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中国数显装置发展回顾与展望



中国数显装置发展回顾与展望

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    本文作者:中国科学院自动化研究所研究员 中国机床工具工业协会数显装置分会顾问  卢国纲

  一、世界数显技术发展概况

   数显装置是指位移传感器及其数字显示仪表组成的数字测量系统。位移传感器是将位移测量的模拟信号以正弦波电压或TTL方波信号的形式输出,而数字显示仪表是将接收的位移电压模拟信号进行插补和数字化处理后显示其测量值。机械设备的线位移和角位移的数字测量是现代制造业的基础,机械加工精度的提高是伴随着机床位移测量系统而发展的。

  20世纪50年代继美国FARRAND公司开发感应同步器和60年代德国HEIDENHAIN公司开发光栅传感器之后,世界各国都在致力于发展位移数字测量系统,寻求新的测量技术和元件及其信息处理技术。70年代是数字式位移传感器蓬勃发展的年代,到目前为止已取得广泛应用的位移测量技术是感应同步器、光栅、磁栅、容栅和球栅测量技术。与此同时,由于微电子技术的发展和微处理器的出现,使得数字测量系统飞速发展,数显量仪和机床数显装置也相继出现。仪表采用了数显装置后提高了测量精度和测量效率。机床采用数显装置后,也就是所谓的数显机床,提高了加工精度和加工效率,并降低了废品率,经济效益十分显着。机床和量具量仪的数显化率反应了一个国家的现代制造业的水平,70年代发达国家机床的数显化率都在50%以上。在数字位移测量系统的基础之上,80年代才有数控装置和数控机床进一步的发展。半个多世纪以来,机床位移测量系统的测量分辨率也从5μm提高到1nm,机械加工精度也从1μm提升到0.01μm.由于光栅传感器的精度高、分辨率高、动态响应好和制造技术成熟,当前的位移测量系统中90%以上是光栅位移测量系统。

中国数显装置发展回顾与展望  
二、我国数显技术发展的回顾

   改革开放后的20世纪80年代初,为了提高我国机械加工制造能力,参考西方发达国家的经验,面对我国传统的320万台机床,急需采用微电子技术改造传统的机床产业,也就是希望用数显装置改造传统的机床,现代制造业信息的传播由发行到每个车间的《机械工人》(现《金属加工》)杂志起了很大作用。

  但是我国数显技术及其数显装置在当时还处于科研产品的应用阶段,由于数显产品制造成本高、可靠性差、安装使用不够方便,影响到这一新技术的推广应用。此时,主持国家经委工作的朱基,就提出用微电子技术改造传统产业,在1984年、1985年和1987年分别在南京、成都和沈阳召开了三次“国内微电子技术改造设备会议”,提出用数显技术改造机床。图1为2006年贾庆林参观长光数显位移传感器的照片,充分显示了党和*****对数显行业的重视。

图1 2006年贾庆林参观长光数显位移传感器

   在国家经委的支持下,国内25个省和北京、上海、天津、重庆、武汉、广州、昆明、沈阳和大连等九个市都建立了数显技术推广应用服务中心。政府职能部门用指令的形式进行推广应用,并加大了国家对企业采用数显技术的经济支持力度。当时企业每安装一个机床数显坐标政府就补贴1500元,国内许多省、市企业评**需要考核的指标就有用微电子技术改造传统产业这一项。1986年4月19日国家多个部门还特别在北京二七机车工厂召开了“数显技术改造机床现场会”,朱基在会上专门作了“数显技术改造机床”的讲话。

  在这种形势下,1986年由多年从事数显技术研究和数显产品制造的科研院所、大专院校和生产企业组成了“中国机床数显技术协会”,在政府的支持下,运用行业协会的力量来推广机床数显技术。当时,《机械工人》杂志一直是中国机床工具工业协会数显装置分会的会员单位,为推广数显技术改造机床起了不小作用。该杂志在1985年就发表了《发展数显机床是机械工业的装备政策》一文,并大力介绍数显技术在量具、量仪和机床上的应用。

  数显协会的十多个会员单位和《机械工人》共同编辑出版了大型的数显技术书--《位置检测与技术》,**系统介绍了感应同步器、光栅、磁栅、容栅和球栅传感器的原理及其制造技术,成了数显行业的入门教材,直到今天还有很大的参考价值。当时的机械部第六设计研究院是数显协会下属的推广应用委员会的挂靠单位,利用数显装置改造机床方面,他们做了很多工作。仅1986~1988年三年间我国用数显技术改造的老机床就有25000多台。

 由于国内数显产品起步晚,满足不了国内机床行业的需要,20世纪80年代末期引进国外的数显产品。先是1986年引进日本SONY的磁栅数显装置和美国ACURITE光栅数显装置,主要用于改造老机床。随后引进了德国HEIDENHAIN、日本三丰、西班牙FAGOR的光栅数显装置,以及英国NEWELL的球栅数显装置,解决了我国对高精度、大长度和高速度的位移测量系统的需求。通过国际交流和竞争,也促进了我国数显产业的提高和发展。

  20世纪90年代,中国的数显技术和装备,从研究开发逐步走向商品化、产业化、国际化,并参与了国际交换和竞争。数显技术从20世纪80年代以数显技术改造传统的机床行业为起点,发展到21世纪以“数显装置”装备了中国的机床产业,使机床的数显化率达到30%,达到了发达国家的水平。数显装置以经济实用的价格,普及到整个机床行业,给“中国制造”奠定了基础。在这一时期,中国机床工具工业协会数显装置分会都组团参加中国国际机床展览会和中国数控机床展览会,现在每届的参展企业都在30家左右,参展的面积都在1000m2左右,《机械工人》每届展览会都会参加,为展会提供了很好的信息交流平台,并发表了一系列光栅、磁栅、球栅、容栅传感器的文章,支持了数显装置产业的发展。

  数显装置是跟随位移传感器的发展而发展的,现在中国已是位移传感器生产量的大国。中国位移传感器的产业情况如下:

  光栅线位移传感器(光栅尺)及其数字显示仪表和光栅旋转编码器的销售量跟随着国内机床行业和驱动系统的发展而发展,从2000年起,每年以30%~50%的速度递增,2008年国内金属切削机床的销售量增加到60万台(其中数控机床12万台),光栅尺的销售量达到40万坐标,销售额达到3亿元;光栅旋转编码器销售量超过100万个,销售额超过2亿元。十年来机床的数显化率一直都保持在30%左右。现在中国光栅尺的销售量是世界市场的一半,中国的光栅旋转编码器在世界市场的占有量仅次于德国和日本,其中出口量占20%.光栅尺主要的生产企业有:广州信和(诺信)、怡信、长春光机、贵阳新豪(新豪光栅尺见图2)和东莞万濠等。光栅旋转编码器主要的生产企业:长春禹衡、无锡瑞普、无锡科瑞特和四川科奥达等。国内企业数显技术的提高,使光栅测量系统也从主要用于数显的光栅尺进入可用于数控系统的反馈光栅尺。

  磁栅尺及数显表的生产单位是上海平信、深圳博望等,销售量在5000坐标,总销售额为5000万元。容栅卡尺的主要生产单位是桂林广陆、北京航天峰光等,销售量是200万支,销售额2亿元,多数是出口。球栅尺及数显表主要由航天科工惯性技术有限公司推广销售NEWALL的产品,年销售量5000坐标,销售额4 000万元;此外,深圳威勤、上海雷尼威尔也在国内生产球栅。感应同步器由武汉湖滨、昆明机床厂生产。

中国数显装置发展回顾与展望
三、中国光栅位移传感器新产品

   数显装置以经济实用的价格,普及到整个机床行业。

  近年来,中国光栅位移传感器在制造技术和工艺水平上都有提高,并推出了新的品种,开发了用于数控系统的反馈光栅尺和光栅旋转编码器,正在向数控领域推进。

  1.光栅尺

   国内封闭式玻璃光栅尺的*大测量长度为3m,准确度已达到±15μm、±10μm、±5μm和±3μm,分辨率为5μm、1μm和0.1μm,速度为60m/min,主要应用于机床数显和测量仪器,用玻璃光栅尺接长的光栅尺可以做到30m.现在有特点的企业介绍如下:

广州信和,该公司的KA-NC100系列反馈光栅尺能用于全闭环的数控系统,其主要技术指标:*大测量长度3m,栅距20μm,精度±5μm、±3μm,分辨率1~0.1μm,*大速度120m/min,加速度1.5g,抗振动10g.五年来不断开发数控系统促进高性能光栅尺的发展,光栅尺在市场的占有率和产品的质量都在国内行业中优越。在这里着重要指出的是诺信KA-NC100系列反馈光栅尺数据输出已采用高速双向串行数字接口,该公司2008年已和国际着名的伺服电动机驱动企业--日本安川(YASKAWA)公司签署通信协议,配备安川公司的ΣV型系列AC伺服驱动器,这是国内**家光栅尺生产企业和国际数控企业签署的通信协议,诺信公司的KA-NC100系列反馈光栅尺达到安川公司的所要求的品质,使我国的光栅尺正式进入用于反馈的全闭环数控系统。

  新天光栅尺是其主导产品之一,新天现已发展成为测量仪器、机床制造、机器人及机床数控系统的综合企业,光栅尺和数显表的销售量居国内同行业**。新天以光栅测量系统为基础,生产的仪器包括光学投影仪、影象测量仪、3D激光扫描仪、三坐标测量机、长度测量仪等,怡信生产的数控机床包括火花机、雕铣机、高速加工中心等。该公司的V60高速龙门式加工中心,三轴的加速度达到0.9g,定位精度达到 ±4μm.

  ELGO钢带光栅尺是国内首先推出测量长度大于3m的封闭式钢带光栅尺,栅距为20μm,测量长度可以达30m,*大测量速度60m/min,分辨率为5μm、1μm、0.1μm,加速度6g,振动30g ,冲击30g ,准确度分别为±3μm/2m、±5μm/6m、±10μm/30m.

  2.光栅旋转编码器

    国内的光栅旋转编码器主要是5000线/转以下的旋转编码器,*大的生产厂家是长春禹衡和无锡瑞普,其销售量有70万台,产品不单在机床行业中使用,而且还在伺服电动机、机器人、电梯、印刷机械、纺织机械、办公自动化、注塑机、加油机和工业自动化仪器仪表等行业广泛应用。增量式光栅的线数到8192线/转,每转输出的脉冲数达25000个,信号输出为TTL方波和1Vpp正弦波。优良式编码器的位数已到17位(每转的位置数为131072),已采用串行数字传输,并在数控机床上使用。

中国数显装置发展回顾与展望 
四、数显技术发展展望

   20世纪90年代,由于数控技术和数控装置的发展,数控机床的发展成为国家发展机械行业的主导,数显机床的占有率有所降低,但仍然是支撑机床工具行业的重要产品。而数显装置(见图3)中的光栅位移传感器就成为当今发展的重点。

  1.现今数显装置主要用于手动机床和测量仪器

   数显装置多数用于一个或多个测量行程的静态测量,主要用于手动机床(如铣床、车床、镗床、磨床、钻床和电火花机床)和测量仪表(如坐标测量机、长度测量仪、光学投影仪和影像测量仪),对提高该设备的精度、效率和减轻工作强度十分有效。该装置安装、维护简单,经济可靠,投资回收快。在西方发达国家非生产线上的机床基本上都是数显机床,大概占机床的10%,他们使用的廉价数显装置多数也是中国制造的。

  我国是制造大国,近十年来随着我国机床产量的增长,数显装置也同步增长,机床一直保持30%的数显化率,2008年的数显装置产量达到20万套。

2.现代的光栅、磁栅、球栅传感器一般是单独使用,已和数字显示仪表分离

   光栅、磁栅、球栅、感应同步器和容栅五种位移传感器各自的原理不一样,都是互不相关的测量系统。

  每种传感器的输出信号不一样,对一个信号周期的插补和数字化处理也不一样,因此各自都有自己的数显表,传感器和数显表是不能分离的。近十年来由于技术的进步,已将位移传感器输出信号的插补和数字化处理部分放入传感器内部,现在各种位移传感器的输出信号都逐渐统一为1VPP、11μA和TTL方波,位移传感器已经和数字显示仪表分离,可以单独使用。现在数字显示仪表的输入接口已经可以配置五种传感器中的任意一种。

  现在的数字显示仪表,从单轴到多轴(六轴),分辨率从10μm到0.1μm或更小,能显示运动路径和**位置值,有的还具有补偿修正功能、编程功能和帮助执行定位操作等。

  3.位移传感器要适用于数控系统

   数控装置是在数显装置发展的基础上发展起来的,数控系统的发展是依赖位移传感器的发展,而现代位移传感器必须适用于反馈控制,也就是要用于动态的数控机床。西方发达国家机床产值的数控化率都在70%以上。机床用的光栅测量系统和数控系统是现代上等数控机床的两大核心功能部件。数显装置行业是今天研究发展位移传感器的行业,数显机床只要求数显传感器具有准确的静态显示功能,而数控机床要求位移传感器具有动态测量功能,也就是要有高的加速度、高的抗振与抗冲击能力。

中国数显装置发展回顾与展望 
目前光栅位移传感器有光栅尺和圆光栅编码器两种产品。

  (1)光栅尺作为长度测量,用于数控机床的要求:精度等级为±2μm、±3μm、±5μm,分辨率(测量步距)要达到0.1μm,速度要达到120m/min,加速度要达到5g,振动30g ,冲击30g ;玻璃光栅尺的*大测量长度3m,钢带光栅尺超过30m.

  (2)圆光栅编码器按用途来划分有旋转编码器和角度编码器两类。角度编码器通常是指精度优于±5“和线数高于10000线/转的编码器,而旋转编码器通常是指精度为±10”以上和线数在50~5 000线/转的编码器。

  角度编码器用于机床旋转工作台、机床倾斜头、车床C轴、齿轮测量机和旋转分度装置。旋转编码器可以和丝杠联用作为线位移测量,作为伺服驱动器的控制系统需要由旋转编码器组成的测量系统提供位置和速度反馈信号,以及电子换向信号。旋转编码器的性能对伺服电动机的特性有决定性的影响,如位置的准确度、速度的稳定性和频带宽度等。旋转编码器其应用范围主要有电动机、机床、机器人、打印设备、木工机械、纺织机械、运输机械,以及各种测试设备。

  只有数显装置中的位移传感器的发展,才能实现数控系统的全闭环,这是数控机床发展的基础。我国现在数控机床产值的数控化率已达到50%,但主要是低档的产品,估计在12万台数控机床中,中档全闭环以上的产品只有5%左右。中国发展位移传感器的市场巨大,前景光明。


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