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，降低了廢品率。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，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；20世紀(jì)60年代的光柵和磁柵；20世紀(jì)70年代的容柵和球柵。這五種測(cè)量系統(tǒng)都是柵式測(cè)量系統(tǒng)，都采用了重復(fù)周期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，利用平均技術(shù)減少誤差、提高精度，利用差動(dòng)技術(shù)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(fù)制的方法制造標(biāo)尺，其產(chǎn)品制造成本得到降低而精度得到提高。這五種測(cè)量系統(tǒng)體現(xiàn)了位移測(cè)量領(lǐng)域中的多樣性，都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足,在使用中相互補(bǔ)充。
在我國(guó)最先應(yīng)用的是感應(yīng)同步器和光柵傳感器，開(kāi)始是作為角度編碼器，然后才發(fā)展成為線位移傳感器。應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)始是軍事上，然后是測(cè)量?jī)x器上，一直到有了數(shù)顯表才有了機(jī)床數(shù)顯，然后才有位置反饋的數(shù)控系統(tǒng)。磁柵和球柵一開(kāi)始就用于數(shù)顯，容柵開(kāi)始是用于量具、量?jī)x，2003年日本三豐（Mitutoyo）公司將容柵用于機(jī)床數(shù)顯。
發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)床數(shù)顯的推廣應(yīng)用是在20世紀(jì)70年代中期，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)，如1972年美國(guó)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(guó)的Newall也推出了球柵數(shù)顯。發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)床的數(shù)顯化率在30%~60%左右。
我國(guó)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，在政府推動(dòng)下全國(guó)各省、市設(shè)立了數(shù)顯技術(shù)推廣服務(wù)中心，用大量經(jīng)費(fèi)補(bǔ)貼企業(yè)安裝機(jī)床數(shù)顯裝置，當(dāng)時(shí)國(guó)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。20世紀(jì)90年代中后期，我國(guó)的光柵數(shù)顯產(chǎn)品才逐步商品化、產(chǎn)業(yè)化，2000年以來(lái)我國(guó)數(shù)顯產(chǎn)業(yè)每年以30%~40%的速度增長(zhǎng)，到2006年光柵尺的銷(xiāo)售量已超過(guò)30萬(wàn)個(gè)坐標(biāo)，銷(xiāo)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(tái)數(shù)顯表）銷(xiāo)售價(jià)降到1200元；圓光柵編碼器的銷(xiāo)售量已超過(guò)53萬(wàn)個(gè)，銷(xiāo)售額達(dá)到人民幣1.5億元，這與我國(guó)年產(chǎn)55萬(wàn)臺(tái)機(jī)床是相適應(yīng)的。我國(guó)機(jī)床的數(shù)顯化率估計(jì)已達(dá)到30%左右。
五種數(shù)顯測(cè)量系統(tǒng)
光柵、感應(yīng)同步器、磁柵、球柵和容柵五種測(cè)量系統(tǒng)在機(jī)床行業(yè)中常用的柵距、分辨力、準(zhǔn)確度和最大速度如表所示。
1.光柵數(shù)顯裝置
當(dāng)今世界已從精密加工、檢測(cè)，達(dá)到亞微米級(jí)加工、檢測(cè)，目前正向納米級(jí)加工技術(shù)及納米檢測(cè)技術(shù)的方向發(fā)展。光柵技術(shù)也正是在這些相關(guān)技術(shù)的促進(jìn)下，取得了飛躍的發(fā)展。
從20世紀(jì)70~80年代以來(lái)，不少?lài)?guó)家的公司如日本、美國(guó)、意大利、法國(guó)、瑞士、中國(guó)等均將光柵數(shù)顯的技術(shù)及產(chǎn)品，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(cè)量機(jī)、比長(zhǎng)儀等計(jì)量?jī)x器、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(zhuān)用設(shè)備上。普通機(jī)床用的光柵尺多數(shù)是封閉式的，標(biāo)尺有玻璃和鋼兩種，玻璃標(biāo)尺可以到3 m長(zhǎng)，鋼帶標(biāo)尺可以到30 m或更長(zhǎng)。分辨率從5μm~0.1μm，準(zhǔn)確度有±5μm/±3μm/±2μm。0.1μm時(shí)的速度可達(dá)60 m/min，1μm時(shí)達(dá)120 m/min。精密機(jī)床要用敞開(kāi)式光柵尺，分辨率從1μm~1 nm，最高準(zhǔn)確度到±0.5μm。近來(lái)發(fā)展的絕對(duì)式光柵尺得到比較廣泛的應(yīng)用，其分辨率可達(dá)到0.1μm，速度達(dá)120 m/min，在起動(dòng)時(shí)不需要尋找零位，縮短了機(jī)床的非生產(chǎn)時(shí)間，提高了機(jī)床的可靠性。
德國(guó)Heidenhain公司是當(dāng)今世界制造光柵尺、圓光柵編碼器、數(shù)顯表和數(shù)控裝置最著名的公司。西班牙Fagor、日本Mitutoyo（三豐）、英國(guó)Renishaw也都是數(shù)顯測(cè)量系統(tǒng)領(lǐng)域著名的公司。國(guó)內(nèi)比較大的光柵尺生產(chǎn)企業(yè)是長(zhǎng)春光機(jī)、信和、怡信、萬(wàn)濠和新天，圓光柵編碼器生產(chǎn)企業(yè)是長(zhǎng)春禹衡、無(wú)錫瑞普。
2. 感應(yīng)同步器數(shù)顯裝置
感應(yīng)同步器測(cè)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(cè)元件是20世紀(jì)50年代美國(guó)Farrand公司根據(jù)美國(guó)空軍提出的要求發(fā)明的。從本質(zhì)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(yīng)同步器是旋轉(zhuǎn)型的，直徑為127 mm，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，分別安裝在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的部件上。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。
由于20世紀(jì)50年代數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)后，急需行程大、精度高、性能穩(wěn)定的直線位置數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)，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。直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，使用時(shí)分別安裝在相對(duì)移動(dòng)的部件上。標(biāo)準(zhǔn)型感應(yīng)同步器定尺長(zhǎng)度為250 mm
