機(jī)床數(shù)顯技術(shù)的發(fā)展確立了作為機(jī)床位置反饋的傳感器瓷忙，也促進(jìn)了數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床的發(fā)展耐陵。由于傳感器和數(shù)顯表生產(chǎn)成本不斷下降，使機(jī)床數(shù)顯裝置得到廣泛的應(yīng)用泵网，現(xiàn)在機(jī)床數(shù)顯裝置的生產(chǎn)已是一個(gè)新興的行業(yè)俏蛮。

　　機(jī)床數(shù)顯發(fā)展的概況

　　數(shù)顯機(jī)床是20世紀(jì)70年代以微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)的機(jī)床產(chǎn)業(yè)的新生事物。機(jī)床采用數(shù)顯裝置后提高了加工精度和工效上遥，降低了廢品率搏屑。半個(gè)世紀(jì)以來，以先后次序取得在數(shù)顯機(jī)床上應(yīng)用的位移傳感器共有5種：20世紀(jì)50年代新興的感應(yīng)同步器粉楚；20世紀(jì)60年代的光柵和磁柵辣恋；20世紀(jì)70年代的容柵和球柵。這五種測量系統(tǒng)都是柵式測量系統(tǒng)模软，都采用了重復(fù)周期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法伟骨，利用平均技術(shù)減少誤差、提高精度，利用差動技術(shù)提高靈敏度底靠。除了磁柵害晦、球柵外，其他三種傳感器都采用光刻暑中、復(fù)制的方法制造標(biāo)尺壹瘟，其產(chǎn)品制造成本得到降低而精度得到提高。這五種測量系統(tǒng)體現(xiàn)了位移測量領(lǐng)域中的多樣性鳄逾，都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足,在使用中相互補(bǔ)充宽剪。

　　在我國最先應(yīng)用的是感應(yīng)同步器和光柵傳感器，開始是作為角度編碼器灌笙，然后才發(fā)展成為線位移傳感器葵张。應(yīng)用領(lǐng)域開始是軍事上，然后是測量儀器上汗绰，一直到有了數(shù)顯表才有了機(jī)床數(shù)顯哀擒，然后才有位置反饋的數(shù)控系統(tǒng)。磁柵和球柵一開始就用于數(shù)顯琴坏，容柵開始是用于量具讳董、量儀，2003年日本三豐（Mitutoyo）公司將容柵用于機(jī)床數(shù)顯束澄。

　　發(fā)達(dá)國家機(jī)床數(shù)顯的推廣應(yīng)用是在20世紀(jì)70年代中期豺章，微電子發(fā)展到中規(guī)模集成電路時(shí)出現(xiàn)，制造光柵數(shù)顯的企業(yè)也紛紛出現(xiàn)妇张，如1972年美國的ACU-RITE搅厕，1973年西班牙的Fagor，奧地利的RSF氏仗，日本的三豐（Mitutoyo）和雙葉（Futaba）等吉捶。1974年英國的Newall也推出了球柵數(shù)顯。發(fā)達(dá)國家機(jī)床的數(shù)顯化率在30%~60%左右皆尔。

　　我國以數(shù)顯技術(shù)改造傳統(tǒng)的機(jī)床產(chǎn)業(yè)是在20世紀(jì)80年代中期帚稠，在政府推動下全國各省、市設(shè)立了數(shù)顯技術(shù)推廣服務(wù)中心床佳，用大量經(jīng)費(fèi)補(bǔ)貼企業(yè)安裝機(jī)床數(shù)顯裝置滋早，當(dāng)時(shí)國產(chǎn)傳感器比較成熟的產(chǎn)品是感應(yīng)同步器，所以數(shù)顯中心推廣的大部分是感應(yīng)同步器數(shù)顯裝置砌们。20世紀(jì)90年代中后期杆麸，我國的光柵數(shù)顯產(chǎn)品才逐步商品化、產(chǎn)業(yè)化浪感，2000年以來我國數(shù)顯產(chǎn)業(yè)每年以30%~40%的速度增長昔头，到2006年光柵尺的銷售量已超過30萬個(gè)坐標(biāo)饼问，銷售額達(dá)到人民幣2億元。用于銑床的一套數(shù)顯裝置（400 mm/800 mm二支光柵尺和一臺數(shù)顯表）銷售價(jià)降到1200元揭斧；圓光柵編碼器的銷售量已超過53萬個(gè)莱革，銷售額達(dá)到人民幣1.5億元，這與我國年產(chǎn)55萬臺機(jī)床是相適應(yīng)的焊握。我國機(jī)床的數(shù)顯化率估計(jì)已達(dá)到30%左右揣洁。

　　五種數(shù)顯測量系統(tǒng)

　　光柵、感應(yīng)同步器园赴、磁柵铭轩、球柵和容柵五種測量系統(tǒng)在機(jī)床行業(yè)中常用的柵距、分辨力宴凌、準(zhǔn)確度和最大速度如表所示薯摩。

　　1.光柵數(shù)顯裝置

　　當(dāng)今世界已從精密加工、檢測凉灯，達(dá)到亞微米級加工猪破、檢測，目前正向納米級加工技術(shù)及納米檢測技術(shù)的方向發(fā)展玻啡。光柵技術(shù)也正是在這些相關(guān)技術(shù)的促進(jìn)下块透，取得了飛躍的發(fā)展。

　　從20世紀(jì)70~80年代以來事矾，不少國家的公司如日本、美國尸诽、意大利甥材、法國、瑞士性含、中國等均將光柵數(shù)顯的技術(shù)及產(chǎn)品洲赵，應(yīng)用于自己的產(chǎn)品之中。該系列產(chǎn)品已成功應(yīng)用于坐標(biāo)測量機(jī)商蕴、比長儀等計(jì)量儀器叠萍、高精密數(shù)控機(jī)床、超精密加工機(jī)床和半導(dǎo)體工業(yè)的專用設(shè)備上绪商。普通機(jī)床用的光柵尺多數(shù)是封閉式的苛谷，標(biāo)尺有玻璃和鋼兩種，玻璃標(biāo)尺可以到3 m長格郁，鋼帶標(biāo)尺可以到30 m或更長腹殿。分辨率從5μm~0.1μm，準(zhǔn)確度有±5μm/±3μm/±2μm例书。0.1μm時(shí)的速度可達(dá)60 m/min锣尉，1μm時(shí)達(dá)120 m/min刻炒。精密機(jī)床要用敞開式光柵尺，分辨率從1μm~1 nm箫朽，最高準(zhǔn)確度到±0.5μm里捌。近來發(fā)展的絕對式光柵尺得到比較廣泛的應(yīng)用，其分辨率可達(dá)到0.1μm蜓盯，速度達(dá)120 m/min型吃，在起動時(shí)不需要尋找零位，縮短了機(jī)床的非生產(chǎn)時(shí)間露俏，提高了機(jī)床的可靠性施司。

　　德國Heidenhain公司是當(dāng)今世界制造光柵尺、圓光柵編碼器探娇、數(shù)顯表和數(shù)控裝置最著名的公司衍周。西班牙Fagor、日本Mitutoyo（三豐）撒沦、英國Renishaw也都是數(shù)顯測量系統(tǒng)領(lǐng)域著名的公司窍绸。國內(nèi)比較大的光柵尺生產(chǎn)企業(yè)是長春光機(jī)、信和租藻、怡信叮姑、萬濠和新天，圓光柵編碼器生產(chǎn)企業(yè)是長春禹衡据悔、無錫瑞普传透。

　　2. 感應(yīng)同步器數(shù)顯裝置

　　感應(yīng)同步器測量系統(tǒng)包括傳感器和數(shù)顯表兩部分。這種電磁感應(yīng)位置檢測元件是20世紀(jì)50年代美國Farrand公司根據(jù)美國空軍提出的要求發(fā)明的极颓。從本質(zhì)上看朱盐，它是一種采用平面繞組的分解器，最早研制成功的感應(yīng)同步器是旋轉(zhuǎn)型的菠隆，直徑為127 mm兵琳，有108個(gè)極的圓感應(yīng)同步器。它由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成骇径，分別安裝在相對轉(zhuǎn)動的部件上躯肌。這個(gè)127 mm的圓感應(yīng)同步器，成功地用于導(dǎo)彈制導(dǎo)設(shè)備的跟蹤系統(tǒng)中破衔。

　　由于20世紀(jì)50年代數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)后清女，急需行程大、精度高晰筛、性能穩(wěn)定的直線位置數(shù)字檢測系統(tǒng)校仑，因而在圓感應(yīng)同步器的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出直線式感應(yīng)同步器斯身。直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成捻仁，使用時(shí)分別安裝在相對移動的部件上得鸳。標(biāo)準(zhǔn)型感應(yīng)同步器定尺長度為250 mm，但可用接長的方法接到18 m但紫，鋼帶式感應(yīng)同步器定尺單根長度即可做到10 m扳引，最長30 m。因此適用于各種重型吊任、大型和中蛙府、小型機(jī)床。

　　感應(yīng)同步器的應(yīng)用領(lǐng)域遍及航天揣交、航空树聪、機(jī)械制造，精密儀器殷靖，計(jì)量等部門胡电。圓感應(yīng)同步器可以測量整周內(nèi)的任意角度，常用于數(shù)顯轉(zhuǎn)臺介劫、數(shù)控轉(zhuǎn)臺徽惋、伺服轉(zhuǎn)臺、陀螺平臺座韵、火炮控制险绘、導(dǎo)彈制導(dǎo)、雷達(dá)天線誉碴、經(jīng)緯儀等宦棺；直線感應(yīng)同步器多用于各種機(jī)床、儀器黔帕，作為數(shù)顯代咸、數(shù)控和伺服系統(tǒng)的反饋測量元件。

　　感應(yīng)同步器數(shù)顯表與直線感應(yīng)同步器或圓感應(yīng)同步器組成數(shù)顯位置測量系統(tǒng)蹬屹。數(shù)顯表首先將激磁信號輸入給感應(yīng)同步器，感應(yīng)同步器再將位置感應(yīng)信號送回給數(shù)顯表白华，數(shù)顯表將信號處理后由顯示器顯示慨默，也可將位置/數(shù)字信號送給伺服系統(tǒng)作為控制用。

　　由于感應(yīng)同步器精度高（長度準(zhǔn)確度達(dá)到±1μm弧腥，角度精準(zhǔn)確度達(dá)到±1"）锥酌、可靠性高以及抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)，美國一直在軍事婚咱、空間科學(xué)连载、射電望遠(yuǎn)鏡、機(jī)器人和機(jī)床上應(yīng)用挣徽，例如美國把感應(yīng)同步器廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星和核潛艇的制導(dǎo)系統(tǒng)异浸，在太空的哈勃望遠(yuǎn)鏡（Hubble telescope）上就安裝了感應(yīng)同步器哲童。但是由于市場的競爭，感應(yīng)同步器在國內(nèi)機(jī)床行業(yè)的應(yīng)用大幅度減少锐洞，制造企業(yè)也逐漸退出了這一領(lǐng)域堡酗。

　　3. 磁柵數(shù)顯裝置

　　1958年在布達(dá)佩斯舉行的第四屆國際計(jì)量與測試大會(4th.IMEKO)上，捷克工程師K.stepanek第一次向世界介紹了一種新型的基準(zhǔn)測尺——磁柵及其在測量技術(shù)中應(yīng)用的試驗(yàn)研究情況窜交。第二年秋天斜兽，在布爾諾舉行的國際博覽會上，展出了用于測量齒輪和機(jī)床傳動鏈精度的TMO系列磁柵式測量儀羽址。自此帕恩，作為一種新型的測量技術(shù)——磁柵技術(shù)便正式宣布問世。

　　最初剩失，磁柵主要被用作圓分度測尺屈尼，且只能在動態(tài)(勻速運(yùn)動)的情況下，用模擬電子系統(tǒng)進(jìn)行檢測赴叹，但在工程中鸿染，直線位置檢測往往比角度和圓分度測量應(yīng)用更廣，因此繼圓形磁柵之后又發(fā)展了直線磁柵(又稱磁尺)乞巧。20世紀(jì)60年代初涨椒，以Sony磁尺公司為代表的日本公司，在直線磁柵的刻制(錄磁工藝)調(diào)制式讀出磁頭和檢測系統(tǒng)研制以及工業(yè)應(yīng)用方面都進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究绽媒，并開發(fā)出直線磁柵和圓形磁柵檢測裝置系列產(chǎn)品蚕冬，把磁柵檢測技術(shù)提高到一個(gè)新的水平。

　　Sony公司生產(chǎn)精度高是辕、用于反饋的磁柵尺的輸出信號周期為40μm的正弦波囤热，分辨率0.05μm~1μm,準(zhǔn)確度±3μm，最大速度150 m/min获三，測量長度從70 mm~2 040 mm旁蔼，防護(hù)等級可以達(dá)到防水的IP65。由于磁柵尺測量長度比較長(可以到30 m)因此在大型機(jī)床上應(yīng)用較多豁登，磁柵尺的系列產(chǎn)品的準(zhǔn)確度有±10μm容厦、±5μm、±3μm,分辨率從5μm~0.1μm嗦府。Sony公司磁柵尺的年產(chǎn)量在10000支左右牙茅，銷售額超過1000萬美元。我國研究磁柵檢測技術(shù)也較早肺致。1961年上海機(jī)床廠就試制成功了刻制圓形磁柵的大型錄磁機(jī)指锉，并能刻出±1"的圓形磁柵。磁柵尺在我國主要是用于機(jī)床數(shù)顯哈涣，國內(nèi)的制造單位是上海平信公司（原上海機(jī)床研究所）吹对，年銷售量在5000支左右邀曲。

　　4. 球柵數(shù)顯裝置

　　英國Newall公司于1975年推出柵距為0.5"的球柵尺Spherosyn（分辨率5 mm），并相應(yīng)開發(fā)了數(shù)顯表憋址，1976年獲得了美國專利權(quán)拗炎。1995年又推出柵距為5 mm，分辨率為1 mm的Microsyn高精度球柵尺霍凛。1975年以來李根，英國Newall公司一直壟斷著球柵市場，該公司80％以上的產(chǎn)品銷往世界60多個(gè)國家几睛，球柵的年銷售量已超過20000支房轿，累計(jì)超過40多萬支。球柵的標(biāo)尺是在不導(dǎo)磁的鋼管內(nèi)放入0.5in.的鋼球所森，構(gòu)成柵距為12.7 mm的球尺囱持，讀數(shù)頭采用了防水保護(hù)，保護(hù)等級達(dá)到IP67的防水標(biāo)準(zhǔn)焕济，是所有傳感器類型中最高的纷妆，在環(huán)境惡劣的地方用得較多。球柵測量長度可達(dá)到12 m晴弃，分辨率5μm掩幢，最大移動速度120 m/min。球柵尺在我國的年銷售量超過5000套上鞠。

　　球柵具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①采用完全密封型結(jié)構(gòu)际邻，球同步器的高精度鋼球和線圈均被完全密封，可以在水中或油中工作芍阎。這一特點(diǎn)使得球同步器特別適用于水下機(jī)械和一些必須浸在水中進(jìn)行加工的材料的加工機(jī)械世曾。②尺體為金屬結(jié)構(gòu)，保護(hù)良好冈瞪，不會因冷卻水踏旷、冷卻液、金屬粉末或塵土等的影響而污損找仙。③殼體剛性強(qiáng)糜谒、密封好，即使用噴氣槍清理機(jī)床時(shí)座叙，直接噴射到球同步器上也不會被損壞刮诅。④基準(zhǔn)鋼球的線脹系數(shù)與鋼鐵相同涎舞，對車間溫度的變化不敏感契叔。⑤能在強(qiáng)磁場和強(qiáng)輻射條件下工作，可用于原子反應(yīng)堆栗怪。

　　5.容柵數(shù)顯裝置

　　容柵測量系統(tǒng)1972年由H.U.Meyer發(fā)明并取得專利麸应，1974年瑞士TRIMOS公司最先在測高儀上應(yīng)用削仲，1978年專門生產(chǎn)容柵數(shù)顯產(chǎn)品的SYLVAC公司成立，該公司從事制造容柵數(shù)字顯示的長度測量儀表损侄，這種新的柵式測量系統(tǒng)很快就應(yīng)用于數(shù)顯卡尺不恭、千分表、測高儀和測長儀财饥。

　　瑞士Sylvac换吧、Tesa公司和日本Mitutoyo（三豐）公司都在量具、量儀方面發(fā)展容柵測量系統(tǒng)钥星。日本三豐公司2003年推出機(jī)床容柵數(shù)顯裝置沾瓦，容柵測量系統(tǒng)的分辨率為10μm和5μm，準(zhǔn)確度為50μm/m谦炒，速度為60 m/min贯莺。由于容柵尺制造成本比較便宜，因此它是五種數(shù)顯裝置中價(jià)格最低的宁改。

　　日本三豐公司是國際著名的也是最大的容柵測量系統(tǒng)制造公司缕探。國內(nèi)容柵數(shù)顯卡尺最大的生產(chǎn)企業(yè)是桂林廣陸。

　　發(fā)展的共性

　　高精度精密機(jī)床和高精度精密量儀作為工作母機(jī)和測量母機(jī)还蹲，是各種機(jī)械獲得精度的基礎(chǔ)爹耗，而它們本身的精度又依賴于長度、角度秽誊、圓度和幾何精度等基礎(chǔ)機(jī)械技術(shù)钝摧，其中長度測量技術(shù)和圓分度技術(shù)的關(guān)鍵是位置測量元件的精度及其讀出精度。

　　多年來低案，世界多國都在致力于發(fā)展位置數(shù)字測量技術(shù)裹融，尋找最理想的測量元件和信息處理技術(shù)，到目前為止辕憋，為人們所公認(rèn)并已得到廣泛應(yīng)用的是前面所介紹的光柵幽卜、感應(yīng)同步器和磁柵以及近年出現(xiàn)的測量技術(shù)。這5種檢測元件和與之相配的數(shù)字系統(tǒng)寒焚，有其相似的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)并淳。

　　都易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械位移/電信號的轉(zhuǎn)換。利用光電鞭玩、磁電啰林、電感、電容的測量原理离览，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換和數(shù)字化處理后即可用于顯示和控制鸡焰。

　　高分辨率。直線位置測量的分辨率可達(dá)0.001 mm，最高可達(dá)0.000 1 mm舱污，角位置測量的分辨率可達(dá)0.5"呀舔。

　　高精度。直線位置測量準(zhǔn)確度一般可達(dá)0.01～0.03 mm（用于普通機(jī)床）扩灯，最高點(diǎn)可達(dá)0.003 mm（坐標(biāo)鏜床）媚赖。既適用于一般機(jī)床設(shè)備，也完全能滿足高精度銑床珠插、儀器的要求惧磺。特別是圓分度測量，其分度準(zhǔn)確度一般可達(dá)6"～10"捻撑，最高可達(dá)1"豺妓，甚至更高，大大超過了傳統(tǒng)的機(jī)械或光學(xué)方法布讹。

　　大量程琳拭。感應(yīng)同步器、容柵描验、球柵可以采用接長的方法可以擴(kuò)大量程白嘁，可以到12m。而鋼帶光柵帘染、磁柵檢測元件長度就可以做到大量程到30m嘀吨。Heidenhian為波音公司定做鋼帶光柵尺的長度達(dá)120m。

　　安裝調(diào)整容易耕疟，無磨損淮晓，壽命長，小型化上互、組裝化睹揍、測量速度高，多功能等等匀冈。

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