机床数显发展的概况

数显机床是20世纪70年代以微电子技术改造传统的机床产业的新生事物。机床采用数显装置后提高了加工精度和工效，降低了废品率。半个世纪以来，以先后次序取得在数显机床上应用的位移传感器共有5种：20世纪50年代新兴的感应同步器；20世纪60年代的光栅和磁栅；20世纪70年代的容栅和球栅。这五种测量系统都是栅式测量系统，都采用了重复周期的结构设计方法，利用平均技术减少误差、提高精度，利用差动技术提高灵敏度。除了磁栅、球栅外，其他三种传感器都采用光刻、复制的方法制造标尺，其产品制造成本得到降低而精度得到提高。这五种测量系统体现了位移测量领域中的多样性，都有各自的优点和不足,在使用中相互补充。

在我国最先应用的是感应同步器和光栅传感器，开始是作为角度编码器，然后才发展成为线位移传感器。应用领域开始是军事上，然后是测量仪器上，一直到有了数显表才有了机床数显，然后才有位置反馈的数控系统。磁栅和球栅一开始就用于数显，容栅开始是用于量具、量仪，2003年日本三丰（Mitutoyo）公司将容栅用于机床数显。

发达国家机床数显的推广应用是在20世纪70年代中期，微电子发展到中规模集成电路时出现，制造光栅数显的企业也纷纷出现，如1972年美国的ACU-RITE，1973年西班牙的Fagor，奥地利的RSF，日本的三丰（Mitutoyo）和双叶（Futaba）等。1974年英国的Newall也推出了球栅数显。发达国家机床的数显化率在30%~60%左右。

我国以数显技术改造传统的机床产业是在20世纪80年代中期，在政府推动下全国各省、市设立了数显技术推广服务中心，用大量经费补贴企业安装机床数显装置，当时国产传感器比较成熟的产品是感应同步器，所以数显中心推广的大部分是感应同步器数显装置。20世纪90年代中后期，我国的光栅数显产品才逐步商品化、产业化，2000年以来我国数显产业每年以30%~40%的速度增长，到2006年光栅尺的销售量已超过30万个坐标，销售额达到人民币2亿元。用于铣床的一套数显装置（400 mm/800 mm二支光栅尺和一台数显表）销售价降到1200元；圆光栅编码器的销售量已超过53万个，销售额达到人民币1.5亿元，这与我国年产55万台机床是相适应的。我国机床的数显化率估计已达到30%左右。

五种数显测量系统

光栅、感应同步器、磁栅、球栅和容栅五种测量系统在机床行业中常用的栅距、分辨力、准确度和最大速度如表所示。

1.光栅数显装置

当今世界已从精密加工、检测，达到亚微米级加工、检测，目前正向纳米级加工技术及纳米检测技术的方向发展。光栅技术也正是在这些相关技术的促进下，取得了飞跃的发展。

从20世纪70~80年代以来，不少国家的公司如日本、美国、意大利、法国、瑞士、中国等均将光栅数显的技术及产品，应用于自己的产品之中。该系列产品已成功应用于坐标测量机、比长仪等计量仪器、高精密数控机床、超精密加工机床和半导体工业的专用设备上。普通机床用的光栅尺多数是封闭式的，标尺有玻璃和钢两种，玻璃标尺可以到3 m长，钢带标尺可以到30 m或更长。分辨率从5μm~0.1μm，准确度有±5μm/±3μm/±2μm。0.1μm时的速度可达60 m/min，1μm时达120 m/min。精密机床要用敞开式光栅尺，分辨率从1μm~1 nm，最高准确度到±0.5μm。近来发展的绝对式光栅尺得到比较广泛的应用，其分辨率可达到0.1μm，速度达120 m/min，在起动时不需要寻找零位，缩短了机床的非生产时间，提高了机床的可靠性。

德国Heidenhain公司是当今世界制造光栅尺、圆光栅编码器、数显表和数控装置最著名的公司。西班牙Fagor、日本Mitutoyo（三丰）、英国Renishaw也都是数显测量系统领域著名的公司。国内比较大的光栅尺生产企业是长春光机、信和、怡信、万濠和新天，圆光栅编码器生产企业是长春禹衡、无锡瑞普。

2. 感应同步器数显装置

感应同步器测量系统包括传感器和数显表两部分。这种电磁感应位置检测元件是20世纪50年代美国Farrand公司根据美国空军提出的要求发明的。从本质上看，它是一种采用平面绕组的分解器，最早研制成功的感应同步器是旋转型的，直径为127 mm，有108个极的圆感应同步器。它由转子和定子两部分组成，分别安装在相对转动的部件上。这个127 mm的圆感应同步器，成功地用于导弹制导设备的跟踪系统中。

由于20世纪50年代数控机床出现后，急需行程大、精度高、性能稳定的直线位置数字检测系统，因而在圆感应同步器的基础上，又发展出直线式感应同步器。直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，使用时分别安装在相对移动的部件上。标准型感应同步器定尺长度为250 mm