光栅测量系统发展现状及对策

蓝色童话

一、    行业概况
机床用的光栅测量系统是现代高档数控机床的关键功能部件。随着机床的加工精度、进给速度和加工效率的迅速提高，由机床不恒定的弹性变形、热变形引起的机床误差，用传统补偿几何误差的方法难以达到。因此，采用全闭环的机床光栅位移传感器（光栅尺）的位置控制是必须的。光栅位移传感器分为光栅尺和圆光栅编码器。 光栅尺是作为长度测量；圆光栅编码器又分为旋转编码器和角度编码器，作为旋转运动和角度测量。
目前线位移和角位移传感器构成的测量系统从增量式测量方法逐步发展为绝对式测量方法。安装有绝对式光栅位移传感器的机床或生产线在重新开机后不需要找寻零位，立刻重新获得各个轴的绝对位置以及刀具的空间指向，因此可以马上从中断处开始继续原来的加工程序，大大提高了数控机床的有效加工时间。在光栅尺中使用绝对式的已增加到30%。
我国2008年数控机床的产量是12万台，其中采用光栅全闭环的比较高档的数控机床只有百分之十几，几乎全部采用德国HEIDENHAIN和西班牙FAGOR的光栅测量系统，在中型数控机床中，光栅测量系统大概要占到数控机床价格的5~10%。2008年这两家公司在全闭环光栅测量系统的销售额就达到3亿元人民币。
二、世界主要的光栅传感器企业
世界上生产用于数控机床的光栅传感器的主要企业有德国HEIDENHAIN、西班牙FAGOR日本三丰（MITUTOYO）、SONY等，规模最大的、技术水平最高的是HEIDENHAIN。
德国HEIDENHAIN公司有雇员6000人，在德国总部就有2600人。该公司平均每年约销售120万个圆光栅编码器、30万支光栅尺、1万台数显表、1万台高端数控系统。年销售额超过10亿欧元，其中光栅传感器的年销售额达到7亿欧元，差不多70亿元人民币，全世界高档数控机床几乎都采用该公司的光栅传感器。FAGOR公司生产用于数控系统的反馈光栅尺，光栅尺的销售量在6万支左右，数控尺要占70%。 FAGOR的光栅尺的价格比HEIDENHAIN低30%，HEIDENHAIN的光栅尺的价格是国产尺的20倍。
三、我国光栅位移传感器发展现状
我国光栅数显技术的发展从上世纪80年代以数显技术改造传统的机床行业为起点。光栅位移传感器销售量从2000年起，每年以30%到50%的速度递增，2008年光栅尺的销售量达到40万坐标，销售额达到3亿元；圆光栅编码器销售量达到90万个，销售额达到2亿元。光栅尺主要的生产企业有长春光机、广州诺信（信和）、怡信、贵阳新豪、广东万濠。圆光栅编码器主要的生产企业有长春禹衡、无锡瑞普、四川科奥达、无锡科瑞特。
国内封闭式玻璃光栅尺的最大测量长度为3m，准确度有±15μm、±10μm、±5μm和±3μm，分辨力有5μm、1μm和0.1μm，速度为60m/min，主要应用于手动数显机床。由于金融危机的影响，今年国内光栅尺销售量下降一半，但是外企的数控光栅尺还略有增加。
目前，国内没有用于数控机床的中、高挡光栅尺，至今没有一个数控机床生产广商正式使用国产的光栅尺，主要是动态性能和精度指标达不到要求。
中、高档光栅尺的标准为：精度等级为±2μm、±3μm、±5μm，分辨力（测量步距）要达到0.1μm，速度要达到到120m/min，加速度要达到5g；玻璃光栅尺的最大测量长度为3m，钢带光栅尺要超过30m；要有绝对式光栅尺和信号双向传输接口。
我国现在的光栅产品只能用于静态测量，主要是手动数显机床，我国年产60万台机床中有30%安装了国产光栅测量系统。现在还没有用于数控机床的钢带光栅尺，也没有绝对式光栅尺。
可以说，我国光栅传感器和德国HAIDENHAIN的差距至少在20年以上。
四、发展对策
我国主要生产光栅尺的厂家有5家，生产圆光栅编码器的厂家有2家，这7家企业的规模都差不多，人数在100人到400人之间，年销售额在二千万到八千万元之间。在这几年间资本都有所积累，开发力量有所增强。现在可以整合这些企业进行联合技术攻关，生产用于数控机床的光栅传感器。