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聚焦光栅

2016年3月

绝对式与增量式光栅系统 — 您需要的是哪一种?

现代光栅产品分为两大类:增量式光栅系统和绝对式光栅系统。这两种类型均可用于不同行业的直线和回转轴位置反馈。那么系统设计师如何为他们的应用选择合适的光栅系统呢?有一些需要考虑的功能和性能差异:

是否需要参考零位?

SYMETRIE IA DEA六轴机器人

最大的差别可能是绝对式光栅系统不需要基准(参考)回零。在每次运行之前,绝对式光栅不需要参考回零循环,这一点对某些应用而言非常关键。回零会浪费一定时间,如果机器有多个轴,那么回零循环可能变得既复杂又耗时。同样,如果断电后强制参考回零,某些类型的机器人(如六轴机器人和晶片传送机械臂)可能会造成自身或其有效载荷的损坏。

离散位置请求与连续输出

一个机器控制器通常每隔65 µs (15 kHz) 会向绝对式光栅请求一次位置,因此每个读数均有一个离散时间间隔。这对高精度的速度控制具有不良影响,尤其是在DDR电机等应用中。增量式光栅系统生成的连续正弦输出有助于减少速度误差,从而减少速度纹波。纹波效应部分归因于出于控制高刚性伺服电机的需要而提高控制增益,由此导致光栅输出的微小误差被放大。在柔版印刷等应用中,比如卷筒料处理,由于速度纹波会导致涂层不均匀以及基体上出现多余的水平条纹,因此重点会放在实现“完美”的速度控制上。

速度

Amicra Nova

数字增量式光栅的最大速度取决于接收电子装置的最大输入频率 (MHz) 和所需的分辨率。因此,由于接收电子装置的最大频率已固定,所以提高分辨率将导致最大速度相应降低,反之亦然。绝对式光栅不会受到这种情况的影响,可确保高速和高分辨率运行。这是因为位置根据需求和使用串行通信确定,这使得系统设计师能够自由设计在高速和高分辨率下工作的机器。示例应用包括表面贴装技术 (SMT) 行业中的贴片机,在该行业中,提高定位速度和精度是一个持续不断的发展趋势。

周期误差

对于增量式光栅,周期误差的主要来源有两个。一个是由光学滤波系统产生的带有谐波的条纹波形,另一个是电子装置,其中包括光电探测器和IC,这些装置均可产生利萨如偏置和椭圆度。光学滤波系统可通过设计适当产生无谐波的条纹波形。在纯(单码道)绝对式系统中,周期误差的主要来源是失真。失真是当以相同速率采样时与其他波形相同的正弦信号;当大量的频率被传送到光电探测器上时失真便成为问题。增量式系统采用的光学滤波系统能够降低这种影响,然而,由于会增加等待时间,绝对式系统一般不会使用数字滤波系统。在绝对式光栅系统中,失真现象通常带来大约 ≤10 µm的周期性误差,该现象由周期性光电探测器的刻划周期分散采样所致;通过精心设计,一些光学滤波系统可降低这种影响,从而将相关误差幅值降到10 nm以下。精心设计的增量式光栅可能比同等功能的绝对式光栅具备稍好一些的周期误差。

抖动

在增量式和绝对式系统中,抖动的根本原因是在广泛的频率范围内发生的各种类型的噪声(例如散粒、约翰逊和1/f)*。可通过滤波系统减少这些影响,缩小由光栅传送到运动控制系统的频率范围(带宽)。增量式光栅的位置信息是连续传输的,因此可通过限制(模拟)正交信号的带宽来减少抖动,但这也降低了光栅的最高速度(参见速度)。例如,TONiC™光栅可通过将最大速度限制到1 m/s以下来实现最佳抖动性能。在绝对式光栅系统中,位置信息是以离散的时间间隔获得的,因此在每个测量结果中,位置抖动就是不确定性。不可能以同样的方式限制带宽,尽管可使用某些数字滤波功能来减少抖动。结果表明,绝对式光栅的位置抖动比经优化的增量式光栅系统稍大一些。对于要求位置非常稳定且能够承受较高刚性的高精度科研用移动平台,增量式光栅通常是首选。

最终,还是要根据应用来选择合适的光栅。尽管两种系统的精度都很高,但还是存在分辨率/速度两方面的权衡问题,如图所示。

在选择最佳光栅解决方案以及了解其技术规范方面,雷尼绍将始终为系统设计师提供支持,如有任何问题,请联系我们

* 散粒噪声是因为电荷的不连续性造成的。散粒噪声是在光电探测器等光学设备上存在的一种典型的光子计数。

约翰逊噪声是由导体或电子设备中的电子热搅动生成的随机白噪声。

粉红 (1/f) 噪声是一种带频谱的信号,因此功率谱密度(每赫兹的能量或功率)与信号的频率成反比。在粉红噪声中,每个倍频程(一半/两倍频率)具有等量的噪声功率。

2016年2月

在考虑为应用购买什么样的光栅时,客户可能只考虑“资金成本”或购买价格。这可能是由于误解了优质光栅给其生产过程创造的真正价值,以及增量式和绝对式光栅的各自优点而导致的。在决定购买光栅系统时,买家/定制人需要考虑总拥有成本 (TCO) 和投资回报 (ROI) 的效益,而不是仅仅考虑资金成本。简单来说,TCO是整个使用周期内的投资价值,而ROI是同期从原始资本投资获得的收益。对光栅系统而言,这些术语看似陌生,但我们可以通过举例的方式来适当说明。当光栅系统在特定过程中带来时间优势时,可以很容易确定它的成本效益。这可能是速度技术指标提高带来的结果,但可以通过比较增量式和绝对式光栅系统之间的差别来简单说明。

由于消除了回零循环,用于平板显示器 (FPD) 制造过程应用(如FPD制造)的绝对式光栅系统的成本效益如下表所示。所有数字都是近似估算值,但能够体现行业的平均水平*。

成本 / 效益增量式光栅系统绝对式光栅系统
系统成本估值(1 m栅尺)£600£900
每小时参考循环次数0.50
最长参考时间15 s0
轴数33
机器小时费率£36.00£36.00
操作员小时费率£8.00£8.00
机器使用年限33
机器正常运行时间80%80%
每小时损失时间7.5 s0 s
每小时成本£0.073£0.00
机器整个寿命内的成本(3x轴)£1,281£0.00
ROI(仅限光栅) 42.3% (£381)

*假设每周七天每天16小时(双班制),全年运行。货币单位为英镑。

在本案例中,绝对式光栅的主要优点是消除了回零(返回基准位置)循环。与增量式光栅相比,绝对式光栅能够按需采集位置信息,还可以在停机重启时无需首先返回基准位置。总体效益是平均每小时节省几秒钟,通过购买具有高可靠性、可升级且维护要求少的光栅系统也能节省时间。尽管几秒钟看似微不足道,但是一台3轴机器3年使用寿命的总体成本就相当可观。东南亚一个有代表性的FPD工厂大约拥有500台机器,因此,每个工厂总的ROI约为65万英镑。通过对光栅购买决策过程严格执行适当的成本效益分析,可以取得非常显著的财务收益。

重要的是,买家要拒绝将光栅简单地作为普通产品进行购买的念头。资金成本可能只是冰山一角。

随基体伸缩栅尺与自由伸缩栅尺

开放式直线光栅系统包含两个主要部分:读数头和栅尺。对于高规格运动系统,栅尺的安装方式对系统性能有极大的影响,特别是热性能。

栅尺的安装方式有两种,即随基体伸缩安装自由伸缩安装

为了明智地选择系统最佳部署方式,运动系统设计师必须了解这两种不同的栅尺安装方式的差异,以及它们在任何指定的位置反馈应用中的优势/劣势。

随基体伸缩栅尺

随基体伸缩栅尺采用某种方式(例如,环氧树脂胶粘合的“端压块”)将栅尺的两端牢牢固定在基体上,从而确保栅尺和基体的轴向膨胀和收缩一致。换句话说,栅尺的热膨胀系数 (CTE) 与基体匹配,或者与基体的热膨胀系数“绑定”。

参考限位和压片

通常使用符合标准的双面不干胶带将栅尺粘贴到端压块之间的基体上。这可确保当温度变化导致栅尺膨胀或收缩时栅尺的线性性能不变。

随基体伸缩固定方式只有在栅尺横截面和刚度明显小于基体的横截面和刚度时才可行,如此便可确保在可预测的热膨胀过程中不会影响栅尺的机械稳定性。

该方法的主要优点是栅尺的热膨胀特性容易掌握,因为它与基体的热膨胀一致。

自由伸缩栅尺

相反,自由伸缩栅尺必须独立安装,以便不受基体热膨胀的影响。为了调节栅尺和基体之间不同的热膨胀,栅尺必须只能将一个部位牢牢固定在基体上,其他部分通过双面不干胶带、多个固定夹或合适的栅尺导轨来固定。

完整的FASTRACK™直线光栅系统安装

然而,无论采用何种固定方式,所谓的自由伸缩栅尺始终不可能真正脱离基体实现完全自主的热膨胀。这是因为摩擦和其他效应必然会导致位置扰动和潜在滞后,因此,有效的热膨胀系数与自由状态下栅尺材料的热膨胀系数并不完全等同。可针对自由伸缩栅尺安装方式(不干胶带、夹子和导轨)的这一特性建模以便提供设计指导,但是在实践中难以做到直接平衡补偿。然而,自由伸缩栅尺的精度通常很高,特别是在栅尺材料具有非常低的热膨胀系数时。

雷尼绍提供自由伸缩(RTLRSLREL系列)和随基体伸缩(RGS系列)栅尺安装系统。