Лазер з ЧПУ

Лазерне обробне обладнання з ЧПУ

Обладнання для лазерної обробки з ЧПК – це не окремий пристрій, а спільна робоча система, що складається з трьох основних модулів: лазерного генератора, системи з ЧПК і приводу обробки, а також допоміжних систем (охолодження, видалення пилу, позиціонування тощо). Функції кожного модуля підтримують одна одну і разом визначають точність і ефективність обробки:

У лазерному обробному обладнанні з ЧПК система сервоприводу є «основним блоком живлення», який визначає точність, швидкість і стабільність обробки. Він з’єднує систему ЧПК обладнання («мозок») із приводами (такими як вісь руху лазерної головки та робочий стіл), перетворюючи команди ЧПК у точні механічні рухи, безпосередньо впливаючи на кінцеві результати таких процесів, як лазерне різання та зварювання.

Основні компоненти системи сервоприводу

Система сервоприводу лазерного обробного обладнання з ЧПК зазвичай складається з три{0}}рівневої структури: «рівень команд - рівень приводу - рівень виконання». Ці модулі працюють разом, щоб реалізувати замкнутий-цикл керування «інтерпретацією команд - вихідна потужність - зворотний зв’язок руху». Конкретна структура така:

Основний принцип роботи: замкнутий{0}}контроль є ключовим

Лазерна обробка з ЧПК вимагає надзвичайно високої точності руху (наприклад, позиціонування мікрон-рівня). Таким чином, система сервоприводу повинна використовувати замкнуту{2}}логіку керування для усунення помилок руху через цикл «команда - виконання - зворотний зв’язок - корекція». Конкретний процес полягає в наступному:

Видача команд: на основі траєкторії обробки система ЧПК надсилає командні сигнали (загальні типи сигналів включають сигнали імпульсу/напрямку, аналогові сигнали або сигнали промислової шини, такі як EtherCAT і Profinet) до сервоприводу, вказуючи цільове положення (наприклад, переміщення осі X-10 мм) і швидкість (наприклад, 500 мм/с).

Вихід приводу: після отримання команди сервопривод перетворює її на сигнал струму для двигуна за допомогою свого внутрішнього трьох{0}}алгоритму керування: контур позиції, контур швидкості та контур струму. Це керує обертанням ротора двигуна (або лінійним рухом лінійного двигуна).

Отримання зворотного зв’язку: пристрій зворотного зв’язку щодо положення (наприклад, 23-розрядний високо{4}}прецизійний фотоелектричний кодер або лінійна шкала нанометрового рівня), синхронізований із двигуном, збирає фактичне положення та швидкість двигуна в реальному часі та передає ці дані назад до сервоприводу.

Виправлення помилок: сервопривод порівнює цільове значення команди з фактичним значенням зворотного зв’язку, обчислює похибку (наприклад, якщо цільове переміщення становить 10 мм, а фактичне переміщення становить лише 9,998 мм, похибка становить 0,002 мм) і регулює вихідний струм у реальному часі, щоб виправити траєкторію руху двигуна, доки похибка не буде зменшена до допустимого діапазону (зазвичай у межах ±0,001 мм).

Основні технічні вимоги до сценаріїв лазерної обробки

Лазерна обробка (така як високо-точне різання та мікро-зварювання) висуває значно вищі вимоги до швидкості відгуку системи сервоприводу, точності позиціонування та-захистів від перешкод, ніж традиційна механічна обробка. Зокрема, мають бути виконані такі умови:

1. Над-висока точність позиціонування та повторюваність
Точність позиціонування має становити ±0,001–±0,005 мм (рівень міліметра або навіть мікрона), щоб уникнути зсуву лазерного фокусу та дефектів процесу (таких як задирки на ріжучих кромках і дефекти зварювання).

Методи: використовуйте високо-пристрій зворотного зв’язку (наприклад, 25-розрядний або вищий фотоелектричний кодер або лінійну шкалу) у поєднанні з електронним механізмом приводу та функціями компенсації помилок (такими як компенсація механічного люфту та похибок кроку ходового гвинта).

2. Швидкий динамічний відгук
Лазерна обробка (особливо високо-швидкісне різання) вимагає, щоб сервосистема швидко слідувала змінам прискорення та уповільнення команд ЧПК (наприклад, раптовим змінам напрямку чи збільшенню швидкості), щоб уникнути помилок гістерезису.

Основні характеристики: смуга пропускання сервосистеми повинна досягати 500-1000 Гц (чим вища смуга пропускання, тим швидша швидкість відгуку), а час прискорення та уповільнення має контролюватися в межах 10-50 мс (наприклад, прискорення від 0 до 1000 мм/с лише за 30 мс).

3. Висока стабільність і стійкість до перешкод
Під час лазерної обробки джерело живлення лазера та -гази під високим тиском (наприклад, кисень і азот, що використовуються для різання) створюють електромагнітні перешкоди. Якщо сервосистема має слабку перешкодостійкість, вона схильна до втрат кроку та тремтіння, що спричиняє відхилення шляху обробки.

Конструкція захисту- від перешкод: драйвер використовує оптоелектронну ізоляцію та конструкції ЕМС (електромагнітна сумісність); для двигуна і кабелів зворотного зв'язку використовуються екрановані кабелі; а опір заземлення системи менше або дорівнює 4 Ом, щоб запобігти перешкодам загального-режиму.

4. Особливості лазерної обробки
Компенсація динамічної слідуючої помилки: щоб усунути «інерційну затримку» лазерної головки під час високо-швидкісного руху, драйвер обчислює інерційну силу в режимі реального часу та заздалегідь регулює вихідний крутний момент, щоб гарантувати, що фокус лазера ідеально узгоджується з траєкторією обробки.

Блокування сервоприводу: у статичних сценаріях обробки, як-от лазерне зварювання, сервосистема повинна «зафіксувати» рухому вісь у фіксованому положенні з похибкою позиції менше або дорівнює 0,0005 мм, щоб запобігти впливу вібрації на точність зварювання.

Синхронне керування шиною: під час обробки з кількома-осьами (наприклад, лазерне різання 3D-поверхонь) мікросекундна{2}}синхронізація кількох приводів досягається за допомогою шин реального{3}}часу, таких як EtherCAT, забезпечуючи ідеальне узгодження руху кожної осі (помилка синхронізації менше або дорівнює 1 мкс).

Кейс адаптації

Випадки застосування

Різні сценарії лазерної обробки мають різні вимоги до систем сервоприводу. Нижче наведено адаптаційні рішення для двох основних сценаріїв:

1. Лазерне різання листового металу (наприклад, обробка листового металу для автомобілів)
Вимоги: висока швидкість (швидкість різання 1-3 м/хв), висока точність (точність різання ±0,01 мм) і багатоосьове з’єднання (синхронізація осей X/Y/Z).

Конфігурація сервоприводу: синхронний серводвигун змінного струму з постійним магнітом (потужність 1,5-5 кВт, крутний момент 5-15 Н·м) + 23-розрядний оптичний кодер; накопичувач підтримує синхронізацію шини EtherCAT; «Динамічна компенсація помилок» увімкнена для компенсації інерції високошвидкісного руху.

2. Лазерне зварювання вкладок літієвої батареї (мікрообробка)
Вимоги: над-точне позиціонування (±0,002 мм), низький рівень вібрації (щоб запобігти деформації язичка), швидкий старт і зупинка (цикл зварювання менше або дорівнює 0,5 с/цикл).

Конфігурація сервоприводу: використовується мініатюрний серводвигун (потужність 0,4-1 кВт, крутний момент 1-3 Н·м) + лінійна шкала (точність позиціонування ±0,001 мм). Водій використовує «режим низької вібрації» для оптимізації кривих прискорення та уповільнення (наприклад, S-подібних кривих) для зменшення удару.