針對(duì)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)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(dòng)技術(shù)的應(yīng)用日益擴(kuò)增。直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，只有在控制系統(tǒng)、電機(jī)和測(cè)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(cè)量系統(tǒng)對(duì)于體現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能而言至關(guān)重要�；�于光電式單場(chǎng)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(shì)，非常適合直接驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動(dòng)誤差、高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)技術(shù)方面，因直接驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)相比具有高精度、高動(dòng)態(tài)特性、低摩擦、維護(hù)簡(jiǎn)單和高效率等特點(diǎn)，在機(jī)床行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。測(cè)量技術(shù)方面，由于絕對(duì)式編碼和界面技術(shù)、光電式單場(chǎng)掃描技術(shù)等的應(yīng)用，測(cè)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(cè)量系統(tǒng)等的相互協(xié)調(diào)與配合。正確選擇測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)于機(jī)床的性能特別是直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有重要作用。直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率的表現(xiàn)在很大程度上取決于位置測(cè)量組件的選擇，對(duì)測(cè)量組件有極高要求：①高的測(cè)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(dòng)技術(shù) 

    直接驅(qū)動(dòng)的最大優(yōu)勢(shì)在于其驅(qū)動(dòng)組件（直線電機(jī)或力矩電機(jī)）和被驅(qū)動(dòng)組件（工作臺(tái)或轉(zhuǎn)臺(tái)）之間沒有其它傳動(dòng)部件，連接剛性高，因此直接驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)。高增益有其優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也增加了對(duì)測(cè)量組件輸出信號(hào)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(dòng)系統(tǒng)全死循環(huán)控制

    直接驅(qū)動(dòng)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(cè)量環(huán)共享同一測(cè)量組件（見圖1）。速度控制環(huán)需要有很小的信號(hào)周期，由此，測(cè)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(shí)也能進(jìn)行精確的速度控制。

    直接驅(qū)動(dòng)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(chǎng)掃描技術(shù)和優(yōu)質(zhì)的信號(hào)處理電路，直線光柵尺和角度編碼器可為直接驅(qū)動(dòng)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(hào)，對(duì)污染相對(duì)不敏感（壓題圖中，紅色區(qū)域?yàn)槲廴荆�，最終保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置測(cè)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(duì)直接驅(qū)動(dòng)的影響

    測(cè)量組件在采用增量式或絕對(duì)式測(cè)量方法獲得兩個(gè)相位差為90°的位置信號(hào)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(hào)由于掃描方式、污染和后續(xù)電子處理等原因，會(huì)與理想正弦信號(hào)有偏差。在進(jìn)行細(xì)分時(shí)，這種偏差會(huì)在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)產(chǎn)生周期性的高頻誤差，即單信號(hào)周期內(nèi)的誤差或細(xì)分誤差。 

    細(xì)分誤差取決于測(cè)量組件的信號(hào)周期、刻線品質(zhì)和掃描品質(zhì)。目前采用光電式單場(chǎng)掃描的位置測(cè)量組件可將細(xì)分誤差限制在信號(hào)周期的1%左右，例如信號(hào)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(dòng)系統(tǒng)的定位精度，更會(huì)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(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作電流進(jìn)行計(jì)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(shí)，進(jìn)給系統(tǒng)跟隨細(xì)分誤差。直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于高增益由此控制帶寬大，在一個(gè)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(shí)，由于細(xì)分誤差的影響，工件表面會(huì)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(zhǎng)和振幅與細(xì)分誤差成正比。

圖3. 細(xì)分誤差對(duì)表面品質(zhì)的影響

    由于細(xì)分誤差的存在，直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī)內(nèi)部會(huì)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(cè)量組件獲取位置值時(shí)，若位置信號(hào)分辨率與細(xì)分誤差較為接近，細(xì)分誤差會(huì)被辨識(shí)為機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)誤差，控制系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)性地向進(jìn)給系統(tǒng)發(fā)送補(bǔ)償信號(hào)。這會(huì)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(dòng)部件長(zhǎng)時(shí)間高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而加速磨損、降低使用壽命。

    直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性

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

    綜上所述，針對(duì)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，光電式單場(chǎng)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(hào)，保證了驅(qū)動(dòng)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