机床数显装置发展轨迹

　　机床数显技术的发展确立了作为机床位置反馈的传感器，也促进了数控技术和数控机床的发展。由于传感器和数显表生产成本不断下降，使机床数显装置得到广泛的应用，现在机床数显装置的生产已是一个新兴的行业。

　　机床数显发展的概况

　　数显机床是20世纪70年代以微电子技术改造传统的机床产业的新生事物。机床采用数显装置后提高了加工精度和工效，降低了废品率。半个世纪以来，以先后次序取得在数显机床上应用的位移传感器共有5种：20世纪50年代新兴的感应同步器；20世纪60年代的光栅和磁栅；20世纪70年代的容栅和球栅。这五种测量系统都是栅式测量系统，都采用了重复周期的结构设计方法，利用平均技术减少误差、提高精度，利用差动技术提高灵敏度。除了磁栅、球栅外，其他三种传感器都采用光刻、复制的方法制造标尺，其产品制造成本得到降低而精度得到提高。这五种测量系统体现了位移测量领域中的多样性，都有各自的优点和不足,在使用中相互补充。

　　在我国最先应用的是感应同步器和光栅传感器，开始是作为角度编码器，然后才发展成为线位移传感器。应用领域开始是军事上，然后是测量仪器上，一直到有了数显表才有了机床数显，然后才有位置反馈的数控系统。磁栅和球栅一开始就用于数显，容栅开始是用于量具、量仪，2003年日本三丰（Mitutoyo）公司将容栅用于机床数显。

　　发达国家机床数显的推广应用是在20世纪70年代中期，微电子发展到中规模集成电路时出现，制造光栅数显的企业也纷纷出现，如1972年美国的ACU-RITE，1973年西班牙的Fagor，奥地利的RSF，日本的三丰（Mitutoyo）和双叶（Futaba）等。1974年英国的Newall也推出了球栅数显。发达国家机床的数显化率在30%~60%左右。

　　我国以数显技术改造传统的机床产业是在20世纪80年代中期，在政府推动下全国各省、市设立了数显技术推广服务中心，用大量经费补贴企业安装机床数显装置，当时国产传感器比较成熟的产品是感应同步器，所以数显中心推广的大部分是感应同步器数显装置。20世纪90年代中后期，我国的光栅数显产品才逐步商品化、产业化，2000年以来我国数显产业每年以30%~40%的速度增长，到2006年光栅尺的销售量已超过30万个坐标，销售额达到人民币2亿元。用于铣床的一套数显装置（400 mm/800 mm二支光栅尺和一台数显表）销售价降到1200元；圆光栅编码器的销售量已超过53万个，销售额达到人民币1.5亿元，这与我国年产55万台机床是相适应的。我国机床的数显化率估计已达到30%左右。

　　五种数显测量系统

　　光栅、感应同步器、磁栅、球栅和容栅五种测量系统在机床行业中常用的栅距、分辨力、准确度和最大速度如表所示。

　　1.光栅数显装置

　　当今世界已从精密加工、检测，达到亚微米级加工、检测，目前正向纳米级加工技术及纳米检测技术的方向发展。光栅技术也正是在这些相关技术的促进下，取得了飞跃的发展。

　　从20世纪70~80年代以来，不少国家的公司如日本、美国、意大利、法国、瑞士、中国等均将光栅数显的技术及产品，应用于自己的产品之中。该系列产品已成功应用于坐标测量机、比长仪等计量仪器、高精密数控机床、超精密加工机床和半导体工业的专用设备上。普通机床用的光栅尺多数是封闭式的，标尺有玻璃和钢两种，玻璃标尺可以到3 m长，钢带标尺可以到30 m或更长。分辨率从5μm~0.1μm，准确度有±5μm/±3μm/±2μm。0.1μm时的速度可达60 m/min，1μm时达120 m/min。精密机床要用敞开式光栅尺，分辨率从1μm~1 nm，最高准确度到±0.5μm。近来发展的绝对式光栅尺得到比较广泛的应用，其分辨率可达到0.1μm，速度达120 m/min，在起动时不需要寻找零位，缩短了机床的非生产时间，提高了机床的可靠性。

　　德国Heidenhain公司是当今世界制造光栅尺、圆光栅编码器、数显表和数控装置最著名的公司。西班牙Fagor、日本Mitutoyo（三丰）、英国Renishaw也都是数显测量系统领域著名的公司。国内比较大的光栅尺生产企业是长春光机、信和、怡信、万濠和新天，圆光栅编码器生产企业是长春禹衡、无锡瑞普。

　　2. 感应同步器数显装置

　　感应同步器测量系统包括传感器和数显表两部分。这种电磁感应位置检测元件是20世纪50年代美国Farrand公司根据美国空军提出的要求发明的。从本质上看，它是一种采用平面绕组的分解器，最早研制成功的感应同步器是旋转型的，直径为127 mm，有108个极的圆感应同步器。它由转子和定子两部分组成，分别安装在相对转动的部件上。这个127 mm的圆感应同步器，成功地用于导弹制导设备的跟踪系统中。

　　由于20世纪50年代数控机床出现后，急需行程大、精度高、性能稳定的直线位置数字检测系统，因而在圆感应同步器的基础上，又发展出直线式感应同步器。直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，使用时分别安装在相对移动的部件上。标准型感应同步器定尺长度为250 mm，但可用接长的方法接到18 m，钢带式感应同步器定尺单根长度即可做到10 m，最长30 m。因此适用于各种重型、大型和中、小型机床。

　　感应同步器的应用领域遍及航天、航空、机械制造，精密仪器，计量等部门。圆感应同步器可以测量整周内的任意角度，常用于数显转台、数控转台、伺服转台、陀螺平台、火炮控制、导弹制导、雷达天线、经纬仪等；直线感应同步器多用于各种机床、仪器，作为数显、数控和伺服系统的反馈测量元件。

　　感应同步器数显表与直线感应同步器或圆感应同步器组成数显位置测量系统。数显表首先将激磁信号输入给感应同步器，感应同步器再将位置感应信号送回给数显表，数显表将信号处理后由显示器显示，也可将位置/数字信号送给伺服系统作为控制用。

　　由于感应同步器精度高（长度准确度达到±1μm，角度精准确度达到±1"）、可靠性高以及抗恶劣环境能力强，美国一直在军事、空间科学、射电望远镜、机器人和机床上应用，例如美国把感应同步器广泛应用于人造卫星和核潜艇的制导系统，在太空的哈勃望远镜（Hubble telescope）上就安装了感应同步器。但是由于市场的竞争，感应同步器在国内机床行业的应用大幅度减少，制造企业也逐渐退出了这一领域。

　　3. 磁栅数显装置

　　1958年在布达佩斯举行的第四届国际计量与测试大会(4th.IMEKO)上，捷克工程师K.stepanek第一次向世界介绍了一种新型的基准测尺——磁栅及其在测量技术中应用的试验研究情况。第二年秋天，在布尔诺举行的国际博览会上，展出了用于测量齿轮和机床传动链精度的TMO系列磁栅式测量仪。自此，作为一种新型的测量技术——磁栅技术便正式宣布问世。

　　最初，磁栅主要被用作圆分度测尺，且只能在动态(匀速运动)的情况下，用模拟电子系统进行检测，但在工程中，直线位置检测往往比角度和圆分度测量应用更广，因此继圆形磁栅之后又发展了直线磁栅(又称磁尺)。20世纪60年代初，以Sony磁尺公司为代表的日本公司，在直线磁栅的刻制(录磁工艺)调制式读出磁头和检测系统研制以及工业应用方面都进行了系统而深入的研究，并开发出直线磁栅和圆形磁栅检测装置系列产品，把磁栅检测技术提高到一个新的水平。

　　Sony公司生产精度高、用于反馈的磁栅尺的输出信号周期为40μm的正弦波，分辨率0.05μm~1μm,准确度±3μm，最大速度150 m/min，测量长度从70 mm~2 040 mm，防护等级可以达到防水的IP65。由于磁栅尺测量长度比较长(可以到30 m)因此在大型机床上应用较多，磁栅尺的系列产品的准确度有±10μm、±5μm、±3μm,分辨率从5μm~0.1μm。Sony公司磁栅尺的年产量在10000支左右，销售额超过1000万美元。我国研究磁栅检测技术也较早。1961年上海机床厂就试制成功了刻制圆形磁栅的大型录磁机，并能刻出±1"的圆形磁栅。磁栅尺在我国主要是用于机床数显，国内的制造单位是上海平信公司（原上海机床研究所），年销售量在5000支左右。

　　4. 球栅数显装置

　　英国Newall公司于1975年推出栅距为0.5"的球栅尺Spherosyn（分辨率5 mm），并相应开发了数显表，1976年获得了美国专利权。1995年又推出栅距为5 mm，分辨率为1 mm的Microsyn高精度球栅尺。1975年以来，英国Newall公司一直垄断着球栅市场，该公司80％以上的产品销往世界60多个国家，球栅的年销售量已超过20000支，累计超过40多万支。球栅的标尺是在不导磁的钢管内放入0.5in.的钢球，构成栅距为12.7 mm的球尺，读数头采用了防水保护，保护等级达到IP67的防水标准，是所有传感器类型中最高的，在环境恶劣的地方用得较多。球栅测量长度可达到12 m，分辨率5μm，最大移动速度120 m/min。球栅尺在我国的年销售量超过5000套。

　　球栅具有许多独特的优点：①采用完全密封型结构，球同步器的高精度钢球和线圈均被完全密封，可以在水中或油中工作。这一特点使得球同步器特别适用于水下机械和一些必须浸在水中进行加工的材料的加工机械。②尺体为金属结构，保护良好，不会因冷却水、冷却液、金属粉末或尘土等的影响而污损。③壳体刚性强、密封好，即使用喷气枪清理机床时，直接喷射到球同步器上也不会被损坏。④基准钢球的线胀系数与钢铁相同，对车间温度的变化不敏感。⑤能在强磁场和强辐射条件下工作，可用于原子反应堆。

　　5.容栅数显装置

　　容栅测量系统1972年由H.U.Meyer发明并取得专利，1974年瑞士TRIMOS公司最先在测高仪上应用，1978年专门生产容栅数显产品的SYLVAC公司成立，该公司从事制造容栅数字显示的长度测量仪表，这种新的栅式测量系统很快就应用于数显卡尺、千分表、测高仪和测长仪。

　　瑞士Sylvac、Tesa公司和日本Mitutoyo（三丰）公司都在量具、量仪方面发展容栅测量系统。日本三丰公司2003年推出机床容栅数显装置，容栅测量系统的分辨率为10μm和5μm，准确度为50μm/m，速度为60 m/min。由于容栅尺制造成本比较便宜，因此它是五种数显装置中价格最低的。

　　日本三丰公司是国际著名的也是最大的容栅测量系统制造公司。国内容栅数显卡尺最大的生产企业是桂林广陆。

　　发展的共性

　　高精度精密机床和高精度精密量仪作为工作母机和测量母机，是各种机械获得精度的基础，而它们本身的精度又依赖于长度、角度、圆度和几何精度等基础机械技术，其中长度测量技术和圆分度技术的关键是位置测量元件的精度及其读出精度。

　　多年来，世界多国都在致力于发展位置数字测量技术，寻找最理想的测量元件和信息处理技术，到目前为止，为人们所公认并已得到广泛应用的是前面所介绍的光栅、感应同步器和磁栅以及近年出现的测量技术。这5种检测元件和与之相配的数字系统，有其相似的特点和优点。

　　都易于实现机械位移/电信号的转换。利用光电、磁电、电感、电容的测量原理，经过信号转换和数字化处理后即可用于显示和控制。

　　高分辨率。直线位置测量的分辨率可达0.001 mm，最高可达0.000 1 mm，角位置测量的分辨率可达0.5"。

　　高精度。直线位置测量准确度一般可达0.01～0.03 mm（用于普通机床），最高点可达0.003 mm（坐标镗床）。既适用于一般机床设备，也完全能满足高精度铣床、仪器的要求。特别是圆分度测量，其分度准确度一般可达6"～10"，最高可达1"，甚至更高，大大超过了传统的机械或光学方法。

　　大量程。感应同步器、容栅、球栅可以采用接长的方法可以扩大量程，可以到12m。而钢带光栅、磁栅检测元件长度就可以做到大量程到30m。Heidenhian为波音公司定做钢带光栅尺的长度达120m。

　　安装调整容易，无磨损，寿命长，小型化、组装化、测量速度高，多功能等等。

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