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，也促進(jìn)了數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。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，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)。

　　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)量儀器上，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年光柵尺的銷售量已超過(guò)30萬(wàn)個(gè)坐標(biāo)，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(tái)數(shù)顯表）銷售價(jià)降到1200元；圓光柵編碼器的銷售量已超過(guò)53萬(wàn)個(gè)，銷售額達(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)，不少國(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，但可用接長(zhǎng)的方法接到18 m，鋼帶式感應(yīng)同步器定尺單根長(zhǎng)度即可做到10 m，最長(zhǎng)30 m。因此適用于各種重型、大型和中、小型機(jī)床。

　　感應(yīng)同步器的應(yīng)用領(lǐng)域遍及航天、航空、機(jī)械制造，精密儀器，計(jì)量等部門。圓感應(yīng)同步器可以測(cè)量整周內(nèi)的任意角度，常用于數(shù)顯轉(zhuǎn)臺(tái)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、陀螺平臺(tái)、火炮控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)、雷達(dá)天線、經(jīng)緯儀等；直線感應(yīng)同步器多用于各種機(jī)床、儀器，作為數(shù)顯、數(shù)控和伺服系統(tǒng)的反饋測(cè)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(cè)量系統(tǒng)。數(shù)顯表首先將激磁信號(hào)輸入給感應(yīng)同步器，感應(yīng)同步器再將位置感應(yīng)信號(hào)送回給數(shù)顯表，數(shù)顯表將信號(hào)處理后由顯示器顯示，也可將位置/數(shù)字信號(hào)送給伺服系統(tǒng)作為控制用。

　　由于感應(yīng)同步器精度高（長(zhǎng)度準(zhǔn)確度達(dá)到±1μm，角度精準(zhǔn)確度達(dá)到±1“）、可靠性高以及抗惡劣環(huán)境能力強(qiáng)，美國(guó)一直在軍事、空間科學(xué)、射電望遠(yuǎn)鏡、機(jī)器人和機(jī)床上應(yīng)用，例如美國(guó)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)，在太空的哈勃望遠(yuǎn)鏡（Hubble telescope）上就安裝了感應(yīng)同步器。但是由于市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，感應(yīng)同步器在國(guó)內(nèi)機(jī)床行業(yè)的應(yīng)用大幅度減少，制造企業(yè)也逐漸退出了這一領(lǐng)域。

　　3. 磁柵數(shù)顯裝置

　　1958年在布達(dá)佩斯舉行的第四屆國(guó)際計(jì)量與測(cè)試大會(huì)（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(cè)尺——磁柵及其在測(cè)量技術(shù)中應(yīng)用的試驗(yàn)研究情況。第二年秋天，在布爾諾舉行的國(guó)際博覽會(huì)上，展出了用于測(cè)量齒輪和機(jī)床傳動(dòng)鏈精度的TMO系列磁柵式測(cè)量?jī)x。自此，作為一種新型的測(cè)量技術(shù)——磁柵技術(shù)便正式宣布問(wèn)世。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　最初，磁柵主要被用作圓分度測(cè)尺，且只能在動(dòng)態(tài)（勻速運(yùn)動(dòng)）的情況下，用模擬電子系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，但在工程中，直線位置檢測(cè)往往比角度和圓分度測(cè)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）。20世紀(jì)60年代初，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(cè)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，并開(kāi)發(fā)出直線磁柵和圓形磁柵檢測(cè)裝置系列產(chǎn)品，把磁柵檢測(cè)技術(shù)提高到一個(gè)新的水平。

　　Sony公司生產(chǎn)精度高、用于反饋的磁柵尺的輸出信號(hào)周期為40μm的正弦波，分辨率0.05μm~1μm，準(zhǔn)確度±3μm，最大速度150 m/min，測(cè)量長(zhǎng)度從70 mm~2 040 mm，防護(hù)等級(jí)可以達(dá)到防水的IP65。由于磁柵尺測(cè)量長(zhǎng)度比較長(zhǎng)（可以到30 m）因此在大型機(jī)床上應(yīng)用較多，磁柵尺的系列產(chǎn)品的準(zhǔn)確度有±10μm、±5μm、±3μm，分辨率從5μm~0.1μm。Sony公司磁柵尺的年產(chǎn)量在10000支左右，銷售額超過(guò)1000萬(wàn)美元。我國(guó)研究磁柵檢測(cè)技術(shù)也較早。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)，并能刻出±1”的圓形磁柵。磁柵尺在我國(guó)主要是用于機(jī)床數(shù)顯，國(guó)內(nèi)的制造單位是上海平信公司（原上海機(jī)床研究所），年銷售量在5000支左右。

　　4. 球柵數(shù)顯裝置

　　英國(guó)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(kāi)發(fā)了數(shù)顯表，1976年獲得了美國(guó)專利權(quán)。1995年又推出柵距為5 mm，分辨率為1 mm的Microsyn高精度球柵尺。1975年以來(lái)，英國(guó)Newall公司一直壟斷著球柵市場(chǎng)，該公司80％以上的產(chǎn)品銷往世界60多個(gè)國(guó)家，球柵的年銷售量已超過(guò)20000支，累計(jì)超過(guò)40多萬(wàn)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，構(gòu)成柵距為12.7 mm的球尺，讀數(shù)頭采用了防水保護(hù)，保護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67的防水標(biāo)準(zhǔn)，是所有傳感器類型中最高的，在環(huán)境惡劣的地方用得較多。球柵測(cè)量長(zhǎng)度可達(dá)到12 m，分辨率5μm，最大移動(dòng)速度120 m/min。球柵尺在我國(guó)的年銷售量超過(guò)5000套。

　　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)，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。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。②尺體為金屬結(jié)構(gòu)，保護(hù)良好，不會(huì)因冷卻水、冷卻液、金屬粉末或塵土等的影響而污損。③殼體剛性強(qiáng)、密封好，即使用噴氣槍清理機(jī)床時(shí)，直接噴射到球同步器上也不會(huì)被損壞。④基準(zhǔn)鋼球的線脹系數(shù)與鋼鐵相同，對(duì)車間溫度的變化不敏感。⑤能在強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)輻射條件下工作，可用于原子反應(yīng)堆。

　　5.容柵數(shù)顯裝置

　　容柵測(cè)量系統(tǒng)1972年由H.U.Meyer發(fā)明并取得專利，1974年瑞士TRIMOS公司最先在測(cè)高儀上應(yīng)用，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(zhǎng)度測(cè)量儀表，這種新的柵式測(cè)量系統(tǒng)很快就應(yīng)用于數(shù)顯卡尺、千分表、測(cè)高儀和測(cè)長(zhǎng)儀。

　　瑞士Sylvac、Tesa公司和日本Mitutoyo（三豐）公司都在量具、量?jī)x方面發(fā)展容柵測(cè)量系統(tǒng)。日本三豐公司2003年推出機(jī)床容柵數(shù)顯裝置，容柵測(cè)量系統(tǒng)的分辨率為10μm和5μm，準(zhǔn)確度為50μm/m，速度為60 m/min。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。

　　日本三豐公司是國(guó)際著名的也是最大的容柵測(cè)量系統(tǒng)制造公司。國(guó)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?jī)x作為工作母機(jī)和測(cè)量母機(jī)，是各種機(jī)械獲得精度的基礎(chǔ)，而它們本身的精度又依賴于長(zhǎng)度、角度、圓度和幾何精度等基礎(chǔ)機(jī)械技術(shù)，其中長(zhǎng)度測(cè)量技術(shù)和圓分度技術(shù)的關(guān)鍵是位置測(cè)量元件的精度及其讀出精度。

　　多年來(lái)，世界多國(guó)都在致力于發(fā)展位置數(shù)字測(cè)量技術(shù)，尋找最理想的測(cè)量元件和信息處理技術(shù)，到目前為止，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、感應(yīng)同步器和磁柵以及近年出現(xiàn)的測(cè)量技術(shù)。這5種檢測(cè)元件和與之相配的數(shù)字系統(tǒng)，有其相似的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。

　　都易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械位移/電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。利用光電、磁電、電感、電容的測(cè)量原理，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)字化處理后即可用于顯示和控制。

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

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