CIMT2017展览会高精度绝对式位移传感器评述

2017-04-08中国科学院自动化研究所卢国纲

世界制造技术与装备市场 2017年5期

中国科学院自动化研究所卢国纲

中国科学院自动化研究所卢国纲

一、序言

本届展会上位移传感器参展外企有德国的HEIDENHAIN（海德汉），西班牙的FAGOR（发格），日本的Magnescale Co.Ltd（磁栅尺有限公司）、MITUTOYO（三丰），英国的RENISHAW（雷尼绍），奥地利的RSF,立陶宛PRECIZIKA(普斯克)等。参加展会的大陆中国企业有长春禹衡、苏州怡信、东莞万濠、贵阳新天、广州诺信、北京中科恒业、廊坊莱格、无锡科瑞特、长春三峰、深圳博望、桂林广陆等。从位移传感器的参展商和展品来看，体现了CIMT2017展会的主题“新需求·新供给·新动力”除立陶宛PRECIZIKA(普斯克)外其他参展企业多数都是历届CIMT的参加单位，大家每届都有创新，共同促进位移传感器产业的发展。本文是对本届展会展出的用于数控机床的位移传感器产品进行评述，并对其产业的发展方向进行讨论。

机械加工精度的提高是伴随着机床位移传感器的发展而发展，位移传感器从微米级发展到纳米级，机械加工精度也成倍提高，目前线位移和角位移传感器构成的测量系统从增量式测量逐步发展为绝对式测量。绝对式全闭环数控系统是现代高档机床显著的特点。绝对式位移传感器普遍采用2个码道，一个码道是采用将不同宽度和不同间距的栅线以绝对位置数据用编码形式直接制作到标尺上用来确定绝对位置；另外一个码道是增量码道，通过信号细分提供高分辨力的位置值，确定光栅的精度和分辨力。绝对式位移传感器和数控系统连接时采用双向数字接口，可以传输绝对式编码器的位置值也可以传输增量式编码器的位置值，还能读取和更新保存在传感器中的信息。由于采用串行数据传输方式，可以实现绝对式传感器的位置值高效、可靠、具有诊断功能的传输。安装有绝对式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，提高了机床使用时的安全性。采用绝对式位移传感器大大提高了机床的生产效率和可靠性，这促进了绝对式位移传感器广泛的应用。

本届展会位移传感器的特点：

（1）数控机床全部采用全闭环的绝对式位移传感器，增量式位移传感器只用于测量仪器和手动数显机床。

（2）用于数控机床的位移传感器主要是光栅和磁栅。

（3）现今的位移传感器的准确度和分辨力已达到各个档次的数控机床和测量仪器的需求，本届展会上没有见到更高端的产品，只是见到生产厂家将产品改进和更适用。

（4）在传统的光栅企业也推出电磁感应式“栅式”长度和角度传感器，作为光栅传感器的补充，如德国海德汉的AMO，日本的三丰。

二、从DMG MORI（德马吉森精机）看位移传感器的配置

2013年10月来自德国制造业的DMG（德马吉），和来自日本制造业的MORI SEIKI(森精机)，合并组成德马吉森精机有限公司（DMG MORI SEIKI Co.Ltd ）。是全球金属加工机床最大制造商之一，也是全球领先的数控车削中心和铣削加工中心制造商之一。该企业是全球机床行业的领先供应商，引领机床的技术发展和工业4.0时代机床的研发。该企业全球有员工7400名，2015年数控机床的产量就达到2万台。该企业对位移传感器的选配，会影响到位移传感器的指向。在本届展览会上他们在W3馆1000平方米的展示面积上展出了20台安装了绝对式位移传感器的全闭环高档数控机床，其中配置的位移传感器磁栅和光栅各一半。在德马吉森精机公司的数控机床中在德国生产的配置光栅的是采用SIEMENS(西门子）、HEIDENHAIN（海德汉）的数控系统，在日本生产的是配置磁栅的是采用MITSUBISHI（三菱）、FANUC（发那科）的数控系统，在2015年上届展览会上，该公司展出的33台数控机床中，全部配置SR27/SR67A绝对式磁栅尺和RS97/RU97绝对式磁栅角度编码器。由于磁栅测量技术对于恶劣环境条件不敏感，如水分、油、灰尘和震动，磁栅位移传感器的防护等级可以达到IP65，并且和机床热膨胀系数一致，能确保0.01mm高度精确的位置检测和机床控制，再加上磁栅尺公司是DMG MORI旗下的公司，所以德马吉森精机公司首选的位移传感器是磁栅。由于中国和欧洲的用户习惯采用光栅，所以本届展会上安装了一半的海德汉光栅。该公司2016年在中国市场的销售额是20亿人民币。

三、参展的生产位移传感器的主要企业

1．德国HEIDENHAIN（海德汉）

德国Dr. Johannes Heidenhain GmbH（海德汉）公司集中在光刻制造领域，以研发和生产高精度、高质量的光栅位移传感器和数控系统而著称世界，一直引导光栅测量技术的发展。海德汉公司目前在49个国家和地区设有办事机构。海德汉每年大约销售150万个旋转编码器和角度编码器、50万支光栅尺、1万台数显表、1.5万台高端数控系统。自1948年海德汉公司在德国Traunreut(特劳恩罗伊特)重建后，现已累计交付超过600万套直线光栅尺，1800万套旋转编码器和角度编码器，50万台数显装置和27万套TNC数控系统。在海德汉的展台上还展出了海德汉所属企业奥地利AMO电感位移测量系统，和瑞士ETEL的直接驱动的组合力矩电机。

海德汉展出的光栅尺和角度编码器的主要产品如下：

（1）LC100系列标准外壳绝对式封闭直线光栅尺

◇光栅尺采用DIADUR刻线工艺的玻璃尺，两个码道，增量码道的栅距 20µm；

◇测量长度从1 4 0 m m到4240mm；

◇精度等级±3mm/±5mm；

◇分辨力至1nm；

◇最大速度180m/min；

◇接口 EnDat2.2，FANUC，MITSUBISHI ， SIEMENS

（2）LC200系列标准外壳绝对式封闭直线钢带光栅尺

◇光栅尺采用METALLUR刻线工艺的钢带尺，两个码道，增量码道的栅距 40µm；

◇测量长度从1,6 4 0 m m到28,040mm;

◇精度等级±5mm；

◇分辨力至1nm；

◇最大速度180m/min；

◇接口 EnDat2.2，FANUC，MITSUBISHI。

◇这项产品解决了大型数控机床的绝对式测量。

（3）ROC 2000/7000系列26/28位分离式联轴器的绝对式角度编器

◇外径φ110mm；

◇空心轴φ20mm，φ35mm；

◇每圈位置值28bit/26bit；

◇系统精度±2.5″/±5″；

◇最大转速3000 r/min；

◇接口 EnDat2.2，FANUC，MITSUBISHI；

◇该产品应用于回转工作台、倾斜轴、直接驱动。

（4）RCN 8000系列内置轴承29位绝对式角度编码器

◇采用DIADUR刻线工艺的玻璃圆光栅，一个增量码道和一个绝对码道；

◇空心轴φ60mm和φ100mm；

◇外径φ200mm；

◇每转位置数536870912（29位）；

◇系统精度±1″/±2″；

◇每个信号周期的最大位置误差±0.15″；

◇最高转速1500 r/min；

◇接口 EnDat2、FANUC、MITSUBISHI；

◇在机床的回转工作台、摆动铣头和车床的C轴的位置控制和速度控制方面得到广泛的应用。

2.日本Magnescale（磁尺）

日本的磁栅尺过去是由索尼公司(Sony Manufacturing Systems Co.)生产，在 2010年该公司被日本森精机（MORI SEIKI）收购后，更名为磁尺有限公司（Magnescale Co.Ltd），现在是DMG MORI旗下的公司，仍然继续从事基于磁栅测量技术的开发、生产和销售，并加强了磁栅在数控机床上的配套应用，现在该公司的主要生产基地和总部还在日本神奈川县伊势原（Isehara）。该公司在2010年以后又在德国Wernau建立了欧洲磁尺公司（Magnescale Europe GmbH)，在美国加州Irvine也有美国磁尺公司（Magnescale Americas Inc.）。这几年日本磁尺公司全部恢复了SONY公司过去产品，而且供不应求。磁尺公司提供给德马吉森精机的绝对式磁栅尺的系列是SR27A/SR67A，RS87等；绝对式磁栅角度编码器系列是RS97/RU97和RS77。本届展览会上虽然没有磁尺公司的产品直接展示，但DMG MORI展台上展示的10台全闭环数控机床上都安装了磁尺公司的磁栅尺和磁栅角度编码器，磁栅尺测量系统的分辨力0.01mm，抗冲击性450 mm/s2，抗震性250 mm/s2，并且抗结露和耐油性能优异。

下面将DMG MORI在数控系统中使用的绝对式磁栅传感器介绍如下：

（1） SR87封闭式绝对式磁栅尺主要技术规格：

◇测量长度从1 4 0 m m到3040mm；

◇精度等级 ±3mm；

◇分辨力 0.01mm；

◇最大速度 200m/min；

◇振动 ≤250 mm/s2；

◇冲击 ≤450 mm/s2；

◇防护等级 IP54，IP65(注入压缩空气时)。

（2）SR97敞开式绝对式角度编码器

◇系统精度± 2.5"；

◇每圈位置值25bit；

◇接口FANUC,

MITSUBISHI,SEIIMENS；

◇空心轴直径φ 9 6 m m,φ180mm；

◇防护等级IP65。

（3）RU97封闭式绝对式角度编码器

◇系统精度± 2.5"；

◇每圈位置值25bit；

◇接口FANUC，MITSUBISHI，SEIIMENS；

◇空心轴直径φ 2 0 m m ，φ22mm；

◇防护等级IP65。

3．西班牙FAGOR（发格）

西班牙发格自动化有限公司（Fagor Automation S.Coop）成立于1 9 7 2年，是从制造数显表、光栅尺开始成为专门从事生产数控产品的公司。研发、创新及基础设施的不断投资，使发格自动化取得了今天的成功，公司可能解决具有高度战略意义的项目，比如说，用于生产刻线玻璃的光刻术的新设施，刻线玻璃广泛地应用在发格的线性反馈系统中.多年以来，发格自动化用于研发和创新的年均费用都超过销售额的10%，目前公司拥有85名研发工程师及6位博士，他们致力于将新的自动化技术及光学技术应用于发格自动化研发的产品中。在这次展览会上该公司配合高档数控机床的发展，展出了绝对式光栅尺和绝对式角度编码器。其产品如下：

（1）封闭式50米钢带绝对式光栅尺

该光栅尺的型号为LA，其测量长度从440mm到50m，该产品采用的不锈钢带，增量码道的栅距为40µm，具体数据：

◇钢带准确度±5µm；

◇最大速度180m/min；

◇测量分辨力至0. 01µm；

◇通讯协为SSI，支持FANUC，MITSUBISHI，SEIIMENS 。

（2）封闭式玻璃绝对式光栅尺

该系列光栅尺有3个型号GA、SA、SVA，测量长度从140mm到3040mm，增量码道的栅距为20µm，具体数据：

◇准确度±3mm ，±5µm；

◇最大速度180m/min；

◇测量分辨力至0. 01µm；

◇通讯协为SSI，支持FANUC，MITSUBISHI，SEIIMENS 。

（3）HA-D200系列封闭式绝对式角度编码器

◇系统精度± 1"，± 2" ；

◇每圈位置值27bit；

◇最大转速1000r/min；

◇接口FANUC，MITSUBISHI；

◇防护等级IP65。

4.日本MITUTOYO（三丰）

三丰公司(Mitutoyo Corpation)是著名精密测量仪器的制造公司，主要产品是各种测量工具以及坐标测量机、形状测量仪、图象及光学测量仪等。该公司去年在全球有48个分支机构，有职工大约5千人，销售额1087亿日元（大约9.6亿美元）。光栅和电磁感应测量系统是该公司精密测量的基础，三丰的光栅尺主要是供给本公司的测量仪器使用，他们的生产量仅次于海德汉，电磁感应直线编码器是绝对式防水卡尺的长度标准，今年又推出了用于反馈系统的封闭式的绝对式电磁感应直线栅尺（Electromagnetic induction-type ABS AT scale）ABS AT1100。该尺是采用感应式的栅式结构，具有优异的耐油性、耐水性，有坚固的防尘和防水措施，其标尺是和光栅一样是做在玻璃基体上，标尺和读数头之间有0.4mm间隙，该尺的机械安装尺寸与海德汉完全相同，具有互换性。此外，三丰还有用于数控机床配套的高精度的封闭式AT353、AT555和AT203系列绝对式光栅尺，它们的光栅尺的栅距基本上都是20mm，AT203系列光栅尺最大测量长度到达6000mm,分辨力为0.1µm。

（1）绝对式防水直线栅尺AT1100

◇测量基准；电磁感应系统；

◇测量长度 140mm至3040mm；

◇精度等级±3mm，±5mm；

◇分辨力0.05mm；

◇最大速度3m/s；

◇抗振动 20G；

◇抗冲击 30G；

◇热膨胀系数 ≈8×10-6/℃ ；

◇防护等级 IP57，IP67(注入压缩空气时)；

◇接口 FANUC,

MITSUBISHI,SEIIMENS。

（2）AT353和AT555封闭式绝对式光栅尺

◇测量长度 100mm至3000mm；

◇精度等级±3mm；

◇分辨力0.005mm ；

◇最大速度150m/min；

◇抗振动 20G；

◇抗冲击 35G；

◇接口FANUC，MITSUBISHI，PANASONIC。

5.英国RENISHAW（雷尼绍）

RENISHAW公司是一家跨国公司，成立于1973年,专门从事高精度检测仪器与设备的制造，2016年6月30日在35个国家/地区设有70多个分支机构，员工约4,000人。其中，约有2,600名员工在英国本土工作，参与并完成其大部分研发和制造。2016年销售额4.3亿英镑，其中亚太地区占40%。位移测量主要的产品是直线光栅尺、角度光栅编码器以及磁旋转编码器和直线磁栅尺。RENISHAW的位移传感器为非接触直线光栅及圆光栅测量系统，光栅是金属反射光栅，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、高分辨力的工作条件下还具有抗光栅表面被污染的能力。该公司能够提供品种繁多的高速增量式和绝对式直线光栅系统，在机床、测量机、直线电机和半导体专用设备方面得到广泛的应用。展会上的部分展品包括：

（1）增量式光栅尺

光栅尺的栅距有20µm和40µm两种，其表面采用保护膜或聚酯涂层，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（栅尺的最大长度70m），镀金光栅尺的精度为±3µm/m，分辨力到1nm，速度10m/s。对于所有直线光栅读数头和接口组合，读数头中均内置有LED安装指示灯，这可提高安装速度，而且无需其他安装装置，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。新推出的ATOM微型直线光栅非常适合于对空间大小有严格限定的各种运动控制、检测和计量应用。

（2）RESOLUTE绝对式光栅

由RESOLUTE读数头和30 µm栅距的RSLM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（即将增量式相位信息直接嵌入绝对位置代码），这种设计的内在功能就是在任何扭摆都不会造成光栅读数错误，分辨力可达1 nm，测量长度到5m，精度±4µm，速度达到100m/s。RENNISHAW绝对式光栅尺采用的通信协议是IC-HAUS的BISS-C接口，此外还配有DRIVE-CLIO 、FANUC和MITSUBISHI通信接口。

（3）角度光栅编码有增量式和绝对式

◇采用不锈钢圆光栅；

◇增量式圆光栅基本数据：栅距为20µm；圆光栅外径为52mm至550mm;最高速度2938r/min(在52mm)；分辨力5µm到10nm；刻线数7192至86400；

◇绝对式圆光栅基本数据：栅距30µm；外径52mm至550mm;最高速度18000r/min(在52mm)；通讯协议：BISS-C、DRIVECLIO、FANUC和MITSUBISHI；分辨力：BISS-C18位、26位、26位，DRIVE-CLIO、FANUC和MITSUBISHI 23位、27位。

（4）奥地利RSF公司

奥地利RSF电子有限公司（RSF Elektronik Ges.m.b.H）1973年成立，是海德汉旗下的公司，公司现在奥地利St. Georgen。该公司主要目标是研发光栅测量系统和生产增量式光栅尺、增量式圆光栅编码器以及配套的光栅数显表，其产品和德国海德汉公司相近。该公司现有的工作人员超过100人。现在RSF公司主要的产品是封闭式直线光栅尺、敞开式直线光栅尺、圆光栅编码器、光栅长度计和数显表。RSF光栅尺采用的是透射式单场扫描成像测量原理，提高了光栅信号的质量和抗污染能；其读数头内可以内置到100细分电路。RSF产品的品质量较好，有相当的竞争力。

RSF光栅尺的基本技术参数为：

◇ 刻制光栅的基体：玻璃、陶瓷玻璃和钢带；

◇ 栅距：玻璃尺8、10、20mm，钢带尺40mm；

◇最大测量长：封闭式玻璃为3 0 4 0 m m，敞开式钢带为30040mm；

◇精度等级：封闭式玻璃为±2mm、±3mm和±5mm，敞开式钢带为±5mm、±15mm和±30mm；

◇分辨力：封闭式可到0.1mm，敞开式到0.01mm；

◇最大测量速度：封闭式到2m/s，敞开式到30m/s；

◇输出信号：～1Vpp 、TTL矩形波和RS422接口。

6．立陶宛PRECIZIKA(普斯克)

立陶宛PrecizikaMetrology(普斯克测量技术公司)成立于1991年,其前身是创立于1961年的前苏联机床工具研究所维尔纽斯分部。在1970—1990年间，前苏联一半以上的编码器和三坐标测量机均由Precizika公司设计生产。Precizika公司目前不到90人，主要产品有：

①旋转编码器：有11个型号，增量式到5000线，绝对式到21位；

②光栅尺有封闭式和敞开式，封闭式光栅尺的测量长度140到3240mm、准确度±3mm、±5mm和±10mm。

7．长春禹衡公司

长春禹衡光学有限公司是光电编码器专业制造商，其主导产品光栅编码器及相关部件，2015年销售量超过62万个光电编码器，销售额1.3亿元，其产品广泛用于数控机床、交流伺服电机、电梯、和自动化设备。禹衡作为国家重大专项《绝对式旋转编码器》产业化的承担单位，将成为中国绝对式旋转编码器的生产基地。在本届展览会上展出的绝对式编码器：

HND系列绝对式旋转编码器：

◇每圈位置值单圈13-23bit，多圈7-19位；

◇准确度± 30"；

◇最高转速12000r/min；

◇输出正余弦信号1Vpp，512线、1024线、2048；

◇防护等级IP65;

◇通讯协议BISS-C、SSI。

8．长春光机所

长春禹衡光学公司承担的“高精度、高分辨力绝对式光栅旋转编码器研制”重大专项，经过8年的长期研发，成功研制出JC系列绝对式光栅尺。

JFT-1型绝对式光栅尺：

◇尺体采用玻璃尺，两个码道，增量码道的栅距 20µm；

◇测量长度从2 2 0 m m到4040mm；