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針對直接驅動系統的測量技術
閱讀：309 發布時間：2013-1-26隨著代機床向高速、高精、高表面品質和高穩定性的方向發展，直接驅動技術的應用日益擴增。直接驅動系統的優勢，只有在控制系統、電機和測量系統相互協調和配合之下才能得以充分發揮，測量系統對于體現直接驅動系統性能而言至關重要。基于光電式單場掃描技術的直線光柵尺/角度編碼器具有高精度、高分辨率和細分誤差小的優勢，非常適合直接驅動應用。
從控制理論方面看，由于半死循環機床控制系統無法克服機床傳動機構產生的傳動誤差、高速往復運動時傳動機構的熱變形誤差和磨損，全死循環作為可以消除傳動誤差的控制理論已越來越多地應用到現代機床控制中。驅動技術方面，因直接驅動與傳統驅動相比具有高精度、高動態特性、低摩擦、維護簡單和率等特點，在機床行業獲得廣泛應用。測量技術方面，由于式編碼和界面技術、光電式單場掃描技術等的應用，測量反饋組件的精度、分辨率和安全性有了很大提高。
數控機床的效率提高有賴于控制系統、電機、機械部件和測量系統等的相互協調與配合。正確選擇測量系統，對于機床的性能特別是直接驅動系統具有重要作用。直接驅動系統效率的表現在很大程度上取決于位置測量組件的選擇，對測量組件有*要求：①高的測量精度；②小的細分誤差；③高的分辨率；④無干擾。
直接驅動技術
直接驅動的zui大優勢在于其驅動組件（直線電機或力矩電機）和被驅動組件（工作臺或轉臺）之間沒有其它傳動部件，連接剛性高，因此直接驅動系統的控制環系統增益可遠遠大于傳統驅動系統。高增益有其優點，但同時也增加了對測量組件輸出信號品質的要求，于直線電機而言為直線光柵尺，于力矩電機而言則為角度編碼器。
圖1 直接驅動系統全死循環控制
圖2 直線電機和力矩電機示意圖
圖3 細分誤差對表面品質的影響
直接驅動系統沒有于速度控制環的旋轉編碼器，其位置控制環和速度測量環共享同一測量組件（見圖1）。速度控制環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，從而保證機床低速運行時也能進行的速度控制。
直接驅動用直線光柵尺/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和的信號處理電路，直線光柵尺和角度編碼器可為直接驅動系統提供高精度、高分辨率和小細分誤差的高品質信號，對污染相對不敏感（壓題圖中，紅色區域為污染），zui終保證驅動系統的位置測量精度、速度穩定性和較為恒定的溫度，確保系統的平穩運行。
細分誤差對直接驅動的影響
測量組件在采用增量式或式測量方法獲得兩個相位差為90°的位置信號后，需進行進一步細分來達到所需分辨率。實際輸出位置信號由于掃描方式、污染和后續電子處理等原因，會與理想正弦信號有偏差。在進行細分時，這種偏差會在一個信號周期內產生周期性的高頻誤差，即單信號周期內的誤差或細分誤差。
細分誤差取決于測量組件的信號周期、刻線品質和掃描品質。目前采用光電式單場掃描的位置測量組件可將細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，其細分誤差為0.2µm。
細分誤差不但影響直接驅動系統的定位精度，更會影響速度控制環的穩定性。控制系統的速度控制環按照進給系統的定位誤差對驅動系統的工作電流進行計算，進而控制直線電機或力矩電機實施加減速。數控機床進給速度較低時，進給系統跟隨細分誤差。直接驅動系統由于高增益由此控制帶寬大，在一個較大的速度范圍內受細分誤差影響較大。在銑削工件時，由于細分誤差的影響，工件表面會有波紋狀加工痕跡，嚴重影響到工件的表面品質，如圖3所示。一般說來，波紋狀痕跡的波長和振幅與細分誤差成正比。
由于細分誤差的存在，直接驅動的電機內部會產生附加電流，從而產生額外的熱量和噪音。細分誤差和電機進給速度越大，電機發熱量和噪音越大。此外，控制系統從測量組件獲取位置值時，若位置信號分辨率與細分誤差較為接近，細分誤差會被辨識為機床進給系統的運動誤差，控制系統會隨機性地向進給系統發送補償信號。這會導致控制系統震蕩，直線電機的導軌等機床運動部件長時間高頻往復運動，從而加速磨損、降低使用壽命。
直接驅動系統的動態特性
直接驅動系統具有良好的動態特性，經常有高速、高加速度進給運動，這要求測量系統有良好的信號品質、高的電氣運動速度和優異的抗振、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高，光柵刻線和讀數頭之間的無接觸測量使其無磨損，且抗振、抗沖擊性能良好，電氣運動速度可達180 m/min。
綜上所述，針對直接驅動系統的應用特點，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和速度控制環提供了高精度、高分辨率、小細分誤差的高品質信號，保證了驅動系統的、平穩運行，zui終能夠實現高速、高精、高表面品質和高穩定性的加工。