針對直接驅(qū)動系統(tǒng)的測量技術(shù)

    隨著代機(jī)床向高速、高精、高表面品質(zhì)和高穩(wěn)定性的方向發(fā)展，直接驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用日益擴(kuò)增。直接驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)勢，只有在控制系統(tǒng)、電機(jī)和測量系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)和配合之下才能得以充分發(fā)揮，測量系統(tǒng)對于體現(xiàn)直接驅(qū)動系統(tǒng)性能而言至關(guān)重要�；�于光電式單場掃描技術(shù)的直線光柵尺/角度編碼器具有高精度、高分辨率和細(xì)分誤差小的優(yōu)勢，非常適合直接驅(qū)動應(yīng)用。 

    從控制理論方面看，由于半死循環(huán)機(jī)床控制系統(tǒng)無法克服機(jī)床傳動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動誤差、高速往復(fù)運(yùn)動時傳動機(jī)構(gòu)的熱變形誤差和磨損，全死循環(huán)作為可以消除傳動誤差的控制理論已越來越多地應(yīng)用到現(xiàn)代機(jī)床控制中。驅(qū)動技術(shù)方面，因直接驅(qū)動與傳統(tǒng)驅(qū)動相比具有高精度、高動態(tài)特性、低摩擦、維護(hù)簡單和高效率等特點(diǎn)，在機(jī)床行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。測量技術(shù)方面，由于絕對式編碼和界面技術(shù)、光電式單場掃描技術(shù)等的應(yīng)用，測量反饋組件的精度、分辨率和安全性有了很大提高。

    數(shù)控機(jī)床的效率提高有賴于控制系統(tǒng)、電機(jī)、機(jī)械部件和測量系統(tǒng)等的相互協(xié)調(diào)與配合。正確選擇測量系統(tǒng)，對于機(jī)床的性能特別是直接驅(qū)動系統(tǒng)具有重要作用。直接驅(qū)動系統(tǒng)效率的表現(xiàn)在很大程度上取決于位置測量組件的選擇，對測量組件有極高要求：①高的測量精度；②小的細(xì)分誤差；③高的分辨率；④無干擾。

直接驅(qū)動技術(shù) 

    直接驅(qū)動的最大優(yōu)勢在于其驅(qū)動組件（直線電機(jī)或力矩電機(jī)）和被驅(qū)動組件（工作臺或轉(zhuǎn)臺）之間沒有其它傳動部件，連接剛性高，因此直接驅(qū)動系統(tǒng)的控制環(huán)系統(tǒng)增益可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)。高增益有其優(yōu)點(diǎn)，但同時也增加了對測量組件輸出信號品質(zhì)的要求，于直線電機(jī)而言為直線光柵尺，于力矩電機(jī)而言則為角度編碼器。

圖1 直接驅(qū)動系統(tǒng)全死循環(huán)控制

    直接驅(qū)動系統(tǒng)沒有專用于速度控制環(huán)的旋轉(zhuǎn)編碼器，其位置控制環(huán)和速度測量環(huán)共享同一測量組件（見圖1）。速度控制環(huán)需要有很小的信號周期，由此，測量組件的分辨率需要足夠高，從而保證機(jī)床低速運(yùn)行時也能進(jìn)行精確的速度控制。

    直接驅(qū)動用直線光柵尺/角度編碼器

    直線光柵尺或角度編碼器的光柵刻線采用光刻工藝刻制在玻璃或鋼帶基體上，這種刻線柵距極小且邊沿清晰、均勻。配合非接觸的光電式單場掃描技術(shù)和優(yōu)質(zhì)的信號處理電路，直線光柵尺和角度編碼器可為直接驅(qū)動系統(tǒng)提供高精度、高分辨率和小細(xì)分誤差的高品質(zhì)信號，對污染相對不敏感（壓題圖中，紅色區(qū)域?yàn)槲廴荆�，最終保證驅(qū)動系統(tǒng)的位置測量精度、速度穩(wěn)定性和較為恒定的溫度，確保系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

圖2 直線電機(jī)和力矩電機(jī)（示意圖）

細(xì)分誤差對直接驅(qū)動的影響

    測量組件在采用增量式或絕對式測量方法獲得兩個相位差為90°的位置信號后，需進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分來達(dá)到所需分辨率。實(shí)際輸出位置信號由于掃描方式、污染和后續(xù)電子處理等原因，會與理想正弦信號有偏差。在進(jìn)行細(xì)分時，這種偏差會在一個信號周期內(nèi)產(chǎn)生周期性的高頻誤差，即單信號周期內(nèi)的誤差或細(xì)分誤差。 

    細(xì)分誤差取決于測量組件的信號周期、刻線品質(zhì)和掃描品質(zhì)。目前采用光電式單場掃描的位置測量組件可將細(xì)分誤差限制在信號周期的1%左右，例如信號周期為20μm的直線光柵尺，其細(xì)分誤差為0.2μm。 

    細(xì)分誤差不但影響直接驅(qū)動系統(tǒng)的定位精度，更會影響速度控制環(huán)的穩(wěn)定性�？刂葡到y(tǒng)的速度控制環(huán)按照進(jìn)給系統(tǒng)的定位誤差對驅(qū)動系統(tǒng)的工作電流進(jìn)行計算，進(jìn)而控制直線電機(jī)或力矩電機(jī)實(shí)施加減速。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給速度較低時，進(jìn)給系統(tǒng)跟隨細(xì)分誤差。直接驅(qū)動系統(tǒng)由于高增益由此控制帶寬大，在一個較大的速度范圍內(nèi)受細(xì)分誤差影響較大。在銑削工件時，由于細(xì)分誤差的影響，工件表面會有波紋狀加工痕跡，嚴(yán)重影響到工件的表面品質(zhì)，如圖3所示。一般說來，波紋狀痕跡的波長和振幅與細(xì)分誤差成正比。

圖3. 細(xì)分誤差對表面品質(zhì)的影響

    由于細(xì)分誤差的存在，直接驅(qū)動的電機(jī)內(nèi)部會產(chǎn)生附加電流，從而產(chǎn)生額外的熱量和噪音。細(xì)分誤差和電機(jī)進(jìn)給速度越大，電機(jī)發(fā)熱量和噪音越大。此外，控制系統(tǒng)從測量組件獲取位置值時，若位置信號分辨率與細(xì)分誤差較為接近，細(xì)分誤差會被辨識為機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動誤差，控制系統(tǒng)會隨機(jī)性地向進(jìn)給系統(tǒng)發(fā)送補(bǔ)償信號。這會導(dǎo)致控制系統(tǒng)震蕩，直線電機(jī)的導(dǎo)軌等機(jī)床運(yùn)動部件長時間高頻往復(fù)運(yùn)動，從而加速磨損、降低使用壽命。

    直接驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)特性

    直接驅(qū)動系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性，經(jīng)常有高速、高加速度進(jìn)給運(yùn)動，這要求測量系統(tǒng)有良好的信號品質(zhì)、高的電氣運(yùn)動速度和優(yōu)異的抗振、抗沖擊性能。光電式單場掃描直線光柵尺和角度編碼器的信號品質(zhì)高，光柵刻線和讀數(shù)頭之間的無接觸測量使其無磨損，且抗振、抗沖擊性能良好，電氣運(yùn)動速度可達(dá)180 m/min。

    綜上所述，針對直接驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，光電式單場掃描直線光柵尺和角度編碼器為其位置控制環(huán)和速度控制環(huán)提供了高精度、高分辨率、小細(xì)分誤差的高品質(zhì)信號，保證了驅(qū)動系統(tǒng)的高效、平穩(wěn)運(yùn)行，最終能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精、高表面品質(zhì)和高穩(wěn)定性的加工