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。基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(shí)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(shí)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。

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(shí)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罱K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。

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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(gè)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(shí)，這種偏差會在一個(gè)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。控制系統(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(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。

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(shí)，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(shí)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。

光動（蘇州）精密儀器：以三維空間激光校準(zhǔn)取代一維激光校準(zhǔn)

全球化的競爭和品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，要求機(jī)床具有更高的定位精度、更小的公差及更高的進(jìn)給率。為達(dá)到這些要求并加工出高品質(zhì)高精度的零件，必須得測量機(jī)床的三維體積定位精度。

20年前，機(jī)床的最大定位誤差為絲桿的螺距誤差及絲桿的熱膨脹誤差。而今，上述的大部分誤差已被大幅降低，機(jī)床的主要誤差轉(zhuǎn)為垂直度誤差和直線度誤差。為了達(dá)到高的機(jī)床三維空間定位精度，機(jī)床上所有的3個(gè)位移誤差、6個(gè)直線度誤差和3個(gè)垂直度誤差都必須得測量與補(bǔ)償。如果依賴傳統(tǒng)的激光干涉儀來測量的話，將是相當(dāng)困難且費(fèi)時(shí)費(fèi)錢，往往需數(shù)日停機(jī)且只有經(jīng)驗(yàn)豐富的行家才能完成測量工作。

美國光動公司（Optodyne, Inc.）專為機(jī)床三維體積定位誤差測量開發(fā)了一種革命性的激光矢量測量技術(shù)（已獲得美國專利）——它僅需數(shù)小時(shí)便可完成測量工作，而采用傳統(tǒng)激光干涉儀的話將耗用幾天時(shí)間。這使得三維體積定位誤差測量和補(bǔ)償變得實(shí)用的同時(shí)，還可兼顧更高的精度和更小的公差。
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圖4 JOBS S.P.A. 公司五軸高速加工中心上使用光動公司專利許可的激光體積測量技術(shù)

意大利的一家公司JOBS S.P.A.是光動公司的用戶之一，主要生產(chǎn)制造三軸和五軸高速線性馬達(dá)驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床。兩年前JOBS購入光動公司的激光多普勒干涉儀（LDDM）以取代傳統(tǒng)的激光校準(zhǔn)設(shè)備。結(jié)合三維體積定位誤差測量技術(shù)，或者結(jié)合分步對角線測量技術(shù)（也由光動公司發(fā)明），LDDM使JOBS很容易地做到精確的測量，并能在生產(chǎn)運(yùn)作發(fā)生危機(jī)前就察覺到相關(guān)問題。使得JOBS公司很清楚地了解機(jī)床的誤差，以及時(shí)地校準(zhǔn)這些誤差，因而以更有競爭性的價(jià)格交付給用戶。

借助三維體積激光校準(zhǔn)設(shè)備，分步對角線測量方法使用4條相同的對角線設(shè)置采集了12組資料。基于此資料，所有三個(gè)位移誤差、六個(gè)直線度誤差和三個(gè)垂直度誤差都能確定。測得的定位誤差可用來產(chǎn)生三維體積補(bǔ)償表，此表進(jìn)而能夠被上載到Siemens 840D控制器以校準(zhǔn)定位誤差，從而提高了定位精度。

據(jù)JOBS公司實(shí)際使用，采用光動的干涉儀以及分步對角線測量方法，只須很少的幾次測量便能得到足夠多的資料，非常清楚地顯示出機(jī)床的狀態(tài)。JOBS讓一些常見問題迎刃而解，諸如裝配誤差、溫度變化引起的誤差以及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的問題等，并沒有增加裝配時(shí)間。而且，用于三維體積校準(zhǔn)的分步對角線測量最多需要7次測量，從這7次測量中可了解到大部分誤差的類型及大小。

JOBS公司使用的光動公司的LDDM技術(shù)，采用了單光束的MCV-500及雙光束的MCV-2002從一可移動的靶標(biāo)上反射回調(diào)制過的激光光束，帶有位置信息的光束被探測到并經(jīng)過處理用來產(chǎn)生查找表，因而能使控制器補(bǔ)償誤差。

由于返回光束沒有像傳統(tǒng)的激光干涉儀那樣對偏移有要求，因此設(shè)置起來非常快—僅需調(diào)整兩個(gè)組件：一個(gè)單孔的發(fā)射和接受激光束的激光頭，一個(gè)作為靶標(biāo)的平面鏡。實(shí)踐證明，單光束的MCV-500利用分步對角線測量，只要中斷很少裝配時(shí)間便能得到三維體積定位誤差，因此大幅降低了成本。

圖5 沿激光束方向的分步對角線位移測量及主軸或平面鏡的分步移動示意圖

激光和平面鏡安置在主軸和工作臺上，沿每一軸X軸、Y軸、Z軸分別及分步交替移動，如此重復(fù)直到走到對角線的對角上。所有三個(gè)軸每一步移動后對角線的定位誤差就被采集到。這項(xiàng)技術(shù)采集了三倍的資料量，并可以實(shí)現(xiàn)對每一軸移動時(shí)位移誤差的測量。見圖5。

靶標(biāo)移動的軌跡并不是直線，側(cè)向移動是較大的。而傳統(tǒng)的干涉儀不允許這么大的側(cè)向移動，因而測不到資料。而LDDM激光干涉儀使用一平面鏡作靶標(biāo)，平行于鏡子的移動不會轉(zhuǎn)移激光束，也不會改變從光源來的距離。因此，測量不會受到影響。最多可以有四個(gè)工作位置的溫度傳感器連接到自動溫度補(bǔ)償單元。自動溫度補(bǔ)償也對諸如環(huán)境因素，如空氣溫度、大氣壓力以及機(jī)床溫度的變化提供補(bǔ)償。
[上文由光動（蘇州）精密儀器有限公司供稿]

邁卓諾光筆測量儀——新一代可攜式大尺寸坐標(biāo)測量機(jī)

對于一些大型、重型制造行業(yè)，由于零件一般大而重，需要將尺寸檢測在現(xiàn)場實(shí)時(shí)解決。基于這種需求，早在上世紀(jì)80年代，挪威邁卓諾測量系統(tǒng)有限公司（Metronor AS）基于攝影測量技術(shù)，開發(fā)了一系列光電式坐標(biāo)測量系統(tǒng)——光筆測量儀，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、發(fā)電設(shè)備、工程機(jī)械等大/重型制造行業(yè)。

圖6 邁卓諾測量系統(tǒng)獲得世界各大汽車廠商的采用

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光筆測量儀主要由傳感器（CCD相機(jī)）、采點(diǎn)系統(tǒng)（掌上型碳纖維光筆及測針）、計(jì)算機(jī)與測量軟件組成。采用攝影測量技術(shù)，相機(jī)通過測量鑲嵌在光筆上的多個(gè)紅外發(fā)光二極管（LED）的坐標(biāo)，得到光筆在空間的位置和姿態(tài)。由于光筆底端連接的測針經(jīng)過精確校準(zhǔn)，與光筆的幾何關(guān)系唯一確定，被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)就可以精確計(jì)算出來。

光筆測量儀具有不少突出的優(yōu)勢。首先，它的便攜性好，使用簡單，非常適合在車間現(xiàn)場使用。整套系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)，被放置在一個(gè)1米長的拉桿箱內(nèi)，總重不超過17公斤。在相機(jī)設(shè)置好后，即可用光筆進(jìn)行測量。光筆重520g，拿在手上非常輕便。而且光筆與相機(jī)之間靠無線電通訊，無連接電纜，手持光筆，只要在相機(jī)的視野里，就可以進(jìn)行測量。設(shè)備簡單可靠，操作容易，可以在0-45℃正常工作。

其次，光筆測量儀集大尺寸與高精度測量于一身。作為一套基于攝影測量技術(shù)的光學(xué)坐標(biāo)測量系統(tǒng)，其測量范圍達(dá)30米。采用專利的圖像處理與相機(jī)校準(zhǔn)技術(shù)，空間長度測量精度可達(dá)25μm。不管是大型汽車焊裝夾具，還是長達(dá)50多米的風(fēng)機(jī)葉片，都能很好地滿足測量尺寸和精度要求。

值得一提的是，出色的隱藏點(diǎn)測量能力，成為光筆測量儀突出的技術(shù)優(yōu)勢。光筆測量儀直接用探針采點(diǎn)測量，雖然它是一套光學(xué)測量設(shè)備，但用起來就是一臺真正意義上的三坐標(biāo)測量機(jī)，可便利地對各種幾何元素進(jìn)行測量。用戶通過配備帶有加長部分的光筆，結(jié)合探針和加長桿，便能輕易測量600mm或更深的隱藏位置。

圖7 邁卓諾光筆測量儀非常適于現(xiàn)場測量用途

此外，光筆測量儀具有獨(dú)一無二的多點(diǎn)同步測量能力。除了使用光筆進(jìn)行采點(diǎn)測量外，它還有另外一種測量方式—直接測量獨(dú)立的LED光靶。將多個(gè)LED光靶固定在目標(biāo)上，相機(jī)一次可同時(shí)采集多個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)資料，從而實(shí)現(xiàn)六維測量、重復(fù)性測量、實(shí)時(shí)變形監(jiān)控，動態(tài)坐標(biāo)系下的測量等多種應(yīng)用。

邁卓諾光筆測量儀可以說是為汽車制造業(yè)量身定制，應(yīng)用到汽車制造業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)：工裝夾具檢測，夾具重復(fù)性檢測，生產(chǎn)線的安裝與調(diào)試，車身部件及整車測量，模具檢測等，在新車試制和車間現(xiàn)場測量方面發(fā)揮重要作用。

光筆測量儀在航空航天行業(yè)也有廣泛的應(yīng)用。大尺寸精確測量和出色的隱藏點(diǎn)測量能力，讓邁卓諾的測量系統(tǒng)在飛機(jī)零部件和工裝的測量方面大顯身手。此外，該系統(tǒng)還廣泛應(yīng)用于大型鑄、鍛造，工程機(jī)械，大型發(fā)電設(shè)備，造船等重型制造行業(yè)。
[上文由挪威邁卓諾測量系統(tǒng)有限公司北京代表處供稿]

Handyscan手持可式三維激光掃描儀——提高機(jī)械裝配效率

SAMES是一家專業(yè)生產(chǎn)高精度靜電霧化器的法國公司，它集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)于一身，包括為汽車行業(yè)自動噴漆。最近，該公司地處羅馬尼亞的小卡車生產(chǎn)基地獲得法國雷諾授權(quán)，投入了一條自動化機(jī)械噴漆生產(chǎn)線，以使卡車車身的透明層噴漆過程實(shí)現(xiàn)自動化。于是，為了編輯噴漆軌跡以應(yīng)用自動化機(jī)械，SAMES需要獲得雷諾敞篷卡車1：1的三維圖像。

一般情況下，SAMES必須使用幾臺掃描儀來創(chuàng)建汽車或卡車的IGES檔。為了更快更好地運(yùn)作雷諾卡車這一項(xiàng)目，SAMES向Creaform公司尋求幫助。后者為專業(yè)研發(fā)和制造Handyscan 3D激光掃描產(chǎn)品線的公司，現(xiàn)擁有兩支激光掃描產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)和三維檢測專家，分別位于加拿大和法國。來自法國分公司的兩位專家來到位于羅馬尼亞的雷諾汽車工廠，成功地在3天內(nèi)完成對3輛雷諾敞篷汽車的掃描工作。

圖8 Creaform協(xié)助SAMES掃描卡車三維圖像

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SAMES工程小組表示，Creaform公司的REVscan激光掃描儀提供了他們所需的最完美解決方案。REVscan是一款小型便攜式設(shè)備，使用時(shí)無需安裝，掃描工程師一到達(dá)羅馬尼亞工廠即可投入測量工作。

REVscan能夠掃描任何尺寸和形狀的部件，所以只用一次就能夠完成整輛敞篷式卡車的掃描。它與傳統(tǒng)的三坐標(biāo)系統(tǒng)不同，由于實(shí)際使用時(shí)定位目標(biāo)點(diǎn)是直接貼在工件上的，無需保持工件不動，即使是地板顫動或其它可能對掃描儀造成的干擾都不會影響測量結(jié)果。設(shè)置參考系統(tǒng)時(shí)，先將定位目標(biāo)點(diǎn)以不規(guī)則的網(wǎng)格狀形式地貼在卡車表面，然后使用REVscan進(jìn)行測量，結(jié)果會整合入卡車車身為基準(zhǔn)的獨(dú)立參考系統(tǒng)中。這樣一來， Revscan可以根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)位置的不同來自動調(diào)整自己的位置。

REVscan還可直接創(chuàng)建STL檔。Creaform也能使用Geomagic Quality軟件用以將文件傳輸資料整理后，在CATIA V5下進(jìn)行資料后處理。

當(dāng)掃描小組到達(dá)羅馬尼亞5天后，SAMES工程團(tuán)隊(duì)就擁有了REVscan掃描儀采集到的整套資料。最終，小組使用此套數(shù)據(jù)進(jìn)行編程以求得最佳噴漆軌跡，使自動化機(jī)械能夠最高效且富有成果的執(zhí)行噴漆透明層這一工序。
[上文由Creaform公司供稿]

Metris最新技術(shù)及汽車行業(yè)應(yīng)用案例


近年來國內(nèi)在檢測系統(tǒng)應(yīng)用上的沿革有目共睹，以汽車行業(yè)為例，汽車制造商往往在產(chǎn)品研發(fā)階段便讓檢測系統(tǒng)介入，將獲取的資料直接與CAD圖比對，一旦發(fā)現(xiàn)差異便可立刻改正。也有汽車制造商在生產(chǎn)線上使用檢測系統(tǒng)，比如：車門關(guān)不上，檢測系統(tǒng)可追蹤到生產(chǎn)線上出問題的那個(gè)環(huán)節(jié)并相應(yīng)作出改善。

特別是近兩年，汽車制造商運(yùn)用測量技術(shù)做研發(fā)的情況日漸普遍。比如，在針對中國路況設(shè)計(jì)新型號的汽車時(shí)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面也要充分考慮國內(nèi)實(shí)情。這相比此前只是改善汽車外型，而在機(jī)械結(jié)構(gòu)上跟隨普通設(shè)計(jì)的模式出現(xiàn)了明顯區(qū)別。鑒于此，掌上型、可式的檢測系統(tǒng)逐漸受到市場青睞。