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位移测量技术及其传感器的最新发展

http://cn.newmaker.com 1/12/2006 3:53:00 PM 中国科学院自动化研究所卢国纲

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第九届CIMT2005中国国际机床展览会上展示了当今世界位移测量技术最新的发展和最新型的位移传感器，并将数控技术和数控机床推向更高精度、更高速度、更高可靠、更高效率的发展，也将数显技术和数显量具推向一个新的高度。

1．最新发展主要体现在三个方面

（1）绝对式光栅尺在控制系统中逐步取代现在通用的增量式光栅尺，并广泛应用于反馈控制系统和数控机床。采用绝对式光栅尺的测量系统在设备通电的同时后续电路就可以获得绝对位置，不再需要在开机后寻找参考零位，提高了系统的可靠性和工作效率。

（2）单场扫描光栅尺将逐步取代现在通用的四场扫描光栅尺。这将大幅度提高光栅尺的精度、分辨力、速度和抗污染的能力。这是光栅传感器最重要的发展，使光栅测量系统达到了一个新的技术高度。

（3）量具目前普遍采用的增量式容栅测量系统是不能防水的，有一半的容栅量具将会被防水型绝对式电磁感应式测量系统所取代，尤其是数显卡尺。因为容栅是变电容栅式测量系统，空气是作为介质要受到湿度的影响，在不改变数显卡尺的栅式结构条件下采用变电感的测量系统，这就能防水，将容栅的防护等级从IP40提高到IP67；另外在增量式码道旁边再增加绝对式码道，采用绝对式编码技术通电后不需要对零，在点位测量时也不会产生超速错误。今后普及型的量具仍会采用容栅测量系统，而防水型的都会采用电磁感应测量系统。

2．绝对式光栅尺

现代位移测量系统普遍采用光栅、磁栅、感应同步器、球栅和容栅等栅式测量系统，都是应用了重复周期的结构设计，位移的测量都是采用增量测量方法，也就是在确定初始点后要用读出从初始点到所在位置的增量数（步距）来确定位置。因此设备在开机后每个轴需要移动一个位置寻找参考标记。近几年来为了解决开机后机床各个轴在不移动的情况下，光栅尺就能够提供当前绝对位置的数据，德国HEIDENHAIN 、日本三丰（MITUTOYO）、西班牙FAGOR等公司都开发了绝对式光栅尺，并成功用于数控机床，配备了绝对式光栅尺的机床或生产线在重新开机后立刻重新获得各个轴的绝对位置以及刀具的空间指向，因此可以立刻从中断处开始继续原来的加工程序，这就大大地提高了数控机床的有效加工时间。绝对式测量是现代测量技术发展的趋势，在位移传感器上会得到普遍的应用，日本三丰公司已将增量式容栅数显卡尺用新一代绝对式容栅数显卡尺替代，新推出的防水数显卡尺也采用绝对式电磁感应测量系统。日本SONY 公司正在研发绝对式磁栅尺，即将推出新产品。英国NEWALL 公司也在推出绝对式球栅传感器。绝对式直线传感器首先应用在反馈控制系统中，尤其是数控机床中，现在FANUC、SIEMEMS、三菱（MITSUBISHI）等许多数控设备生产厂家都在采用。总之绝对式直线传感器有显著优点，是当前发展起来的新一代产品，将使数控机床反馈控制系统提高到一个新的高度。

新一代绝对式光栅尺一般是在标尺上做两个码道，一个是绝对码道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用来确定光栅的精度和分辨力。绝对式光栅尺还需要提供和数控系统接口的通信协议。

1997年HEIDENHAIN推出绝对式光栅尺LC181，在该玻璃标尺上有七个码道，其中增量码道的信号周期为16μm，由EnDat 接口传输绝对位置和增量信号，测量分辨力从1μm到0.1μm，准确度±5μm、±3μm，最大测量长度3040mm，最大速度120m/min。2000年后又推出LC481，在标尺上只设了两个码道，一个是增量码道栅距为20μm，一个是绝对码道，最大测量长度为2040mm，防护等级为IP53和IP64。

日本三丰（MITUTOYO）公司2003年也推出用于反馈系统的绝对式光栅尺AT500系列，在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，测量分辨力为0.5μm和0.05μm，最高速度为150m/min和120m/min，准确度为±3μm/±5μm，最大测量长度3m，防护等级为IP53和IP64。在FANUC、三菱的数控系统上普遍采用。

西班牙FAGOR公司在2004年7月也宣布有绝对式光栅尺，在标尺上有两个码道，一个是增量码道栅距为20μm，另一个是绝对码道。FAGOR的绝对式光栅尺有两个系列，SA/SVA系列测量长度从140mm～2040mm，GA系列测量长度从140mm～3040mm，最大速度为120m/min，分辨力为0.1μm，防护等级也为IP53和IP64。

3．单场扫描的光栅传感器

光电单场扫描原理是新一代扫描原理，2004年由德国HEIDENHAIN公司提出，其优点是提高了光栅传感器输出信号的质量和抗污染能力。其显著的效果是提高了光栅传感器的定位精度、分辨力和运行速度，以及对污染特别不敏感。

单场扫描的信号生成，是将光栅传感器的指示光栅作成一个和标尺光栅宽度差不多的单场扫描光栅掩模，其栅距和标尺光栅的栅距略有不同，这样一来就可以在扫描光栅掩模（指示光栅）的全长上产生多组（例如八组）明暗交替花样条纹，并起到了光学滤波作用，每组能够生成4个相位差90o的区域，可以产生高质量正弦波信号。接收元件为特制的含4个相位的多组硅光电池，不但接收面积增大而且多个接收元件的平均效应提高了信号精度和强度以及抗污染的能力。

单场扫描光栅尺由于覆盖光栅标尺全宽的大尺寸扫描区以及多组栅状扫描区的平均效应使得光栅尺的一个信号周期内位置误差大大减小（小于一个信号周期的0.5%，若栅距为20μm即小于0.1μm），精度提高一倍以上，并且信号强度大，运行速度高，稳定性好，抗污染能力强。现用的这种单场扫描的光栅尺的栅距为20μm，通过细分可以达到或超过0.1μm的分辨力，测量速度从120m/min可以提高到180m/min ，这种封闭式光栅尺在大流量冷却液冲淋下可以连续运行12小时，测量精度优于传统四场扫描光栅尺，这是光栅成像测量原理的重大发展。

4．防水绝对式数显卡尺

容栅测量系统是在1973年问世，1974年TRIMOS公司最先在测高仪上应用，1980年专门生产容栅数显的SYLVAC公司成立，容栅很快就应用于数显卡尺、千分表、测高仪和测长仪。常用容栅测量系统的分辨率为1μm、5μm和10μm，测量速度是1m/s～2m/s。容栅最大测量范围高度仪是2m，长度仪是3m，系统测量精度为〔3+Lmm/300〕μm。容栅测量系统主要优点是生产成本低、功耗小、速度快，所以在量具量仪上得到广泛应用，但是分辨力在1μm和1μm以下的测量系统一般都采用光栅测量系统。

容栅数显卡尺最大的问题是不能防水，数显卡尺生产厂家纷纷寻找能防水的测量系统。日本MITUTOYO（三丰）公司在2000年10月推出了采用电磁感应原理的绝对式编码的防护等级为IP65的防水卡尺CD-G系列，当年销售5万支。2003年10月推出IP66防水卡尺CD66-P系列，当年销售15万支；2004年1月又推出IP67防水卡尺CD67-PS系列，当年销售10万支。2004年11月1日将IP67太阳能防水卡尺CD67-SPS系列在日本东京国际机床展览会（JIMTOF2004）上展出，预计今年就可销售3000支，太阳能防水卡尺的太阳能电池的使用寿命为10年。2001年瑞士TESA公司也推出了采用磁栅原设计的防水型数显卡尺TESA-CAL IP65，2004年又推出可以放入水中的防水卡尺TESA-CAL IP67。SYLVAC和MAHR也推出IP65的防水型数显卡尺。

三丰公司的普及型数显卡尺主要还是容栅绝对式编码（Electrostatic capacity type absolute encoder）卡尺“ABSOLUTE”，是电子卡尺的第二代产品，只要打开开关便可以开始测量不需要另外置零，也不会产生超速错误。该产品在日本本土的产量为200万支。其技术应用在三丰公司生产的数显卡尺和数显千分表上。

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