编码器如何在多轴伺服控制系统中实现同步精密运动？

自动化制造推动了目前许多高科技仪器的发展和广泛使用。 时尚美观的手机依赖于复杂的金属加工技术和精细的表面处理能力，生产制造机械零件所需的芯片和模具。 手机中小型强力电子器件的生产依赖于自动化IC晶片处理和精密引线接合设备。 大型设备同样需要高精度和高质量的表面处理。 例如，现代喷气发动机依赖于精密匹配精细平衡的涡轮叶片，实现了高油耗和安静的工作。 先进的电控和复杂形状的精密发动机部件可以优化燃烧过程，提高汽车发动机的燃油经济性。

铣床沿着规定的路径移动高速旋转的切割工具，切削固体金属块生产金属制品零件。 精密加工是一个多阶段的过程，可以先进行粗糙的切削，然后经过多次细致的切削来满足要求。 多个电机驱动进给主轴和多个螺钉定位刀具头。 电机的位置和速度伺服驱动器的功率和刚性决定了支持特定表面处理精度水平的zui大切削速度。 因此，高性能的电机驱动器可以提高切削速度，减少切削次数，直接影响铣削工艺的效率。 通过为每个操作选择zui佳的运动方案，并将更换刀具的时间降至zui低，可以提高工作效率和能源效率。 生产质量取决于丝杠的精度、电机驱动轴的位置和速度控制。 zui新的铣床有5个以上的控制轴，能够以zui小的工件设定操作次数加工复杂的形状。 用于大批量生产线的专用加工中心包括更多的伺服驱动器，支持多种金属加工的并联操作和类机器人功能，完全自动化加工过程。 机械设计师面临的挑战是使多个伺服驱动轴的操作和运动方案同步，在保持产品质量不变的同时，使机械的吞吐量效率zui大化。

精密运动控制

控制现代工厂中使用的自动化设备的各种设备如图1所示。 中央数字控制器(CNC )或可编程逻辑控制器(PLC )管理机械的操作，并按机械内的伺服电机轴生成运动轨迹计划。 各伺服驱动器包括用于管理机械系统的动态特性、电磁转矩生成、电路的动态特性的多个控制环路。 各控制设备的性能对机械的吞吐量效率和表面处理质量很重要。 计算机辅助制造(CAM )工具根据产品图纸、材料特性、机械和刀具能力，生成产品所需的机械加工操作组合运动方案。 然后，自动化机器执行这些方案来制造产品。

图1 .自动化设备控制系统

如何实现同步

如何在多轴伺服控制系统中实现同步精密运动？ 完整的机械控制功能包括多个级联控制环路。 CNC考虑将旋转转换为直线运动的螺纹机构，将机械空间(x、y、z )的运动结构转换为各电动机轴的(或)运动结构。 每个运动配置都由时间内的位置或速度集合定义。 轴之间的定时同步非常重要，因为定时误差对一个轴的影响与位置和速度误差相同。伺服驱动速度环的功能是计算追随目标速度曲线所需的电机转矩指令(T* )。 精加工的精度和表面质量取决于机器能否准确地沿着目标路径移动切削刀具。 机械加工的难题是金属切削工艺不连续。 由于材料会作为碎片脱落，伺服驱动负荷也会迅速变化。 速度环须不受负荷变动的影响，在切削操作中维持一定的速度，在刀具更换操作中能够迅速响应速度指令。 低速时控制质量的高低取决于位置反馈的分辨率。 由于需要高采样率微分器，因此会生成高动态速度信号。 用于机床驱动的精密编码器使用高速模数转换器在编码器计数之间进行插值，提供更高的分辨率。 例如，4096行编码器采用简单的数字接口时，将提供14/转的位置分辨率。 采用插补方式时，其分辨率至少22位/旋转位置分辨率提高到22位后，在4位速度分辨率和1 RPM的条件下可以达到4 kHz。 以前在4位速度分辨率和60 RPM的条件下，采样率只有1 kHz。

图2 .两相永磁交流电机的磁场对准