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国际金属加工网 2019年07月18日

选择光栅系统时,光栅尺的热膨胀特性

是一个重点考虑因素。

雷尼绍光栅尺实际上可分为两种类型:一种不受基体的热胀冷缩所影响(自由伸缩型),另一种则随基体的热胀冷缩而变化(随基体伸缩型)。

自由伸缩栅尺的伸缩情况取决于栅尺材料本身的热膨胀特性,而随基体伸缩栅尺的伸缩速率与底层基体一致。雷尼绍提供的栅尺安装技术具有诸多优势,可针对不同测量应用酌情选择:

本文介绍的是一个首选随基体伸缩栅尺的应用案例。

坐标测量机 (CMM)

质量控制流程中,坐标测量机用于采集高精密机加工零件 — 例如发动机缸体和喷气式发动机叶片 — 的三维测量数据。坐标测量机有四种基本类型:桥式、悬臂式、龙门式和水平臂式。桥式坐标测量机为最常见的类型。

在桥式坐标测量机的设计中,Z轴轴套安装在沿桥架移动的滑架上(沿X轴运动,请参阅下图)。在Y轴方向上沿两条导轨驱动桥架。电机通常只驱动一侧桥肩,对侧桥肩一般无驱动装置;桥架结构通常由空气静压轴承引导/支撑。滑架(X轴)和轴套(Z轴)可由皮带电机、螺杆电机或直线电机驱动。

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桥式坐标测量机,以及突出显示的X、Y和Z轴

1 = 桥架   2 = 轴套

3 = 触发式测头   4 = 花岗岩工作台

坐标测量机在设计上应最大限度减少非重复误差,因为在控制器上难以补偿这些误差。高性能坐标测量机包含高热质量花岗岩工作台和高刚性龙门/桥架结构,以及连接触发式测头的低惯性轴套,可测量工件上的离散点。这些测量数据随后可用于验证工件规格是否符合预定义的公差要求。高精度直线光栅将分别安装在坐标测量机的X、Y和Z轴上,对于某些龙门类型的机器,X、Y和Z轴可能长达数米。

示例 

一台花岗岩桥式坐标测量机在平均温度为20 ±2 °C的空调房间内运行。室温在规定范围内每小时升降三次,以便高热质量花岗岩始终保持20 °C的恒定平均温度。

自由伸缩直线光栅尺安装在每个轴上,即X、Y和Z轴。不锈钢栅尺的伸缩很大程度上不受花岗岩基体的影响,因其具有高导热性和低热质量,故可对气温变化快速做出响应 — 不锈钢栅尺的热质量明显低于花岗岩工作台。这会导致栅尺在3 m长的轴上最多伸缩约60 µm。这种膨胀会导致明显的测量误差,由于此误差会随时间迅速变化,因此很难进行补偿,如下图所示。


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坐标测量机花岗岩工作台(3) 和光栅尺 (2) 相较于室温 (1) 的温度变化

在此情况下,随基体伸缩栅尺将成为首选:随基体伸缩栅尺仅会以花岗岩基体的热膨胀系数(CTE) 进行伸缩,因此即使气温发生微小波动,栅尺的变化也甚微。但温度的长期变化仍需考虑,因为这将影响高热质量基体的平均温度。由于此时控制器只需补偿机器的热膨胀特性,而无需同时考虑光栅尺的热膨胀特性,因此温度补偿将变得非常简单。

对于具有低CTE/高热质量基体的精密坐标测量机,以及其他需要高精度测量性能的应用,配有随基体伸缩栅尺的光栅系统将是理想之选。随基体伸缩栅尺的优点包括:简化热补偿机制,减少因局部机器环境中的温度变化而导致的潜在非重复测量误差。

(Marketing 雷尼绍中国)

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