球栅

位移传感器

球栅（Ballgrid）是一种新型的位移传感器，随着球栅技术的不断发展，球栅系列产品在国内的应用领域越来越广，特别是在机械行业的应用范围逐渐扩大，由重、大型机床延伸到中、小型机床，球栅产品的性能和质量也逐步趋于成熟。

基本概念

球栅（英文名称Ballgrid或BallGrid）是20世纪70年代发展起来的一种位移传感器。

位移传感器的主要作用是将连续变化的机械位移量（模拟信号）转换为正弦波或TTL方波形式的电信号（模拟信号或数字信号）。

利用球栅测量技术对机械设备的线位移或角位移进行数字测量的位移测量系统称之为球栅测量系统。

由球栅位移传感器及其数字显示仪表组成的数字测量系统则称为球栅数显系统。

球栅测量原理

球栅测量系统基于电磁感应原理，和传统的电源变压器类同。电源变压器一般有两组线圈，即输入（传送）线圈和输出（读取）线圈，当输入激磁交流电时，在输出线圈中便得到交流输出电压，根据输入线圈和输出线圈间介质的不同（导磁率不同），输出电压的大小是不一样的。空气导磁率约为1，如果在输入线圈和输出线圈之间放入导磁金属，在输出线圈中得到的感应电压就增大了，导磁金属越多，输出电压便越大。见图一：

根据以上球栅数显的结构和原理，可以知道：

1、球栅尺的精度主要取决于钢球的精度，即钢球的直径和园度需要精加工保障。由于球的半直径精度可以精选且能互相补偿，因此球栅尺可以达到较高的精度。

2、钢球的直径即为球栅尺的测量周期，增加钢球的数量就可以增大量程，只要装钢球的不锈钢管足够长，量程便不受其他因素的限制。

球栅的优点

与其他位移传感器相比，球栅具有许多独特的优点：

（1）采用全密封结构，球栅尺的高精度钢球、线圈和相关电子电路均被完全密封，防护等级可达IP67，是防护等级最高的一种位移传感器。可以在水中和油中工作，这一特点特别适合水下机械和一些必须在浸在水中进行加工的机械。

（2）尺体为金属结构，保护良好，不会因冷却水、冷却液、金属切屑、粉末和尘土等的影响而污损，特别适合恶劣环境条件下的加工。

（3）金属壳体刚性强、密封好，即使用喷枪清理机床时，直接喷射到球栅尺上也不会损坏。

（4）基准钢球的线膨胀系数与机床相同，对车间温度的变化极小。

（5）抗磁能力强，能在强磁场和强辐射条件下工作，可用于原子反应堆。

（6）抗震、抗冲击、耐磨，球栅尺的损坏率很小。

（7）球栅数显主要部件为组装式结构，安装简单，维护方便，操作容易。

（8）球栅尺单根最长可达14米，并可无限接长，几乎能满足所有重型机床的加工。

（9）保用期可长达10年，免除经常维修带来的余悸和忧患。

基本组成

球栅数显系统主要由以下三部分组成：

1、球栅尺：在一根非导磁的不锈钢管内装入导磁的高精密钢球组成。特殊材质的导磁钢球经高精度加工、研磨、筛选，装入不锈钢管并在预载条件下校正、封装、检测，可终身使用。

2、读数头：包含6组线圈，每组线圈均包括输入（传送）和输出（读取）线组。线圈及相关的电子电路全部用环氧树脂密封，以隔绝和防止冷却液、机油及其他物质的侵害。

3、数显表：将接收到的模拟信号进行插补和数字化处理并直观显示出来的显示仪表，内含电流、电路板、显示数码器件等。按显示的坐标数划分可分为单坐标、两坐标和三坐标等，按机床应用类型划分可分为标准型、铣床型和车床型，按功能不同可划分可分为RDS型、B50型、ND80型等。

应用特点

球栅数显系统主要应用于新机床的数显配套和老设备的技术改造，原先多用于工作环境较为恶劣的卧式镗床、落地镗铣床、龙门刨床、立式车床等重、大型机床，已逐步适用于卧车、万能升降台铣床、万能回转头铣床、龙门铣床等中、小型机床。其实质是对传统机械位移测量和检验方式的变革，把过去的标尺、刻度盘、卡量工具的读数变成直观、准确的数字显示，不受环境、外界、人为等因素的客观干扰。对节省测量时间、降低废品率、节约能源、提高生产工作效率、提高产品加工精度、保证产品质量、减轻工人劳动强度等都具有重要意义，可为企业带来明显的经济效益和社会效益。

发展概况

20世纪50年代起，世界各国都在致力于发展数字位移测量技术，随着微电子技术的发展和微处理器的出现，数字测量技术得到了飞速发展，感应同步器、光栅、磁栅、容栅和球栅数显系统相继问世。采用数显装置的机床和量具量仪能够明显提高测量和加工的精度和效率，数显化率因而也反映了一个国家现代制造业的发展水平。

我国的数显技术起步较晚，直到80年代中后期才逐步开始在国内推广数显技术。由于国内数显产品难以满足国内机床行业的需求，陆续引进了日本SONY磁栅数显系统、德国HEIDENHAIN和西班牙FAGOR光栅数显系统、英国NEWALL球栅数显系统等国外数显产品，同时极大促进了我国数显产业的发展和提高。我国已成为位移传感器的生产大国，其中光栅尺的销售量已占世界市场的一半以上。

球栅数显系统是发展较晚的一种位移测量系统，被引入国内的时间也相对较晚，直到90年代末才被国内的机床厂家所使用。与光栅的情况有所不同，球栅的生产厂家为数很少，进口的仅有英国NEWALL公司一家，国内则是上海球栅测量系统有限公司一家独大，国内的球栅市场也被这两家公司所垄断。继英国NEWALL公司在1975年率先推出栅距12.7mm、分辨率为5μm的球栅尺以来，上海球栅测量系统有限公司也推出了栅距5mm、分辨率1μm的高精度微型球栅尺，填补了国内空白。普通球栅尺和微型球栅尺的单根最大测量长度已分别可达14米和2米。随着球栅测量技术的不断进步和生产技术的不断革新，球栅的应用领域和适用范围也将进一步扩大。

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