位移測(cè)量技術(shù)及其傳感器的最新發(fā)展

第九屆CIMT2005中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上展示了當(dāng)今世界位移測(cè)量技術(shù)最新的發(fā)展和最新型的位移傳感器，并將數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床推向更高精度、更高速度、更高可靠、更高效率的發(fā)展，也將數(shù)顯技術(shù)和數(shù)顯量具推向一個(gè)新的高度。

1．最新發(fā)展主要體現(xiàn)在三個(gè)方面

（1）絕對(duì)式光柵尺在控制系統(tǒng)中逐步取代現(xiàn)在通用的增量式光柵尺，并廣泛應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床。采用絕對(duì)式光柵尺的測(cè)量系統(tǒng)在設(shè)備通電的同時(shí)后續(xù)電路就可以獲得絕對(duì)位置，不再需要在開機(jī)后尋找參考零位，提高了系統(tǒng)的可靠性和工作效率。

（2）單場(chǎng)掃描光柵尺將逐步取代現(xiàn)在通用的四場(chǎng)掃描光柵尺。這將大幅度提高光柵尺的精度、分辨力、速度和抗污染的能力。這是光柵傳感器最重要的發(fā)展，使光柵測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到了一個(gè)新的技術(shù)高度。

（3）量具目前普遍采用的增量式容柵測(cè)量系統(tǒng)是不能防水的，有一半的容柵量具將會(huì)被防水型絕對(duì)式電磁感應(yīng)式測(cè)量系統(tǒng)所取代，尤其是數(shù)顯卡尺。因?yàn)槿輺攀亲冸娙輺攀綔y(cè)量系統(tǒng)，空氣是作為介質(zhì)要受到濕度的影響，在不改變數(shù)顯卡尺的柵式結(jié)構(gòu)條件下采用變電感的測(cè)量系統(tǒng)，這就能防水，將容柵的防護(hù)等級(jí)從IP40提高到IP67；另外在增量式碼道旁邊再增加絕對(duì)式碼道，采用絕對(duì)式編碼技術(shù)通電后不需要對(duì)零，在點(diǎn)位測(cè)量時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生超速錯(cuò)誤。今后普及型的量具仍會(huì)采用容柵測(cè)量系統(tǒng)，而防水型的都會(huì)采用電磁感應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)。


2．絕對(duì)式光柵尺

現(xiàn)代位移測(cè)量系統(tǒng)普遍采用光柵、磁柵、感應(yīng)同步器、球柵和容柵等柵式測(cè)量系統(tǒng)，都是應(yīng)用了重復(fù)周期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，位移的測(cè)量都是采用增量測(cè)量方法，也就是在確定初始點(diǎn)后要用讀出從初始點(diǎn)到所在位置的增量數(shù)（步距）來(lái)確定位置。因此設(shè)備在開機(jī)后每個(gè)軸需要移動(dòng)一個(gè)位置尋找參考標(biāo)記。近幾年來(lái)為了解決開機(jī)后機(jī)床各個(gè)軸在不移動(dòng)的情況下，光柵尺就能夠提供當(dāng)前絕對(duì)位置的數(shù)據(jù)，德國(guó)HEIDENHAIN、日本三豐（MITUTOYO）、西班牙FAGOR等公司都開發(fā)了絕對(duì)式光柵尺，并成功用于數(shù)控機(jī)床，配備了絕對(duì)式光柵尺的機(jī)床或生產(chǎn)線在重新開機(jī)后立刻重新獲得各個(gè)軸的絕對(duì)位置以及刀具的空間指向，因此可以立刻從中斷處開始繼續(xù)原來(lái)的加工程序，這就大大地提高了數(shù)控機(jī)床的有效加工時(shí)間。絕對(duì)式測(cè)量是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，在位移傳感器上會(huì)得到普遍的應(yīng)用，日本三豐公司已將增量式容柵數(shù)顯卡尺用新一代絕對(duì)式容柵數(shù)顯卡尺替代，新推出的防水?dāng)?shù)顯卡尺也采用絕對(duì)式電磁感應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)。日本SONY公司正在研發(fā)絕對(duì)式磁柵尺，即將推出新產(chǎn)品。英國(guó)NEWALL公司也在推出絕對(duì)式球柵傳感器。絕對(duì)式直線傳感器首先應(yīng)用在反饋控制系統(tǒng)中，尤其是數(shù)控機(jī)床中，現(xiàn)在FANUC、SIEMEMS、三菱（MITSUBISHI）等許多數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)廠家都在采用。總之絕對(duì)式直線傳感器有顯著優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前發(fā)展起來(lái)的新一代產(chǎn)品，將使數(shù)控機(jī)床反饋控制系統(tǒng)提高到一個(gè)新的高度。

新一代絕對(duì)式光柵尺一般是在標(biāo)尺上做兩個(gè)碼道，一個(gè)是絕對(duì)碼道將不同寬度和不同間距的柵線以絕對(duì)位置數(shù)據(jù)用編碼形式直接制作到標(biāo)尺上用來(lái)確定絕對(duì)位置；另外一個(gè)碼道是增量碼道用來(lái)確定光柵的精度和分辨力。絕對(duì)式光柵尺還需要提供和數(shù)控系統(tǒng)接口的通信協(xié)議。

1997年HEIDENHAIN推出絕對(duì)式光柵尺LC181，在該玻璃標(biāo)尺上有七個(gè)碼道，其中增量碼道的信號(hào)周期為16μm，由EnDat接口傳輸絕對(duì)位置和增量信號(hào)，測(cè)量分辨力從1μm到0.1μm，準(zhǔn)確度±5μm、±3μm，最大測(cè)量長(zhǎng)度3040mm，最大速度120m/min。2000年后又推出LC481，在標(biāo)尺上只設(shè)了兩個(gè)碼道，一個(gè)是增量碼道柵距為20μm，一個(gè)是絕對(duì)碼道，最大測(cè)量長(zhǎng)度為2040mm，防護(hù)等級(jí)為IP53和IP64。

日本三豐（MITUTOYO）公司2003年也推出用于反饋系統(tǒng)的絕對(duì)式光柵尺AT500系列，在標(biāo)尺上采用了三個(gè)碼道，中間是增量碼道柵距為20μm，兩邊為絕對(duì)碼道，測(cè)量分辨力為0.5μm和0.05μm，最高速度為150m/min和120m/min，準(zhǔn)確度為±3μm/±5μm，最大測(cè)量長(zhǎng)度3m，防護(hù)等級(jí)為IP53和IP64。在FANUC、三菱的數(shù)控系統(tǒng)上普遍采用。

西班牙FAGOR公司在2004年7月也宣布有絕對(duì)式光柵尺，在標(biāo)尺上有兩個(gè)碼道，一個(gè)是增量碼道柵距為20μm，另一個(gè)是絕對(duì)碼道。FAGOR的絕對(duì)式光柵尺有兩個(gè)系列，SA/SVA系列測(cè)量長(zhǎng)度從140mm～2040mm，GA系列測(cè)量長(zhǎng)度從140mm～3040mm，最大速度為120m/min，分辨力為0.1μm，防護(hù)等級(jí)也為IP53和IP64。


3．單場(chǎng)掃描的光柵傳感器

光電單場(chǎng)掃描原理是新一代掃描原理，2004年由德國(guó)HEIDENHAIN公司提出，其優(yōu)點(diǎn)是提高了光柵傳感器輸出信號(hào)的質(zhì)量和抗污染能力。其顯著的效果是提高了光柵傳感器的定位精度、分辨力和運(yùn)行速度，以及對(duì)污染特別不敏感。

單場(chǎng)掃描的信號(hào)生成，是將光柵傳感器的指示光柵作成一個(gè)和標(biāo)尺光柵寬度差不多的單場(chǎng)掃描光柵掩模，其柵距和標(biāo)尺光柵的柵距略有不同，這樣一來(lái)就可以在掃描光柵掩模（指示光柵）的全長(zhǎng)上產(chǎn)生多組（例如八組）明暗交替花樣條紋，并起到了光學(xué)濾波作用，每組能夠生成4個(gè)相位差90o的區(qū)域，可以產(chǎn)生高質(zhì)量正弦波信號(hào)。接收元件為特制的含4個(gè)相位的多組硅光電池，不但接收面積增大而且多個(gè)接收元件的平均效應(yīng)提高了信號(hào)精度和強(qiáng)度以及抗污染的能力。

單場(chǎng)掃描光柵尺由于覆蓋光柵標(biāo)尺全寬的大尺寸掃描區(qū)以及多組柵狀掃描區(qū)的平均效應(yīng)使得光柵尺的一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)位置誤差大大減小（小于一個(gè)信號(hào)周期的0.5%，若柵距為20μm即小于0.1μm），精度提高一倍以上，并且信號(hào)強(qiáng)度大，運(yùn)行速度高，穩(wěn)定性好，抗污染能力強(qiáng)。現(xiàn)用的這種單場(chǎng)掃描的光柵尺的柵距為20μm，通過(guò)細(xì)分可以達(dá)到或超過(guò)0.1μm的分辨力，測(cè)量速度從120m/min可以提高到180m/min，這種封閉式光柵尺在大流量冷卻液沖淋下可以連續(xù)運(yùn)行12小時(shí)，測(cè)量精度優(yōu)于傳統(tǒng)四場(chǎng)掃描光柵尺，這是光柵成像測(cè)量原理的重大發(fā)展。


4．防水絕對(duì)式數(shù)顯卡尺

容柵測(cè)量系統(tǒng)是在1973年問(wèn)世，1974年TRIMOS公司最先在測(cè)高儀上應(yīng)用，1980年專門生產(chǎn)容柵數(shù)顯的SYLVAC公司成立，容柵很快就應(yīng)用于數(shù)顯卡尺、千分表、測(cè)高儀和測(cè)長(zhǎng)儀。常用容柵測(cè)量系統(tǒng)的分辨率為1μm、5μm和10μm，測(cè)量速度是1m/s～2m/s。容柵最大測(cè)量范圍高度儀是2m，長(zhǎng)度儀是3m，系統(tǒng)測(cè)量精度為〔3+Lmm/300〕μm。容柵測(cè)量系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)成本低、功耗小、速度快，所以在量具量?jī)x上得到廣泛應(yīng)用，但是分辨力在1μm和1μm以下的測(cè)量系統(tǒng)一般都采用光柵測(cè)量系統(tǒng)。

容柵數(shù)顯卡尺最大的問(wèn)題是不能防水，數(shù)顯卡尺生產(chǎn)廠家紛紛尋找能防水的測(cè)量系統(tǒng)。日本MITUTOYO（三豐）公司在2000年10月推出了采用電磁感應(yīng)原理的絕對(duì)式編碼的防護(hù)等級(jí)為IP65的防水卡尺CD-G系列，當(dāng)年銷售5萬(wàn)支。2003年10月推出IP66防水卡尺CD66-P系列，當(dāng)年銷售15萬(wàn)支；2004年1月又推出IP67防水卡尺CD67-PS系列，當(dāng)年銷售10萬(wàn)支。2004年11月1日將IP67太陽(yáng)能防水卡尺CD67-SPS系列在日本東京國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)（JIMTOF2004）上展出，預(yù)計(jì)今年就可銷售3000支，太陽(yáng)能防水卡尺的太陽(yáng)能電池的使用壽命為10年。2001年瑞士TESA公司也推出了采用磁柵原設(shè)計(jì)的防水型數(shù)顯卡尺TESA-CALIP65，2004年又推出可以放入水中的防水卡尺TESA-CALIP67。SYLVAC和MAHR也推出IP65的防水型數(shù)顯卡尺。


三豐公司的普及型數(shù)顯卡尺主要還是容柵絕對(duì)式編碼（Electrostatic capacity type absolute encoder）卡尺“ABSOLUTE”，是電子卡尺的第二代產(chǎn)品，只要打開開關(guān)便可以開始測(cè)量不需要另外置零，也不會(huì)產(chǎn)生超速錯(cuò)誤。該產(chǎn)品在日本本土的產(chǎn)量為200萬(wàn)支。其技術(shù)應(yīng)用在三豐公司生產(chǎn)的數(shù)顯卡尺和數(shù)顯千分表上。