โปรแกรมจาก CAM เดินช้ากว่าที่ประเมิน — เครื่องไม่ถึง F ที่สั่ง และกระตุกเมื่อส่ง NC ทาง RS-232

โปรแกรมเก็บผิวโค้งจาก CAM สั่ง F2000 ตลอดทาง CAM ประเมินเวลาไว้ 12 นาที แต่เมื่อเดินจริงใช้เวลา 16 นาที และเมื่อเดินแบบส่งโปรแกรมเข้าเครื่องไปพร้อมกับเดินทาง RS-232 ใช้เวลาเกือบสองชั่วโมง เครื่องกระตุกตลอดทาง และผิวงานมีรอยหยุดเป็นระยะ ความเร็วรอบและอัตราป้อนในโปรแกรมไม่ได้ผิด สิ่งที่เกิดขึ้นคือ เครื่องไม่ได้เดินที่ F ที่สั่ง บทความนี้อธิบายวิธีตรวจหน้าเครื่องว่าช้าเพราะอะไร สาเหตุสามข้อที่พบบ่อยพร้อมตัวเลข และวิธีแก้ ตัวอย่างตลอดบทความใช้โปรแกรมเก็บผิวนี้ ซึ่งมีเส้นทางยาวรวม 24 เมตร (12 นาที × 2000 มม./นาที) และ CAM แบ่งผิวโค้งเป็นเส้นตรงยาวประมาณ 0.1 มม. ต่อบรรทัด

อาการ

• เวลาจริงนานกว่าเวลาที่ CAM ประเมินมาก ทั้งที่ปุ่มปรับอัตราป้อน (Feed override) อยู่ที่ 100%
• ค่า F จริงบนหน้าจอตำแหน่งต่ำกว่าค่า F ในโปรแกรม และขึ้นลงตลอดเวลา
• ผิวโค้งเป็นแถบมันและด้านสลับกัน หรือมีรอยหยุดเป็นจุดๆ
• เมื่อเดินแบบส่งไปพร้อมเดิน (DNC หรือ Drip feed) เครื่องเดินกระตุก หยุดสั้นๆ แล้วเดินต่อ ทั้งที่โปรแกรมเดียวกันเดินจากหน่วยความจำได้ราบรื่น

ตรวจหน้าเครื่องว่าช้าเพราะอะไร

ก่อนแก้ ให้แยกให้ได้ก่อนว่าช้าเพราะสาเหตุใด เพราะวิธีแก้ต่างกัน

1. ดูค่า F จริง บนหน้าจอตำแหน่ง (ACT.F หรือ Actual feed) ขณะเครื่องเดิน ถ้าต่ำกว่า F ในโปรแกรมเฉพาะที่มุมและส่วนโค้งเล็ก เป็นการลดอัตราป้อนตามปกติของชุดควบคุม ถ้าต่ำตลอดช่วงที่บรรทัดสั่งเดินสั้นๆ เป็นข้อจำกัดของจำนวนบรรทัดต่อวินาที
2. เทียบการเดินจากหน่วยความจำกับการเดินแบบ DNC ถ้าตัดโปรแกรมช่วงสั้นๆ มาเดินจากหน่วยความจำได้เร็วและราบรื่นกว่ามาก ปัญหาอยู่ที่การส่งข้อมูล
3. ดูระยะเคลื่อนที่ต่อบรรทัดในโปรแกรม เปิดไฟล์แล้วดูช่วงที่ช้า ถ้าระยะระหว่างพิกัดของบรรทัดที่ติดกันสั้นเพียงประมาณ 0.1 มม. หรือน้อยกว่า หรือมีบรรทัด G01 สั้นๆ เรียงกันเป็นพันบรรทัดในช่วงที่ควรเป็นส่วนโค้ง G02 G03 ปัญหาเริ่มจาก CAM
4. ดูว่าเปิดฟังก์ชันอ่านล่วงหน้าหรือยัง บนชุดควบคุมแบบ Fanuc ที่มีตัวเลือกนี้ ดูว่าโปรแกรมมี G05.1 Q1 ก่อนเส้นทางเก็บผิวหรือไม่ ถ้าไม่มี ชุดควบคุมมองเห็นข้างหน้าได้น้อยบรรทัด และต้องเดินช้าพอที่จะหยุดได้ในระยะสั้น

สาเหตุ

ชุดควบคุมรุ่นใหม่ใช้ F ในโปรแกรมเป็น อัตราป้อนสูงสุด แล้วลดลงเองเมื่อจำเป็น สาเหตุที่ทำให้โปรแกรมจาก CAM ช้ามีสามข้อ

1. มุมและส่วนโค้งรัศมีเล็ก

แกนขับเคลื่อนของเครื่องจักรมีขีดจำกัดด้านความเร่งและแรงเฉื่อย เซอร์โวมอเตอร์แต่ละแกนทำงานภายใต้วงรอบควบคุมตำแหน่ง (Position Loop Gain: $K_v$) ในขณะที่แกนเคลื่อนที่ด้วยอัตราป้อน $V_f$ ตำแหน่งจริงเชิงกลจะตามหลังตำแหน่งที่คำนวณในชุดควบคุมเสมอด้วยระยะล้าหลัง (Servo lag หรือ Following error: $E = \frac{V_f}{K_v}$)

หากเครื่องจักรเคลื่อนที่ผ่านมุมเลี้ยวหักศอกหรือส่วนโค้งด้วยความเร็วสูงโดยไม่ชะลอ แกนหนึ่งจะยังเบรกหยุดไม่สมบูรณ์ขณะที่อีกแกนหนึ่งเริ่มออกตัว ส่งผลให้เกิดการตัดมุม (Corner rounding) หรือรัศมีผิดรูป เพื่อรักษาความแม่นยำ ชุดควบคุมจึงต้องชะลอความเร็วก่อนถึงมุม และจำกัดความเร็วบนส่วนโค้งไว้ตามความเร่งสู่ศูนย์กลางที่ยอมรับได้:

$$V_{\max} = \sqrt{a_{\max} \times R}$$

เมื่อ $a_{\max}$ คือความเร่งสูงสุดที่ยอมให้ และ $R$ คือรัศมีส่วนโค้ง ที่ความเร่ง 1000 มม./วินาที² ส่วนโค้ง R0.5 เดินได้เพียงประมาณ 1340 มม./นาที แม้จะสั่ง F2000 นอกจากนี้ การเร่งและลดความเร็วของชุดควบคุมสมัยใหม่ใช้เส้นโค้งรูปกระดิ่ง (S-curve Bell-shaped acceleration) เพื่อลดแรงกระตุก (Jerk) โครงสร้างเครื่องจึงไม่สั่นสะเทือน แต่ระบบต้องการระยะทางและจำนวนบล็อกล่วงหน้าในการค่อยๆ ปรับลดความเร็ว

2. บรรทัดเดินสั้นเกินกว่าที่ชุดควบคุมประมวลผลทัน

บรรทัดเดินสั้นคือบรรทัดที่เคลื่อนที่เป็นระยะสั้น ชุดควบคุมใช้เวลาประมวลผลบรรทัดละช่วงหนึ่ง ถ้าเครื่องเดินจบบรรทัดเร็วกว่านั้น ชุดควบคุมต้องลดอัตราป้อนลง อัตราป้อนสูงสุดเท่ากับระยะเคลื่อนที่ต่อบรรทัดหารด้วยเวลาประมวลผลต่อบรรทัด

$$F_{\max} = \frac{L}{t} \times 60$$

ถ้าเวลาประมวลผลต่อบรรทัดคือ 4 มิลลิวินาที (ค่าตัวอย่าง ค่าจริงขึ้นกับรุ่นและตัวเลือกของชุดควบคุม) บรรทัดที่เคลื่อนที่ 0.1 มม. เดินได้ไม่เกิน 0.1 / 0.004 × 60 = 1500 มม./นาที โปรแกรมตัวอย่างที่ยาว 24 เมตรจึงใช้เวลาอย่างน้อย 24000 / 1500 = 16 นาที แทน 12 นาที ก่อนนับเวลาที่เสียที่มุม

3. ข้อมูลส่งเข้าเครื่องไม่ทัน (Buffer Underrun)

เมื่อเดินแบบส่งไปพร้อมเดิน (Drip feed) ความเร็วของสายส่งข้อมูลจำกัดจำนวนบรรทัดต่อวินาทีอีกชั้น หากอัตราการส่งข้อมูลช้ากว่าอัตราที่เครื่องจักรเคลื่อนที่จบบล็อก ข้อมูลในคิวประมวลผลล่วงหน้าของชุดควบคุมจะหมดลงจนเป็นศูนย์ (ภาวะ Buffer Underrun หรือ Block Starvation)

เมื่อไม่มีข้อมูลพิกัดของบรรทัดถัดไป ตัวคำนวณการเคลื่อนที่ (Motion Interpolator) จะไม่สามารถวางแผนการเชื่อมต่อความเร็วต่อเนื่อง (Velocity blending) ได้ ระบบจำเป็นต้องสั่งลดความเร็วจนหยุดนิ่ง ($V \rightarrow 0$) และเมื่อมีข้อมูลใหม่ส่งมาถึง จึงเริ่มเร่งความเร็วออกตัวใหม่ การหยุดชะงักและออกตัวสลับกันตลอดเวลานี้ทำให้เกิดอาการกระตุก คมตัดหยุดแช่บนเนื้อวัสดุทำให้เกิดรอยหยุด (Dwell marks) บนผิวงาน และอุณหภูมิสะสมที่คมตัดเฉพาะจุด

RS-232 ที่ 9600 baud ตั้งแบบที่ใช้กับ Fanuc ทั่วไป (7 บิตข้อมูล Even parity 2 บิตหยุด) ส่งตัวอักษรละ 11 บิต จึงได้ประมาณ 870 ตัวอักษรต่อวินาที บรรทัดอย่าง X12.345 Y-23.456 Z-1.234 รวมรหัสจบบรรทัดมี 25 ตัวอักษร จึงส่งได้ประมาณ 35 บรรทัดต่อวินาที ที่บรรทัดละ 0.1 มม. เครื่องเดินได้เพียงประมาณ 210 มม./นาที โปรแกรมตัวอย่างจึงใช้เวลา 24000 / 210 ≈ 115 นาที ซึ่งตรงกับอาการที่เดินเกือบสองชั่วโมง

วิธีเดินโปรแกรม	อัตราป้อนจริงในช่วงบรรทัดเดินสั้น (มม./นาที)	เวลาของโปรแกรมตัวอย่าง
ตามที่ CAM ประเมิน	2000	12 นาที
จากหน่วยความจำ บรรทัดละ 0.1 มม.	ไม่เกิน 1500	อย่างน้อย 16 นาที
DNC ทาง RS-232 9600 baud บรรทัดละ 0.1 มม.	ประมาณ 210	ประมาณ 115 นาที
จากหน่วยความจำ บรรทัดละ 0.2 มม. หรือส่งส่วนโค้งเป็น G02 G03	ถึง 2000 ได้ในช่วงส่วนใหญ่	ใกล้ 12 นาที บวกเวลาที่มุม

วิธีแก้

ที่ CAM

• ส่งส่วนโค้งเป็น G02 G03 (Arc fitting) แทนเส้นตรงสั้นๆ จำนวนมาก ส่วนโค้งหนึ่งบรรทัดแทนเส้นตรงได้หลายสิบบรรทัด เป็นวิธีที่ได้ผลมากที่สุด
• ใช้ค่าความคลาดเคลื่อนของ CAM ให้เหมาะกับงาน ค่าที่เล็กเกินจำเป็นทำให้บรรทัดเดินสั้นลงโดยผิวงานไม่ได้ดีขึ้น เพราะความคลาดเคลื่อนของผิวสุดท้ายรวมค่าที่ชุดควบคุมยอมให้ตัดมุมไว้ด้วย
• เกลี่ยจุดให้ระยะเคลื่อนที่ต่อบรรทัดใกล้เคียงกัน บรรทัดเดินสั้นและเดินยาวสลับกันทำให้อัตราป้อนขึ้นลงตาม ผิวจึงเป็นแถบมันและด้าน CAM ส่วนใหญ่มีตัวเลือกปรับการกระจายจุดหรือเกลี่ยเส้นทาง
• ตรวจว่าโพสต์โพรเซสเซอร์ใส่คำสั่งเปิดการอ่านล่วงหน้า เช่น G05.1 Q1 บนเครื่อง Fanuc ที่มีตัวเลือกนี้ หลังเรียกค่าชดเชยความยาวและก่อนเส้นทางเก็บผิว และปิดด้วย G05.1 Q0 ก่อนเปลี่ยนเครื่องมือ

ที่การส่งโปรแกรม

• เดินจากหน่วยความจำ การ์ดหน่วยความจำ หรือเซิร์ฟเวอร์ข้อมูลผ่าน Ethernet ถ้าโปรแกรมใหญ่เกินหน่วยความจำ ให้แบ่งเป็นหลายโปรแกรมตามเครื่องมือ
• ถ้าต้องใช้ RS-232 ตั้ง Baud rate ให้สูงสุดที่ทั้งสองฝั่งทำงานได้เสถียร และให้โพสต์โพรเซสเซอร์ตัดเลข N ช่องว่าง และศูนย์ท้ายทศนิยมที่ไม่จำเป็น เพื่อลดจำนวนตัวอักษรต่อบรรทัด ดูการต่อสายที่การต่อสาย RS-232 และโปรแกรมส่งไฟล์ DNC

ที่ชุดควบคุม

• เลือกระดับความแม่นยำตามขั้นตอนงาน เครื่องหลายรุ่นแยกค่าไว้เป็นงานหยาบ กึ่งละเอียด และละเอียด ค่าสำหรับงานหยาบเดินเร็วกว่าเพราะยอมให้ตัดมุมได้มากกว่า บน Haas ใช้ G187 บน Siemens ใช้รอบคำสั่ง CYCLE832 ส่วนบน Fanuc ขึ้นกับพารามิเตอร์ที่ผู้ผลิตตั้งไว้
• อย่าเพิ่ม F เพื่อชดเชยเวลา ถ้าอัตราป้อนถูกจำกัดด้วยระยะเคลื่อนที่ต่อบรรทัดหรือการส่งข้อมูล การเพิ่ม F ไม่ทำให้เร็วขึ้นในช่วงนั้น แต่จะเพิ่มภาระต่อคมในช่วงที่เดินได้เต็ม F

ป้องกันไม่ให้เกิดซ้ำ

• ตั้งค่าเริ่มต้นของ CAM ให้ส่งส่วนโค้งเป็น G02 G03 และใช้ค่าความคลาดเคลื่อนตามขั้นตอนงาน ไม่ใช่ค่าที่เล็กที่สุดทุกงาน
• จดเวลาจริงของโปรแกรมแรกเทียบกับเวลาที่ CAM ประเมิน แล้วใช้อัตราส่วนนี้ประเมินงานถัดไปบนเครื่องเดียวกัน
• ใช้การเดินจากหน่วยความจำหรือ Ethernet เป็นวิธีมาตรฐานสำหรับโปรแกรมเก็บผิว และใช้ RS-232 เฉพาะโปรแกรมที่แต่ละบรรทัดเคลื่อนที่เป็นระยะยาว
• เมื่อคำนวณภาระต่อคม ให้ใช้อัตราป้อนจริงในช่วงที่ช้าที่สุดตรวจด้วยว่าคมยังตัดอยู่ ไม่ได้ถู

สรุป

• ชุดควบคุมรุ่นใหม่ใช้ F เป็นค่าสูงสุด และลดอัตราป้อนเองที่มุม ส่วนโค้งเล็ก และช่วงที่บรรทัดเดินสั้น เวลาที่ CAM ประเมินจาก F จึงสั้นกว่าเวลาจริงเสมอ
• แยกสาเหตุหน้าเครื่องก่อน ดูค่า F จริง เทียบการเดินจากหน่วยความจำกับ DNC และดูระยะเคลื่อนที่ต่อบรรทัดในไฟล์
• บรรทัดที่เคลื่อนที่ 0.1 มม. ที่เวลาประมวลผล 4 มิลลิวินาทีเดินได้ไม่เกิน 1500 มม./นาที และถ้าส่งทาง RS-232 ที่ 9600 baud เดินได้เพียงประมาณ 210 มม./นาที
• วิธีที่ได้ผลมากที่สุดคือส่งส่วนโค้งเป็น G02 G03 และเดินจากหน่วยความจำหรือ Ethernet