绝对式光栅尺和编码器是当代位移传感器发展主流—CIMT2011精密位移传感器评述

2011-04-14中国机床工具工业协会数显分会顾问卢国纲

世界制造技术与装备市场 2011年4期

中国机床工具工业协会数显分会顾问卢国纲

中国机床工具工业协会数显分会顾问卢国纲

一、前言

今年在北京举办的第十二届中国国际机床展览会（CIMT2011）汇集了高档数控机床和世界先进制造技术的最新成果，展示了当代机床精密测量和控制技术的发展方向，作为高档数控机床不可分离的光栅位移传感器也是最先进、水平最高的。这届展会上光栅位移传感器制造厂商德国的HEIDENHAIN（海德汉）、西班牙的FAGOR （发格）、日本的MITUTOYO（三丰）、英国的RNISHAW （雷尼绍）和磁栅尺制造商日本的MAGNESCALE(磁尺)以及英国的球栅尺制造商NENWALL（钮沃尔）等都来参加了。此外，还有正在兴起的中国光栅传感器制造商广州诺信、长春光机、长春禹衡、怡信（珠海和苏州）、东莞万濠、贵阳新天、无锡科瑞特、廊坊莱格等众多的企业也参加了。国外的位移传感器从增量式跨入绝对式，国内的光栅传感器从数显尺进入数控尺。在这届展览会上，绝对式光栅尺和绝对式光栅编码器是功能部件的显著亮点，同时也是绝对式全闭环高档数控机床的亮点。

随着数控机床向高速度、高效率、高可靠性和高精度的方向发展，高档数控机床各个轴的位移传感器需要在机床加工时，实时提供轮廓加工性能信息，以确定机床状态和控制的参数设置，从而促使绝对式光栅测量系统得到迅速发展。绝对式光栅位移传感器的机床或生产线在重新开机后，无需执行参考点回零操作，就立刻重新获得各个轴的当前绝对位置值以及刀具的空间指向，因此可以马上从中断处开始继续原来的加工程序，大大地提高数控机床的有效加工时间；并对重要部件的状态进行实时监控，提高机床的可靠性；另外，还可以在任何时间确定机床运动部件所处的位置，通过在数控系统中作相应的设置，可以省去行程开关，提高机床使用时的安全性。在全闭环的高档数控系统中已经普遍使用绝对式光栅尺和绝对式光栅编码器，在西方发达国家采用绝对式光栅位移传感器的占数控机床的80%，目前国内的全闭环高档数控机床中采用绝对式光栅传感器的也接近30%。在本届展览会上，全球著名的切削机床制造商DMG（德马吉）集团展出的十台高档数控机床中全部是采用绝对式光栅尺和绝对式光栅编码器的全闭环数控系统。本文主要介绍各个企业在这届展览会上展出的光栅位移传感器新产品，特别是绝对式光栅位移传感器。

二、国外生产位移传感器的企业

1．德国HEIDENHAIN （海德汉）

该公司以生产高精度、高质量的光栅位移传感器而著称世界。目前海德汉公司平均每年大约销售120万个光栅旋转编码器和角度编码器、30万支光栅尺、1万台数显表、1万台高档数控系统，接近全世界总产量半数。这届展览会的HEIDENHAIN的展品是集本世纪以来采用的新技术。其特点为：①光栅的单场扫描原理，提高了光栅传感器的抗污染能力和信号的质量；②绝对式传感器由多码道提升为增量码和绝对码两个码道，确保获得高精度的位置；③有 “功能安全”特性和EnDat 2.2双向数字接口，实现绝对式传感器和增量式传感器的位置值高效、可靠、具有诊断功能的传输；④皮米级（pm=10～12m）光栅尺，是当代高档数控机床所需要配置的精密位移传感器，HEIDENHAIN都有相应的产品。

HEIDENHAIN本届展会展出的产品：

（1）LC211绝对式大测量长度封闭光栅尺，测量步距可达10nm。这是今年推出测量长度大于4m的绝对式钢带尺，解决了大型数控机床的绝对式测量。光栅尺采用METALLUR刻线工艺的钢带尺，两个码道；精度等级：±5μm，分辨力：10nm；最大产量长度：28040mm，最大移动速度：480m/min。

（2）LC183和LC483绝对式封闭光栅尺，测量步距到0.1μm(分辨力到5nm)。这是广泛应用于数控机床的绝对式光栅尺，采用DIADUR工艺的玻璃尺，刻有两个码道，一个是绝对码道，采用伪随机码，另一个是增量码道，栅距为20μm。读数头采用单场扫描技术，提高光栅尺信号质量和抗污染能力。最大测量长度达到4240mm，精度等级为±3μm和±5μm，分辨力为0.005μm，运动速度达到180m/min,加速度10g，震动20g，冲击30g，通信接口EnDat2.2双向数字传输绝对位置信息值，输出增量信号~1Vpp。

（3）LIC4015、LIC4017敞开式大测量长度绝对式光栅尺，测量步距可达1nm。该尺有两个码道，一是增量码道，另一个是绝对码道，通过EnDat2.2双向串行接口进行绝对值数据传输。适用于超精密机床、高精度机床、测量机和比较仪、半导体工业的测量和生产设备，以及直接驱动直线电机等。

（4） LIP281、 LIP218敞开式皮米（pm=10-12m）级增量光栅尺，广泛用于超精密机床和极大规模集成电路专用设备。

（5）新型RCN绝对式角度编码器。该产品有RCN2000、RCN5000和RCN8000三个系列，新型的RCN空心轴绝对式角度编码器安装简单并且全面升级，将过去的多码道结构升级为两个码道。绝对码道是采用MANCHESTER编码技术每转的绝对位置是唯一的，另外一个增量码道采用单场扫描原理，提高了分辨力和抗污染能力，这两项措施可以获得高精度的绝对位置。此外，还采用了纯串行数据传输，允许在高转速下保持高精度、高频响并与安全控制系统（功能冗余）一起应用。RCN绝对式角度编码器在机床的回转工作台、摆动铣头和车床的C轴等方面得到广泛的应用是位置控制和速度控制的最佳选择。

（6）EnDat2.2数字双向接口。HEIDENHAIN绝对式光栅传感器都是通过EnDat2.2数字双向接口，支持实时的监控和诊断功能,除读取绝对位置值外,还向数控系统连续传输光栅传感器的工作状态 (如工作温度、允许最大速度等)，可以向数控系统发出预警和报警信号，保证了系统的高可靠性。EnDat2.2数据传输与后续电子设备的时钟信号保持同步，大量快速的数据传输十分准确、可靠，这也是皮米级测量系统的基础工作之一。

2．西班牙FAGOR （发格）

西班牙发格自动化有限公司配合高档数控机床的发展，展出了新型的绝对式光栅尺和绝对式编码器。FAGOR公司用于数控机床的数控光栅尺在市场上颇具竞争力，特别是近年来在中国市场的销售一直保持增长态势,用于数控系统的反馈光栅尺成为该企业的主导产品。该公司光栅尺的光学设计上已采用了单场扫描技术，绝对式编码器也采用两个码道。光栅尺也有敞开式光栅测量系统，主要用于半导体专用设备、测量机和直线电机；增量式光栅测量系统和绝对式光栅尺测量系统主要用于数控机床的反馈系统。

本届展览会上FAGOR推出了封闭式绝对式钢带光栅尺，其测量长度从440mm到30m。型号为LA,是采用栅距为40μm的不锈钢带测量。

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FAGOR还有采用栅距为20μm的玻璃刻线的绝对式光栅尺，其型号GA、SA、SVA，测量长度从140mm到3040mm。

FAGOR绝对式光栅尺可以通过通信协议和机床的控制器相连，例如FANUC、SIEMENS、MITSUBISHI、 PANASONIC等。

FAGOR的增量光栅尺也有钢带和玻璃两种,不锈钢钢带的栅距是40μm，最大测量长度达到60m；玻璃尺的栅距是20μm，测量长度为4040mm。它们的准确度有： ±3μm、 ±5μm、 ±10μm。分辨力有从0.05μm到10μm。测量速度为120m/min的增量尺用于数控系统，测量速度60m/min的用于数显系统。

FAGOR还有敞开式钢带光栅尺有型号三种EXA、EXG和EXT，栅距为20μm，最大测量长度为30m，准确度±5μm，分辨力0.1μm，测量速度480m/min，输出型号为～1Vpp和TTL信号。

3．日本MITUTOYO （三丰）

三丰公司 (Mitutoyo Corpation)光栅尺主要是用于测量仪器，部分用于数控系统和伺服驱动系统。在本届展览会上该公司展出了新型的绝对式光栅尺。该尺采用了容栅的静电电容技术和光栅的光电技术，在玻璃标尺上采用了三个码道，中间是增量码道栅距为20μm，两边为绝对码道。

日本三丰公司推出用于数控机床反馈系统的绝对式光栅尺，它们是AT300和AT500系列绝对式光栅尺，最大测量长度为1500mm和3000mm，准确度±3μm、±5μm，分辨率0.05μm，最大移动速度120m/min，可以直接和FANUC控制器相连，输出接口EIA RS-422A。该公司生产的AT200系列增量式光栅尺，用于CNC数控机床和半导体专用设备的位置的反馈控制，最大测量长度3000mm，准确度±2μm、±3μm、±5μm ，最大移动速度120m/min，分辨率从0.1μm到5μm，输出信号周期20μm。

4．英国RENISHAW （雷尼绍）

RENISHAW公司是专门从事高精度检测仪器与设备的制造企业，主要产品为非接触直线光栅及圆光栅测量系统，激光干涉仪，三座标测量机及数控机床用测头，球杆仪和模具扫描系统等。REINISHAW的光栅传感器有直线、角度两种，提供各种精密位置反馈系统，用于广泛的直线和旋转运动应用。其光栅测量系统是金属反射光栅，它采用了开放式、非接触、小型紧凑结构的光学测量系统，能在高速、高分辨力的工作性能的同时有抗光栅表面被污染的能力。RENISHAW的光栅尺是镀金的钢带光栅，光栅尺可按设备的具体需要剪切至合适的长度，其背面有自粘的特别设计，能快速安装。光栅尺的栅距有20μm和40μm两种，光栅尺的精度是任意1m长度上为±3μm。读数头中有内置细分电路，提供分辨率从10μm到1nm的数字反馈信号以及~12μA电流和~1Vpp电压的模拟输出信号。最大测量速600m/min，分辩率1nm时相应的速度为100mm/s。

该公司最新推出的RESOLUTE绝对式光栅，由RESOLUTE读数头和30μm栅距的RSLA不锈钢栅尺组成，具有独特的单通道绝对刻度，将绝对位置数据和移相信息整合为一个代码，分辨率可达1nm，测量长度到5m，热膨胀系数为10.8μm （m·°C）－1。RELA光栅尺在在1m范围内精度可达1μm。读数头上有一个内置安装状态LED指示灯，用于进一步协助安装和诊断，直线光栅最大工作速度为100m/s。RESOLUTE绝对式光栅尺提供的标准分辨力为1nm、5nm及50nm。RENNISHAW绝对式光栅尺采用的通信接口是IC-HAUS的BISS.C接口，BiSS C模式（单向）是一种用于从光栅采集位置数据的快速同步串行接口。

5．日本磁尺公司

日本森精机（MORI SEIKI）公司旗下的株式会社磁尺（Magnescale Co.Ltd）在森精机公司的展台上展出的是SR87绝对式磁栅尺。该型号绝对磁栅尺用的是两个码道，一个是增量码道，通过信号细分提供位置值，确定磁栅测量系统的精度和分辨率；另一个是绝对位置码道，用来确定绝对位置。该产品测量长度可以到3040mm，测量分辨率到0．01μm，准确度在±3μm、±5μm，最大速度200m/min。该公司和FANUC、 MITSUBISHI（三菱）、 PANASONIC （松下）、YASKAWA（安川）厂家有通信协议。该公司生产的增量式数字磁栅尺，读取磁栅尺上的信号是磁敏式磁头。这种磁栅尺可以输出正弦信号，其输出信号周期为40μm的正弦波，和光栅尺的信号差不多，可以互换。例如SR84/85磁栅尺分辨率达到0.01μm，准确度达到±3μm、 ±5μm，最大速度200m/min，测量长度达到3040mm，防护等级可以达到防水的IP65，能用于反馈控制系统。

6．英国NEWALL（纽沃尔）

英国NEWALL公司 (Newall Measurement Systems,Ltd.)的球栅传感器利用了交流电磁感应技术，采用非接触式测量，读数头是全密封设计的，能防尘、防铁屑、防水，达到了IP67保护等级。该公司现在可以提供增量式和绝对式的数字球栅尺,输出波形有TTL矩形波和~1Vpp、~11μApp正/余弦波，和光栅尺的输出信号差不多，可以和微米级的光栅测量系统互换。增量球栅尺信号周期20mm或40mm，最大测量长度单尺12m，接长可达30m，准确度为±5mm/m、±10mm/m，分辨力为10mm、5mm、1mm，最大速度60m/min，这种数字球栅尺主要作为位置反馈装置与 CNC、NC、PLC和PC产品配套使用。现在推出的绝对式球栅尺的尺体同增量式类似，都是由不锈钢管内装有一系列半英寸紧密排列的镍镉合金球。但绝对式和单参考点球栅尺，是在尺身内部嵌入编码环。读数头内的霍尔传感器能识别内嵌编码环自带的磁信号。绝对式球栅内部的高速DSP（数字信号处理器）负责处理数据以及和外部的通信。NEWALL绝对式球栅尺，其测量长度不超过3.5m，准确度为每米±10mm、±5mm和±3mm，分辨率为10mm、5mm和1mm，测量速度60m/min（1mm分辨率时）。该产品已经通过了Fanuc公司的接口认证。

三、中国的位移传感器产业

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%左右。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。数显装置的发展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的大国。2010年全国机床产量估计，金属切削机床产量为80万台，其中数控机床产量为22万台（全闭环系统大约占5%）。光栅尺的销售量超过50万坐标，销售额超过4亿多元，数量为世界第一。光栅旋转编码器超过200万个，销售额超过3亿元，数量为世界第三。现在国产增量式玻璃光栅尺的测量长度达到3m、钢带尺30m，准确度等级能达到±3μm、 ±5μm、 ±10μm，分辨力能达到0.1μm，测量速度达到60m/min和120m/min。增量式旋转光栅编码器的线数5000/转，每转输出的脉冲数达25000个，增量式角度编码器的线数到9000/转，系统精度到±2.5角秒。绝对式编码器的位数已到21位，已采用双向串行数字传输，并在数控机床上使用。

光栅尺主要的生产企业：广州信和、怡信、长春光机、贵阳新豪、广东万濠、廊坊莱格。圆光栅编码器主要的生产企业：长春禹衡、四川科奥达、无锡科瑞特。

在本届展览会上部分国内光栅企业介绍如下：

1．广州信和

在本届展览会上，信和公司展出的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：最大测量长度3m，栅距20μm，准确度±5μm、 ±3μm，分辨率从1μm达0.1μm，最大速度120m/min,加速度3g，抗震动8g，抗冲击10g，接入压缩空气时防护等级达到IP64，信号输出为总线式的信号输出模式，通过通信协议可以直接接入日本安川公司伺服驱动器。该公司的光栅尺已从数显光栅尺进入了数控光栅尺，应用范围已从数显机床进入数控机床。该公司的光栅尺在市场的占有率和产品的质量都在国内行业中领先。在这里要指出的是，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，并且已和著名的伺服电机驱动企业——日本安川（YASKAWA）公司签署通讯协议，配备安川公司的ΣV型系列AC伺服驱动器，这是国内第一家光栅尺生产企业和国外数控企业签署的通讯协议。诺信公司的KA-NC100系列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用于全闭环数控系统。

另外，该公司配套角位移的控制，开发了RA系列角度编码器，其主要技术指标：编码器每周线数≥9000线，系统精度±2″， ±5″、 ±10″，测量步距≥0.0005°，允许转速200 r/min，输出信号频率达到200KHz，通信接口为总线式的信号输出模式（可以直接接入安川公司伺服驱动器）。

光栅传感器企业发展模式主要有德国HEIDENHAIN和西班牙FAGOR的模式，即从光栅传感器发展到数控系统，而信和的发展模式是制造光栅尺。为了促进光栅传感器和数控系统的发展，他们又建立了制造数控系统的诺信公司。为了发展中国自己的光栅位移传感器和数控系统，他们又建立了制造高档数控机床的佰锐富公司。现实证明，国产数控光栅尺很难进入数控机床，他们生产加工中心首先采用自己生产的光栅尺、自己生产的角度编码器和自己生产的数控系统。2010年信和公司的光栅尺销售了16万支，诺信的数控系统销售了二千多套，佰锐富加工中心也销售了二千多台，保持了信和光栅传感器技术国内领先和销售量的领先。在本届展览会上该公司展出的全线轨立式加工中心SPD-6150-H2是采用自己的SDS9-6CNCH2数控系统的五轴联动数控机床，并且和自己的光栅传感器组成的全闭环数控系统，该机的涡轮曲面精加工进给速度最高可达6m/min。

2．怡信集团

光栅尺是怡信集团的主导产品之一。怡信现已发展成为测量仪器、机床制造及机床数控系统的综合企业，年产光栅尺85000支、数显表30000台销售量居国内同行业第二，生产的1μm和5μm大量应用于手动机床，部分1μm光栅尺也用于数控机床。怡信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、光学对刀仪等。怡信生产的数控机床包括火花机、雕铣机、高速加工中心等。怡信本次展会推出ES-12光栅数显表，采用LCD作显示屏，适用于铣床、镗床、车床、磨床、EDM及线切割等不同机械的特殊使用环境和特殊功能要求。2010年怡信集团的销售额达到3亿人民币。

3．长春禹衡

长春禹衡光学有限公司是我国专业生产光栅编码器的企业。公司主导产品光栅旋转编码器，现已形成二十多个系列，上百种规格：有绝对式、增量式、混合式编码器；有空心轴、实心轴、半空心轴、手持式编码器；有增量式编码器每转的线数到5000线，绝对式编码器位数到21位。2010年产量达到80万台，产品广泛应用于数控机床、交流伺服电机、电梯、纺织机等自动化行业。该企业承担了国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项《高精度、高分辨力绝对式光栅旋转编码器》的研制。

4．长春光机

长春光机在展台上展出了其研制的绝对式光栅尺原理样机。该样机采用了单码道绝对编码技术；增量码道正余弦信号纠偏与细分技术；光栅单场扫描技术；光电信号的快速译码及纠错处理；高速串行通信接口，实现数控系统与传感器之间的高分辨率数据的短周期交换。样机的测量长度：1.2m；分辨率：0.1μm；测量精度：±6μm/m；最大工作速度：100m/min；最大工作加速度：20m/s2；截止频率（-3 dB）： ≥80k Hz。