機床數顯發展的概況

數顯機床是20世紀70年代以微電子技術改造傳統的機床產業的新生事物。機床采用數顯裝置后提高了加工精度和工效,降低了廢品率。半個世紀以來,以先后次序取得在數顯機床上應用的位移傳感器共有5種:20世紀50年代新興的感應同步器;20世紀60年代的光柵和磁柵;20世紀70年代的容柵和球柵。這五種測量系統都是柵式測量系統,都采用了重復周期的結構設計方法,利用平均技術減少誤差、提高精度,利用差動技術提高靈敏度。除了磁柵、球柵外,其他三種傳感器都采用光刻、復制的方法制造標尺,其產品制造成本得到降低而精度得到提高。這五種測量系統體現了位移測量領域中的多樣性,都有各自的優點和不足,在使用中相互補充。

在我國最先應用的是感應同步器和光柵傳感器,開始是作為角度編碼器,然后才發展成為線位移傳感器。應用領域開始是軍事上,然后是測量儀器上,一直到有了數顯表才有了機床數顯,然后才有位置反饋的數控系統。磁柵和球柵一開始就用于數顯,容柵開始是用于量具、量儀,2003年日本三豐(Mitutoyo)公司將容柵用于機床數顯。

發達國家機床數顯的推廣應用是在20世紀70年代中期,微電子發展到中規模集成電路時出現,制造光柵數顯的企業也紛紛出現,如1972年美國的ACU-RITE,1973年西班牙的Fagor,奧地利的RSF,日本的三豐(Mitutoyo)和雙葉(Futaba)等。1974年英國的Newall也推出了球柵數顯。發達國家機床的數顯化率在30%~60%左右。

我國以數顯技術改造傳統的機床產業是在20世紀80年代中期,在政府推動下全國各省、市設立了數顯技術推廣服務中心,用大量經費補貼企業安裝機床數顯裝置,當時國產傳感器比較成熟的產品是感應同步器,所以數顯中心推廣的大部分是感應同步器數顯裝置。20世紀90年代中后期,我國的光柵數顯產品才逐步商品化、產業化,2000年以來我國數顯產業每年以30%~40%的速度增長,到2006年光柵尺的銷售量已超過30萬個坐標,銷售額達到人民幣2億元。用于銑床的一套數顯裝置(400 mm/800 mm二支光柵尺和一臺數顯表)銷售價降到1200元;圓光柵編碼器的銷售量已超過53萬個,銷售額達到人民幣1.5億元,這與我國年產55萬臺機床是相適應的。我國機床的數顯化率估計已達到30%左右。

五種數顯測量系統

光柵、感應同步器、磁柵、球柵和容柵五種測量系統在機床行業中常用的柵距、分辨力、準確度和最大速度如表所示。

1.光柵數顯裝置

當今世界已從精密加工、檢測,達到亞微米級加工、檢測,目前正向納米級加工技術及納米檢測技術的方向發展。光柵技術也正是在這些相關技術的促進下,取得了飛躍的發展。

從20世紀70~80年代以來,不少國家的公司如日本、美國、意大利、法國、瑞士、中國等均將光柵數顯的技術及產品,應用于自己的產品之中。該系列產品已成功應用于坐標測量機、比長儀等計量儀器、高精密數控機床、超精密加工機床和半導體工業的專用設備上。普通機床用的光柵尺多數是封閉式的,標尺有玻璃和鋼兩種,玻璃標尺可以到3 m長,鋼帶標尺可以到30 m或更長。分辨率從5μm~0.1μm,準確度有±5μm/±3μm/±2μm。0.1μm時的速度可達60 m/min,1μm時達120 m/min。精密機床要用敞開式光柵尺,分辨率從1μm~1 nm,最高準確度到±0.5μm。近來發展的絕對式光柵尺得到比較廣泛的應用,其分辨率可達到0.1μm,速度達120 m/min,在起動時不需要尋找零位,縮短了機床的非生產時間,提高了機床的可靠性。

德國Heidenhain公司是當今世界制造光柵尺、圓光柵編碼器、數顯表和數控裝置最著名的公司。西班牙Fagor、日本Mitutoyo(三豐)、英國Renishaw也都是數顯測量系統領域著名的公司。國內比較大的光柵尺生產企業是長春光機、信和、怡信、萬濠和新天,圓光柵編碼器生產企業是長春禹衡、無錫瑞普。

2. 感應同步器數顯裝置

感應同步器測量系統包括傳感器和數顯表兩部分。這種電磁感應位置檢測元件是20世紀50年代美國Farrand公司根據美國空軍提出的要求發明的。從本質上看,它是一種采用平面繞組的分解器,最早研制成功的感應同步器是旋轉型的,直徑為127 mm,有108個極的圓感應同步器。它由轉子和定子兩部分組成,分別安裝在相對轉動的部件上。這個127 mm的圓感應同步器,成功地用于導彈制導設備的跟蹤系統中。

由于20世紀50年代數控機床出現后,急需行程大、精度高、性能穩定的直線位置數字檢測系統,因而在圓感應同步器的基礎上,又發展出直線式感應同步器。直線感應同步器由定尺和滑尺兩部分組成,使用時分別安裝在相對移動的部件上。標準型感應同步器定尺長度為250 mm

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