用的控制产品的规格和设计。轨迹产生率、电流闭环率（给定电机驱动产生的电流可以改变的速度）和设备电机产生的峰值力等规格将决定控制系统的反应速率。因此，选择功能强大的控制产品和强大的电机对设计师有利，这是一个有些明显的结论。然而，控制系统的反应速率只是整个运动系统响应命令能力的一部分，即运动系统带宽。运动平台的物理刚度和控制系统带宽的结合决定了整个系统的动态能力。给定相同的控制系统和电机，机械系统的固有频率越高，即越硬，则系统能够成功响应的频率带宽越大。

一般来说，运动控制中最重要的信号是加速命令。加速是机器操作员感兴趣的主要信号，因为它与机器控制器实际控制的东西最密切相关，即电机的电流。送入各轴电机的电流与各电机产生的力成正比。每个电机产生的力与机器运动时该自由度所经历的加速度成正比。跟踪误差，或由于运动系统无法完美地遵循指令轨迹而注入到生产过程中的误差，与指令加速度带宽中超出运动系统带宽的部分成正比。一辆基于悬挂系统、发动机和驾驶员的汽车只能以一定的速度穿过赛道，如果被迫以超过其极限的速度转弯，它就会冲出道路。这对于激光加工机也是一样的。通过了解在运动配置文件中发送到机器的加速命令的带宽以及机器的反应能力或动力学的带宽，我们有一个坚实的基础，以确保高质量的零件生产在最大的吞吐量。一些先进的运动控制器实际上提供了一些功能，允许程序员自动考虑运动系统的带宽，并自我限制发送到机器元件的加速命令，以防止发生过多的错误。

结合这些概念为机器设计师创造了一个有意义的信息。机架结构越刚性，机床弯曲和振动对加工结果的影响越小，为动态跟踪误差留下更多的误差预算。运动系统的机械设计越刚性，运动系统的带宽就越高。所使用的控制产品的性能越高，运动系统的带宽就越高。运动系统的带宽越高，在产生相同水平零件误差的情况下，它所能响应的加速度命令带宽就越大。在不制造坏零件的情况下，允许加速命令的带宽越高，在零件生产过程中，可以命令机器越快地遍历所需的轮廓。因此，机器设计人员应该考虑每一种可能的方法来最大限度地提高机器刚度和控制系统带宽，以最大限度地提高工艺吞吐量，而不影响零件质量。

转自：北京微纳通科技

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