从CIMT2005看世界位移测量技术及其产业的发展
2005-12-21
    第九届中国国际机床展览会(CIMT2005)云集了全世界位移传感器主要的厂商,参展的国外企业有德国HEIDENHAIN,西班牙FAGOR,英国RENISHAW、NEWALL,日本MITUTOYO(三丰)、SONY,美国ACU-RITE、ANILAM、METRONICS,瑞士TRIMOS、SYLVAC、TESA以及德国MAHR等。国内企业有长春光机、长春一光、信和、怡信、万濠、贵阳新豪、上海机床所、航天万新和桂林广陆等等。参展单位展示了光栅、磁栅、球栅和容栅测量技术及其传感器,在众多的产品中,光栅要占90% 以上。
    位移传感器是现代制造业的重要支柱,数控、数显机床和位移传感器是相互依存相互促进的。50年来位移传感器的测量分辨力也从5μm提升到1nm,机械加工精度从1μm提高到0.01μm。起步30年来半导体晶片的线宽5μm提高到45nm,位移传感器也适应了半导体行业发展的要求,半导体产业也成为了位移传感器最重要的用户,并且已和机床行业相当。
    我国大陆位移传感器的销售量连续三年都以40%的速度增长,2004年光栅尺销量达20万支,圆光栅编码器达30万个,数显卡尺150万支。中国大陆位移传感器的进口额也是按40%左右的速度在增加,HEIDEGHAIN、FAGOR、RENNISHAW、MITUTOYO处于前列。现在将这些主要公司的近况及其优秀的产品介绍如下。
    德国HEIDENHAIN公司
    HEIDENHAIN 是当今世界研制和生产直线光栅尺、角度编码器、旋转编码器、数显装置和数控系统等产品的著名跨国公司。近五年来平均每年制造40万个圆光栅编码器、20万支光栅尺、0.8万台数显表、10万台数控装置,到2004年为止大约生产了500万个圆光栅编码器、超过350万支光栅尺、40万台数显表、18万套数控装置。
    该公司在研发、生产和测试等各个环节都严格进行控制,测试项目涉及静态、动态精度,细分误差,冲击和振动,启动性能,环境试验,防护等级,电磁兼容等多个项目,该公司内部标准都高于通用工业标准的要求。该公司从上世纪90年代开始就在全世界兼并竞争对手,到目前为止已兼并了四十几家企业(例如奥地利RSF,美国ACU-RITE、ANILAM、METRONICS,日本SUMTAK、FUTABA)构成了一个庞大的HEIDENHAIN集团公司,该集团公司有雇员6000人,已超过全世界数显行业的从业人数。HEIDENHAIN在德国Traunreut总部就有2300人。该集团公司的年销售额达到8亿美元。被兼并的公司仍生产原有的品牌。
    HEIDENHAIN 影像光栅尺的栅距是40μm和20μm,玻璃光栅尺测量长度到3m,钢带光栅测量长度到30m,衍射光栅尺的信号周期是4μm和2μm,测量长度到1.5m;测量准确度有±10μm、±5μm、±3μm、±2μm、±1μm、±0.5μm和±0.1μm;测量步距从5μm、1μm、0.5μm、0.1μm直到1nm;封闭式光栅尺最大速度是180m/min,敞开式光栅尺最大速度480m/min;绝对式光栅尺栅距是20μm,测量长度到3m,分辨力从1μm到0.1μm,最大速度是120m/min。
    HEIDENHAIN角度编码器,每转的线数从9000线到90000线,测量步距可到1°×10-5,准确度从±5″至±0.2″。
    HEIDENHAIN有一种不带内置轴承的角度编码器,它是将精密的钢标尺带作为机械部件固定在机器的外环上或内环槽中部,可以是整环或部份环,其最大直径可达10m,线数从3600到45000,准确度从±2.2″到±4.2″,允许机械速度可达40000r/min。角度绝对式编码器可达27位,分辨率到0.01″。旋转编码器,每周线数从50至5000线,位置偏差小于一个信号周期的±1%,测量步距可到0.001°,最高机械转速10000~30000r/min。
    西班牙FAGOR公司
    FAGOR公司1975年制造出第一台数显表,从此跨入光栅数显、数控行业,现有数显表、光栅尺和圆光栅编码器、数控系统、数字驱动系统和交流电机等四个部门,职工600多人,2004年销售光栅尺和数显表达5万个座标,销售额6000万欧元。FAGOR属于西班牙12家集团公司之一的MCC集团,该集团有雇员65000人,2004年销售额超过93亿欧元,MCC集团一直支持FAGOR在中国的发展,现在FAGOR面向中国市场的数显表均冠以MCC的商标。该公司结合发展数控系统的同时开发了技术先进、品种齐全,很具有竞争力的数显表,每个机械工种都有专用的数显表。FAGOR玻璃光栅尺的栅距为20μm,最大测量长度3m,准确度±3μm和±5μm,分辨力从5μm到0.1μm,最大速度120m/min;金属反射式钢带尺栅距是40μm和100μm,准确度分别为±5μm和±10μm,测量长度达到30m,最大速度达到120m/min。光栅尺的输出信号有TTL差动信号、~11μAp 电流信号和~1Vpp电压信号。2004年7月推出了绝对式尺,增量码道的栅距为20μm,分辨率0.1μm,最大测量长度3m,准确度±5μm、±3μm,最大速度120m/min,。旋转栅编码器每转的线数从50至5000线可以输出正弦波和TTL方波,精密旋转编码器可到每转18000线,准确度到±2″。
    英国RENISHAW公司
    RENISHAW是世界著名的专门从事高精度检测仪器与设备的公司,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、角度和平面三种,与众不同的REINISHAW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,测量长度可达70m,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,读数头中有内置细分卡可以对栅距进行4~400倍频细分,分辨力从5μm、1μm、0.5μm到50nm,最大测量速度180~600m/min。若配置外置细分卡分辩力可以到20nm和10nm,相应的速度分别为300mm/s和150mm/s。光栅尺的精度是任意1m长度上为±3μm。
    RENISHAW的圆光栅角度编码器是在不锈钢圆环的表面使用了灵活的直线光栅〔栅距20μm〕,其独特的锥面安装方式可以直接安装在旋转轴上,确保安装的快捷和准确。圆光栅的直径从52mm到413mm,刻线从4096到64800线对,最高速度达3000r/min,系统准确度可达±0.7″,最高分辨力0.01″,成功地应用于精密转台、天文望远镜等。最近推出的新型SIGNUM RESM 新型智能圆光栅系统准确度达到±0.5″,分辨力及重复精度达到0.02″,防护等级达到IP64的高标准,和通用的密封式角度光栅编码器一样,输出信号可以通过USB接口与PC机连接,使用也方便。RENISHAW还有磁栅旋转编码器,防护等级达到IP68,可以在水下工作。
    日本MITUTOYO(三丰)公司
    三丰公司1968年开发了光栅尺及其测量系统,并将光栅尺用于数显和数控系统。该公司向市场提供多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。不断开发的光栅尺一直是作为三丰测量仪器的线位移测量部件,是该公司重要的产品。容栅和光栅测量系统是三丰公司量具和量仪赖以发展的基础。现在三丰公司已是国际十分著名的精密测量仪器公司,有雇员4千人,年销售额超过8亿美元,光栅尺和量具占其中的40%。三丰公司光栅尺的年产量6万支。
    1983年在日本枥木县宇都宫市建成了三丰世界级的光栅尺制造厂“清原制造部”,1987年在该工厂建成地下R&D实验室,实验室在地下9m深,面积775m2,光栅尺的制造和测试环境条件很好,温度20o±0.2℃,湿度45%~60%,净化等级100级,可以生产高质量的光栅尺。1985年光栅尺用于CNC机床,1988年推出新系列ST-系列敞开式光栅尺,标尺光栅和读数头是分离的,三丰尺也开始用于半导体设备工业。1994年三丰开发了自己的“ABSOLUTE”(绝对)系统,该尺联合应用了容栅的静电电容技术和光栅的光电技术,这种绝对式光栅测量系统成功地应用在机床数控系统上,2003年三丰公司推出绝对式光栅尺并应用于FANUC、三菱(MITSUBISHI)、SIEMENS、松下(PANASONIC)的数控装置上。
    三丰光栅尺有三类:第一类,封闭式增量光栅尺;第二类,封闭式绝对式光栅尺;第三类,敞开式增量光栅尺。三丰光栅尺主要用于量仪、半导体专用设备和数控机床。
    日本SONY公司
    日本Sony公司于1969年8月建立,2004年4月与Sony Manufacturing Systems Corporation合并。公司以制造精密测量设备(磁栅尺、长度计、数显表、倍频器、位置检测器、旋转编码器),数码录象机、光盘检测系统,半导体晶片缺陷检测设备,固体激光器等。公司现有1000人,其中从事精密测量设备制造有300人,每月生产磁栅尺500~1000支,磁栅尺年销售额12亿日元。
    SONY公司生产的用于反馈的磁栅尺SR33/34有较高水平,输出信号周期为40μm的正弦波,分辨力0.05μm~1μm,准确度±3μm,最大速度150m/min,测量长度从70mm~2040mm,防护等级可以达到防水的IP65。SONY公司用于大型机床的测量长度的长磁栅尺MSS-101水平也很高,测量长度从3200mm~30m,分辨力为0.5μm,最大速度为30m/min,准确度为±5μm。
    SONY公司的绝对式磁栅尺2005年夏天就要推出。
    英国NEWALL公司
    NEWALL公司1968年创立于英国的Peterborough,是专门生产球栅测量系统的公司,该公司于1975年推出栅距为12.7mm的Spherosyn(分辨力5μm)球栅尺,并相应开发了数显表,1976年获得了美国专利权,1995年又推出栅距为5mm,分辨率为1μm的Microsyn高精度球栅尺。1975年以来NEWALL一直垄断着球栅市场,年销售量大约为2万多套,该公司80%以上的产品外销全世界63个国家和地区,球栅尺的销售量已超过40多万支,球栅测量系统过去主要用于数显,现在也开始应用于NC系统。球栅传感器利用了交流电磁感应技术,采用非接触式测量,并特别针对恶劣使用环境而设计,读数头是全密封的,能防尘、防铁屑、防水,达到了很高的IP67防护等级,其抗振强度为30g,冲击为100g。Spherosyn的精度为±10μm+5μm/m,测量长度从50mm到12m,最大速度120m/min;Microsyn的精度为±5μm,测量长度从50mm到1m,最大速度45m/min。
    瑞士TRIMOS、SYLVAC公司容栅测量系统是在1973年面世,1974年TRIMOS公司最先在测高仪上应用,这种新的栅式测量系统从此得到了迅速的发展,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。SYLVAC主要是以容栅测量系统为基础生产特制的电子测量组件,并可为客户提供可装配到仪器上的数显测量元件,TRIMOS主要制造测高仪和测长仪。通用容栅测量系统的分辨率为1μm、5μm、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。SYLVAC主要生产容栅数显卡尺,分辨力是0.01mm,测量范围150mm/200mm/300mm,此外还有数显千分卡尺,测量长度为100mm,最大误差0.007mm,容栅数字千分表,测量范围从5mm到100mm,最大误差9μm/100mm。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。
    瑞士TESA公司
    瑞士TESA公司1941年建立,专门从事精密量具和量仪制造,并发明了第一个外径千分尺,1950年又推出最领先的内径千分尺,1957年成为美国Brown & Sharpe集团的一员。1970年随着计算机技术的发展,推出了进入高精度测量领域的电感测头,分辨力达到0.01μm,1977年又推出容栅数显卡尺TESA DIGIT CAL,1996年推出新一代千分尺CAPA″system,2001年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TESACAL IP67。2001年Brown & Sharpe被瑞典HEXAGOX AB集团并购,TESA生产过的测量仪器有5000多种。
    中国大陆位移传感器产业
    中国大陆年生产光栅尺销售额超过人民币一千万元以上的企业有长春光机、信和、怡信、万濠、贵阳新豪。玻璃光栅尺的最大测量长度为3m,准确度已达到±15μm、±10μm、±5μm和±3μm,分辨力为5μm和1μm,速度为60m/min。年生产20万支光栅尺,并有30%出口,主要应用于机床数显和测量仪器。信和往加工中心发展;怡信、万濠、贵阳新豪往测量仪器方面发展,现生产投影仪、影像仪、激光扫描仪等。圆光栅编码器国内最大的生产厂家是长春一光,有比较强的开发、设计、生产能力和销售网络,年产量25万套。各企业的销售额都在人民币1亿元左右,人平均产值15~20万元。
    磁栅尺现在大陆唯一的生产单位是上海机床研究所,除了常规尺外还自主开发了3m到30m的磁栅尺,填补了国内超长度测量传感器的空白。
    (作者:中国科学院自动化研究所研究员,中国机床工具工业协会数显分会顾问 卢国纲)