美國(guó)MicroE圓光柵在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和DDR電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用及特點(diǎn)

付耀斌，李書恒

(北京慧摩森電子系統(tǒng)技術(shù)有限公司，北京 100083)

1 MicroE圓光柵簡(jiǎn)介

MicroE圓光柵尺是具有20μm柵距（見圖1），多種外形尺寸，最小直徑為12mm,最大直徑可達(dá)121mm,體積輕薄的一種高精度、高性價(jià)比的光柵尺產(chǎn)品。結(jié)合Mecurry系列高性能編碼器可以解決客戶各方面的應(yīng)用需求（見圖2）；因其具有體積小巧、安裝方便、多種Mecurry讀數(shù)頭可互換的特性，客戶可以靈活多變的進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。同時(shí)MicroE還可以根據(jù)客戶需求提供定制要求的產(chǎn)品。

圖1 圓光柵

圖2 編碼器

MicroE圓光柵尺是運(yùn)用光刻技術(shù)在熱膨脹系數(shù)接近于零的玻璃基材上加工而成，具有很高的刻劃精度。MicroE提供外形尺寸從12mm到108mm系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品及客戶特殊需求尺寸產(chǎn)品；同時(shí)所有光柵尺上都具有零位標(biāo)志。

2 MicroE圓光柵光學(xué)測(cè)量工作原理

MicroE圓光柵產(chǎn)品采用了PurePrecision光學(xué)結(jié)構(gòu)（見圖3），擁有多項(xiàng)專利技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)保證MicroE編碼器周期高倍差補(bǔ)細(xì)分情況下信號(hào)的高強(qiáng)度和準(zhǔn)確性，使其細(xì)分倍數(shù)可以達(dá)到16384；而且測(cè)量范圍大，對(duì)安裝調(diào)整公差要求很寬松；實(shí)現(xiàn)了編碼器讀數(shù)頭的微型化。

圖3 PurePrecisionTM光學(xué)技術(shù)

◆保證高倍差補(bǔ)細(xì)分情況下的高強(qiáng)度、精密信號(hào)

◆測(cè)量范圍大、安裝調(diào)整公差寬松

◆微型編碼器讀數(shù)頭

◆多項(xiàng)專利技術(shù)

3 MicroE圓光柵的特性

◆外形輕薄，最大厚度只有2.67mm，質(zhì)量輕——低慣量

◆系統(tǒng)占用空間小，裝配好的編碼器讀數(shù)頭和圓光柵的總高度不超過(guò)13.5mm——省空間

◆提供帶安裝輪轂的圓光柵結(jié)合MicroE編碼器寬泛的安裝誤差范圍——便于安裝

配合不同的差值編碼器可達(dá)到從6600到67.1M CPR的分辨率——高分辨率

標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的系統(tǒng)精度最高達(dá)2.1角秒——高精度

4 MicroE圓光柵的應(yīng)用領(lǐng)域

例一：MicroE圓光柵在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)上的應(yīng)用（見圖 4）。

在許多應(yīng)用場(chǎng)合需要依賴于精密回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：如回轉(zhuǎn)方式的計(jì)算機(jī)制版印刷系統(tǒng)、插裝機(jī)、輪廓測(cè)量、轉(zhuǎn)臺(tái)、機(jī)床的A、B和C軸、晶片處理和測(cè)角儀等，均使用角度測(cè)量系統(tǒng)。在高精度的應(yīng)用場(chǎng)合，傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)定位誤差、反向間隙、噪音，必須進(jìn)行更嚴(yán)格的維護(hù)。然而，設(shè)計(jì)者現(xiàn)在可以開發(fā)具備高扭矩及極小行程的內(nèi)精密伺服控制轉(zhuǎn)臺(tái)，因?yàn)榧虞d設(shè)備牢固地耦合在轉(zhuǎn)臺(tái)上，由傳動(dòng)引起的各種誤差得以消除，每種應(yīng)用各不相同，但均得益于MicroE圓光柵所提供的一些本質(zhì)特征：高精度，高分辨率，高重復(fù)性，輕便，省空間，易于安裝和可靠性。使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師很容易在原有產(chǎn)品上進(jìn)行升級(jí)改造。

圖4 數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部搭載MicroE圓光柵及編碼器

裝備MicroE超高分辨率的編碼器與MicroE圓光柵的完美組合，進(jìn)行以納米為單位的插補(bǔ)和反饋，進(jìn)行高速，高精度，高效率的加工和測(cè)量。精密轉(zhuǎn)軸需要可靠、高精度的圓光柵作為角度位置反饋。輕巧的MicroE圓光柵提供優(yōu)異的精度的同時(shí)，它結(jié)構(gòu)緊湊、易于安裝。簡(jiǎn)化了電纜和其它設(shè)備通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)的路徑。同樣，由于MicroE圓光柵是開放式圓光柵，它消除了軸的扭矩誤差、反向間隙、機(jī)械滯后或密封和軸承的摩擦。另外，直接安裝的圓光柵與轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部，可使轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，實(shí)現(xiàn)零耦合誤差的最佳伺服控制。滿足汽車，電子，機(jī)械，醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域的客戶需求。

圖5 裝備MicroE圓光柵的DDR直驅(qū)電機(jī)在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工 （下圖為轉(zhuǎn)臺(tái)下的直驅(qū)電機(jī)）

例二：MicroE圓光柵在DDR直驅(qū)電機(jī)上的應(yīng)用（見圖5）采用無(wú)中間傳遞機(jī)構(gòu)的直接驅(qū)動(dòng)方式，直驅(qū)電機(jī)相比傳統(tǒng)電機(jī)有更好的動(dòng)態(tài)性能、更好的高低速特性，并能簡(jiǎn)化裝備結(jié)構(gòu)，降低故障率等。直驅(qū)電機(jī)廣泛應(yīng)用于高精度機(jī)床、半導(dǎo)體設(shè)備，自動(dòng)化生產(chǎn)線等相關(guān)裝備。目前它的應(yīng)用場(chǎng)合也越來(lái)越多，在要求高精度，高重復(fù)性，高效率的場(chǎng)合上國(guó)產(chǎn)品牌的反饋系統(tǒng)遇到了挑戰(zhàn)，美國(guó)MicroE公司的反饋系統(tǒng)，圓光柵和高性能編碼器很好的解決了這一技術(shù)難題，將MICROE圓光柵與高性能編碼器直接嵌入電機(jī)內(nèi)部，所帶來(lái)的反向間隙和其它機(jī)械滯后誤差均得以消除。DDR直驅(qū)電機(jī)與MicroE圓光柵的組合，提供了最佳匹配的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，它具備了高精度，高重復(fù)性，高效率得特點(diǎn)。精度可達(dá)到15角秒，分辨率為2角秒，是一個(gè)最為理想的反饋元件。

5 小 結(jié)

目前，美國(guó)GSI集團(tuán)公司Microe圓光柵及編碼器已經(jīng)廣泛被用于直驅(qū)電機(jī)和精密數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備上。其低慣量、小空間、安裝誤差寬泛等的特點(diǎn)大大提高了在其相關(guān)設(shè)備上的使用率，滿足了設(shè)備制造商對(duì)反饋系統(tǒng)的多項(xiàng)要求，如分辨率，定位精度，安裝空間和條件適應(yīng)性等。