絕對式光柵尺和編碼器是當代位移傳感器發展主流—CIMT2011精密位移傳感器評述

中國機床工具工業協會數顯分會 顧問 盧國綱

絕對式光柵尺和編碼器是當代位移傳感器發展主流—CIMT2011精密位移傳感器評述

中國機床工具工業協會數顯分會 顧問 盧國綱

一、前言

今年在北京舉辦的第十二屆中國國際機床展覽會 （CIMT2011）匯集了高檔數控機床和世界先進制造技術的最新成果，展示了當代機床精密測量和控制技術的發展方向，作為高檔數控機床不可分離的光柵位移傳感器也是最先進、水平最高的。這屆展會上光柵位移傳感器制造廠商德國的HEIDENHAIN（海德漢）、西班牙的FAGOR （發格）、日本的MITUTOYO（三豐）、英國的RNISHAW （雷尼紹）和磁柵尺制造商日本的MAGNESCALE(磁尺)以及英國的球柵尺制造商NENWALL（鈕沃爾）等都來參加了。此外，還有正在興起的中國光柵傳感器制造商廣州諾信、長春光機、長春禹衡、怡信 （珠海和蘇州）、東莞萬濠、貴陽新天、無錫科瑞特、廊坊萊格等眾多的企業也參加了。國外的位移傳感器從增量式跨入絕對式，國內的光柵傳感器從數顯尺進入數控尺。在這屆展覽會上，絕對式光柵尺和絕對式光柵編碼器是功能部件的顯著亮點，同時也是絕對式全閉環高檔數控機床的亮點。

隨著數控機床向高速度、高效率、高可靠性和高精度的方向發展，高檔數控機床各個軸的位移傳感器需要在機床加工時，實時提供輪廓加工性能信息，以確定機床狀態和控制的參數設置，從而促使絕對式光柵測量系統得到迅速發展。絕對式光柵位移傳感器的機床或生產線在重新開機后，無需執行參考點回零操作，就立刻重新獲得各個軸的當前絕對位置值以及刀具的空間指向，因此可以馬上從中斷處開始繼續原來的加工程序，大大地提高數控機床的有效加工時間；并對重要部件的狀態進行實時監控，提高機床的可靠性；另外，還可以在任何時間確定機床運動部件所處的位置，通過在數控系統中作相應的設置，可以省去行程開關，提高機床使用時的安全性。在全閉環的高檔數控系統中已經普遍使用絕對式光柵尺和絕對式光柵編碼器，在西方發達國家采用絕對式光柵位移傳感器的占數控機床的80%，目前國內的全閉環高檔數控機床中采用絕對式光柵傳感器的也接近30%。在本屆展覽會上，全球著名的切削機床制造商DMG（德馬吉）集團展出的十臺高檔數控機床中全部是采用絕對式光柵尺和絕對式光柵編碼器的全閉環數控系統。本文主要介紹各個企業在這屆展覽會上展出的光柵位移傳感器新產品，特別是絕對式光柵位移傳感器。

二、國外生產位移傳感器的企業

1．德國HEIDENHAIN （海德漢）

該公司以生產高精度、高質量的光柵位移傳感器而著稱世界。目前海德漢公司平均每年大約銷售120萬個光柵旋轉編碼器和角度編碼器、30萬支光柵尺、1萬臺數顯表、1萬臺高檔數控系統，接近全世界總產量半數。這屆展覽會的HEIDENHAIN的展品是集本世紀以來采用的新技術。其特點為：①光柵的單場掃描原理，提高了光柵傳感器的抗污染能力和信號的質量；②絕對式傳感器由多碼道提升為增量碼和絕對碼兩個碼道，確保獲得高精度的位置；③有 “功能安全”特性和EnDat 2.2雙向數字接口，實現絕對式傳感器和增量式傳感器的位置值高效、可靠、具有診斷功能的傳輸；④皮米級 （pm=10～12m）光柵尺，是當代高檔數控機床所需要配置的精密位移傳感器，HEIDENHAIN都有相應的產品。

HEIDENHAIN本屆展會展出的產品：

（1）LC211絕對式大測量長度封閉光柵尺，測量步距可達10nm。這是今年推出測量長度大于4m的絕對式鋼帶尺，解決了大型數控機床的絕對式測量。光柵尺采用METALLUR刻線工藝的鋼帶尺，兩個碼道；精度等級：±5μm，分辨力：10nm；最大產量長度：28040mm，最大移動速度：480m/min。

（2）LC183和LC483絕對式封閉光柵尺，測量步距到0.1μm(分辨力到5nm)。這是廣泛應用于數控機床的絕對式光柵尺，采用DIADUR工藝的玻璃尺，刻有兩個碼道，一個是絕對碼道，采用偽隨機碼，另一個是增量碼道，柵距為20μm。讀數頭采用單場掃描技術，提高光柵尺信號質量和抗污染能力。最大測量長度達到4240mm，精度等級為±3μm和±5μm，分辨力為0.005μm，運動速度達到180m/min,加速度10g，震動20g，沖擊30g，通信接口EnDat2.2雙向數字傳輸絕對位置信息值，輸出增量信號~1Vpp。

（3）LIC4015、LIC4017敞開式大測量長度絕對式光柵尺，測量步距可達1nm。該尺有兩個碼道，一是增量碼道，另一個是絕對碼道，通過EnDat2.2雙向串行接口進行絕對值數據傳輸。適用于超精密機床、高精度機床、測量機和比較儀、半導體工業的測量和生產設備，以及直接驅動直線電機等。

（4） LIP281、 LIP218敞開式皮米 （pm=10-12m）級增量光柵尺，廣泛用于超精密機床和極大規模集成電路專用設備。

（5）新型RCN絕對式角度編碼器。該產品有RCN2000、RCN5000和RCN8000三個系列，新型的RCN空心軸絕對式角度編碼器安裝簡單并且全面升級，將過去的多碼道結構升級為兩個碼道。絕對碼道是采用MANCHESTER編碼技術每轉的絕對位置是唯一的，另外一個增量碼道采用單場掃描原理，提高了分辨力和抗污染能力，這兩項措施可以獲得高精度的絕對位置。此外，還采用了純串行數據傳輸，允許在高轉速下保持高精度、高頻響并與安全控制系統 （功能冗余）一起應用。RCN絕對式角度編碼器在機床的回轉工作臺、擺動銑頭和車床的C軸等方面得到廣泛的應用是位置控制和速度控制的最佳選擇。

（6）EnDat2.2數字雙向接口。HEIDENHAIN絕對式光柵傳感器都是通過EnDat2.2數字雙向接口，支持實時的監控和診斷功能,除讀取絕對位置值外,還向數控系統連續傳輸光柵傳感器的工作狀態 (如工作溫度、允許最大速度等)，可以向數控系統發出預警和報警信號，保證了系統的高可靠性。EnDat2.2數據傳輸與后續電子設備的時鐘信號保持同步，大量快速的數據傳輸十分準確、可靠，這也是皮米級測量系統的基礎工作之一。

2．西班牙FAGOR （發格）

西班牙發格自動化有限公司配合高檔數控機床的發展，展出了新型的絕對式光柵尺和絕對式編碼器。FAGOR公司用于數控機床的數控光柵尺在市場上頗具競爭力，特別是近年來在中國市場的銷售一直保持增長態勢,用于數控系統的反饋光柵尺成為該企業的主導產品。該公司光柵尺的光學設計上已采用了單場掃描技術，絕對式編碼器也采用兩個碼道。光柵尺也有敞開式光柵測量系統，主要用于半導體專用設備、測量機和直線電機；增量式光柵測量系統和絕對式光柵尺測量系統主要用于數控機床的反饋系統。

本屆展覽會上FAGOR推出了封閉式絕對式鋼帶光柵尺，其測量長度從440mm到30m。型號為LA,是采用柵距為40μm的不銹鋼帶測量。

會話是學習英語的重要手段，是學生進行語言訓練的好形式，新課標中英語會話占有相當大的比例，在英語課堂上，筆者讓學生練習對話常用的形式有Pair work和Group work，這樣在同桌之間、小組之間及師生之間都能得到充分的對話練習，而通過這樣的練習，學生敢于說、樂于說，積極參與，盡情表現，在輕松愉快的氛圍中，學生的口語得到了很大的提高。

FAGOR還有采用柵距為20μm的玻璃刻線的絕對式光柵尺，其型號GA、SA、SVA，測量長度從140mm到3040mm。

FAGOR絕對式光柵尺可以通過通信協議和機床的控制器相連，例如FANUC、SIEMENS、MITSUBISHI、 PANASONIC等。

FAGOR的增量光柵尺也有鋼帶和玻璃兩種,不銹鋼鋼帶的柵距是40μm，最大測量長度達到60m；玻璃尺的柵距是20μm，測量長度為4040mm。它們的準確度有： ±3μm、 ±5μm、 ±10μm。分辨力有從0.05μm到10μm。測量速度為120m/min的增量尺用于數控系統，測量速度60m/min的用于數顯系統。

FAGOR還有敞開式鋼帶光柵尺有型號三種EXA、EXG和EXT，柵距為20μm，最大測量長度為30m，準確度±5μm， 分辨力0.1μm， 測量速度480m/min， 輸出型號為～1Vpp和TTL信號。

3．日本MITUTOYO （三豐）

三豐公司 (Mitutoyo Corpation)光柵尺主要是用于測量儀器，部分用于數控系統和伺服驅動系統。在本屆展覽會上該公司展出了新型的絕對式光柵尺。該尺采用了容柵的靜電電容技術和光柵的光電技術，在玻璃標尺上采用了三個碼道，中間是增量碼道柵距為20μm，兩邊為絕對碼道。

日本三豐公司推出用于數控機床反饋系統的絕對式光柵尺，它們是AT300和AT500系列絕對式光柵尺，最大測量長度為1500mm和3000mm，準確度±3μm、±5μm， 分辨率0.05μm， 最大移動速度120m/min， 可以直接和FANUC控制器相連，輸出接口EIA RS-422A。該公司生產的AT200系列增量式光柵尺，用于CNC數控機床和半導體專用設備的位置的反饋控制，最大測量長度3000mm，準確度±2μm、±3μm、±5μm ，最大移動速度120m/min，分辨率從0.1μm到5μm，輸出信號周期20μm。

4．英國RENISHAW （雷尼紹）

RENISHAW公司是專門從事高精度檢測儀器與設備的制造企業，主要產品為非接觸直線光柵及圓光柵測量系統，激光干涉儀，三座標測量機及數控機床用測頭，球桿儀和模具掃描系統等。REINISHAW的光柵傳感器有直線、角度兩種，提供各種精密位置反饋系統，用于廣泛的直線和旋轉運動應用。其光柵測量系統是金屬反射光柵，它采用了開放式、非接觸、小型緊湊結構的光學測量系統，能在高速、高分辨力的工作性能的同時有抗光柵表面被污染的能力。RENISHAW的光柵尺是鍍金的鋼帶光柵，光柵尺可按設備的具體需要剪切至合適的長度，其背面有自粘的特別設計，能快速安裝。光柵尺的柵距有20μm和40μm兩種，光柵尺的精度是任意1m長度上為±3μm。讀數頭中有內置細分電路，提供分辨率從10μm到1nm的數字反饋信號以及~12μA電流和~1Vpp電壓的模擬輸出信號。最大測量速600m/min，分辯率1nm時相應的速度為100mm/s。

該公司最新推出的RESOLUTE絕對式光柵，由RESOLUTE讀數頭和30μm柵距的RSLA不銹鋼柵尺組成，具有獨特的單通道絕對刻度，將絕對位置數據和移相信息整合為一個代碼，分辨率可達1nm，測量長度到5m， 熱膨脹系數為10.8μm （m·°C）－1。RELA光柵尺在在1m范圍內精度可達1μm。讀數頭上有一個內置安裝狀態LED指示燈，用于進一步協助安裝和診斷，直線光柵最大工作速度為100m/s。RESOLUTE絕對式光柵尺提供的標準分辨力為1nm、5nm及50nm。RENNISHAW絕對式光柵尺采用的通信接口是IC-HAUS的BISS.C接口，BiSS C模式 （單向）是一種用于從光柵采集位置數據的快速同步串行接口。

5．日本磁尺公司

日本森精機 （MORI SEIKI）公司旗下的株式會社磁尺 （Magnescale Co.Ltd）在森精機公司的展臺上展出的是SR87絕對式磁柵尺。該型號絕對磁柵尺用的是兩個碼道，一個是增量碼道，通過信號細分提供位置值，確定磁柵測量系統的精度和分辨率；另一個是絕對位置碼道，用來確定絕對位置。該產品測量長度可以到3040mm，測量分辨率到0．01μm，準確度在±3μm、±5μm，最大速度200m/min。該公司和FANUC、 MITSUBISHI（三菱）、 PANASONIC （松下）、YASKAWA（安川）廠家有通信協議。該公司生產的增量式數字磁柵尺，讀取磁柵尺上的信號是磁敏式磁頭。這種磁柵尺可以輸出正弦信號，其輸出信號周期為40μm的正弦波，和光柵尺的信號差不多，可以互換。例如SR84/85磁柵尺分辨率達到0.01μm， 準確度達到±3μm、 ±5μm， 最大速度200m/min，測量長度達到3040mm，防護等級可以達到防水的IP65，能用于反饋控制系統。

6．英國NEWALL（紐沃爾）

英國NEWALL公司 (Newall Measurement Systems,Ltd.)的球柵傳感器利用了交流電磁感應技術，采用非接觸式測量，讀數頭是全密封設計的，能防塵、防鐵屑、防水，達到了IP67保護等級。該公司現在可以提供增量式和絕對式的數字球柵尺,輸出波形有TTL矩形波和~1Vpp、~11μApp正/余弦波，和光柵尺的輸出信號差不多，可以和微米級的光柵測量系統互換。增量球柵尺信號周期20mm或40mm，最大測量長度單尺12m，接長可達30m，準確度為±5mm/m、±10mm/m，分辨力為10mm、5mm、1mm，最大速度60m/min，這種數字球柵尺主要作為位置反饋裝置與 CNC、NC、PLC和PC產品配套使用。現在推出的絕對式球柵尺的尺體同增量式類似，都是由不銹鋼管內裝有一系列半英寸緊密排列的鎳鎘合金球。但絕對式和單參考點球柵尺，是在尺身內部嵌入編碼環。讀數頭內的霍爾傳感器能識別內嵌編碼環自帶的磁信號。絕對式球柵內部的高速DSP（數字信號處理器）負責處理數據以及和外部的通信。NEWALL絕對式球柵尺，其測量長度不超過3.5m，準確度為每米±10mm、±5mm和±3mm，分辨率為10mm、5mm和1mm，測量速度60m/min（1mm分辨率時）。該產品已經通過了Fanuc公司的接口認證。

三、中國的位移傳感器產業

數顯技術從20世紀80年代以數顯技術改造傳統的機床行業為起點，發展到21世紀以 “數顯裝置”裝備了中國的機床產業，使機床的數顯化率達到30%左右。數顯裝置以經濟實用的價格，普及到整個機床行業，給 “中國制造”奠定了基礎。數顯裝置的發展是跟隨位移傳感器的發展而發展的，現在中國已是位移傳感器生產的大國。2010年全國機床產量估計，金屬切削機床產量為80萬臺，其中數控機床產量為22萬臺 （全閉環系統大約占5%）。光柵尺的銷售量超過50萬坐標，銷售額超過4億多元，數量為世界第一。光柵旋轉編碼器超過200萬個，銷售額超過3億元，數量為世界第三。現在國產增量式玻璃光柵尺的測量長度達到3m、鋼帶尺30m，準確度等級能達到±3μm、 ±5μm、 ±10μm， 分辨力能達到0.1μm，測量速度達到60m/min和120m/min。增量式旋轉光柵編碼器的線數5000/轉，每轉輸出的脈沖數達25000個，增量式角度編碼器的線數到9000/轉，系統精度到±2.5角秒。絕對式編碼器的位數已到21位，已采用雙向串行數字傳輸，并在數控機床上使用。

光柵尺主要的生產企業：廣州信和、怡信、長春光機、貴陽新豪、廣東萬濠、廊坊萊格。圓光柵編碼器主要的生產企業：長春禹衡、四川科奧達、無錫科瑞特。

在本屆展覽會上部分國內光柵企業介紹如下：

1．廣州信和

在本屆展覽會上，信和公司展出的KA-NC100系列反饋光柵尺能用于全閉環的數控系統 ，其主要技術指標：最大測量長度3m，柵距20μm，準確度±5μm、 ±3μm， 分辨率從1μm達0.1μm， 最大速度120m/min,加速度3g，抗震動8g，抗沖擊10g，接入壓縮空氣時防護等級達到IP64，信號輸出為總線式的信號輸出模式，通過通信協議可以直接接入日本安川公司伺服驅動器。該公司的光柵尺已從數顯光柵尺進入了數控光柵尺，應用范圍已從數顯機床進入數控機床。該公司的光柵尺在市場的占有率和產品的質量都在國內行業中領先。在這里要指出的是，KA-NC100系列反饋光柵尺數據輸出已采用高速雙向串行數字接口，并且已和著名的伺服電機驅動企業——日本安川（YASKAWA）公司簽署通訊協議，配備安川公司的ΣV型系列AC伺服驅動器，這是國內第一家光柵尺生產企業和國外數控企業簽署的通訊協議。諾信公司的KA-NC100系列光柵尺達到安川公司的所要求的品質，使我國的光柵尺正式用于全閉環數控系統。

另外，該公司配套角位移的控制，開發了RA系列角度編碼器，其主要技術指標：編碼器每周線數≥9000線， 系統精度±2″， ±5″、 ±10″， 測量步距≥0.0005°，允許轉速200 r/min，輸出信號頻率達到200KHz，通信接口為總線式的信號輸出模式 （可以直接接入安川公司伺服驅動器）。

光柵傳感器企業發展模式主要有德國HEIDENHAIN和西班牙FAGOR的模式，即從光柵傳感器發展到數控系統，而信和的發展模式是制造光柵尺。為了促進光柵傳感器和數控系統的發展，他們又建立了制造數控系統的諾信公司。為了發展中國自己的光柵位移傳感器和數控系統，他們又建立了制造高檔數控機床的佰銳富公司。現實證明，國產數控光柵尺很難進入數控機床，他們生產加工中心首先采用自己生產的光柵尺、自己生產的角度編碼器和自己生產的數控系統。2010年信和公司的光柵尺銷售了16萬支，諾信的數控系統銷售了二千多套，佰銳富加工中心也銷售了二千多臺，保持了信和光柵傳感器技術國內領先和銷售量的領先。在本屆展覽會上該公司展出的全線軌立式加工中心SPD-6150-H2是采用自己的SDS9-6CNCH2數控系統的五軸聯動數控機床，并且和自己的光柵傳感器組成的全閉環數控系統，該機的渦輪曲面精加工進給速度最高可達6m/min。

2．怡信集團

光柵尺是怡信集團的主導產品之一。怡信現已發展成為測量儀器、機床制造及機床數控系統的綜合企業，年產光柵尺85000支、數顯表30000臺銷售量居國內同行業第二，生產的1μm和5μm大量應用于手動機床，部分1μm光柵尺也用于數控機床。怡信以光柵測量系統為基礎，生產的儀器包括光學投影儀、影象測量儀，3D激光掃描儀、三坐標測量機、長度測量儀、光學對刀儀等。怡信生產的數控機床包括火花機、雕銑機、高速加工中心等。怡信本次展會推出ES-12光柵數顯表，采用LCD作顯示屏，適用于銑床、鏜床、車床、磨床、EDM及線切割等不同機械的特殊使用環境和特殊功能要求。2010年怡信集團的銷售額達到3億人民幣。

3．長春禹衡

長春禹衡光學有限公司是我國專業生產光柵編碼器的企業。公司主導產品光柵旋轉編碼器，現已形成二十多個系列，上百種規格：有絕對式、增量式、混合式編碼器；有空心軸、實心軸、半空心軸、手持式編碼器；有增量式編碼器每轉的線數到5000線，絕對式編碼器位數到21位。2010年產量達到80萬臺，產品廣泛應用于數控機床、交流伺服電機、電梯、紡織機等自動化行業。該企業承擔了國家“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項 《高精度、高分辨力絕對式光柵旋轉編碼器》的研制。

4．長春光機

長春光機在展臺上展出了其研制的絕對式光柵尺原理樣機。該樣機采用了單碼道絕對編碼技術；增量碼道正余弦信號糾偏與細分技術；光柵單場掃描技術；光電信號的快速譯碼及糾錯處理；高速串行通信接口，實現數控系統與傳感器之間的高分辨率數據的短周期交換。樣機的測量長度：1.2m；分辨率：0.1μm；測量精度：±6μm/m；最大工作速度：100m/min；最大工作加速度：20m/s2；截止頻率 （-3 dB）： ≥80k Hz。

5．廊坊萊格

萊格鋼帶光柵尺，柵距為20μm，測量長度可以達30m， 準確度分別為 ±3μm、 ±5μm、 ±10μm， 分辨率為μm、 1μm和0.1μm， 最大測量速度60m/min，加速度1g，震動20g，沖擊20g。

四、結束語

從本屆展覽會上可以看到，絕對式光柵傳感器是位移傳感器發展的主流，是高檔數控機床最重要的功能部件。國產的光柵尺從數顯尺進入到數控尺，國產的光柵旋轉編碼器進入到了數控機床，但是與西方發達國家的差距還很大，必須努力。