摘要：隨著直線電機和直接驅動技術的發展，直線電機及直接驅動技術已經廣泛應用于電子生產設備和精密數控機床領域。其低慣性矩、高加速度、高速度的特點提高了電子生產設備的生產效率，滿足了從晶圓到集成電路以及PCB組裝日益增長的生產需要。 傳統的光柵編碼器在數控和伺服領域得到的了廣泛的應用，但在直線電機和直接驅動領域受到了來自美國GSI集團公司MicroE光柵編碼器的挑戰。MicroE光柵編碼器具有抗電磁干擾能力強、高速度、小尺寸和使用靈活方便的優勢，近年來在直線電機和直接驅動應用領域被廣泛采用。 MicroE光柵編碼器采用獨特的光學系統，應用了大規模集成電路和FPGA技術，配合先進的軟件算法，使其在同樣分辨率的情況下做到尺寸最小，重量最輕，速度最快，安裝誤差要求最低；配合MicroE公司提供的PC端軟件，客戶可以自己定制編碼器的分辨率和工作頻率，方便了在不同場合的應用，減少庫存要求；MicroE編碼器另一個顯著的特點是同一讀數頭可以讀取不同類型的光柵，適應金屬和玻璃光柵，圓形和直線光柵通用。 本文從幾個典型設備的應用，介紹MicroE光柵編碼器與直線電機配合使用的特點和效果。包括IC封裝測試設備、PCB貼片設備、激光加工設備等領域。 關鍵詞：直線電機、光柵編碼器、MicroE、…… 1.引言 直線電機和直接驅動技術在機電設備上的應用越來越廣泛，目前在數控機床、精密測量、激光加工、晶圓制造、IC封裝測試、PCB組裝等設備領域都能找到典型的范例。由于這類設備對速度、加速度和精度的要求按照摩爾定律的模式上升和提高，旋轉伺服電機加絲杠的控制模式已經不再適應其需要，取而代之的是直接驅動電機加直接反饋的模式。 作為直接驅動電機系統的直接反饋裝置，光柵編碼器發揮了重要作用。與其它的反饋裝置相比較，光柵編碼器無論在性價比還是在易用性等方面都有很大的優勢。對于采用直接反饋的直接驅動系統，一般來說對反饋裝置都會有以下幾方面的要求：精度和速度根據設備要求變化、安裝難易程度越簡單越好、尺寸盡量小一些、抗污染能力更強、庫存少、價格有優勢等等。從應用的角度，美國GSI集團MicroE光柵編碼器在這些方面可以很好的滿足要求，在很多使用直線電機和直接驅動的場合得到廣泛應用。MicroE光柵編碼器最高運行速度7.2米/秒，最高分辨率1.2納米可以滿足高精度高速度應用；獨有的可編程特性可以由用戶現場改變分辨率和頻率，配置靈活，可以有效地減少設計工作量和庫存；微型尺寸占用最少的安裝空間，方便地嵌入到運動系統之中；具備最寬泛的安裝誤差，有效減少安裝調試的時間；部分型號同一讀書頭可以選配金屬尺帶式光柵或玻璃光柵，圓光柵或直線光柵的特性，使得MicroE光柵的應用范圍更加廣泛，靈活配置，大大減少庫存品種和數量；智能化的PC端軟件為編碼器的安裝調試、性能評估和故障診斷提供了便利。 2.MicroE編碼器產品特點 自上世紀九十年代起，美國MicroE系統公司的精密光柵和運動控制產品開始在硬盤生產、電子設備等領域得到重視和應用。到目前為止，其光柵編碼器產品已經行程完整的系列，可以滿足眾多領域的需要，促進了直接驅動和直接反饋技術的發展。 MicroE光柵產品采用了PurePrecision光學結構，擁有多項專利技術（圖1）。該項技術保證MicroE編碼器周期高倍差補細分情況下信號的高強度和準確性，使其細分倍數可以達到16384；而且測量范圍大，對安裝調整公差要求很寬松；實現了編碼器讀數頭的微型化。 [align=center] 圖1 PurePrecision光學結構[/align] MicroE編碼器獨特的可編程功能對工業控制，尤其是多品種、小批量的工業設備生產帶來了很大的好處，可以有效地減少設計工作量，減少庫存品種和數量。其可編程特性主要體現在可以對編碼器信號進行規定范圍內的整數倍細分，如M2000編碼器可以4到256倍細分，MII4800編碼器可以4到16384倍細分，客戶可以根據控制系統的要求、設備精度指標以及工作速度的要求優化選擇分辨率，不需更改設計和編碼器的選型；信號輸出的頻率可以根據運動控制器或信號采集設備的接收能力分檔次控制，保證輸出信號的可靠性。 這些功能得益于MicroE的SmartPrecision電子放大器專利設計技術。該技術特有的自動增益調整和可編程特性，不僅使MicroE編碼器配置靈活，而且保證在高加速度和高速運動的場合能采集到足夠強度的位置信息，并自動調整信號的增益，從而有很好的速度-分辨率比率關系。如圖2，是MicroE編碼器與其它品牌的光柵編碼器的速度比較，可見MicroE編碼器更適合高速應用的場合。直線電機和直接驅動系統的快速性使MicroE編碼器與其廣泛配套成為可能。 [align=center] 圖2 MII系列編碼器速度/分辨率特性及與其它品牌產品的比較[/align] 其MII系列編碼器（圖3），分為數字輸出、模擬輸出和可編程三個子系列，主要特點是配置靈活，應用范圍寬，抗干擾能力強。尤其是MII4000可編程系列編碼器線性分辨率從5微米到1.2納米，旋轉分辨率達到每圈268兆脈沖輸出，細分倍數從4到16384可編程控制；使用同一個讀書頭，不僅適合線性或圓形光柵，而且可以選配玻璃光柵或金屬尺帶光柵，適合各種精度要求的應用。MII1600數字輸出和MII1900模擬輸出編碼器，性價比高，適合多種工業設備的需求。 [align=center] 圖3 MII系列光柵編碼器[/align] MII光柵編碼器所采用的金屬光柵尺可以在30米的范圍內任意裁切，其寬度和厚度分別為6毫米和0.3毫米，可以方便地直接粘貼在工件表面。 MII編碼期另外一個顯著的特征是采用了光學零位和左右限位。零位和限位都可以直接貼在光柵尺長度方向的任意位置，不占用任何空間，而且有很高的精度。對MII可編程光柵編碼器而言，零位信號的精度達到1個分辨率寬度，可以雙向定位。 [align=center] 圖4 粘貼式光學零位和限位 圖5 與其它品牌光柵零、限位結構方式的比較[/align] MicroE的Mercury系列和ChipEncoder編碼器尺寸更小，品種齊全。不僅有可編程編碼器，模擬和數字輸出編碼器，還有真空編碼器和雙路輸出編碼器。 真空編碼器適用于10-8托的真空環境，讀數頭尺寸只有20.6x12.7x5.7毫米，與Mercury其它編碼器的尺寸相同。其信號處理系統以及調試軟件和其它Mercury編碼器通用，既有數字輸出的型號，也有可編程型號。 [align=center] 圖6 Mercury真空編碼器[/align] 雙路輸出編碼器專為高精度圓形光柵定制，可以實現兩路編碼器信號的即時處理。兩路編碼器信號可以疊加、差分后輸出，消除測量誤差；也可以分別輸出。 [align=center] 圖7 雙路輸出編碼器[/align] 3.MicroE編碼器應用實例 美國GSI集團MicroE公司的光柵編碼器產品在直線電機和直接驅動領域的應用及其廣泛。在半導體和電子制造設備、工業自動化和機器人、運動控制子系統、醫療儀器設備、精密測量設備以及航空航天工程等行業得到越來越廣泛的認可。 3.1 數據存儲 硬盤存儲容量的限制在TPI柵的密度。目前硬盤單片存儲量已經超過了200G，而十年前僅有幾百兆。正是MicroE公司的光柵編碼器和直接驅動伺服系統帶來此革命性的進步。 現在全世界85%以上的硬盤制造商的生產線上使用MicroE公司精密定位產品，取代了原來使用激光干涉儀定位的方法。提高了精度和效率。如圖8，藍色區域表示MicroE產品在硬盤生產領域所占的市場份額。 [align=center] 圖8 MicroE精密定位產品在硬盤生產領域的應用范圍[/align] 3.2 封裝測試設備 封裝測試設備中粘片機、焊線機、植球機等設備對運動速度和精度的要求很高。例如焊線機已經達到0.8微英寸的間距要求，焊線速度達到20線/秒以上，而且還在按照每18個月產能提高15%的速度發展。一些傳統的光柵編碼器已經不能滿足速度和精度的需要。 MicroE編碼器成功應用于多款自動焊線機設備，實現在Z軸200G高加速度應用，滿足高抗EMI電磁干擾性能的要求。 MicroE編碼器還廣泛用于該類設備的XY平臺，上下料平臺，與專用的直線電機配套使用。 [align=center] 圖9 自動焊線機Z向運動結構（200G加速度）[/align] 3.3 CMM測量機 今年來三坐標測量機也向便攜方向發展，代表性的產品有Faro和海克思康等產品。這類便攜產品采用機械手式設計，用旋轉運動代替直線運動，要求編碼器的在滿足精度要求的前提下尺寸要盡量小。MicroE編碼器尺寸小，結構緊湊的特點在該領域得到很好的發揮。 [align=center] 圖10 便攜式CMM測量機[/align] 3.4 直線電機子系統 以上的應用實例大多采用了直線電機或直接驅動電機，但都是集成在設備當中，沒有直觀的感覺。下面為直線電機與MicroE編碼器配套使用的運動控制子系統的實例，感覺上更直觀。這些產品可以直接作為最終產品使用，也可以為設備生產廠配套。 3.4.1 直線電機掃描系統 該系統發揮MicroE編碼器尺寸小，速度快，耐電磁干擾的特點，將電機、導軌、編碼器有機地集成在一起，做成直線運動模塊，體積小，重量輕，速度快。應用于激光生產設備，直接替代原有的絲杠驅動掃描系統，提高了速度和穩定性，降低噪音。 [align=center] 圖11 直線電機掃描系統[/align] 3.4.2 直線電機多軸運動平臺 采用直線電機和MicroE編碼器組成的多軸運動系統，可以有多種結構形式，有XYZ正交，龍門式，XYZΘ等；還可以采用各種導軌和支撐形式，如LM滾動導軌、空氣軸承、磁懸浮等。總之可以構成各種形式各異的直線電機多軸系統。 圖示是一個龍門式結構的設計實例。該平臺可以用于貼片機、印刷機、點膠機等電子生產設備，提高生產效率和精度。 [align=center] 圖12 龍門式直線電機運動平臺[/align] 4.小結 目前，直線電機及直接驅動技術已經廣泛應用于電子生產設備和精密數控機床領域。其低慣性矩、高加速度、高速度的特點提高了電子生產設備的生產效率，滿足了從晶圓到集成電路以及PCB組裝日益增長的生產需要。美國GSI集團公司MicroE光柵編碼器具有抗電磁干擾能力強、高速度、小尺寸和使用靈活方便的優勢，近年來在直線電機和直接驅動應用領域被廣泛采用。 MicroE光柵編碼器與直線電機系統配套使用，使運動系統在同樣分辨率的情況下做到尺寸最小，重量最輕，速度最快，安裝誤差要求最低；配合MicroE公司提供的PC端軟件，客戶可以自己定制編碼器的分辨率和工作頻率，方便了在不同場合的應用，減少了庫存要求。 參考文獻 1 Mercury encoders data sheet, MicroE systems 2 SM直線電機使用說明書，北京慧摩森電子系統技術有限公司 作者簡介：姓名，性別，出生年月，職稱職務，研究內容，email地址。 牛懷新，男，出生于1968年4月，長期從事電機控制、機電一體化設備的研發，現就職于北京慧摩森電子系統技術有限公司，從事直線電機伺服控制工作。Email：smartmotion@yahoo.com.cn 高大智，男，出生于1973年7月，工程師，研發部經理，從事伺服控制器的研發工作，Email:gaodz@hotmail.com