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现代位置测量技术的最新发展

　　更高的精度，更优质的位置信号，以及更可靠的性能是位置测量产品用户的一贯要求。鉴於此，绝对式测量技术、PRC编码刻綫技术、单场扫描技术、双向串列数字信号传输协议等先进技术或理念代表了位置测量技术的发展方向。

　　需要特别注意的是，位置测量系统的“安全功能”(Functional Safety)得到了前所未有的重视，并明确规定在最新的标准(如DIN EN IEC 61508和DIN EN ISO 13849等)中，未来数控机床等加工机械出口到欧洲时位置测量产品需要遵循相关标准。

　　绝对式位置测量系统

　　绝对式位置测量系统是当前测量系统的首选。采用绝对式位置测量系统，设备运行时直接能够得到当前位置值，无需回零，节省操作时间，提升生产效率，同时更加安全。绝对式位置测量系统能够在测量元件内部对位置测量值进行校验，以提高位置信息全性。

　　1. 超长绝对式直线光栅尺

　　随着绝对式刻綫编码技术的发展，海德汉（海德汉官方网站，海德汉社区，海德汉产品一览，海德汉应用案例）将绝对式直綫光栅尺的最长记录从LC 1x3的4,240mm刷新为LC 8x1的28m。LC 8x1为绝对式钢带光栅尺，其钢带刻线基体上有两个刻线轨道—绝对刻线和增量刻线。LC 8x1的绝对刻轨采用伪随机编码(PRC)，无需电池进行绝对位置记忆，开机即能找到当前实际位置，增加了绝对位置测量值的可靠性。同时，LC 8x1的绝对刻轨用於提供绝对位置信息，增量刻轨用於细分以提供高分辨率信号。

　　需要特别注意的是，LC 8x1内部采用位置信息校验机制，较好保证了提供给控制系统的位置测量值的可靠性。LC 8x1中的4个绝对位置测量场解码後的位置信息进行比对，能够去除缺陷位置值，最终在测量元件内部得到高可靠性位置值。

　　2. PRC编码绝对式角度编码器

　　尽管绝对式角度编码器已广泛应用於角度测量领域，但是对更高技术的追求幷未停滞。现有的绝对式角度编码器采用多道编码的增量光栅刻轨。绝对位置信息来自於编码的排列，机床开机後便可立即获得位置信息。栅距最小的光栅刻轨还能在细分後提供位置值，并同时产生增量信号。绝对式角度编码器的最新刻线方式与绝对式直线光栅尺类似，开始采用伪随机编码(PRC)绝对式刻线技术。

　　单场扫描技术

　　单场扫描技术於2004年由海德汉公司首先应用於直綫光栅尺後，凭借良好的信号质量和抗污染能力证明了它的技术领先性。前不久，海德汉公司在意大利米兰举办的EMO 2009中不但将PRC编码绝对式刻线应用於角度编码器，更是突破性地将单场扫描技术应用於角度编码器。

　　角度编码器的扫描掩模是一个大面积的光栅，其栅距与码盘上刻綫的栅距略微不同。沿LED光源方向，扫描掩模刻綫和码盘刻綫重合则光束穿过，扫描掩模刻綫和码盘狭缝重合则光束被遮挡，介於穿过和遮挡两种位置之间时，光束部分穿过。扫描掩模和码盘之间相对转动时，光束的强弱不断变化，投射到大面积的栅状光电池上，形成形状接近正弦波形、相位相差90°电子角的位置扫描信号。

　　与直綫光栅尺类似，单场扫描技术应用於角度编码器後较之四场扫描技术会提升位置信号质量，於数控加工而言，会提高工件的表面质量。同时，绝对式角度编码器采用单场扫描技术会提升其抗污染能力。

　　高安全性位置测量技术

　　1. 高安全性测量系统的要求

　　高安全性测量系统的目标是最大限度的降低控制风险，提高数控机床的安全性。因此，需要在相关被测位置提供冗余位置信息以满足控制安全性。“安全功能”这一先进概念被应用到位置测量产品中。当前，机床的安全性能已经明确规定在最新的标准中。未来，机床等加工机械出口到欧洲各国时需要遵循DIN EN ISO 13849标准，相应的也要求位置测量产品符合此标准。目前，实现高安全性测量值的方式主要有：

　　(1)分别由直线光栅尺和电机上的测速旋转编码器提供位置测量值，由数控系统进行对比校验。这种方式能提高位置测量值的安全性，同时对数控系统提出更高要求，也会因使用多个测量元件大大增加数控机床的重要零部件成本。

　　(2)单个测量元件提供双通道位置测量值，由数控系统进行对比校验。这种方式能够节省成本，但是同时对数控系统提出更高的要求。

　　(3)测量元件内部进行位置值校验，提供高可靠性位置测量值，从而实现“安全功能”。仅从位置测量值的可靠性角度而言，这种方式不会增加对数控系统的要求。当然，为充分发掘位置测量元件的功能，数控系统仍然需要对附带於位置测量值的冗余信息进行处理，以提高机床控制的安全性。

　　2. 高安全信号接口EnDat 2.2

　　同时，在位置测量值的传输过程中，往往会因为电缆长度和电机、电磁开关等噪声的干扰而降低位置信号质量，增加数控系统控制风险。

　　LC 8x1采用补偿细分器，通过快速纯串列接口EnDat 2.2进行信号传输，提高信号抗电磁干扰等噪声的能力，提供高质量的位置信号，同时大大增加可用电缆长度。

　　海德汉EnDat 2.2信号接口是一种编码器的双向串列数字接口，其接口参数中除包含基本的绝对位置信息外，还可提供至少2个附加信息用於位置值的故障诊断。其中，附加信息1主要包含诊断、位置值2、存储参数、测量值、温度等，附加信息2主要包含换向信号、加速度、限位元信号等。

　　在位置测量元件出现光源故障、信号幅值过低、位置值错误、供电电压过大/过小和电流消耗过大等故障时，附加信息1会提供出错信息，用於安全控制系统进行诊断所用。此外，EnDat 2.2接口允许位置信息只通过4条信号线进行传输，减少因电缆故障引起的位置信号出错可能性。

　　3. 高安全性控制系统

　　高安全性测量系统需要安全控制系统的支援。符合HSCI(海德汉串列控制接口)协定的海德汉iTNC 530数控系统采用双通道控制系统架构，所有位置信号通过双通道进行获取、处理和输出。

　　海德汉绝对式位置测量系统的EnDat主单元提供两个处理器接口1和2，位置1、位置2和附加信息通过两个接口可靠地传输给安全控制系统的两个独立接口(双通道结构)。

　　此外，iTNC 530系统中提供位置测量元件诊断模块，能够对绝对式编码器的增量刻轨和绝对刻轨分别进行诊断，幷进行综合评估，判断位置测量元件工作正常与否幷进行相应的处理。

　　总结

　　现代制造业发展迅猛，特别是数控机床的发展呈现出高速、高精、高表面质量、高安全性等特点，这要求位置测量产品具备更高的精度、更优质的位置信号、更可靠的性能等特性。本文所介绍的先进技术或理念代表着位置测量技术的发展方向，不断适应幷引导着数控机床的发展。