更高的精度，更優(yōu)質(zhì)的位置信號，以及更可靠的性能是位置測量產(chǎn)品用戶的一貫要求。鑒於此，絕對式測量技術(shù)、PRC編碼刻綫技術(shù)、單場掃描技術(shù)、雙向串列數(shù)字信號傳輸協(xié)議等先進(jìn)技術(shù)或理念代表了位置測量技術(shù)的發(fā)展方向。

需要特別注意的是，位置測量系統(tǒng)的“安全功能”（Functional Safety，如下圖）得到了前所未有的重視，并明確規(guī)定在最新的標(biāo)準(zhǔn)（如DIN EN IEC 61508和DIN EN ISO 13849等）中，未來數(shù)控機(jī)床等加工機(jī)械出口到歐洲時位置測量產(chǎn)品需要遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

直線光柵尺和角度編碼器
絕對式位置測量系統(tǒng)

絕對式位置測量系統(tǒng)是當(dāng)前測量系統(tǒng)的首選。采用絕對式位置測量系統(tǒng)，設(shè)備運行時直接能夠得到當(dāng)前位置值，無需回零，節(jié)省操作時間，提升生產(chǎn)效率，同時更加安全。絕對式位置測量系統(tǒng)能夠在測量元件內(nèi)部對位置測量值進(jìn)行校驗，以提高位置信息全性。

1. 超長絕對式直線光柵尺

隨著絕對式刻綫編碼技術(shù)的發(fā)展，海德漢將絕對式直綫光柵尺的最長記錄從LC 1x3的4,240mm刷新為LC 8x1的28m。LC 8x1為絕對式鋼帶光柵尺，其鋼帶刻線基體上有兩個刻線軌道—絕對刻線和增量刻線。LC 8x1的絕對刻軌采用偽隨機(jī)編碼（PRC），無需電池進(jìn)行絕對位置記憶，開機(jī)即能找到當(dāng)前實際位置，增加了絕對位置測量值的可靠性。同時，LC 8x1的絕對刻軌用於提供絕對位置信息，增量刻軌用於細(xì)分以提供高分辨率信號。

需要特別注意的是，LC 8x1內(nèi)部采用位置信息校驗機(jī)制，較好保證了提供給控制系統(tǒng)的位置測量值的可靠性。LC 8x1中的4個絕對位置測量場解碼後的位置信息進(jìn)行比對，能夠去除缺陷位置值，最終在測量元件內(nèi)部得到高可靠性位置值。

2. PRC編碼絕對式角度編碼器

盡管絕對式角度編碼器已廣泛應(yīng)用於角度測量領(lǐng)域，但是對更高技術(shù)的追求幷未停滯。現(xiàn)有的絕對式角度編碼器采用多道編碼的增量光柵刻軌。絕對位置信息來自於編碼的排列，機(jī)床開機(jī)後便可立即獲得位置信息。柵距最小的光柵刻軌還能在細(xì)分後提供位置值，并同時產(chǎn)生增量信號。絕對式角度編碼器的最新刻線方式與絕對式直線光柵尺類似，開始采用偽隨機(jī)編碼（PRC）絕對式刻線技術(shù)。

單場掃描技術(shù)

單場掃描技術(shù)於2004年由海德漢公司首先應(yīng)用於直綫光柵尺後，憑借良好的信號質(zhì)量和抗污染能力證明了它的技術(shù)領(lǐng)先性。前不久，海德漢公司在意大利米蘭舉辦的EMO 2009中不但將PRC編碼絕對式刻線應(yīng)用於角度編碼器，更是突破性地將單場掃描技術(shù)應(yīng)用於角度編碼器。

角度編碼器的掃描掩模是一個大面積的光柵，其柵距與碼盤上刻綫的柵距略微不同。沿LED光源方向，掃描掩模刻綫和碼盤刻綫重合則光束穿過，掃描掩模刻綫和碼盤狹縫重合則光束被遮擋，介於穿過和遮擋兩種位置之間時，光束部分穿過。掃描掩模和碼盤之間相對轉(zhuǎn)動時，光束的強(qiáng)弱不斷變化，投射到大面積的柵狀光電池上，形成形狀接近正弦波形、相位相差90°電子角的位置掃描信號。

與直綫光柵尺類似，單場掃描技術(shù)應(yīng)用於角度編碼器後較之四場掃描技術(shù)會提升位置信號質(zhì)量，於數(shù)控加工而言，會提高工件的表面質(zhì)量。同時，絕對式角度編碼器采用單場掃描技術(shù)會提升其抗污染能力。

高安全性位置測量技術(shù)

1. 高安全性測量系統(tǒng)的要求

高安全性測量系統(tǒng)的目標(biāo)是最大限度的降低控制風(fēng)險，提高數(shù)控機(jī)床的安全性。因此，需要在相關(guān)被測位置提供冗余位置信息以滿足控制安全性。“安全功能”這一先進(jìn)概念被應(yīng)用到位置測量產(chǎn)品中。當(dāng)前，機(jī)床的安全性能已經(jīng)明確規(guī)定在最新的標(biāo)準(zhǔn)中。未來，機(jī)床等加工機(jī)械出口到歐洲各國時需要遵循DIN EN ISO 13849標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的也要求位置測量產(chǎn)品符合此標(biāo)準(zhǔn)。目前，實現(xiàn)高安全性測量值的方式主要有：

（1）分別由直線光柵尺和電機(jī)上的測速旋轉(zhuǎn)編碼器提供位置測量值，由數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行對比校驗。這種方式能提高位置測量值的安全性，同時對數(shù)控系統(tǒng)提出更高要求，也會因使用多個測量元件大大增加數(shù)控機(jī)床的重要零部件成本。

（2）單個測量元件提供雙通道位置測量值，由數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行對比校驗。這種方式能夠節(jié)省成本，但是同時對數(shù)控系統(tǒng)提出更高的要求。

（3）測量元件內(nèi)部進(jìn)行位置值校驗，提供高可靠性位置測量值，從而實現(xiàn)“安全功能”。僅從位置測量值的可靠性角度而言，這種方式不會增加對數(shù)控系統(tǒng)的要求。當(dāng)然，為充分發(fā)掘位置測量元件的功能，數(shù)控系統(tǒng)仍然需要對附帶於位置測量值的冗余信息進(jìn)行處理，以提高機(jī)床控制的安全性。

2. 高安全信號接口EnDat 2.2

同時，在位置測量值的傳輸過程中，往往會因為電纜長度和電機(jī)、電磁開關(guān)等噪聲的干擾而降低位置信號質(zhì)量，增加數(shù)控系統(tǒng)控制風(fēng)險。

LC 8x1采用補償細(xì)分器，通過快速純串列接口EnDat 2.2進(jìn)行信號傳輸，提高信號抗電磁干擾等噪聲的能力，提供高質(zhì)量的位置信號，同時大大增加可用電纜長度。

海德漢EnDat 2.2信號接口是一種編碼器的雙向串列數(shù)字接口，其接口參數(shù)中除包含基本的絕對位置信息外，還可提供至少2個附加信息用於位置值的故障診斷。其中，附加信息1主要包含診斷、位置值2、存儲參數(shù)、測量值、溫度等，附加信息2主要包含換向信號、加速度、限位元信號等。

在位置測量元件出現(xiàn)光源故障、信號幅值過低、位置值錯誤、供電電壓過大/過小和電流消耗過大等故障時，附加信息1會提供出錯信息，用於安全控制系統(tǒng)進(jìn)行診斷所用。此外，EnDat 2.2接口允許位置信息只通過4條信號線進(jìn)行傳輸，減少因電纜故障引起的位置信號出錯可能性。

3. 高安全性控制系統(tǒng)

高安全性測量系統(tǒng)需要安全控制系統(tǒng)的支援。符合HSCI（海德漢串列控制接口）協(xié)定的海德漢iTNC 530數(shù)控系統(tǒng)采用雙通道控制系統(tǒng)架構(gòu)，所有位置信號通過雙通道進(jìn)行獲取、處理和輸出。

海德漢絕對式位置測量系統(tǒng)的EnDat主單元提供兩個處理器接口1和2，位置1、位置2和附加信息通過兩個接口可靠地傳輸給安全控制系統(tǒng)的兩個獨立接口（雙通道結(jié)構(gòu)）。

此外，iTNC 530系統(tǒng)中提供位置測量元件診斷模塊，能夠?qū)^對式編碼器的增量刻軌和絕對刻軌分別進(jìn)行診斷，幷進(jìn)行綜合評估，判斷位置測量元件工作正常與否幷進(jìn)行相應(yīng)的處理。

總結(jié)

現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展迅猛，特別是數(shù)控機(jī)床的發(fā)展呈現(xiàn)出高速、高精、高表面質(zhì)量、高安全性等特點，這要求位置測量產(chǎn)品具備更高的精度、更優(yōu)質(zhì)的位置信號、更可靠的性能等特性。本文所介紹的先進(jìn)技術(shù)或理念代表著位置測量技術(shù)的發(fā)展方向，不斷適應(yīng)幷引導(dǎo)著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。(end)