針對直接驅動係統的測量技術

隨著代機床向高速
、高精、高表麵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。直接驅動係統的優勢，隻有在控製係統、dianjiheceliangxitongxianghuxietiaohepeihezhixiacainengdeyichongfenfahui
，celiangxitongduiyutixianzhijiequdongxitongxingnengeryanzhiguanzhongyao。jiyuguangdianshidanchangsaomiaojishudezhixianguangzhachi/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。

從控製理論方麵看，由於半死循環機床控製係統無法克服機床傳動機構產生的傳動誤差、高gao速su往wang複fu運yun動dong時shi傳chuan動dong機ji構gou的de熱re變bian形xing誤wu差cha和he磨mo損sun

，全quan死si循xun環huan作zuo為wei可ke以yi消xiao除chu傳chuan動dong誤wu差cha的de控kong製zhi理li論lun已yi越yue來lai越yue多duo地di應ying用yong到dao現xian代dai機ji床chuang控kong製zhi中zhong。驅qu動dong技ji術shu方fang麵mian
，因yin直zhi接jie驅qu動dong與yu傳chuan統tong驅qu動dong相xiang比bi具ju有you高gao精jing度du

、高動態特性、低摩擦
、維護簡單和高效率等特點，在機床行業獲得廣泛應用。測量技術方麵，由於絕對式編碼和界麵技術、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於控製係統、電機、jixiebujianheceliangxitongdengdexianghuxietiaoyupeihe。zhengquexuanzeceliangxitong，duiyujichuangdexingnengtebieshizhijiequdongxitongjuyouzhongyaozuoyong。zhijiequdongxitongxiaolvdebiaoxianzaihendachengdushangqujueyuweizhiceliangzujiandexuanze

，duiceliangzujianyoujigaoyaoqiu：①高的測量精度

；②小的細分誤差
；③高的分辨率
；④無幹擾。

直接驅動技術

直接驅動的最大優勢在於其驅動組件（直線電機或力矩電機）和被驅動組件（工作台或轉台）之zhi間jian沒mei有you其qi它ta傳chuan動dong部bu件jian
，連lian接jie剛gang性xing高gao，因yin此ci直zhi接jie驅qu動dong係xi統tong的de控kong製zhi環huan係xi統tong增zeng益yi可ke遠yuan遠yuan大da於yu傳chuan統tong驅qu動dong係xi統tong。高gao增zeng益yi有you其qi優you點dian

，但dan同tong時shi也ye增zeng加jia了le對dui測ce量liang組zu件jian輸shu出chu信xin號hao品pin質zhi的de要yao求qiu，於yu直zhi線xian電dian機ji而er言yan為wei直zhi線xian光guang柵zha尺chi，於yu力li矩ju電dian機ji而er言yan則ze為wei角jiao度du編bian碼ma器qi。

直接驅動係統沒有專用於速度控製環的旋轉編碼器，其位置控製環和速度測量環共享同一測量組件（見圖1）。速度控製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精確的速度控製。

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製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係統提供高精度、高分辨率和小細分誤差的高品質信號
，對汙染相對不敏感（壓題圖中，紅色區域為汙染），最終保證驅動係統的位置測量精度、速度穩定性和較為恒定的溫度，確保係統的平穩運行。

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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°的位置信號後，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於掃描方式、汙wu染ran和he後hou續xu電dian子zi處chu理li等deng原yuan因yin，會hui與yu理li想xiang正zheng弦xian信xin號hao有you偏pian差cha。在zai進jin行xing細xi分fen時shi，這zhe種zhong偏pian差cha會hui在zai一yi個ge信xin號hao周zhou期qi內nei產chan生sheng周zhou期qi性xing的de高gao頻pin誤wu差cha

，即ji單dan信xin號hao周zhou期qi內nei的de誤wu差cha或huo細xi分fen誤wu差cha。

細分誤差取決於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製在信號周期的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。

xifenwuchabudanyingxiangzhijiequdongxitongdedingweijingdu
，genghuiyingxiangsudukongzhihuandewendingxing。kongzhixitongdesudukongzhihuananzhaojingeixitongdedingweiwuchaduiqudongxitongdegongzuodianliujinxingjisuan，jinerkongzhizhixiandianjihuolijudianjishishijiajiansu。shukongjichuangjingeisudujiaodishi
，jingeixitonggensuixifenwucha。zhijiequdongxitongyouyugaozengyiyoucikongzhidaikuanda，zaiyigejiaodadesudufanweineishouxifenwuchayingxiangjiaoda。zaixixuegongjianshi，youyuxifenwuchadeyingxiang，gongjianbiaomianhuiyoubowenzhuangjiagonghenji，yanzhongyingxiangdaogongjiandebiaomianpinzhi，rutu3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you於yu細xi分fen誤wu差cha的de存cun在zai，直zhi接jie驅qu動dong的de電dian機ji內nei部bu會hui產chan生sheng附fu加jia電dian流liu
，從cong而er產chan生sheng額e外wai的de熱re量liang和he噪zao音yin。細xi分fen誤wu差cha和he電dian機ji進jin給gei速su度du越yue大da，電dian機ji發fa熱re量liang和he噪zao音yin越yue大da。此ci外wai
，控kong製zhi係xi統tong從cong測ce量liang組zu件jian獲huo取qu位wei置zhi值zhi時shi，若ruo位wei置zhi信xin號hao分fen辨bian率lv與yu細xi分fen誤wu差cha較jiao為wei接jie近jin
，細xi分fen誤wu差cha會hui被bei辨bian識shi為wei機ji床chuang進jin給gei係xi統tong的de運yun動dong誤wu差cha，控kong製zhi係xi統tong會hui隨sui機ji性xing地di向xiang進jin給gei係xi統tong發fa送song補bu償chang信xin號hao。這zhe會hui導dao致zhi控kong製zhi係xi統tong震zhen蕩dang，直zhi線xian電dian機ji的de導dao軌gui等deng機ji床chuang運yun動dong部bu件jian長chang時shi間jian高gao頻pin往wang複fu運yun動dong，從cong而er加jia速su磨mo損sun、降低使用壽命。　　

直接驅動係統的動態特性

直接驅動係統具有良好的動態特性
，經常有高速、高加速度進給運動，這要求測量係統有良好的信號品質、高的電氣運動速度和優異的抗振、抗衝擊性能。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、抗衝擊性能良好
，電氣運動速度可達180 m/min。

綜上所述，針對直接驅動係統的應用特點
，光電式單場掃描直線光柵尺和角度編碼器為其位置控製環和速度控製環提供了高精度、高分辨率
、小細分誤差的高品質信號，保證了驅動係統的高效、平穩運行，最終能夠實現高速、高精、高表麵品質和高穩定性的加工。

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。為達到這些要求並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nian前qian，機ji床chuang的de最zui大da定ding位wei誤wu差cha為wei絲si杆gan的de螺luo距ju誤wu差cha及ji絲si杆gan的de熱re膨peng脹zhang誤wu差cha。而er今jin，上shang述shu的de大da部bu分fen誤wu差cha已yi被bei大da幅fu降jiang低di，機ji床chuang的de主zhu要yao誤wu差cha轉zhuan為wei垂chui直zhi度du誤wu差cha和he直zhi線xian度du誤wu差cha。為wei了le達da到dao高gao的de機ji床chuang三san維wei空kong間jian定ding位wei精jing度du
，機ji床chuang上shang所suo有you的de3個位移誤差
、6個直線度誤差和3個ge垂chui直zhi度du誤wu差cha都dou必bi須xu得de測ce量liang與yu補bu償chang。如ru果guo依yi賴lai傳chuan統tong的de激ji光guang幹gan涉she儀yi來lai測ce量liang的de話hua，將jiang是shi相xiang當dang困kun難nan且qie費fei時shi費fei錢qian
，往wang往wang需xu數shu日ri停ting機ji且qie隻zhi有you經jing驗yan豐feng富fu的de行xing家jia才cai能neng完wan成cheng測ce量liang工gong作zuo。

美國光動公司（Optodyne, Inc.）專為機床三維體積定位誤差測量開發了一種革命性的激光矢量測量技術（已獲得美國專利）——tajinxushuxiaoshibiankewanchengcelianggongzuo，ercaiyongchuantongjiguanggansheyidehuajianghaoyongjitianshijian。zheshidesanweitijidingweiwuchacelianghebuchangbiandeshiyongdetongshi，haikejiangugenggaodejingduhegengxiaodegongcha。
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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

意大利的一家公司JOBS S.P.A.是光動公司的用戶之一，主要生產製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幹涉儀（LDDM）以取代傳統的激光校準設備。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（也由光動公司發明）
，LDDM使JOBS很容易地做到精確的測量
，並能在生產運作發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。基於此資料
，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控製器以校準定位誤差
，從而提高了定位精度。

據JOBSgongsishijishiyong
，caiyongguangdongdegansheyiyijifenbuduijiaoxianceliangfangfa
，zhixuhenshaodejiciceliangbiannengdedaozugouduodeziliao，feichangqingchudixianshichujichuangdezhuangtai。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，並沒有增加裝配時間。而且
，用於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製過的激光光束
，帶有位置信息的光束被探測到並經過處理用來產生查找表，因而能使控製器補償誤差。

由於返回光束沒有像傳統的激光幹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：一個單孔的發射和接受激光束的激光頭，一個作為靶標的平麵鏡。實踐證明，單光束的MCV-500利用分步對角線測量
，隻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麵鏡的分步移動示意圖

激光和平麵鏡安置在主軸和工作台上，沿每一軸X軸、Y軸
、Zzhoufenbiejifenbujiaotiyidong
，rucizhongfuzhidaozoudaoduijiaoxiandeduijiaoshang。suoyousangezhoumeiyibuyidonghouduijiaoxiandedingweiwuchajiubeicaijidao。zhexiangjishucaijilesanbeideziliaoliang

，bingkeyishixianduimeiyizhouyidongshiweiyiwuchadeceliang。jiantu5。

靶標移動的軌跡並不是直線，側向移動是較大的。而傳統的幹涉儀不允許這麼大的側向移動
，因而測不到資料。而LDDMjiguanggansheyishiyongyipingmianjingzuobabiao，pingxingyujingzideyidongbuhuizhuanyijiguangshu，yebuhuigaibiancongguangyuanlaidejuli。yinci，celiangbuhuishoudaoyingxiang。zuiduokeyiyousigegongzuoweizhidewenduchuanganqilianjiedaozidongwendubuchangdanyuan。zidongwendubuchangyeduizhuruhuanjingyinsu
，rukongqiwendu
、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

對於一些大型、重型製造行業，由於零件一般大而重，需要將尺寸檢測在現場實時解決。基於這種需求，早在上世紀80年代，挪威邁卓諾測量係統有限公司（Metronor AS）基於攝影測量技術，開發了一係列光電式坐標測量係統——光筆測量儀

，被廣泛應用於汽車、航空航天
、發電設備、工程機械等大/重型製造行業。

圖6 邁卓諾測量係統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）、采點係統（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光二極管（LED）的de坐zuo標biao
，得de到dao光guang筆bi在zai空kong間jian的de位wei置zhi和he姿zi態tai。由you於yu光guang筆bi底di端duan連lian接jie的de測ce針zhen經jing過guo精jing確que校xiao準zhun，與yu光guang筆bi的de幾ji何he關guan係xi唯wei一yi確que定ding，被bei測ce點dian的de三san維wei坐zuo標biao就jiu可ke以yi精jing確que計ji算suan出chu來lai。

光筆測量儀具有不少突出的優勢。首先，它的便攜性好，使用簡單，非常適合在車間現場使用。整套係統包括計算機，被放置在一個1米長的拉杆箱內，總重不超過17公斤。在相機設置好後，即可用光筆進行測量。光筆重520g，拿(na)在(zai)手(shou)上(shang)非(fei)常(chang)輕(qing)便(bian)。而(er)且(qie)光(guang)筆(bi)與(yu)相(xiang)機(ji)之(zhi)間(jian)靠(kao)無(wu)線(xian)電(dian)通(tong)訊(xun)，無(wu)連(lian)接(jie)電(dian)纜(lan)，手(shou)持(chi)光(guang)筆(bi)，隻(zhi)要(yao)在(zai)相(xiang)機(ji)的(de)視(shi)野(ye)裏(li)
，就(jiu)可(ke)以(yi)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)。設(she)備(bei)簡(jian)單(dan)可(ke)靠(kao)

，操(cao)作(zuo)容(rong)易(yi)
，可(ke)以(yi)在(zai)0-45℃正常工作。

其次，光筆測量儀集大尺寸與高精度測量於一身。作為一套基於攝影測量技術的光學坐標測量係統，其測量範圍達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。

zhideyitideshi，chusedeyinzangdianceliangnengli，chengweiguangbiceliangyituchudejishuyoushi。guangbiceliangyizhijieyongtanzhencaidianceliang，suirantashiyitaoguangxueceliangshebei，danyongqilaijiushiyitaizhenzhengyiyishangdesanzuobiaoceliangji
，kebianlididuigezhongjiheyuansujinxingceliang。yonghutongguopeibeidaiyoujiachangbufendeguangbi，jiehetanzhenhejiachanggan
，biannengqingyiceliang600mm或更深的隱藏位置。

圖7 邁卓諾光筆測量儀非常適於現場測量用途

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，從而實現六維測量、重複性測量、實時變形監控
，動態坐標係下的測量等多種應用。

邁卓諾光筆測量儀可以說是為汽車製造業量身定製，應用到汽車製造業的各個環節：工(gong)裝(zhuang)夾(jia)具(ju)檢(jian)測(ce)，夾(jia)具(ju)重(zhong)複(fu)性(xing)檢(jian)測(ce)


，生(sheng)產(chan)線(xian)的(de)安(an)裝(zhuang)與(yu)調(tiao)試(shi)，車(che)身(shen)部(bu)件(jian)及(ji)整(zheng)車(che)測(ce)量(liang)，模(mo)具(ju)檢(jian)測(ce)等(deng)，在(zai)新(xin)車(che)試(shi)製(zhi)和(he)車(che)間(jian)現(xian)場(chang)測(ce)量(liang)方(fang)麵(mian)發(fa)揮(hui)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)。

光guang筆bi測ce量liang儀yi在zai航hang空kong航hang天tian行xing業ye也ye有you廣guang泛fan的de應ying用yong。大da尺chi寸cun精jing確que測ce量liang和he出chu色se的de隱yin藏zang點dian測ce量liang能neng力li
，讓rang邁mai卓zhuo諾nuo的de測ce量liang係xi統tong在zai飛fei機ji零ling部bu件jian和he工gong裝zhuang的de測ce量liang方fang麵mian大da顯xian身shen手shou。此ci外wai，該gai係xi統tong還hai廣guang泛fan應ying用yong於yu大da型xing鑄zhu
、鍛造，工程機械
，大型發電設備，造船等重型製造行業。
[上文由挪威邁卓諾測量係統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是一家專業生產高精度靜電霧化器的法國公司

，它集研發、生產、銷(xiao)售(shou)和(he)服(fu)務(wu)於(yu)一(yi)身(shen)
，包(bao)括(kuo)為(wei)汽(qi)車(che)行(xing)業(ye)自(zi)動(dong)噴(pen)漆(qi)。最(zui)近(jin)，該(gai)公(gong)司(si)地(di)處(chu)羅(luo)馬(ma)尼(ni)亞(ya)的(de)小(xiao)卡(ka)車(che)生(sheng)產(chan)基(ji)地(di)獲(huo)得(de)法(fa)國(guo)雷(lei)諾(nuo)授(shou)權(quan)，投(tou)入(ru)了(le)一(yi)條(tiao)自(zi)動(dong)化(hua)機(ji)械(xie)噴(pen)漆(qi)生(sheng)產(chan)線(xian)，以(yi)使(shi)卡(ka)車(che)車(che)身(shen)的(de)透(tou)明(ming)層(ceng)噴(pen)漆(qi)過(guo)程(cheng)實(shi)現(xian)自(zi)動(dong)化(hua)。於(yu)是(shi)
，為(wei)了(le)編(bian)輯(ji)噴(pen)漆(qi)軌(gui)跡(ji)以(yi)應(ying)用(yong)自(zi)動(dong)化(hua)機(ji)械(xie)，SAMES需要獲得雷諾敞篷卡車1：1的三維圖像。

一般情況下
，SAMES必須使用幾台掃描儀來創建汽車或卡車的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。後者為專業研發和製造Handyscan 3D激ji光guang掃sao描miao產chan品pin線xian的de公gong司si，現xian擁yong有you兩liang支zhi激ji光guang掃sao描miao產chan品pin團tuan隊dui和he三san維wei檢jian測ce專zhuan家jia，分fen別bie位wei於yu加jia拿na大da和he法fa國guo。來lai自zi法fa國guo分fen公gong司si的de兩liang位wei專zhuan家jia來lai到dao位wei於yu羅luo馬ma尼ni亞ya的de雷lei諾nuo汽qi車che工gong廠chang，成cheng功gong地di在zai3天內完成對3輛雷諾敞篷汽車的掃描工作。

圖8 Creaform協助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。

REVscannenggousaomiaorenhechicunhexingzhuangdebujian，suoyizhiyongyicijiunenggouwanchengzhengliangchangpengshikachedesaomiao。tayuchuantongdesanzuobiaoxitongbutong，youyushijishiyongshidingweimubiaodianshizhijietiezaigongjianshangde，wuxubaochigongjianbudong
，jishishidibanchandonghuoqitakenengduisaomiaoyizaochengdeganraodoubuhuiyingxiangceliangjieguo。shezhicankaoxitongshi，xianjiangdingweimubiaodianyibuguizedewanggezhuangxingshiditiezaikachebiaomian
，ranhoushiyongREVscan進行測量，結果會整合入卡車車身為基準的獨立參考係統中。這樣一來
， Revscan可以根據目標點位置的不同來自動調整自己的位置。

REVscan還可直接創建STL檔。Creaform也能使用Geomagic Quality軟件用以將文件傳輸資料整理後，在CATIA V5下進行資料後處理。

當掃描小組到達羅馬尼亞5天後，SAMES工程團隊就擁有了REVscansaomiaoyicaijidaodezhengtaoziliao。zuizhong，xiaozushiyongcitaoshujujinxingbianchengyiqiudezuijiapenqiguiji，shizidonghuajixienenggouzuigaoxiaoqiefuyouchengguodezhixingpenqitoumingcengzheyigongxu。
[上文由Creaform公司供稿]

Metris最新技術及汽車行業應用案例


近(jin)年(nian)來(lai)國(guo)內(nei)在(zai)檢(jian)測(ce)係(xi)統(tong)應(ying)用(yong)上(shang)的(de)沿(yan)革(ge)有(you)目(mu)共(gong)睹(du)，以(yi)汽(qi)車(che)行(xing)業(ye)為(wei)例(li)，汽(qi)車(che)製(zhi)造(zao)商(shang)往(wang)往(wang)在(zai)產(chan)品(pin)研(yan)發(fa)階(jie)段(duan)便(bian)讓(rang)檢(jian)測(ce)係(xi)統(tong)介(jie)入(ru)
，將(jiang)獲(huo)取(qu)的(de)資(zi)料(liao)直(zhi)接(jie)與(yu)CAD圖比對，一旦發現差異便可立刻改正。也有汽車製造商在生產線上使用檢測係統，比如：車門關不上，檢測係統可追蹤到生產線上出問題的那個環節並相應作出改善。

tebieshijinliangnian，qichezhizaoshangyunyongceliangjishuzuoyanfadeqingkuangrijianpubian。biru，zaizhenduizhongguolukuangshejixinxinghaodeqicheshi，zaijixiejiegoushejifangmianyeyaochongfenkaolvguoneishiqing。zhexiangbiciqianzhishigaishanqichewaixing，erzaijixiejiegoushanggensuiputongshejidemoshichuxianlemingxianqubie。jianyuci
，zhangshangxing、可式的檢測係統逐漸受到市場青睞。