珠海市怡信測量科技有限公司
一、前言
本屆展覽會是中國經濟發展進入新常態,正從高速增長轉向中高速增長,從規模速度型粗放增長轉向質量效率型集約增長,中國仍然是保持世界上最大的機床消費國的地位,2014年的機床消費額是318億美元,從位移傳感器的參展商和展品來看,完全體現了CIMT2015展會的主題“新常態?新發展”。 本屆展會上參展外企有德國的HEIDENHAIN(海德漢),西班牙的FAGOR(發格),日本的Magnescale Co.Ltd(磁柵尺有限公司)、MITUTOYO(三豐),英國的RENISHAW(雷尼紹)、NENWALL(鈕沃爾), 奧地利的RSF等。參加展會的大陸中國企業有長春禹衡、廣州諾信、蘇州怡信、東莞萬濠、貴陽新天、北京中科恒業、廊坊萊格、無錫科瑞特、長春三峰、深圳博望、桂林廣陸等。本文是對本屆展會展出的用于數控機床的位移傳感器產品進行評述,并對其產業的發展方向進行討論。
機械加工精度的提高是伴隨著機床位移傳感器的發展而發展,半個多世紀以來,位移傳感器從微米級發展到納米級,機械加工精度也成倍提高,用于數控機床的位移傳感器主要是光柵和磁柵。目前線位移和角位移傳感器構成的測量系統從增量式測量方法逐步發展為絕對式測量方法。絕對式全閉環數控系統是現代高檔機床顯著的特點。 現代絕對式位移傳感器普遍采用2個碼道,一個碼道是采用將不同寬度和不同間距的柵線以絕對位置數據用編碼形式直接制作到標尺上用來確定絕對位置;另外一個碼道是增量碼道,通過信號細分提供高分辨力的位置值,確定光柵的精度和分辨力。絕對式位移傳感器和數控系統連接時采用雙向數字接口,可以傳輸絕對式編碼器的位置值也可以傳輸增量式編碼器的位置值,還能讀取和更新保存在傳感器中的信息。由于采用串行數據傳輸方式,它只需要四條信號線。實現絕對式傳感器的位置值高效、可靠、具有診斷功能的傳輸。安裝有絕對式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,提高了機床使用時的安全性。 采用絕對式位移傳感器大大提高了機床的生產效率和可靠性,這促進絕對式位移傳感器廣泛的應用。
二、DMG MORI(德馬吉森精機)的選擇
2013年10月來自德國制造業的DMG(德馬吉),和來自日本制造業的MORI SEIKI(森精機),這兩家世界領先的知名機床企業,合并成德馬吉森精機有限公司(DMG MORI SEIKI Co.Ltd )。 該企業現在是國際頂級的全球化機床設備制造商,在全球有21個生產基地,每年生產超過20,000臺數控機床,在本屆展覽會上他們在W1館2000平方米的展示面積上展出了33臺安裝了絕對式磁柵位移傳感器的高檔數控機床。過去在德馬吉森精機公司的數控機床中DMG生產的配置的是SIEMENS(西門子) 、HEIDENHAIN(海德漢)的數控系統,MORI生產的是配置MITSUBISHI(三菱)、 FANUC(發那科) 的數控系統,因此DMG的機床是配置海德漢的光柵位移傳感器,MORI的機床是配置的磁柵尺公司(原SONY公司)的磁柵位移傳感器。2013年上一屆展覽會上DMG MORI全閉環數控機床中安裝的是SONY公司2008年開發的絕對式磁柵尺SR80系列和絕對式角度編碼器 RU70 系列。在本屆展覽會上,該公司全部配置絕對式測量系統都是2014年磁柵尺公司開發的SR27/SR67A絕對式磁柵尺和RS97/RU97絕對式磁柵角度編碼器。由于磁柵測量技術對于惡劣環境條件不敏感,如水分、油、灰塵和震動,磁柵位移傳感器的防護等級可以達到IP65,并且和機床熱膨脹系數一致,這確保0.01mm高度精確的位置檢測和機床控制,再加上磁柵尺公司是DMG MORI旗下的公司,所以德馬吉森精機公司首選的位移傳感器是磁柵。
三、參展的生產位移傳感器的主要企業
1、德國HEIDENHAIN(海德漢)
德國Dr. Johannes Heidenhain GmbH(海德漢)公司集中在光刻制造領域,以生產高精度、高質量的光柵位移傳感器而著稱世界,一直是引導光柵測量技術的發展?,F在海德漢光柵產品的種類可以滿足整個機床行業的需要,其產品的精度和分辨率是最高的。海德漢每年大約銷售150萬個旋轉編碼器和角度編碼器、50萬支光柵尺、1萬臺數顯表、1.5萬臺高端數控系統。自1948年海德漢公司在德國Traunreut(特勞恩羅伊特)重建后,現已累計交付超過600萬套直線光柵尺,1500萬套旋轉編碼器和角度編碼器,50萬臺數顯裝置和26萬套TNC數控系統。
HEIDENHAIN本屆展會展出的1nm光柵尺和小型高精度角度編碼器產品是亮點:
1)LP100 超高精密封閉直線光柵尺
◇光柵尺采用Zerodur刻線工藝,基體采用玻璃陶瓷,熱膨脹系數為零,具有其極高的細份能力以及極低的位置噪聲;
◇測量長度從140mm 至3040mm;
◇精度等級±3mm;
◇ 分辨力 低至31.25pm;
◇接口 EnDat2.2,FANUC, MITSUBISHI;
◇該產品屬首次展出,主要適用于高端和超高精度應用。
2) LC100系列標準外殼絕對式封閉直線光柵尺
◇光柵尺采用DIADUR刻線工藝的玻璃尺,兩個碼道,增量碼道的柵距 20μm;
◇測量長度 從140mm到4240mm;
◇精度等級 ±3mm/±5mm;
◇分辨力 至1nm;
◇最大速度180m/min;
◇接口 EnDat2.2,FANUC, MITSUBISHI , SIEMENS
3) LC200系列標準外殼絕對式封閉直線鋼帶光柵尺
◇ 光柵尺采用METALLUR刻線工藝的鋼帶尺,兩個碼道,增量碼道的柵距 40μm;
◇測量長度 從1,640mm到56,080mm;
◇精度等級 ±5mm;
◇分辨力 至10nm;
◇最大速度180m/min;
◇接口 EnDat2.2,FANUC,MITSUBISHI。
◇這項產品解決了大型數控機床的絕對式測量。
4) LIC4100系列絕對式敞開式直線光柵尺
◇ 采用METALLUR刻線工藝的鋼帶尺;
◇精度等級 ±5μm;
◇分辨力 至1nm;
◇測量長度 至28m;
◇最大移動速度10m/s;
◇接口 EnDat2.2純串行,FANUC,MITSUBISHI 。
◇該尺適用于超精密機床、測量機、半導體工業的測量和生產設備,以及直接驅動直線電機等。
5)ROC 2000/7000系列26/28位分離式聯軸器的絕對式角度編器
◇ 外徑φ110mm;
◇每圈位置值28bit/26bit;
◇系統精度 ±2.5″/±5;
◇最大轉速3000 rpm;
◇接口 EnDat2.2,FANUC,MITSUBISHI。
◇該產品屬首次展出,應用于回轉工作臺、傾斜軸、直接驅動。
6)RCN 2000系列28位空心軸絕對式角度編碼器
◇ 空心軸 φ36mm;
◇ 外徑φ110mm;
◇每圈位置值28bit/26bit;
◇系統精度 ±2.5″/±5″;
◇最高轉速3000 rpm;
◇接口 EnDat2.2,FANUC,MITSUBISHI。
◇應用于回轉工作臺、傾斜軸、直接驅動。
7)RCN 8000系列內置軸承29位絕對式角度編碼器
◇采用DIADUR刻線工藝的玻璃圓光柵,一個增量碼道和一個絕對碼道;
◇ 空心軸 φ60mm和φ100mm;
◇ 外徑φ200mm;
◇每轉位置數536870912(29位);
◇系統精度 ±1″;
◇每個信號周期的最大位置誤差±0.15″;
◇最高轉速1500 rpm;
◇接口 EnDat2、FANUC、MITSUBISHI;
◇在機床的回轉工作臺、擺動銑頭和車床的C軸的位置控制和速度控制方面得到廣泛的應用。
2、日本Magnescale(磁柵尺)
日本的磁柵尺過去是由索尼公司(Sony Manufacturing Systems Co.)生產,在 2010年該公司被日本森精機(MORI SEIKI)收購后,更名為磁柵尺有限公司(Magnescale Co.Ltd) ,現在是DMG MORI旗下的公司,仍然繼續從事基于磁柵測量技術的開發、生產和銷售,并加強了磁柵在數控機床上的配套應用,現在該公司的主要生產基地和總部還在日本神奈川縣伊勢原(Isehara),該公司在2010年以后又在德國Stuttgart(斯圖加特)附近的Wernau(韋爾瑙)建立了新的生產基地——歐洲磁柵尺公司(Magnescale Europe GmbH),可以直接面向歐洲市場提供磁柵測量技術。本屆展覽會上雖然沒有磁柵尺公司的產品直接展示,但DMG MORI展臺上展示的20多臺全閉環數控機床上都安裝了磁柵尺公司的磁柵尺和磁柵角度編碼器。根據德馬吉森精機的介紹本屆展覽會磁柵尺公司為DMG MORI 數控機床提供了SR27A/SR67A系列封閉式絕對式磁柵尺和RS97/RU97系列絕對式磁柵角度編碼器。下面將DMG MORI在數控系統中使用的絕對式磁柵傳感器介紹如下:
1) SR57封閉式絕對式磁柵尺主要技術規格:
◇測量長度 從140mm到3640mm;
◇精度等級 ±3mm;
◇分辨力 0.01mm;
◇最大速度 200m/min;
◇振動 ≤250 mm/s2;
◇沖擊 ≤450 mm/s2 ;
◇防護等級 IP54,IP65(注入壓縮空氣時)。
2)SR97敞開式絕對式角度編碼器
◇系統精度± 2.5";
◇每圈位置值25bit;
◇接口 FANUC, MITSUBISHI,SEIIMENS;
◇空心軸直徑φ96mm ,φ180mm;
◇防護等級IP65。
3)RU97封閉式絕對式角度編碼器
◇系統精度± 2.5";
◇每圈位置值25bit;
◇接口 FANUC, MITSUBISHI,SEIIMENS;
◇空心軸直徑φ20mm ,φ22mm;
◇防護等級IP65。
2、西班牙FAGOR(發格)
西班牙發格自動化有限公司(Fagor Automation S.Coop)成立于1972年,是從制造數顯表,光柵尺開始成為專門從事生產數控產品的公司。在這次展覽會上該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角度編碼器。其產品如下:
1) 封閉式50米鋼帶絕對式光柵尺
該光柵尺的型號為LA,其測量長度從440mm到50m,該產品的,是采用的不銹鋼帶,增量碼道的柵距為40μm,具體數據:
◇ 鋼帶準確度±5μm;
◇ 最大速度180m/min;
◇ 測量分辨力至0. 01μm;
◇ 通訊協為SSI,支持 FANUC, MITSUBISHI,SEIIMENS 。
2)封閉式玻璃絕對式光柵尺
該系列光柵尺有3個型號GA、SA、SVA,測量長度從140mm到3040mm,增量碼道的柵距為20μm,具體數據:
◇ 準確度±3mm ,±5μm;
◇ 最大速度180m/min;
◇ 測量分辨力至0. 01μm;
◇ 通訊協為SSI,支持 FANUC,MITSUBISHI,SEIIMENS 。
3)HA-D200系列封閉式絕對式角度編碼器
◇系統精度± 1",± 2" ;
◇每圈位置值27bit;
◇最大轉速1000rpm;
◇接口 FANUC,MITSUBISHI;
◇防護等級IP65。
3、日本MITUTOYO(三豐)
三豐公司(Mitutoyo Corpation)是著名精密測量儀器的制造公司,主要產品是各種測量工具以及坐標測量機、形狀測量儀、圖象及光學測量儀等。光柵和電磁感應測量系統是該公司精密測量的基礎,三豐的光柵尺主要是供給本公司的測量儀器使用,電磁感應直線編碼器是絕對式防水卡尺的長度標準,2003年推出了用于反饋系統的絕對式光柵尺,在本屆展會上展出了數控機床配套的高剛性、高精度的封閉式絕對式光柵尺AT300、AT500系列和防水的絕對式光柵尺AT715。
1)AT500封閉式絕對式光柵尺
◇測量長度 100mm至2200mm;
◇精度等級 ±3mm,±2mm;
◇分辨力 0.05mm,0.005mm ;
◇最大速度150m/min;
◇接口 FANUC, MITSUBISHI,PANASONIC。
◇適用于線性發動機的高速控制,伺服系統控制、數控車床和電加工機床。
2)絕對式防水光柵尺 AT715
◇測量基準;電磁感應系統;
◇測量長度 100mm至3000mm;
◇精度等級 ±3mm,±7mm;
◇分辨力 1mm,0.5mm;
◇最大速度50m/min;
◇防護等級 IP67;
◇AT715尺和光柵數顯表相配組成絕對式數顯系統非常適用于數顯機床,提高了機床的使用性能。
4、英國RENISHAW(雷尼紹)s的速度下具有1 nm的超凡分辨率。
RENISHAW公司是一家跨國公司,成立于1973年是專門從事高精度檢測儀器與設備的制造,2013年有員工3300人,年銷售額3.46億英鎊,其中亞太地區占40%。位移測量主要的產品是直線光柵尺、角度光柵編碼器以及磁旋轉編碼器和直線磁柵尺。RENISHAW的其位移傳感器為非接觸直線光柵及圓光柵測量系統,光柵是金屬反射光柵,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、高分辨力的工作條件下還具有抗光柵表面被污染的能力。該公司能夠提供品種繁多的高速增量式和絕對式直線光柵系統,在機床、測量機、直線電機和半導體專用設備方面得到廣泛的應用。展會上的部分展品:
1)增量式光柵尺
光柵尺的柵距有20mm和40mm兩種,其表面采用保護膜或聚酯涂層,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(柵尺的最大長度70m),鍍金光柵尺的精度為±3mm/m,分辨力到1nm,速度10m/s。對于所有直線光柵讀數頭和接口組合,讀數頭中均內置有LED安裝指示燈,這可提高安裝速度,而且無需其他安裝裝置,讀數頭中有內置細分電路,提供分辨率從10mm到1nm的數字反饋信號。新推出的ATOM微型直線光柵非常適合于對空間大小有嚴格限定的各種運動控制、檢測和計量應用。
2)RESOLUTE絕對式光柵
由RESOLUTE讀數頭和30 μm柵距的RSLM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(即將增量式相位信息直接嵌入絕對位置代碼),這種設計的內在功能就是在任何扭擺都不會造成光柵讀數錯誤,分辨力可達1 nm,測量長度到5m,精度±4mm ,速度達到100m/s。RENNISHAW絕對式光柵尺采用的通信協議是IC-HAUS的BISS-C接口,此外還配有DRIVE-CLIO 、FANUC和MITSUBISHI通信接口。
3)角度光柵編碼有增量式和絕對式
◇采用不銹鋼圓光柵 ;
◇ 增量式圓光柵基本數據:柵距為20mm;圓光柵外徑為52mm至550mm;最高速度2938rpm(在52mm);分辨力5mm到10nm;刻線數7192至86400;
◇ 絕對式圓光柵基本數據:柵距30mm;外徑52mm至550mm;最高速度18000rpm(在52mm);通訊協議:BISS-C 、DRIVE-CLIO 、FANUC和MITSUBISHI ; 分辨力:BISS-C 18位、26位、26位,DRIVE-CLIO 、FANUC和MITSUBISHI 23位、27位。
5、奧地利RSF公司
奧地利RSF電子有限公司(RSF Elektronik Ges.m.b.H)1973年成立于奧地利Salzburg(薩爾茲堡) 附近的St. Georgen。該公司主要目標是研發光柵測量系統和生產增量式光柵尺、增量式圓光柵編碼器以及配套的光柵數顯表,其產品和德國海德漢公司相近?,F在RSF公司也屬于海德漢集團,現在只限于生產增量光柵。該公司現有的工作人員超過100人?,F在RSF公司主要的產品是封閉式直線光柵尺、敞開式直線光柵尺、圓光柵編碼器、光柵長度計和數顯表。RSF光柵尺采用的是透射式單場掃描成像測量原理,提高了光柵信號的質量和抗污染能;其讀數頭內可以內置到100細分電路。RSF產品的品質量較好,有相當的競爭力。
RSF光柵尺的基本技術參數為
◇ 刻制光柵的基體: 玻璃、陶瓷玻璃和鋼帶;
◇ 柵距: 玻璃尺8、10、20mm ,鋼帶尺40mm;
◇最大測量長: 封閉式玻璃為3040mm,,敞開式鋼帶為30040mm;
◇精度等級 :封閉式玻璃為±2mm、±3mm和±5mm,敞開式鋼帶為±5mm、±15mm和±30mm;
◇分辨力: 封閉式可到0.1mm,敞開式到0.01mm;
◇最大測量速度:封閉式到2m/s,敞開式到30m/s;
◇輸出信號:~1Vpp 、TTL矩形波和RS422接口。
6、英國NEWALL(紐沃爾)
英國NEWALL公司 (Newall Measurement Systems, Ltd.)1968年在英國Peterborough成立。是球柵傳感器及其數顯系統的制造商,現在隸屬于施耐德集團的Custom Sensors & Technologies事業部。球柵傳感器是利用交流電磁感應技術,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,球柵尺體是由一根不銹鋼管(稱為球柵尺Spherosyn)或碳纖維管(稱為微球柵尺Microsyn), 內裝精密的鎳鎘合金球構成,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。這兩種球柵傳感器有兩種球距,一是Spherosyn(球距半英寸)和二是Microsyn(球距5mm)。最年來球柵尺的輸出信號已由模擬信號轉化為數字信號,其信號不但有增量式而且還有絕對式,這就擴大了球柵傳感器從用于數顯系統發展到反饋數控系統中的應用。
1)數字球柵尺Spherosyn 的技術數據
◇有效行程 50mm至11000mm;
◇輸出信號 TTL矩形波,~1Vpp 和~11mApp,信號周期為20mm;
◇分辨力 0.5mm ,1mm , 5mm,10mm;
◇準確度 ±10mm/m;
◇重復性 1個分辨力;
◇測量速度 60m/s。
2)用于數控機床的反饋的絕對式球柵尺SHG-AB
◇測量長度 102mm至3500mm;
◇精度等級 ±3mm,±5mm,±10mm ;
◇分辨力 0.5mm,1mm,5mm,10mm;
◇防護等級 IP67;
◇接口SSI,RS485,FANUC。
7、長春禹衡光學有限公司
長春禹衡光學有限公司是光電編碼器專業制造商,其主導產品光柵編碼器及相關部件,2014年銷售量超過60萬個光電編碼器,銷售額1.3億元,其產品廣泛用于數控機床、交流伺服電機、電梯、和自動化設備。禹衡作為國家重大專項《絕對式光柵尺》和《絕對式旋轉編碼器》產業化的承擔單位,將發展成為中國絕對式光柵尺和絕對式旋轉編碼器的生產單位。在本屆展覽會上展出了長春光機所研制的絕對式光柵尺和禹衡的絕對式編碼器。展出的產品為
1) JFT-1型絕對式光柵尺
◇尺體采用玻璃尺,兩個碼道,增量碼道的柵距 20μm;
◇測量長度 從220mm到4040mm;
◇精度等級 ±3mm、±5mm和±10mm;
◇分辨力 0.1mm 、0.05mm和 0.01mm;
◇運動速度 ≤180m/min;
◇振動 ≤100 mm/s2;
◇沖擊 ≤300 mm/s2 ;
◇接口 BISS-C。
◇該光柵尺已經試制了300支,正在光洋、華中,廣數...等數控機床上使用。
2) HND系列絕對式旋轉編碼器
◇每圈位置值 單圈13-23bit,多圈7-19位;
◇準確度± 30";
◇最高轉速 12000rpm;
◇輸出正余弦信號1Vpp,512線、1024線、2048;
◇ 防護等級IP65;
◇通訊協議BISS-C、CPE-Bus、SSI。
9、廣州諾信公司
廣州諾信數字測控設備公司專業生產機床用光柵數顯廠家。該廠從用于數顯機床的數顯光柵尺發展成為用于數控閉環系統的數控光柵尺。諾信2014年光柵尺的銷售量為16萬支,銷售額1.6億元。
用于數控系統的KA-NC1000型光柵尺的主要技術指標為
◇測量長度 從1000mm到3000mm;
◇精度等級±3mm,±5mm,±10mm ;
◇分辨力0.1mm ,0.5mm,1mm;
◇運動速度 ≤120m/min;
◇防護等級IP64(加壓縮空氣);
◇輸出信號 ~1Vpp、RS422和安川總線信號。
四、展會的啟示
CIMT2015北京國際機床展覽會云集了全世界著名的位移傳感器、數控系統和數控機床的制造商來參展,他們展示了各個企業最新的技術和產品。從展會中我們可以得到很多有益的啟示:
1)位移傳感器從增量式發展到絕對式是必然的趨勢,采用絕對式位移傳感器大大提高了機床的生產效率和可靠性 。具體措施是A) 采用先進的絕對式編碼技術,將多碼道的位移傳感器革新為增量碼和絕對碼兩個碼道,確保獲得高精度的絕對位置值;B) 采用雙向數字接口,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。
2)數控機床光柵測量系統的技術指標是最高的,精度±3mm,分辨力1nm ,最大測量長度從玻璃光柵4m到鋼帶光柵56m。
3)DMG MORI和磁柵尺公司將磁柵測量系統在數控機床上的應用提升到0.01mm一個新的高度。
4)增量式光柵、磁柵、球柵各種傳感器輸出信號都統一為TTL矩形波信號和~1Vpp正/余弦波信號。絕對式光柵、磁柵、球柵的輸出信號還沒有統一的標準,都是由傳感器的生產家和數控系統廠家約定,最好的是HEIDENHAIN的EnDat2.2。
五、找差距提升大陸位移傳感器產業
從展會上看,大陸的光柵位移傳感器主要用于數顯機床和測量儀器,并向用于數控機床發展。雖然我們的普通光柵尺的年銷售量曾經到達50萬支,旋轉編碼器的年銷售量超過150萬個,但是從技術水平來看還處于中、底端水平,不適應我國年產20萬臺數控機床的需求。我們數顯行業要實現制造業升級 , 技術創新,推動產業制造由大變強 ,向中高端水平邁進。
《中國制造2025》是中國版的“工業4.0”規劃。提出高檔數控機床是要求重點突破,“開發一批精密、高速、高效、柔性數控機床與基礎制造裝備及集成制造系統。加快高檔數控機床、增材制造等前沿技術和裝備的研發。以提升可靠性、精度保持性為重點,開發高檔數控系統、伺服電機、軸承、光柵等主要功能部件及關鍵應用軟件,加快實現產業化。加強用戶工藝驗證能力建設”。
在此目標下希望
1)位移傳感器從增量式發展到絕對式是必然的趨勢,采用絕對式位移傳感器大大提高了機床的生產效率和可靠性 。
2)采用雙向數字接口,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。
3)要關注磁柵測量系統在數控機床上的應用。