摘要：隨著直線電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，直線電機(jī)及直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子生產(chǎn)設(shè)備和精密數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域。其低慣性矩、高加速度、高速度的特點(diǎn)提高了電子生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)效率，滿足了從晶圓到集成電路以及PCB組裝日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)需要。

傳統(tǒng)的光柵編碼器在數(shù)控和伺服領(lǐng)域得到的了廣泛的應(yīng)用，但在直線電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域受到了來(lái)自美國(guó)GSI集團(tuán)公司MicroE光柵編碼器的挑戰(zhàn)。MicroE光柵編碼器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、高速度、小尺寸和使用靈活方便的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在直線電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛采用。

MicroE光柵編碼器采用獨(dú)特的光學(xué)系統(tǒng)，應(yīng)用了大規(guī)模集成電路和FPGA技術(shù)，配合先進(jìn)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(chǎng)合的應(yīng)用，減少庫(kù)存要求；MicroE編碼器另一個(gè)顯著的特點(diǎn)是同一讀數(shù)頭可以讀取不同類型的光柵，適應(yīng)金屬和玻璃光柵，圓形和直線光柵通用。

本文從幾個(gè)典型設(shè)備的應(yīng)用，介紹MicroE光柵編碼器與直線電機(jī)配合使用的特點(diǎn)和效果。包括IC封裝測(cè)試設(shè)備、PCB貼片設(shè)備、激光加工設(shè)備等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：直線電機(jī)、光柵編碼器、MicroE、…… (小五宋體)

1.引言

直線電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)在機(jī)電設(shè)備上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，目前在數(shù)控機(jī)床、精密測(cè)量、激光加工、晶圓制造、IC封裝測(cè)試、PCB組裝等設(shè)備領(lǐng)域都能找到典型的范例。由于這類設(shè)備對(duì)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(zhuǎn)伺服電機(jī)加絲杠的控制模式已經(jīng)不再適應(yīng)其需要，取而代之的是直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)加直接反饋的模式。

作為直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的直接反饋裝置，光柵編碼器發(fā)揮了重要作用。與其它的反饋裝置相比較，光柵編碼器無(wú)論在性價(jià)比還是在易用性等方面都有很大的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于采用直接反饋的直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一般來(lái)說(shuō)對(duì)反饋裝置都會(huì)有以下幾方面的要求：精度和速度根據(jù)設(shè)備要求變化、安裝難易程度越簡(jiǎn)單越好、尺寸盡量小一些、抗污染能力更強(qiáng)、庫(kù)存少、價(jià)格有優(yōu)勢(shì)等等。從應(yīng)用的角度，美國(guó)GSI集團(tuán)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(jī)和直接驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。MicroE光柵編碼器最高運(yùn)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(yīng)用；獨(dú)有的可編程特性可以由用戶現(xiàn)場(chǎng)改變分辨率和頻率，配置靈活，可以有效地減少設(shè)計(jì)工作量和庫(kù)存；微型尺寸占用最少的安裝空間，方便地嵌入到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)之中；具備最寬泛的安裝誤差，有效減少安裝調(diào)試的時(shí)間；部分型號(hào)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(yīng)用范圍更加廣泛，靈活配置，大大減少庫(kù)存品種和數(shù)量；智能化的PC端軟件為編碼器的安裝調(diào)試、性能評(píng)估和故障診斷提供了便利。

2.MicroE編碼器產(chǎn)品特點(diǎn)

自上世紀(jì)九十年代起，美國(guó)MicroE系統(tǒng)公司的精密光柵和運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品開始在硬盤生產(chǎn)、電子設(shè)備等領(lǐng)域得到重視和應(yīng)用。到目前為止，其光柵編碼器產(chǎn)品已經(jīng)行程完整的系列，可以滿足眾多領(lǐng)域的需要，促進(jìn)了直接驅(qū)動(dòng)和直接反饋技術(shù)的發(fā)展。

       MicroE光柵產(chǎn)品采用了PurePrecision光學(xué)結(jié)構(gòu)，擁有多項(xiàng)專利技術(shù)（圖1）。該項(xiàng)技術(shù)保證MicroE編碼器周期高倍差補(bǔ)細(xì)分情況下信號(hào)的高強(qiáng)度和準(zhǔn)確性，使其細(xì)分倍數(shù)可以達(dá)到16384；而且測(cè)量范圍大，對(duì)安裝調(diào)整公差要求很寬松；實(shí)現(xiàn)了編碼器讀數(shù)頭的微型化。

圖1 PurePrecision光學(xué)結(jié)構(gòu)

MicroE編碼器獨(dú)特的可編程功能對(duì)工業(yè)控制，尤其是多品種、小批量的工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)帶來(lái)了很大的好處，可以有效地減少設(shè)計(jì)工作量，減少庫(kù)存品種和數(shù)量。其可編程特性主要體現(xiàn)在可以對(duì)編碼器信號(hào)進(jìn)行規(guī)定范圍內(nèi)的整數(shù)倍細(xì)分，如M2000編碼器可以4到256倍細(xì)分，MII4800編碼器可以4到16384倍細(xì)分，客戶可以根據(jù)控制系統(tǒng)的要求、設(shè)備精度指標(biāo)以及工作速度的要求優(yōu)化選擇分辨率，不需更改設(shè)計(jì)和編碼器的選型；信號(hào)輸出的頻率可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制器或信號(hào)采集設(shè)備的接收能力分檔次控制，保證輸出信號(hào)的可靠性。

這些功能得益于MicroE的SmartPrecision電子放大器專利設(shè)計(jì)技術(shù)。該技術(shù)特有的自動(dòng)增益調(diào)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(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合能采集到足夠強(qiáng)度的位置信息，并自動(dòng)調(diào)整信號(hào)的增益，從而有很好的速度-分辨率比率關(guān)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(yīng)用的場(chǎng)合。直線電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的快速性使MicroE編碼器與其廣泛配套成為可能。

圖2 MII系列編碼器速度/分辨率特性及與其它品牌產(chǎn)品的比較

其MII系列編碼器（圖3），分為數(shù)字輸出、模擬輸出和可編程三個(gè)子系列，主要特點(diǎn)是配置靈活，應(yīng)用范圍寬，抗干擾能力強(qiáng)。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(zhuǎn)分辨率達(dá)到每圈268兆脈沖輸出，細(xì)分倍數(shù)從4到16384可編程控制；使用同一個(gè)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(yīng)用。MII1600數(shù)字輸出和MII1900模擬輸出編碼器，性價(jià)比高，適合多種工業(yè)設(shè)備的需求。

圖3 MII系列光柵編碼器

MII光柵編碼器所采用的金屬光柵尺可以在30米的范圍內(nèi)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(gè)顯著的特征是采用了光學(xué)零位和左右限位。零位和限位都可以直接貼在光柵尺長(zhǎng)度方向的任意位置，不占用任何空間，而且有很高的精度。對(duì)MII可編程光柵編碼器而言，零位信號(hào)的精度達(dá)到1個(gè)分辨率寬度，可以雙向定位。

圖4 粘貼式光學(xué)零位和限位

圖5 與其它品牌光柵零、限位結(jié)構(gòu)方式的比較

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(shù)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(huán)境，讀數(shù)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(hào)處理系統(tǒng)以及調(diào)試軟件和其它Mercury編碼器通用，既有數(shù)字輸出的型號(hào)，也有可編程型號(hào)。

圖6 Mercury真空編碼器

雙路輸出編碼器專為高精度圓形光柵定制，可以實(shí)現(xiàn)兩路編碼器信號(hào)的即時(shí)處理。兩路編碼器信號(hào)可以疊加、差分后輸出，消除測(cè)量誤差；也可以分別輸出。

圖7 雙路輸出編碼器

3.MicroE編碼器應(yīng)用實(shí)例

美國(guó)GSI集團(tuán)MicroE公司的光柵編碼器產(chǎn)品在直線電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用及其廣泛。在半導(dǎo)體和電子制造設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)、醫(yī)療儀器設(shè)備、精密測(cè)量設(shè)備以及航空航天工程等行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的認(rèn)可。

3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

硬盤存儲(chǔ)容量的限制在TPI柵的密度。目前硬盤單片存儲(chǔ)量已經(jīng)超過(guò)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(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)帶來(lái)此革命性的進(jìn)步。

現(xiàn)在全世界85%以上的硬盤制造商的生產(chǎn)線上使用MicroE公司精密定位產(chǎn)品，取代了原來(lái)使用激光干涉儀定位的方法。提高了精度和效率。如圖8，藍(lán)色區(qū)域表示MicroE產(chǎn)品在硬盤生產(chǎn)領(lǐng)域所占的市場(chǎng)份額。

圖8 MicroE精密定位產(chǎn)品在硬盤生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍

3.2 封裝測(cè)試設(shè)備

封裝測(cè)試設(shè)備中粘片機(jī)、焊線機(jī)、植球機(jī)等設(shè)備對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和精度的要求很高。例如焊線機(jī)已經(jīng)達(dá)到0.8微英寸的間距要求，焊線速度達(dá)到20線/秒以上，而且還在按照每18個(gè)月產(chǎn)能提高15%的速度發(fā)展。一些傳統(tǒng)的光柵編碼器已經(jīng)不能滿足速度和精度的需要。

MicroE編碼器成功應(yīng)用于多款自動(dòng)焊線機(jī)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在Z軸200G高加速度應(yīng)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(shè)備的XY平臺(tái)，上下料平臺(tái)，與專用的直線電機(jī)配套使用。

圖9 自動(dòng)焊線機(jī)Z向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)（200G加速度）

3.3 CMM測(cè)量機(jī)

今年來(lái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)也向便攜方向發(fā)展，代表性的產(chǎn)品有Faro和海克思康等產(chǎn)品。這類便攜產(chǎn)品采用機(jī)械手式設(shè)計(jì)，用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)代替直線運(yùn)動(dòng)，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(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)在該領(lǐng)域得到很好的發(fā)揮。

圖10 便攜式CMM測(cè)量機(jī)

3.4 直線電機(jī)子系統(tǒng)

以上的應(yīng)用實(shí)例大多采用了直線電機(jī)或直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但都是集成在設(shè)備當(dāng)中，沒有直觀的感覺。下面為直線電機(jī)與MicroE編碼器配套使用的運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)的實(shí)例，感覺上更直觀。這些產(chǎn)品可以直接作為最終產(chǎn)品使用，也可以為設(shè)備生產(chǎn)廠配套。

3.4.1 直線電機(jī)掃描系統(tǒng)

該系統(tǒng)發(fā)揮MicroE編碼器尺寸小，速度快，耐電磁干擾的特點(diǎn)，將電機(jī)、導(dǎo)軌、編碼器有機(jī)地集成在一起，做成直線運(yùn)動(dòng)模塊，體積小，重量輕，速度快。應(yīng)用于激光生產(chǎn)設(shè)備，直接替代原有的絲杠驅(qū)動(dòng)掃描系統(tǒng)，提高了速度和穩(wěn)定性，降低噪音。

圖11 直線電機(jī)掃描系統(tǒng)

3.4.2 直線電機(jī)多軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

采用直線電機(jī)和MicroE編碼器組成的多軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，可以有多種結(jié)構(gòu)形式，有XYZ正交，龍門式，XYZΘ等；還可以采用各種導(dǎo)軌和支撐形式，如LM滾動(dòng)導(dǎo)軌、空氣軸承、磁懸浮等。總之可以構(gòu)成各種形式各異的直線電機(jī)多軸系統(tǒng)。

圖示是一個(gè)龍門式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)例。該平臺(tái)可以用于貼片機(jī)、印刷機(jī)、點(diǎn)膠機(jī)等電子生產(chǎn)設(shè)備，提高生產(chǎn)效率和精度。

圖12 龍門式直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

4.小結(jié)(小四黑體)

目前，直線電機(jī)及直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子生產(chǎn)設(shè)備和精密數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域。其低慣性矩、高加速度、高速度的特點(diǎn)提高了電子生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)效率，滿足了從晶圓到集成電路以及PCB組裝日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)需要。美國(guó)GSI集團(tuán)公司MicroE光柵編碼器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、高速度、小尺寸和使用靈活方便的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在直線電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛采用。

MicroE光柵編碼器與直線電機(jī)系統(tǒng)配套使用，使運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)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(chǎng)合的應(yīng)用，減少了庫(kù)存要求。