機床數顯技術的發展確立了作為(wei) 機床位置反饋的傳(chuan) 感器，也促進了數控技術和數控機床的發展。由於(yu) 傳(chuan) 感器和數顯表生產(chan) 成本不斷下降，使機床數顯裝置得到廣泛的應用，現在機床數顯裝置的生產(chan) 已是一個(ge) 新興(xing) 的行業(ye) 。

　　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(chuan) 統的機床產(chan) 業(ye) 的新生事物。機床采用數顯裝置後提高了加工精度和工效，降低了廢品率。半個(ge) 世紀以來，以先後次序取得在數顯機床上應用的位移傳(chuan) 感器共有5種：20世紀50年代新興(xing) 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。這五種測量係統都是柵式測量係統，都采用了重複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(chuan) 感器都采用光刻、複製的方法製造標尺，其產(chan) 品製造成本得到降低而精度得到提高。這五種測量係統體(ti) 現了位移測量領域中的多樣性，都有各自的優(you) 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(chuan) 感器，開始是作為(wei) 角度編碼器，然後才發展成為(wei) 線位移傳(chuan) 感器。應用領域開始是軍(jun) 事上，然後是測量儀(yi) 器上，一直到有了數顯表才有了機床數顯，然後才有位置反饋的數控係統。磁柵和球柵一開始就用於(yu) 數顯，容柵開始是用於(yu) 量具、量儀(yi) ，2003年日本三豐(feng) （Mitutoyo）公司將容柵用於(yu) 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，製造光柵數顯的企業(ye) 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(feng) （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(chuan) 統的機床產(chan) 業(ye) 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(ye) 安裝機床數顯裝置，當時國產(chan) 傳(chuan) 感器比較成熟的產(chan) 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年代中後期，我國的光柵數顯產(chan) 品才逐步商品化、產(chan) 業(ye) 化，2000年以來我國數顯產(chan) 業(ye) 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(wan) 個(ge) 坐標，銷售額達到人民幣2億(yi) 元。用於(yu) 銑床的一套數顯裝置（400 mm/800 mm二支光柵尺和一台數顯表）銷售價(jia) 降到1200元；圓光柵編碼器的銷售量已超過53萬(wan) 個(ge) ，銷售額達到人民幣1.5億(yi) 元，這與(yu) 我國年產(chan) 55萬(wan) 台機床是相適應的。我國機床的數顯化率估計已達到30%左右。

　　五種數顯測量係統

　　光柵、感應同步器、磁柵、球柵和容柵五種測量係統在機床行業(ye) 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(cong) 精密加工、檢測，達到亞(ya) 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(guan) 技術的促進下，取得了飛躍的發展。

　　從(cong) 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(chan) 品，應用於(yu) 自己的產(chan) 品之中。該係列產(chan) 品已成功應用於(yu) 坐標測量機、比長儀(yi) 等計量儀(yi) 器、高精密數控機床、超精密加工機床和半導體(ti) 工業(ye) 的專(zhuan) 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(liang) 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(cong) 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(cong) 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(chan) 時間，提高了機床的可靠性。

　　德國Heidenhain公司是當今世界製造光柵尺、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(feng) ）、英國Renishaw也都是數顯測量係統領域著名的公司。國內(nei) 比較大的光柵尺生產(chan) 企業(ye) 是長春光機、信和、怡信、萬(wan) 濠和新天，圓光柵編碼器生產(chan) 企業(ye) 是長春禹衡、無錫瑞普。

       2. 感應同步器數顯裝置

　　感應同步器測量係統包括傳(chuan) 感器和數顯表兩(liang) 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(jun) 提出的要求發明的。從(cong) 本質上看，它是一種采用平麵繞組的分解器，最早研製成功的感應同步器是旋轉型的，直徑為(wei) 127 mm，有108個(ge) 極的圓感應同步器。它由轉子和定子兩(liang) 部分組成，分別安裝在相對轉動的部件上。這個(ge) 127 mm的圓感應同步器，成功地用於(yu) 導彈製導設備的跟蹤係統中。

　　由於(yu) 20世紀50年代數控機床出現後，急需行程大、精度高、性能穩定的直線位置數字檢測係統，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(liang) 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(wei) 250 mm，但可用接長的方法接到18 m，鋼帶式感應同步器定尺單根長度即可做到10 m，最長30 m。因此適用於(yu) 各種重型、大型和中、小型機床。

　　感應同步器的應用領域遍及航天、航空、機械製造，精密儀(yi) 器，計量等部門。圓感應同步器可以測量整周內(nei) 的任意角度，常用於(yu) 數顯轉台、數控轉台、伺服轉台、陀螺平台、火炮控製、導彈製導、雷達天線、經緯儀(yi) 等；直線感應同步器多用於(yu) 各種機床、儀(yi) 器，作為(wei) 數顯、數控和伺服係統的反饋測量元件。

　　感應同步器數顯表與(yu) 直線感應同步器或圓感應同步器組成數顯位置測量係統。數顯表首先將激磁信號輸入給感應同步器，感應同步器再將位置感應信號送回給數顯表，數顯表將信號處理後由顯示器顯示，也可將位置/數字信號送給伺服係統作為(wei) 控製用。

　　由於(yu) 感應同步器精度高（長度準確度達到±1μm，角度精準確度達到±1“）、可靠性高以及抗惡劣環境能力強，美國一直在軍(jun) 事、空間科學、射電望遠鏡、機器人和機床上應用，例如美國把感應同步器廣泛應用於(yu) 人造衛星和核潛艇的製導係統，在太空的哈勃望遠鏡（Hubble telescope）上就安裝了感應同步器。但是由於(yu) 市場的競爭(zheng) ，感應同步器在國內(nei) 機床行業(ye) 的應用大幅度減少，製造企業(ye) 也逐漸退出了這一領域。

　　3. 磁柵數顯裝置

　　1958年在布達佩斯舉(ju) 行的第四屆國際計量與(yu) 測試大會(hui) （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測尺——磁柵及其在測量技術中應用的試驗研究情況。第二年秋天，在布爾諾舉(ju) 行的國際博覽會(hui) 上，展出了用於(yu) 測量齒輪和機床傳(chuan) 動鏈精度的TMO係列磁柵式測量儀(yi) 。自此，作為(wei) 一種新型的測量技術——磁柵技術便正式宣布問世。#p#分頁標題#e#

　　最初，磁柵主要被用作圓分度測尺，且隻能在動態（勻速運動）的情況下，用模擬電子係統進行檢測，但在工程中，直線位置檢測往往比角度和圓分度測量應用更廣，因此繼圓形磁柵之後又發展了直線磁柵（又稱磁尺）。20世紀60年代初，以Sony磁尺公司為(wei) 代表的日本公司，在直線磁柵的刻製（錄磁工藝）調製式讀出磁頭和檢測係統研製以及工業(ye) 應用方麵都進行了係統而深入的研究，並開發出直線磁柵和圓形磁柵檢測裝置係列產(chan) 品，把磁柵檢測技術提高到一個(ge) 新的水平。

　　Sony公司生產(chan) 精度高、用於(yu) 反饋的磁柵尺的輸出信號周期為(wei) 40μm的正弦波，分辨率0.05μm~1μm，準確度±3μm，最大速度150 m/min，測量長度從(cong) 70 mm~2 040 mm，防護等級可以達到防水的IP65。由於(yu) 磁柵尺測量長度比較長（可以到30 m）因此在大型機床上應用較多，磁柵尺的係列產(chan) 品的準確度有±10μm、±5μm、±3μm，分辨率從(cong) 5μm~0.1μm。Sony公司磁柵尺的年產(chan) 量在10000支左右，銷售額超過1000萬(wan) 美元。我國研究磁柵檢測技術也較早。1961年上海機床廠就試製成功了刻製圓形磁柵的大型錄磁機，並能刻出±1”的圓形磁柵。磁柵尺在我國主要是用於(yu) 機床數顯，國內(nei) 的製造單位是上海平信公司（原上海機床研究所），年銷售量在5000支左右。

　　4. 球柵數顯裝置

　　英國Newall公司於(yu) 1975年推出柵距為(wei) 0.5“的球柵尺Spherosyn（分辨率5 mm），並相應開發了數顯表，1976年獲得了美國專(zhuan) 利權。1995年又推出柵距為(wei) 5 mm，分辨率為(wei) 1 mm的Microsyn高精度球柵尺。1975年以來，英國Newall公司一直壟斷著球柵市場，該公司80％以上的產(chan) 品銷往世界60多個(ge) 國家，球柵的年銷售量已超過20000支，累計超過40多萬(wan) 支。球柵的標尺是在不導磁的鋼管內(nei) 放入0.5in.的鋼球，構成柵距為(wei) 12.7 mm的球尺，讀數頭采用了防水保護，保護等級達到IP67的防水標準，是所有傳(chuan) 感器類型中最高的，在環境惡劣的地方用得較多。球柵測量長度可達到12 m，分辨率5μm，最大移動速度120 m/min。球柵尺在我國的年銷售量超過5000套。

　　球柵具有許多獨特的優(you) 點：①采用完全密封型結構，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。這一特點使得球同步器特別適用於(yu) 水下機械和一些必須浸在水中進行加工的材料的加工機械。②尺體(ti) 為(wei) 金屬結構，保護良好，不會(hui) 因冷卻水、冷卻液、金屬粉末或塵土等的影響而汙損。③殼體(ti) 剛性強、密封好，即使用噴氣槍清理機床時，直接噴射到球同步器上也不會(hui) 被損壞。④基準鋼球的線脹係數與(yu) 鋼鐵相同，對車間溫度的變化不敏感。⑤能在強磁場和強輻射條件下工作，可用於(yu) 原子反應堆。

　　5.容柵數顯裝置

　　容柵測量係統1972年由H.U.Meyer發明並取得專(zhuan) 利，1974年瑞士TRIMOS公司最先在測高儀(yi) 上應用，1978年專(zhuan) 門生產(chan) 容柵數顯產(chan) 品的SYLVAC公司成立，該公司從(cong) 事製造容柵數字顯示的長度測量儀(yi) 表，這種新的柵式測量係統很快就應用於(yu) 數顯卡尺、千分表、測高儀(yi) 和測長儀(yi) 。

　　瑞士Sylvac、Tesa公司和日本Mitutoyo（三豐(feng) ）公司都在量具、量儀(yi) 方麵發展容柵測量係統。日本三豐(feng) 公司2003年推出機床容柵數顯裝置，容柵測量係統的分辨率為(wei) 10μm和5μm，準確度為(wei) 50μm/m，速度為(wei) 60 m/min。由於(yu) 容柵尺製造成本比較便宜，因此它是五種數顯裝置中價(jia) 格最低的。

　　日本三豐(feng) 公司是國際著名的也是最大的容柵測量係統製造公司。國內(nei) 容柵數顯卡尺最大的生產(chan) 企業(ye) 是桂林廣陸。

　　發展的共性

　　高精度精密機床和高精度精密量儀(yi) 作為(wei) 工作母機和測量母機，是各種機械獲得精度的基礎，而它們(men) 本身的精度又依賴於(yu) 長度、角度、圓度和幾何精度等基礎機械技術，其中長度測量技術和圓分度技術的關(guan) 鍵是位置測量元件的精度及其讀出精度。

　　多年來，世界多國都在致力於(yu) 發展位置數字測量技術，尋找最理想的測量元件和信息處理技術，到目前為(wei) 止，為(wei) 人們(men) 所公認並已得到廣泛應用的是前麵所介紹的光柵、感應同步器和磁柵以及近年出現的測量技術。這5種檢測元件和與(yu) 之相配的數字係統，有其相似的特點和優(you) 點。

　　都易於(yu) 實現機械位移/電信號的轉換。利用光電、磁電、電感、電容的測量原理，經過信號轉換和數字化處理後即可用於(yu) 顯示和控製。

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

　　高精度。直線位置測量準確度一般可達0.01～0.03 mm（用於(yu) 普通機床），最高點可達0.003 mm（坐標鏜床）。既適用於(yu) 一般機床設備，也完全能滿足高精度銑床、儀(yi) 器的要求。特別是圓分度測量，其分度準確度一般可達6“～10”，最高可達1“，甚至更高，大大超過了傳(chuan) 統的機械或光學方法。