機床數(shù)顯技術(shù)的發(fā)展確立了作為機床位置反饋的傳感器，也促進了數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床的發(fā)展。由于傳感器和數(shù)顯表生產(chǎn)成本不斷下降，使機床數(shù)顯裝置得到廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在機床數(shù)顯裝置的生產(chǎn)已是一個新興的行業(yè)。

　　機床數(shù)顯發(fā)展的概況

　　數(shù)顯機床是20世紀(jì)70年代以微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)的機床產(chǎn)業(yè)的新生事物。機床采用數(shù)顯裝置后提高了加工精度和工效，降低了廢品率。半個世紀(jì)以來，以先后次序取得在數(shù)顯機床上應(yīng)用的位移傳感器共有5種：20世紀(jì)50年代新興的感應(yīng)同步器；20世紀(jì)60年代的光柵和磁柵；20世紀(jì)70年代的容柵和球柵。這五種測量系統(tǒng)都是柵式測量系統(tǒng)，都采用了重復(fù)周期的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，利用平均技術(shù)減少誤差、提高精度，利用差動技術(shù)提高靈敏度。除了磁柵、球柵外，其他三種傳感器都采用光刻、復(fù)制的方法制造標(biāo)尺，其產(chǎn)品制造成本得到降低而精度得到提高。這五種測量系統(tǒng)體現(xiàn)了位移測量領(lǐng)域中的多樣性，都有各自的優(yōu)點和不足，在使用中相互補充。

　　在我國最先應(yīng)用的是感應(yīng)同步器和光柵傳感器，開始是作為角度編碼器，然后才發(fā)展成為線位移傳感器。應(yīng)用領(lǐng)域開始是軍事上，然后是測量儀器上，一直到有了數(shù)顯表才有了機床數(shù)顯，然后才有位置反饋的數(shù)控系統(tǒng)。磁柵和球柵一開始就用于數(shù)顯，容柵開始是用于量具、量儀，2003年日本三豐（Mitutoyo）公司將容柵用于機床數(shù)顯。

　　發(fā)達國家機床數(shù)顯的推廣應(yīng)用是在20世紀(jì)70年代中期，微電子發(fā)展到中規(guī)模集成電路時出現(xiàn)，制造光柵數(shù)顯的企業(yè)也紛紛出現(xiàn)，如1972年美國的ACU-RITE，1973年西班牙的Fagor，奧地利的RSF，日本的三豐（Mitutoyo）和雙葉（Futaba）等。1974年英國的Newall也推出了球柵數(shù)顯。發(fā)達國家機床的數(shù)顯化率在30%~60%左右。

　　我國以數(shù)顯技術(shù)改造傳統(tǒng)的機床產(chǎn)業(yè)是在20世紀(jì)80年代中期，在政府推動下全國各省、市設(shè)立了數(shù)顯技術(shù)推廣服務(wù)中心，用大量經(jīng)費補貼企業(yè)安裝機床數(shù)顯裝置，當(dāng)時國產(chǎn)傳感器比較成熟的產(chǎn)品是感應(yīng)同步器，所以數(shù)顯中心推廣的大部分是感應(yīng)同步器數(shù)顯裝置。20世紀(jì)90年代中后期，我國的光柵數(shù)顯產(chǎn)品才逐步商品化、產(chǎn)業(yè)化，2000年以來我國數(shù)顯產(chǎn)業(yè)每年以30%~40%的速度增長，到2006年光柵尺的銷售量已超過30萬個坐標(biāo)，銷售額達到人民幣2億元。用于銑床的一套數(shù)顯裝置（400 mm/800 mm二支光柵尺和一臺數(shù)顯表）銷售價降到1200元；圓光柵編碼器的銷售量已超過53萬個，銷售額達到人民幣1.5億元，這與我國年產(chǎn)55萬臺機床是相適應(yīng)的。我國機床的數(shù)顯化率估計已達到30%左右。

　　五種數(shù)顯測量系統(tǒng)

　　光柵、感應(yīng)同步器、磁柵、球柵和容柵五種測量系統(tǒng)在機床行業(yè)中常用的柵距、分辨力、準(zhǔn)確度和最大速度如表所示。

　　1.光柵數(shù)顯裝置

　　當(dāng)今世界已從精密加工、檢測，達到亞微米級加工、檢測，目前正向納米級加工技術(shù)及納米檢測技術(shù)的方向發(fā)展。光柵技術(shù)也正是在這些相關(guān)技術(shù)的促進下，取得了飛躍的發(fā)展。

　　從20世紀(jì)70~80年代以來，不少國家的公司如日本、美國、意大利、法國、瑞士、中國等均將光柵數(shù)顯的技術(shù)及產(chǎn)品，應(yīng)用于自己的產(chǎn)品之中。該系列產(chǎn)品已成功應(yīng)用于坐標(biāo)測量機、比長儀等計量儀器、高精密數(shù)控機床、超精密加工機床和半導(dǎo)體工業(yè)的專用設(shè)備上。普通機床用的光柵尺多數(shù)是封閉式的，標(biāo)尺有玻璃和鋼兩種，玻璃標(biāo)尺可以到3 m長，鋼帶標(biāo)尺可以到30 m或更長。分辨率從5μm~0.1μm，準(zhǔn)確度有±5μm/±3μm/±2μm。0.1μm時的速度可達60 m/min，1μm時達120 m/min。精密機床要用敞開式光柵尺，分辨率從1μm~1 nm，最高準(zhǔn)確度到±0.5μm。近來發(fā)展的絕對式光柵尺得到比較廣泛的應(yīng)用，其分辨率可達到0.1μm，速度達120 m/min，在起動時不需要尋找零位，縮短了機床的非生產(chǎn)時間，提高了機床的可靠性。

　　德國Heidenhain公司是當(dāng)今世界制造光柵尺、圓光柵編碼器、數(shù)顯表和數(shù)控裝置最著名的公司。西班牙Fagor、日本Mitutoyo（三豐）、英國Renishaw也都是數(shù)顯測量系統(tǒng)領(lǐng)域著名的公司。國內(nèi)比較大的光柵尺生產(chǎn)企業(yè)是長春光機、信和、怡信、萬濠和新天，圓光柵編碼器生產(chǎn)企業(yè)是長春禹衡、無錫瑞普。

       2. 感應(yīng)同步器數(shù)顯裝置

　　感應(yīng)同步器測量系統(tǒng)包括傳感器和數(shù)顯表兩部分。這種電磁感應(yīng)位置檢測元件是20世紀(jì)50年代美國Farrand公司根據(jù)美國空軍提出的要求發(fā)明的。從本質(zhì)上看，它是一種采用平面繞組的分解器，最早研制成功的感應(yīng)同步器是旋轉(zhuǎn)型的，直徑為127 mm，有108個極的圓感應(yīng)同步器。它由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成，分別安裝在相對轉(zhuǎn)動的部件上。這個127 mm的圓感應(yīng)同步器，成功地用于導(dǎo)彈制導(dǎo)設(shè)備的跟蹤系統(tǒng)中。

　　由于20世紀(jì)50年代數(shù)控機床出現(xiàn)后，急需行程大、精度高、性能穩(wěn)定的直線位置數(shù)字檢測系統(tǒng)，因而在圓感應(yīng)同步器的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出直線式感應(yīng)同步器。直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，使用時分別安裝在相對移動的部件上。標(biāo)準(zhǔn)型感應(yīng)同步器定尺長度為250 mm，但可用接長的方法接到18 m，鋼帶式感應(yīng)同步器定尺單根長度即可做到10 m，最長30 m。因此適用于各種重型、大型和中、小型機床。

　　感應(yīng)同步器的應(yīng)用領(lǐng)域遍及航天、航空、機械制造，精密儀器，計量等部門。圓感應(yīng)同步器可以測量整周內(nèi)的任意角度，常用于數(shù)顯轉(zhuǎn)臺、數(shù)控轉(zhuǎn)臺、伺服轉(zhuǎn)臺、陀螺平臺、火炮控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)、雷達天線、經(jīng)緯儀等；直線感應(yīng)同步器多用于各種機床、儀器，作為數(shù)顯、數(shù)控和伺服系統(tǒng)的反饋測量元件。

　　感應(yīng)同步器數(shù)顯表與直線感應(yīng)同步器或圓感應(yīng)同步器組成數(shù)顯位置測量系統(tǒng)。數(shù)顯表首先將激磁信號輸入給感應(yīng)同步器，感應(yīng)同步器再將位置感應(yīng)信號送回給數(shù)顯表，數(shù)顯表將信號處理后由顯示器顯示，也可將位置/數(shù)字信號送給伺服系統(tǒng)作為控制用。

　　由于感應(yīng)同步器精度高（長度準(zhǔn)確度達到±1μm，角度精準(zhǔn)確度達到±1“）、可靠性高以及抗惡劣環(huán)境能力強，美國一直在軍事、空間科學(xué)、射電望遠(yuǎn)鏡、機器人和機床上應(yīng)用，例如美國把感應(yīng)同步器廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星和核潛艇的制導(dǎo)系統(tǒng)，在太空的哈勃望遠(yuǎn)鏡（Hubble telescope）上就安裝了感應(yīng)同步器。但是由于市場的競爭，感應(yīng)同步器在國內(nèi)機床行業(yè)的應(yīng)用大幅度減少，制造企業(yè)也逐漸退出了這一領(lǐng)域。

　　3. 磁柵數(shù)顯裝置

　　1958年在布達佩斯舉行的第四屆國際計量與測試大會（4th.IMEKO）上，捷克工程師K.stepanek第一次向世界介紹了一種新型的基準(zhǔn)測尺——磁柵及其在測量技術(shù)中應(yīng)用的試驗研究情況。第二年秋天，在布爾諾舉行的國際博覽會上，展出了用于測量齒輪和機床傳動鏈精度的TMO系列磁柵式測量儀。自此，作為一種新型的測量技術(shù)——磁柵技術(shù)便正式宣布問世。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　最初，磁柵主要被用作圓分度測尺，且只能在動態(tài)（勻速運動）的情況下，用模擬電子系統(tǒng)進行檢測，但在工程中，直線位置檢測往往比角度和圓分度測量應(yīng)用更廣，因此繼圓形磁柵之后又發(fā)展了直線磁柵（又稱磁尺）。20世紀(jì)60年代初，以Sony磁尺公司為代表的日本公司，在直線磁柵的刻制（錄磁工藝）調(diào)制式讀出磁頭和檢測系統(tǒng)研制以及工業(yè)應(yīng)用方面都進行了系統(tǒng)而深入的研究，并開發(fā)出直線磁柵和圓形磁柵檢測裝置系列產(chǎn)品，把磁柵檢測技術(shù)提高到一個新的水平。

　　Sony公司生產(chǎn)精度高、用于反饋的磁柵尺的輸出信號周期為40μm的正弦波，分辨率0.05μm~1μm，準(zhǔn)確度±3μm，最大速度150 m/min，測量長度從70 mm~2 040 mm，防護等級可以達到防水的IP65。由于磁柵尺測量長度比較長（可以到30 m）因此在大型機床上應(yīng)用較多，磁柵尺的系列產(chǎn)品的準(zhǔn)確度有±10μm、±5μm、±3μm，分辨率從5μm~0.1μm。Sony公司磁柵尺的年產(chǎn)量在10000支左右，銷售額超過1000萬美元。我國研究磁柵檢測技術(shù)也較早。1961年上海機床廠就試制成功了刻制圓形磁柵的大型錄磁機，并能刻出±1”的圓形磁柵。磁柵尺在我國主要是用于機床數(shù)顯，國內(nèi)的制造單位是上海平信公司（原上海機床研究所），年銷售量在5000支左右。

　　4. 球柵數(shù)顯裝置

　　英國Newall公司于1975年推出柵距為0.5“的球柵尺Spherosyn（分辨率5 mm），并相應(yīng)開發(fā)了數(shù)顯表，1976年獲得了美國專利權(quán)。1995年又推出柵距為5 mm，分辨率為1 mm的Microsyn高精度球柵尺。1975年以來，英國Newall公司一直壟斷著球柵市場，該公司80％以上的產(chǎn)品銷往世界60多個國家，球柵的年銷售量已超過20000支，累計超過40多萬支。球柵的標(biāo)尺是在不導(dǎo)磁的鋼管內(nèi)放入0.5in.的鋼球，構(gòu)成柵距為12.7 mm的球尺，讀數(shù)頭采用了防水保護，保護等級達到IP67的防水標(biāo)準(zhǔn)，是所有傳感器類型中最高的，在環(huán)境惡劣的地方用得較多。球柵測量長度可達到12 m，分辨率5μm，最大移動速度120 m/min。球柵尺在我國的年銷售量超過5000套。

　　球柵具有許多獨特的優(yōu)點：①采用完全密封型結(jié)構(gòu)，球同步器的高精度鋼球和線圈均被完全密封，可以在水中或油中工作。這一特點使得球同步器特別適用于水下機械和一些必須浸在水中進行加工的材料的加工機械。②尺體為金屬結(jié)構(gòu)，保護良好，不會因冷卻水、冷卻液、金屬粉末或塵土等的影響而污損。③殼體剛性強、密封好，即使用噴氣槍清理機床時，直接噴射到球同步器上也不會被損壞。④基準(zhǔn)鋼球的線脹系數(shù)與鋼鐵相同，對車間溫度的變化不敏感。⑤能在強磁場和強輻射條件下工作，可用于原子反應(yīng)堆。

　　5.容柵數(shù)顯裝置

　　容柵測量系統(tǒng)1972年由H.U.Meyer發(fā)明并取得專利，1974年瑞士TRIMOS公司最先在測高儀上應(yīng)用，1978年專門生產(chǎn)容柵數(shù)顯產(chǎn)品的SYLVAC公司成立，該公司從事制造容柵數(shù)字顯示的長度測量儀表，這種新的柵式測量系統(tǒng)很快就應(yīng)用于數(shù)顯卡尺、千分表、測高儀和測長儀。

　　瑞士Sylvac、Tesa公司和日本Mitutoyo（三豐）公司都在量具、量儀方面發(fā)展容柵測量系統(tǒng)。日本三豐公司2003年推出機床容柵數(shù)顯裝置，容柵測量系統(tǒng)的分辨率為10μm和5μm，準(zhǔn)確度為50μm/m，速度為60 m/min。由于容柵尺制造成本比較便宜，因此它是五種數(shù)顯裝置中價格最低的。

　　日本三豐公司是國際著名的也是最大的容柵測量系統(tǒng)制造公司。國內(nèi)容柵數(shù)顯卡尺最大的生產(chǎn)企業(yè)是桂林廣陸。

　　發(fā)展的共性

　　高精度精密機床和高精度精密量儀作為工作母機和測量母機，是各種機械獲得精度的基礎(chǔ)，而它們本身的精度又依賴于長度、角度、圓度和幾何精度等基礎(chǔ)機械技術(shù)，其中長度測量技術(shù)和圓分度技術(shù)的關(guān)鍵是位置測量元件的精度及其讀出精度。

　　多年來，世界多國都在致力于發(fā)展位置數(shù)字測量技術(shù)，尋找最理想的測量元件和信息處理技術(shù)，到目前為止，為人們所公認(rèn)并已得到廣泛應(yīng)用的是前面所介紹的光柵、感應(yīng)同步器和磁柵以及近年出現(xiàn)的測量技術(shù)。這5種檢測元件和與之相配的數(shù)字系統(tǒng)，有其相似的特點和優(yōu)點。

　　都易于實現(xiàn)機械位移/電信號的轉(zhuǎn)換。利用光電、磁電、電感、電容的測量原理，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換和數(shù)字化處理后即可用于顯示和控制。

　　高分辨率。直線位置測量的分辨率可達0.001 mm，最高可達0.000 1 mm，角位置測量的分辨率可達0.5”。

　　高精度。直線位置測量準(zhǔn)確度一般可達0.01～0.03 mm（用于普通機床），最高點可達0.003 mm（坐標(biāo)鏜床）。既適用于一般機床設(shè)備，也完全能滿足高精度銑床、儀器的要求。特別是圓分度測量，其分度準(zhǔn)確度一般可達6“～10”，最高可達1“，甚至更高，大大超過了傳統(tǒng)的機械或光學(xué)方法。