針對直接驅動系統(tǒng)的測量技術
隨著代機床向高速、高精、高表面品質和高穩(wěn)定性的方向發(fā)展，直接驅動技術的應用日益擴增。直接驅動系統(tǒng)的優(yōu)勢，只有在控制系統(tǒng)、電機和測量系統(tǒng)相互協(xié)調和配合之下才能得以充分發(fā)揮，測量系統(tǒng)對于體現(xiàn)直接驅動系統(tǒng)性能而言至關重要?；诠怆娛絾螆鰭呙杓夹g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(yōu)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(huán)機床控制系統(tǒng)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(huán)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(xiàn)代機床控制中。驅動技術方面，因直接驅動與傳統(tǒng)驅動相比具有高精度、高動態(tài)特性、低摩擦、維護簡單和高效率等特點，在機床行業(yè)獲得廣泛應用。測量技術方面，由于絕對式編碼和界面技術、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(shù)控機床的效率提高有賴于控制系統(tǒng)、電機、機械部件和測量系統(tǒng)等的相互協(xié)調與配合。正確選擇測量系統(tǒng)，對于機床的性能特別是直接驅動系統(tǒng)具有重要作用。直接驅動系統(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小的細分誤差；③高的分辨率；④無干擾。
直接驅動技術
直接驅動的最大優(yōu)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(tǒng)的控制環(huán)系統(tǒng)增益可遠遠大于傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)。高增益有其優(yōu)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。
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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優(yōu)質的信號處理電路，直線光柵尺和角度編碼器可為直接驅動系統(tǒng)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(qū)域為污染），最終保證驅動系統(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)運行。
細分誤差對直接驅動的影響
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(xù)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。
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細分誤差不但影響直接驅動系統(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)按照進給系統(tǒng)的定位誤差對驅動系統(tǒng)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(shù)控機床進給速度較低時，進給系統(tǒng)跟隨細分誤差。直接驅動系統(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(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分誤差較為接近，細分誤差會被辨識為機床進給系統(tǒng)的運動誤差，控制系統(tǒng)會隨機性地向進給系統(tǒng)發(fā)送補償信號。這會導致控制系統(tǒng)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(tǒng)的動態(tài)特性
直接驅動系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性，經(jīng)常有高速、高加速度進給運動，這要求測量系統(tǒng)有良好的信號品質、高的電氣運動速度和優(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，電氣運動速度可達180 m/min。
綜上所述，針對直接驅動系統(tǒng)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(huán)和速度控制環(huán)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(tǒng)的高效、平穩(wěn)運行，最終能夠實現(xiàn)高速、高精、高表面品質和高穩(wěn)定性的加工。
光動（蘇州）精密儀器：以三維空間激光校準取代一維激光校準
全球化的競爭和品質標準，要求機床具有更高的定位精度、更小的公差及更高的進給率。為達到這些要求并加工出高品質高精度的零件，必須得測量機床的三維體積定位精度。
20 年前，機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，機床的主要誤差轉為垂直度誤差和直線度誤差。為了達到高的機床三維空間定位精度，機床上所有的3個位移誤差、6個直線度誤差和3個垂直度誤差都必須得測量與補償。如果依賴傳統(tǒng)的激光干涉儀來測量的話，將是相當困難且費時費錢，往往需數(shù)日停機且只有經(jīng)驗豐富的行家才能完成測量工作。
美國光動公司（Optodyne, Inc.）專為機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（已獲得美國專利）——它僅需數(shù)小時便可完成測量工作，而采用傳統(tǒng)激光干涉儀的話將耗用幾天時間。這使得三維體積定位誤差測量和補償變得實用的同時，還可兼顧更高的精度和更小的公差。
 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 |
意大利的一家公司JOBS S.P.A.是光動公司的用戶之一，主要生產制造三軸和五軸高速線性馬達驅動的標準機床。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)的激光校準設備。結合三維體積定位誤差測量技術，或者結合分步對角線測量技術（也由光動公司發(fā)明），LDDM使JOBS很容易地做到精確的測量，并能在生產運作發(fā)生危機前就察覺到相關問題。使得JOBS公司很清楚地了解機床的誤差，以及時地校準這些誤差，因而以更有競爭性的價格交付給用戶。
借助三維體積激光校準設備，分步對角線測量方法使用4條相同的對角線設置采集了12組資料。基于此資料，所有三個位移誤差、六個直線度誤差和三個垂直度誤差都能確定。測得的定位誤差可用來產生三維體積補償表，此表進而能夠被上載到Siemens 840D控制器以校準定位誤差，從而提高了定位精度。
據(jù) JOBS公司實際使用，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構產生的問題等，并沒有增加裝配時間。而且，用于三維體積校準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，采用了單光束的MCV-500及雙光束的MCV-2002從一可移動的靶標上反射回調制過的激光光束，帶有位置信息的光束被探測到并經(jīng)過處理用來產生查找表，因而能使控制器補償誤差。
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，因此設置起來非常快—僅需調整兩個組件：一個單孔的發(fā)射和接受激光束的激光頭，一個作為靶標的平面鏡。實踐證明，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，如此重復直到走到對角線的對角上。所有三個軸每一步移動后對角線的定位誤差就被采集到。這項技術采集了三倍的資料量，并可以實現(xiàn)對每一軸移動時位移誤差的測量。見圖5。
靶標移動的軌跡并不是直線，側向移動是較大的。而傳統(tǒng)的干涉儀不允許這么大的側向移動，因而測不到資料。而LDDM激光干涉儀使用一平面鏡作靶標，平行于鏡子的移動不會轉移激光束，也不會改變從光源來的距離。因此，測量不會受到影響。最多可以有四個工作位置的溫度傳感器連接到自動溫度補償單元。自動溫度補償也對諸如環(huán)境因素，如空氣溫度、大氣壓力以及機床溫度的變化提供補償。
[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測量機
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)場實時解決。基于這種需求，早在上世紀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，開發(fā)了一系列光電式坐標測量系統(tǒng)——光筆測量儀，被廣泛應用于汽車、航空航天、發(fā)電設備、工程機械等大/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 |
光筆測量儀主要由傳感器（CCD相機）、采點系統(tǒng)（掌上型碳纖維光筆及測針）、計算機與測量軟件組成。采用攝影測量技術，相機通過測量鑲嵌在光筆上的多個紅外發(fā)光二極管（LED）的坐標，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，與光筆的幾何關系唯一確定，被測點的三維坐標就可以精確計算出來。
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)包括計算機，被放置在一個1米長的拉桿箱內，總重不超過17公斤。在相機設置好后，即可用光筆進行測量。光筆重520g，拿在手上非常輕便。而且光筆與相機之間靠無線電通訊，無連接電纜，手持光筆，只要在相機的視野里，就可以進行測量。設備簡單可靠，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的光學坐標測量系統(tǒng)，其測量范圍達30米。采用專利的圖像處理與相機校準技術，空間長度測量精度可達25μm。不管是大型汽車焊裝夾具，還是長達50多米的風機葉片，都能很好地滿足測量尺寸和精度要求。
值得一提的是，出色的隱藏點測量能力，成為光筆測量儀突出的技術優(yōu)勢。光筆測量儀直接用探針采點測量，雖然它是一套光學測量設備，但用起來就是一臺真正意義上的三坐標測量機，可便利地對各種幾何元素進行測量。用戶通過配備帶有加長部分的光筆，結合探針和加長桿，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，光筆測量儀具有獨一無二的多點同步測量能力。除了使用光筆進行采點測量外，它還有另外一種測量方式—直接測量獨立的LED光靶。將多個LED光靶固定在目標上，相機一次可同時采集多個點的坐標資料，從而實現(xiàn)六維測量、重復性測量、實時變形監(jiān)控，動態(tài)坐標系下的測量等多種應用。
邁卓諾光筆測量儀可以說是為汽車制造業(yè)量身定制，應用到汽車制造業(yè)的各個環(huán)節(jié)：工裝夾具檢測，夾具重復性檢測，生產線的安裝與調試，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)也有廣泛的應用。大尺寸精確測量和出色的隱藏點測量能力，讓邁卓諾的測量系統(tǒng)在飛機零部件和工裝的測量方面大顯身手。此外，該系統(tǒng)還廣泛應用于大型鑄、鍛造，工程機械，大型發(fā)電設備，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——提高機械裝配效率
SAMES 是一家專業(yè)生產高精度靜電霧化器的法國公司，它集研發(fā)、生產、銷售和服務于一身，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基地獲得法國雷諾授權，投入了一條自動化機械噴漆生產線，以使卡車車身的透明層噴漆過程實現(xiàn)自動化。于是，為了編輯噴漆軌跡以應用自動化機械，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。為了更快更好地運作雷諾卡車這一項目，SAMES向Creaform公司尋求幫助。后者為專業(yè)研發(fā)和制造Handyscan 3D激光掃描產品線的公司，現(xiàn)擁有兩支激光掃描產品團隊和三維檢測專家，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 |
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備，使用時無需安裝，掃描工程師一到達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)的三坐標系統(tǒng)不同，由于實際使用時定位目標點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果。設置參考系統(tǒng)時，先將定位目標點以不規(guī)則的網(wǎng)格狀形式地貼在卡車表面，然后使用REVscan進行測量，結果會整合入卡車車身為基準的獨立參考系統(tǒng)中。這樣一來， Revscan可以根據(jù)目標點位置的不同來自動調整自己的位置。
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下進行資料后處理。
當掃描小組到達羅馬尼亞5天后，SAMES工程團隊就擁有了REVscan掃描儀采集到的整套資料。最終，小組使用此套數(shù)據(jù)進行編程以求得最佳噴漆軌跡，使自動化機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最新技術及汽車行業(yè)應用案例
近年來國內在檢測系統(tǒng)應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線上使用檢測系統(tǒng)，比如：車門關不上，檢測系統(tǒng)可追蹤到生產線上出問題的那個環(huán)節(jié)并相應作出改善。
特別是近兩年，汽車制造商運用測量技術做研發(fā)的情況日漸普遍。比如，在針對中國路況設計新型號的汽車時，在機械結構設計方面也要充分考慮國內實情。這相比此前只是改善汽車外型，而在機械結構上跟隨普通設計的模式出現(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。
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Metris K-Scan MMD是新一代掌上型激光掃描儀，為使用者提供靈活易用的光學三坐標解決方案。其為可式設置，容易安裝，適合在測量實驗室與車間內進行測量。K-Scan MMD的設計人性化，其測頭能全方位被跟蹤，不受機械約束。因此，能夠對巨大工件作出全方位掃描，包括各種尺寸的汽車構件，以及對轎車和卡車作全車外型掃描。同時，K-Scan MMD亦能提供三維對比檢測和逆向工程等。
以前，沃爾沃（Volvo）在比利時工廠正式生產新型號汽車時，都要使用模具及夾具去組裝汽車，然后在三坐標測量儀上加上探針，以進行三維幾何檢測。這不僅費時費錢，而且經(jīng)由探針獲取的資料較為有限、分布零亂，很難用來做分析報告。借助Metris，支持線上組裝的光學檢測技術成功取代了原有的檢測系統(tǒng)。Metris的三維激光掃描儀能于一秒鐘內取得數(shù)千個點云，而且，這些點云與CAD圖一比較，便能看出模具與原有設計圖的差異。
