編碼器如何在多軸伺服控制系統(tǒng)中實現(xiàn)同步精密運動？

自動化制造推動了目前許多高科技儀器的發(fā)展和廣泛使用。 時尚美觀的手機依賴于復雜的金屬加工技術(shù)和精細的表面處理能力，生產(chǎn)制造機械零件所需的芯片和模具。 手機中小型強力電子器件的生產(chǎn)依賴于自動化IC晶片處理和精密引線接合設備。 大型設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)動機依賴于精密匹配精細平衡的渦輪葉片，實現(xiàn)了高油耗和安靜的工作。 先進的電控和復雜形狀的精密發(fā)動機部件可以優(yōu)化燃燒過程，提高汽車發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。

銑床沿著規(guī)定的路徑移動高速旋轉(zhuǎn)的切割工具，切削固體金屬塊生產(chǎn)金屬制品零件。 精密加工是一個多階段的過程，可以先進行粗糙的切削，然后經(jīng)過多次細致的切削來滿足要求。 多個電機驅(qū)動進給主軸和多個螺釘定位刀具頭。 電機的位置和速度伺服驅(qū)動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，高性能的電機驅(qū)動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。 通過為每個操作選擇zui佳的運動方案，并將更換刀具的時間降至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、電機驅(qū)動軸的位置和速度控制。 zui新的銑床有5個以上的控制軸，能夠以zui小的工件設定操作次數(shù)加工復雜的形狀。 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)動器，支持多種金屬加工的并聯(lián)操作和類機器人功能，完全自動化加工過程。 機械設計師面臨的挑戰(zhàn)是使多個伺服驅(qū)動軸的操作和運動方案同步，在保持產(chǎn)品質(zhì)量不變的同時，使機械的吞吐量效率zui大化。

精密運動控制

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

圖1 .自動化設備控制系統(tǒng)

如何實現(xiàn)同步

如何在多軸伺服控制系統(tǒng)中實現(xiàn)同步精密運動？ 完整的機械控制功能包括多個級聯(lián)控制環(huán)路。 CNC考慮將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為直線運動的螺紋機構(gòu)，將機械空間(x、y、z )的運動結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為各電動機軸的(或)運動結(jié)構(gòu)。 每個運動配置都由時間內(nèi)的位置或速度集合定義。 軸之間的定時同步非常重要，因為定時誤差對一個軸的影響與位置和速度誤差相同。伺服驅(qū)動速度環(huán)的功能是計算追隨目標速度曲線所需的電機轉(zhuǎn)矩指令(T* )。 精加工的精度和表面質(zhì)量取決于機器能否準確地沿著目標路徑移動切削刀具。 機械加工的難題是金屬切削工藝不連續(xù)。 由于材料會作為碎片脫落，伺服驅(qū)動負荷也會迅速變化。 速度環(huán)須不受負荷變動的影響，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速度指令。 低速時控制質(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，因此會生成高動態(tài)速度信號。 用于機床驅(qū)動的精密編碼器使用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器在編碼器計數(shù)之間進行插值，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，將提供14/轉(zhuǎn)的位置分辨率。 采用插補方式時，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 .兩相永磁交流電機的磁場對準