編碼器如何在多軸伺服控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步精密運(yùn)動(dòng)？

自動(dòng)化制造推動(dòng)了目前許多高科技儀器的發(fā)展和廣泛使用。 時(shí)尚美觀的手機(jī)依賴于復(fù)雜的金屬加工技術(shù)和精細(xì)的表面處理能力，生產(chǎn)制造機(jī)械零件所需的芯片和模具。 手機(jī)中小型強(qiáng)力電子器件的生產(chǎn)依賴于自動(dòng)化IC晶片處理和精密引線接合設(shè)備。 大型設(shè)備同樣需要高精度和高質(zhì)量的表面處理。 例如，現(xiàn)代噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)依賴于精密匹配精細(xì)平衡的渦輪葉片，實(shí)現(xiàn)了高油耗和安靜的工作。 先進(jìn)的電控和復(fù)雜形狀的精密發(fā)動(dòng)機(jī)部件可以優(yōu)化燃燒過程，提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

銑床沿著規(guī)定的路徑移動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的切割工具，切削固體金屬塊生產(chǎn)金屬制品零件。 精密加工是一個(gè)多階段的過程，可以先進(jìn)行粗糙的切削，然后經(jīng)過多次細(xì)致的切削來滿足要求。 多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給主軸和多個(gè)螺釘定位刀具頭。 電機(jī)的位置和速度伺服驅(qū)動(dòng)器的功率和剛性決定了支持特定表面處理精度水平的zui大切削速度。 因此，高性能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以提高切削速度，減少切削次數(shù)，直接影響銑削工藝的效率。 通過為每個(gè)操作選擇zui佳的運(yùn)動(dòng)方案，并將更換刀具的時(shí)間降至zui低，可以提高工作效率和能源效率。 生產(chǎn)質(zhì)量取決于絲杠的精度、電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的位置和速度控制。 zui新的銑床有5個(gè)以上的控制軸，能夠以zui小的工件設(shè)定操作次數(shù)加工復(fù)雜的形狀。 用于大批量生產(chǎn)線的專用加工中心包括更多的伺服驅(qū)動(dòng)器，支持多種金屬加工的并聯(lián)操作和類機(jī)器人功能，完全自動(dòng)化加工過程。 機(jī)械設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)是使多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)軸的操作和運(yùn)動(dòng)方案同步，在保持產(chǎn)品質(zhì)量不變的同時(shí)，使機(jī)械的吞吐量效率zui大化。

精密運(yùn)動(dòng)控制

控制現(xiàn)代工廠中使用的自動(dòng)化設(shè)備的各種設(shè)備如圖1所示。 中央數(shù)字控制器(CNC )或可編程邏輯控制器(PLC )管理機(jī)械的操作，并按機(jī)械內(nèi)的伺服電機(jī)軸生成運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)劃。 各伺服驅(qū)動(dòng)器包括用于管理機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、電磁轉(zhuǎn)矩生成、電路的動(dòng)態(tài)特性的多個(gè)控制環(huán)路。 各控制設(shè)備的性能對機(jī)械的吞吐量效率和表面處理質(zhì)量很重要。 計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM )工具根據(jù)產(chǎn)品圖紙、材料特性、機(jī)械和刀具能力，生成產(chǎn)品所需的機(jī)械加工操作組合運(yùn)動(dòng)方案。 然后，自動(dòng)化機(jī)器執(zhí)行這些方案來制造產(chǎn)品。

圖1 .自動(dòng)化設(shè)備控制系統(tǒng)

如何實(shí)現(xiàn)同步

如何在多軸伺服控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步精密運(yùn)動(dòng)？ 完整的機(jī)械控制功能包括多個(gè)級聯(lián)控制環(huán)路。 CNC考慮將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的螺紋機(jī)構(gòu)，將機(jī)械空間(x、y、z )的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為各電動(dòng)機(jī)軸的(或)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。 每個(gè)運(yùn)動(dòng)配置都由時(shí)間內(nèi)的位置或速度集合定義。 軸之間的定時(shí)同步非常重要，因?yàn)槎〞r(shí)誤差對一個(gè)軸的影響與位置和速度誤差相同。伺服驅(qū)動(dòng)速度環(huán)的功能是計(jì)算追隨目標(biāo)速度曲線所需的電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令(T* )。 精加工的精度和表面質(zhì)量取決于機(jī)器能否準(zhǔn)確地沿著目標(biāo)路徑移動(dòng)切削刀具。 機(jī)械加工的難題是金屬切削工藝不連續(xù)。 由于材料會(huì)作為碎片脫落，伺服驅(qū)動(dòng)負(fù)荷也會(huì)迅速變化。 速度環(huán)須不受負(fù)荷變動(dòng)的影響，在切削操作中維持一定的速度，在刀具更換操作中能夠迅速響應(yīng)速度指令。 低速時(shí)控制質(zhì)量的高低取決于位置反饋的分辨率。 由于需要高采樣率微分器，因此會(huì)生成高動(dòng)態(tài)速度信號。 用于機(jī)床驅(qū)動(dòng)的精密編碼器使用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器在編碼器計(jì)數(shù)之間進(jìn)行插值，提供更高的分辨率。 例如，4096行編碼器采用簡單的數(shù)字接口時(shí)，將提供14/轉(zhuǎn)的位置分辨率。 采用插補(bǔ)方式時(shí)，其分辨率至少22位/旋轉(zhuǎn)位置分辨率提高到22位后，在4位速度分辨率和1 RPM的條件下可以達(dá)到4 kHz。 以前在4位速度分辨率和60 RPM的條件下，采樣率只有1 kHz。

圖2 .兩相永磁交流電機(jī)的磁場對準(zhǔn)