نقش کنترلرهای حرکت در افزایش توان عملیاتی سیستم‌های لیزری

لیزرها در دنیای صنعت کاربردهای زیاد و متنوعی دارند که در این میان می‌توان به برش‌کاری، سوراخ‌کاری، جوشکاری و حکاکی اشاره کرد. از لیزرها می‌توان در ساختار قطعات صنعتی نیز استفاده کرد. از نقش لیزرها در بخش‌های گسترده‌ صنعت مانند فرآیندهای تولید و بهینه‌سازی سیستم‌های تولیدی نمی‌توان چشم‌پوشی کرد. آن‌ها در تامین نیاز روزافزون قطعات با کیفیت بالا نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

با توجه به اینکه توان‌ عملیاتی و میزان دقت در سیستم‌های لیزری از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است، قدرت لیزر عامل محدودکننده‌ای محسوب نمی‌شود. کیفیت و بهره‌وری در سیستم‌های لیزری حاصل بهره‌مندی آن‌ها از سیستم‌های موقعیت‌یاب با عملکردی بسیار بالا، کنترلرهای حرکت و نرم‌افزار مناسب است. تاثیر اتصال و هماهنگی سریع بین بستر حرکت، کنترلرهای لیزر و واحدهای فرمان پرتو نیز بر میزان بهره‌وری بسیار مشهود است.

برای مثال، از لیزرها برای تولید گالوانومتر استفاده می‌شود. گالوانومترها موتورهای کویل متحرک با دینامیک بسیار بالا هستند. در اسکنرهای مدرن گالوو (galvo scanners)، یک آینۀ کم‌اینرسی در یک حلقۀ بسته هدایت می‌شود تا پرتوی پرسرعت لیزر را با دقت و تکرارپذیری بالا در جای مناسب بتاباند. ترکیب دو اسکنر گالوو در یک سیستم، حرکت در دو بعد را برای پرتوی لیزر فراهم می‌سازد. زوایای معمول و رایج برای فرآیند اسکن 20 ± درجه است. با توجه به بهره‌مندی این سیستم‌ها از دقت و دینامیک مناسب، نتایج بسیار مطلوبی حاصل شده است. برای مثال حرکت در جهات X و Y را می‌توان به واسطۀ یک مرحلۀ موقعیت‌یابی موتورمحور (خطی) و متقاطع X و Y افزایش داد.

EtherCAT، ماژول کنترل حرکت و HMI (رابط میان انسان و ماشین: Human Machine Interface)

در گذشته ترکیب همزمان سیستم‌های لیزری و حرکتی با هم کاری بس دشوار و پیچیده بود؛ اما اکنون ماژول کنترل لیزر به نام EtherCAT با قابلیت کنترل مستقیم حرکت لیزر، دقت و توان عملیاتی این سیستم‌ها را بیش از پیش افزایش می‌دهد.

EtherCAT، یک سیستم فیلدباس مبتنی بر شبکه اترنت (Ethernet) سریع و مدرن است. این سیستم توسط مهندسان سیستم‌های صنعتی و مهندسان بخش کنترل به‌عنوان یک راه حل مناسب در کنترل ماشین استفاده می‌شود. انعطاف‌پذیری موجود در سیستم فیلدباس آن و هماهنگی بالا و دقیق تمامی دستگا‌ه‌های شبکه باعث شده تا EtherCAT محبوبیت زیادی در دنیا پیدا کند. برای دستگاه‌هایی که از عملکرد و کارآیی بالایی برخوردار هستند، فاکتور هماهنگ‌سازی دقیق، عاملی بسیار مهم و کلیدی محسوب می‌شود. ماژول LCM EtherCAT که توسط ACS ارائه شد، عملکردهای متنوعی را ارائه می‌دهد که می‌توان به مدولاسیون پالس دیجیتال (digital pulse modulation) برای کنترل قدرت دینامیک، تکانه‌های (impulses) خروجی یا سیگنال‌های دروازه (سیگنال‌های روشن/ خاموش) اشاره کرد که در موقعیت‌هایی به وسیلۀ یک مسیر حرکت 2 تا 6 بعدی، یا با استفاده از ناحیه‌های عملیاتی قابل برنامه‌نویسی، تنظیم و هماهنگ شده‌اند. گره‌های ACS با استفاده از مکانیزم ساعت‌های پراکنده (DC) موجود در ماژول EtherCAT، قابلیت زمان‌بندی در بازه‌های بسیار کوتاهی مثل 1، 5/0، 25/0، و 2/0 میلی ثانیه (1، 2، 4 و 5 کیلوهرتز) را فراهم می‌سازند.

ماژول LCM هر لیزری را به وسیلۀ رابط‌های (interfaces) الکتریکی جهانی به‌صورت مجازی کنترل می‌کند. این ماژول علاوه بر بهره‌مندی از خروجی سیگنال لیزری پرسرعت، به سیستم قفل مخصوص، ورودی خطا و خروجی فعال نیز مجهز است. هشت I/O دیجیتالی نیز برای عملکردهای خاص لیزر قابل استفاده هستند. با استفاده از این ماژول بسیاری از چالش‌هایی که در سیستم‌عامل پردازش لیزر یا در بستر ماشین‌های ریزساخت وجود دارند، به‌آسانی قابل حل و به‌سرعت قابل اجرا هستند. بسترهای مناسب موجود برای رابط‌های میان انسان و ماشین (HMI) بسیاری از عملیات‌ را آسان‌تر کرده‌‌اند. این موضوع به‌طور خاصی باعث بهینه‌سازی میزان دقت و تکرارپذیری کنترل لیزر برای حرکت می‌شود و عملکرد نرم‌افزار مرتبط با آن را نیز بهبود می‌بخشد. توسعه‌دهندگان‌ ماشین‌آلات، مصرف‌کننده‌ها و تمامی افرادی که با این صنعت سر و کار دارند، به‌طور برابر از این مزایا بهره خواهند برد، چرا که این سیستم، عملکرد ماشین را افزایش و در مقابل، هزینه‌های توسعه را بسیار کاهش می‌دهد.

اسکن قطعات بزرگ‌تر و سطوح وسیع‌تر

پیاده‌سازی‌ اسکنرهای گالوانومتر با سیستم‌های موقعیت‌یاب به‌طور همزمان عملی نخواهد بود؛ اما سطوح وسیع را به بخش‌های کوچکتری که به هم وصله خورد‌ه‌اند، تقسیم ‌می‌کند. سطوح بزرگی که جزئیات بسیار ریز دارند را نمی‌توان از طریق این روش به شکل کارآمدی علامت‌گذاری (حکاکی) کرد. جزئیات ریزتر به شتاب بیشتر و سطوح بزرگتر به دامنۀ حرکتی بلندتری نیاز دارند. در این حالت یک روش چند مرحله‌ای توصیه می‌شود که مسیرها برای بهره‌ بردن از سیستم‌های موقعیت‌یابی سبک‌تر، کوچک‌تر و البته سریع‌تر باید دامنه‌ای کوتاه‌تر و در مقابل برای بهره‌مندی از اجزای متحرکِ نسبتا کندتر، مسیرهایی با دامنۀ بلندتر داشته باشند.

اساسا حکاکی یا علامت‌گذاری به‌وسیلۀ لیزر شباهت زیادی با فرآیند نوشتن توسط انسا‌ن‌ها دارد. بازوی لیزر به‌عنوان یک سیستم اسکلتی-عضلانی با سرعت پایین، مهارت دستی ناخالص را در حالی فراهم می‌سازد که دست و انگشت‌های آن حروف جداگانه‌ای را هر کدام با دقت بالایی ایجاد می‌کنند که این فرآیند به حرکت اسکنر گالوانومتر مرتبط است. مشابه با این، الگوهای حرکتی از مرحله X/Y و اسکنر توسط یک کنترلر هماهنگ می‌شوند و به‌طور همزمان با فرآیند اسکن راه می‌افتند. این فرآیند شرایط را برای حکاکی و علامت‌گذاری روی سطوح بزرگ با جزئیات بسیار ریز و در نتیجه توان عملیاتی بالا فراهم می‌سازد.

با توجه به اینکه زوایای کوچکتر انحراف پرتوی لیزر تاثیر مثبتی روی خطاهای نوری دارد، در مقایسه با فرآیندهای سنتی‌، پردازش با دقت بالاتری انجام می‌شود. در نتیجه خطاهای دوخت (stitching errors) نیز از بین می‌روند.

ترکیب کنترلر‌های پیشرفته حرکت و سیستم‌های موقعیت‌یابی دینامیک و دقیق، مزیت ویژه‌ای برای تولیدکنندگان تجهیزات پردازشی لیزر محسوب می‌شود. در حال حاضر شرکت‌های زیادی در حال توسعۀ راه‌حل‌های کارآمدتر و بهتر هستند تا بسترهای اتوماتیک را در سطح جهانی ارائه و از استاندارد‌های فعلی کیفیت و توان عملیاتی عبور کنند.