针对直接驱动系统的测量技术
随着代机床向高速、高精、高表面品质和高稳定性的方向发展，直接驱动技术的应用日益扩增。直接驱动系统的优势，只有在控制系统、电机和测量系统相互协调和配合之下才能得以充分发挥，测量系统对于体现直接驱动系统性能而言至关重要。基于光电式单场扫描技术的直线光栅尺/角度编码器具有高精度、高分辨率和细分误差小的优势，非常适合直接驱动应用。
从控制理论方面看，由于半死循环机床控制系统无法克服机床传动机构产生的传动误差、高速往复运动时传动机构的热变形误差和磨损，全死循环作为可以消除传动误差的控制理论已越来越多地应用到现代机床控制中。驱动技术方面，因直接驱动与传统驱动相比具有高精度、高动态特性、低摩擦、维护简单和高效率等特点，在机床行业获得广泛应用。测量技术方面，由于绝对式编码和界面技术、光电式单场扫描技术等的应用，测量反馈组件的精度、分辨率和安全性有了很大提高。
数控机床的效率提高有赖于控制系统、电机、机械部件和测量系统等的相互协调与配合。正确选择测量系统，对于机床的性能特别是直接驱动系统具有重要作用。直接驱动系统效率的表现在很大程度上取决于位置测量组件的选择，对测量组件有极高要求：①高的测量精度；②小的细分误差；③高的分辨率；④无干扰。
直接驱动技术
直接驱动的最大优势在于其驱动组件（直线电机或力矩电机）和被驱动组件（工作台或转台）之间没有其它传动部件，连接刚性高，因此直接驱动系统的控制环系统增益可远远大于传统驱动系统。高增益有其优点，但同时也增加了对测量组件输出信号品质的要求，于直线电机而言为直线光栅尺，于力矩电机而言则为角度编码器。
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直接驱动用直线光栅尺/角度编码器
直线光栅尺或角度编码器的光栅刻线采用光刻工艺刻制在玻璃或钢带基体上，这种刻线栅距极小且边沿清晰、均匀。配合非接触的光电式单场扫描技术和优质的信号处理电路，直线光栅尺和角度编码器可为直接驱动系统提供高精度、高分辨率和小细分误差的高品质信号，对污染相对不敏感（压题图中，红色区域为污染），最终保证驱动系统的位置测量精度、速度稳定性和较为恒定的温度，确保系统的平稳运行。
细分误差对直接驱动的影响
测量组件在采用增量式或绝对式测量方法获得两个相位差为90°的位置信号后，需进行进一步细分来达到所需分辨率。实际输出位置信号由于扫描方式、污染和后续电子处理等原因，会与理想正弦信号有偏差。在进行细分时，这种偏差会在一个信号周期内产生周期性的高频误差，即单信号周期内的误差或细分误差。
细分误差取决于测量组件的信号周期、刻线品质和扫描品质。目前采用光电式单场扫描的位置测量组件可将细分误差限制在信号周期的1%左右，例如信号周期为20μm的直线光栅尺，其细分误差为0.2μm。
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细分误差不但影响直接驱动系统的定位精度，更会影响速度控制环的稳定性。控制系统的速度控制环按照进给系统的定位误差对驱动系统的工作电流进行计算，进而控制直线电机或力矩电机实施加减速。数控机床进给速度较低时，进给系统跟随细分误差。直接驱动系统由于高增益由此控制带宽大，在一个较大的速度范围内受细分误差影响较大。在铣削工件时，由于细分误差的影响，工件表面会有波纹状加工痕迹，严重影响到工件的表面品质，如图3所示。一般说来，波纹状痕迹的波长和振幅与细分误差成正比。
由于细分误差的存在，直接驱动的电机内部会产生附加电流，从而产生额外的热量和噪音。细分误差和电机进给速度越大，电机发热量和噪音越大。此外，控制系统从测量组件获取位置值时，若位置信号分辨率与细分误差较为接近，细分误差会被辨识为机床进给系统的运动误差，控制系统会随机性地向进给系统发送补偿信号。这会导致控制系统震荡，直线电机的导轨等机床运动部件长时间高频往复运动，从而加速磨损、降低使用寿命。
直接驱动系统的动态特性
直接驱动系统具有良好的动态特性，经常有高速、高加速度进给运动，这要求测量系统有良好的信号品质、高的电气运动速度和优异的抗振、抗冲击性能。光电式单场扫描直线光栅尺和角度编码器的信号品质高，光栅刻线和读数头之间的无接触测量使其无磨损，且抗振、抗冲击性能良好，电气运动速度可达180 m/min。
综上所述，针对直接驱动系统的应用特点，光电式单场扫描直线光栅尺和角度编码器为其位置控制环和速度控制环提供了高精度、高分辨率、小细分误差的高品质信号，保证了驱动系统的高效、平稳运行，最终能够实现高速、高精、高表面品质和高稳定性的加工。
光动（苏州）精密仪器：以三维空间激光校准取代一维激光校准
全球化的竞争和品质标准，要求机床具有更高的定位精度、更小的公差及更高的进给率。为达到这些要求并加工出高品质高精度的零件，必须得测量机床的三维体积定位精度。
20 年前，机床的最大定位误差为丝杆的螺距误差及丝杆的热膨胀误差。而今，上述的大部分误差已被大幅降低，机床的主要误差转为垂直度误差和直线度误差。为了达到高的机床三维空间定位精度，机床上所有的3个位移误差、6个直线度误差和3个垂直度误差都必须得测量与补偿。如果依赖传统的激光干涉仪来测量的话，将是相当困难且费时费钱，往往需数日停机且只有经验丰富的行家才能完成测量工作。
美国光动公司（Optodyne, Inc.）专为机床三维体积定位误差测量开发了一种革命性的激光矢量测量技术（已获得美国专利）——它仅需数小时便可完成测量工作，而采用传统激光干涉仪的话将耗用几天时间。这使得三维体积定位误差测量和补偿变得实用的同时，还可兼顾更高的精度和更小的公差。
 图4 JOBS S.P.A. 公司五轴高速加工中心上使用光动公司专利许可的激光体积测量技术 |
意大利的一家公司JOBS S.P.A.是光动公司的用户之一，主要生产制造三轴和五轴高速线性马达驱动的标准机床。两年前JOBS购入光动公司的激光多普勒干涉仪（LDDM）以取代传统的激光校准设备。结合三维体积定位误差测量技术，或者结合分步对角线测量技术（也由光动公司发明），LDDM使JOBS很容易地做到精确的测量，并能在生产运作发生危机前就察觉到相关问题。使得JOBS公司很清楚地了解机床的误差，以及时地校准这些误差，因而以更有竞争性的价格交付给用户。
借助三维体积激光校准设备，分步对角线测量方法使用4条相同的对角线设置采集了12组资料。基于此资料，所有三个位移误差、六个直线度误差和三个垂直度误差都能确定。测得的定位误差可用来产生三维体积补偿表，此表进而能够被上载到Siemens 840D控制器以校准定位误差，从而提高了定位精度。
据 JOBS公司实际使用，采用光动的干涉仪以及分步对角线测量方法，只须很少的几次测量便能得到足够多的资料，非常清楚地显示出机床的状态。JOBS让一些常见问题迎刃而解，诸如装配误差、温度变化引起的误差以及结构产生的问题等，并没有增加装配时间。而且，用于三维体积校准的分步对角线测量最多需要7次测量，从这7次测量中可了解到大部分误差的类型及大小。
JOBS公司使用的光动公司的LDDM技术，采用了单光束的MCV-500及双光束的MCV-2002从一可移动的靶标上反射回调制过的激光光束，带有位置信息的光束被探测到并经过处理用来产生查找表，因而能使控制器补偿误差。
由于返回光束没有像传统的激光干涉仪那样对偏移有要求，因此设置起来非常快—仅需调整两个组件：一个单孔的发射和接受激光束的激光头，一个作为靶标的平面镜。实践证明，单光束的MCV-500利用分步对角线测量，只要中断很少装配时间便能得到三维体积定位误差，因此大幅降低了成本。
 图5 沿激光束方向的分步对角线位移测量及主轴或平面镜的分步移动示意图 |
激光和平面镜安置在主轴和工作台上，沿每一轴X轴、Y轴、Z轴分别及分步交替移动，如此重复直到走到对角线的对角上。所有三个轴每一步移动后对角线的定位误差就被采集到。这项技术采集了三倍的资料量，并可以实现对每一轴移动时位移误差的测量。见图5。
靶标移动的轨迹并不是直线，侧向移动是较大的。而传统的干涉仪不允许这么大的侧向移动，因而测不到资料。而LDDM激光干涉仪使用一平面镜作靶标，平行于镜子的移动不会转移激光束，也不会改变从光源来的距离。因此，测量不会受到影响。最多可以有四个工作位置的温度传感器连接到自动温度补偿单元。自动温度补偿也对诸如环境因素，如空气温度、大气压力以及机床温度的变化提供补偿。
[上文由光动（苏州）精密仪器有限公司供稿]
迈卓诺光笔测量仪——新一代可携式大尺寸坐标测量机
对于一些大型、重型制造行业，由于零件一般大而重，需要将尺寸检测在现场实时解决。基于这种需求，早在上世纪80年代，挪威迈卓诺测量系统有限公司（Metronor AS）基于摄影测量技术，开发了一系列光电式坐标测量系统——光笔测量仪，被广泛应用于汽车、航空航天、发电设备、工程机械等大/重型制造行业。
 图6 迈卓诺测量系统获得世界各大汽车厂商的采用 |
光笔测量仪主要由传感器（CCD相机）、采点系统（掌上型碳纤维光笔及测针）、计算机与测量软件组成。采用摄影测量技术，相机通过测量镶嵌在光笔上的多个红外发光二极管（LED）的坐标，得到光笔在空间的位置和姿态。由于光笔底端连接的测针经过精确校准，与光笔的几何关系唯一确定，被测点的三维坐标就可以精确计算出来。
光笔测量仪具有不少突出的优势。首先，它的便携性好，使用简单，非常适合在车间现场使用。整套系统包括计算机，被放置在一个1米长的拉杆箱内，总重不超过17公斤。在相机设置好后，即可用光笔进行测量。光笔重520g，拿在手上非常轻便。而且光笔与相机之间靠无线电通讯，无连接电缆，手持光笔，只要在相机的视野里，就可以进行测量。设备简单可靠，操作容易，可以在0-45℃正常工作。
其次，光笔测量仪集大尺寸与高精度测量于一身。作为一套基于摄影测量技术的光学坐标测量系统，其测量范围达30米。采用专利的图像处理与相机校准技术，空间长度测量精度可达25μm。不管是大型汽车焊装夹具，还是长达50多米的风机叶片，都能很好地满足测量尺寸和精度要求。
值得一提的是，出色的隐藏点测量能力，成为光笔测量仪突出的技术优势。光笔测量仪直接用探针采点测量，虽然它是一套光学测量设备，但用起来就是一台真正意义上的三坐标测量机，可便利地对各种几何元素进行测量。用户通过配备带有加长部分的光笔，结合探针和加长杆，便能轻易测量600mm或更深的隐藏位置。
 图7 迈卓诺光笔测量仪非常适于现场测量用途 |
此外，光笔测量仪具有独一无二的多点同步测量能力。除了使用光笔进行采点测量外，它还有另外一种测量方式—直接测量独立的LED光靶。将多个LED光靶固定在目标上，相机一次可同时采集多个点的坐标资料，从而实现六维测量、重复性测量、实时变形监控，动态坐标系下的测量等多种应用。
迈卓诺光笔测量仪可以说是为汽车制造业量身定制，应用到汽车制造业的各个环节：工装夹具检测，夹具重复性检测，生产线的安装与调试，车身部件及整车测量，模具检测等，在新车试制和车间现场测量方面发挥重要作用。
光笔测量仪在航空航天行业也有广泛的应用。大尺寸精确测量和出色的隐藏点测量能力，让迈卓诺的测量系统在飞机零部件和工装的测量方面大显身手。此外，该系统还广泛应用于大型铸、锻造，工程机械，大型发电设备，造船等重型制造行业。
[上文由挪威迈卓诺测量系统有限公司北京代表处供稿]
Handyscan手持可式三维激光扫描仪——提高机械装配效率
SAMES 是一家专业生产高精度静电雾化器的法国公司，它集研发、生产、销售和服务于一身，包括为汽车行业自动喷漆。最近，该公司地处罗马尼亚的小卡车生产基地获得法国雷诺授权，投入了一条自动化机械喷漆生产线，以使卡车车身的透明层喷漆过程实现自动化。于是，为了编辑喷漆轨迹以应用自动化机械，SAMES需要获得雷诺敞篷卡车1：1的三维图像。
一般情况下，SAMES必须使用几台扫描仪来创建汽车或卡车的IGES檔。为了更快更好地运作雷诺卡车这一项目，SAMES向Creaform公司寻求帮助。后者为专业研发和制造Handyscan 3D激光扫描产品线的公司，现拥有两支激光扫描产品团队和三维检测专家，分别位于加拿大和法国。来自法国分公司的两位专家来到位于罗马尼亚的雷诺汽车工厂，成功地在3天内完成对3辆雷诺敞篷汽车的扫描工作。
 图8 Creaform协助SAMES扫描卡车三维图像 |
SAMES工程小组表示，Creaform公司的REVscan激光扫描仪提供了他们所需的最完美解决方案。REVscan是一款小型便携式设备，使用时无需安装，扫描工程师一到达罗马尼亚工厂即可投入测量工作。
REVscan 能够扫描任何尺寸和形状的部件，所以只用一次就能够完成整辆敞篷式卡车的扫描。它与传统的三坐标系统不同，由于实际使用时定位目标点是直接贴在工件上的，无需保持工件不动，即使是地板颤动或其它可能对扫描仪造成的干扰都不会影响测量结果。设置参考系统时，先将定位目标点以不规则的网格状形式地贴在卡车表面，然后使用REVscan进行测量，结果会整合入卡车车身为基准的独立参考系统中。这样一来， Revscan可以根据目标点位置的不同来自动调整自己的位置。
REVscan还可直接创建STL檔。Creaform也能使用Geomagic Quality软件用以将文件传输资料整理后，在CATIA V5下进行资料后处理。
当扫描小组到达罗马尼亚5天后，SAMES工程团队就拥有了REVscan扫描仪采集到的整套资料。最终，小组使用此套数据进行编程以求得最佳喷漆轨迹，使自动化机械能够最高效且富有成果的执行喷漆透明层这一工序。
[上文由Creaform公司供稿]
Metris最新技术及汽车行业应用案例
近年来国内在检测系统应用上的沿革有目共睹，以汽车行业为例，汽车制造商往往在产品研发阶段便让检测系统介入，将获取的资料直接与CAD图比对，一旦发现差异便可立刻改正。也有汽车制造商在生产线上使用检测系统，比如：车门关不上，检测系统可追踪到生产线上出问题的那个环节并相应作出改善。
特别是近两年，汽车制造商运用测量技术做研发的情况日渐普遍。比如，在针对中国路况设计新型号的汽车时，在机械结构设计方面也要充分考虑国内实情。这相比此前只是改善汽车外型，而在机械结构上跟随普通设计的模式出现了明显区别。鉴于此，掌上型、可式的检测系统逐渐受到市场青睐。
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Metris K-Scan MMD是新一代掌上型激光扫描仪，为使用者提供灵活易用的光学三坐标解决方案。其为可式设置，容易安装，适合在测量实验室与车间内进行测量。K-Scan MMD的设计人性化，其测头能全方位被跟踪，不受机械约束。因此，能够对巨大工件作出全方位扫描，包括各种尺寸的汽车构件，以及对轿车和卡车作全车外型扫描。同时，K-Scan MMD亦能提供三维对比检测和逆向工程等。
以前，沃尔沃（Volvo）在比利时工厂正式生产新型号汽车时，都要使用模具及夹具去组装汽车，然后在三坐标测量仪上加上探针，以进行三维几何检测。这不仅费时费钱，而且经由探针获取的资料较为有限、分布零乱，很难用来做分析报告。借助Metris，支持线上组装的光学检测技术成功取代了原有的检测系统。Metris的三维激光扫描仪能于一秒钟内取得数千个点云，而且，这些点云与CAD图一比较，便能看出模具与原有设计图的差异。
