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车间生产集成型测量机用直线光栅尺

发布时间:2016-11-17 阅读:0次

--光栅尺膨胀系数决定精度
测量机的性能很大程度上取决于光栅输出信号质量及其直线光栅尺的精度,到目前为止测量机的工作环境都是大同小异且明确规定的。随着车间生产集成型测量机渐成潮流,因此有必要重新审视当前所用的测量反馈元件。
车间生产集成型测量趋势

测量室为精确测量提供最佳条件,但其缺点包括:测量室成本、维持机器与温度稳定所需成本高,以及最突出的是,打断生产流程。在连续生产中不断加强制造流程控制的大趋势下,测量机在空间上与实际生产日益密切。这即是所谓的车间生产集成型测量。生产集成型测量可使测量结果“在线”传送至生产控制系统中,从而提高制造工艺精度。其中高性价比及节省时间是这种趋势的重要推动因素。

满足日益严格要求
典型加工环境的严苛性质对测量机提出了新的要求,而在防护良好的测量室中这些要求要么不存在,要么是次要的。车间底层的测量机暴露于不断变化的温度及更加严酷的环境条件下,冲击、振动及污染随处可见。对于这些要求,测量机制造商提出了各种不同的设计与解决方案。但有一点是公认的:如果温度与DIN 102中规定的20°C基准温度不同,则工件及测量机的长度与角度都会发生变化,而这些变化必须通过数学计算加以补偿。
对于此类偏差,对光栅尺定义一种可重复的热力学行为是必不可少的。因此光栅尺就显得格外重要。在未来的ISO标准中有关协调测量机的分类,光栅尺的膨胀系数及容差将起到非常重要的作用(见ISO TC 213-WG 10)。

热膨胀=长度变化 —— 未知数量?
作为测量机的测量基准,膨胀系数及其误差对光栅尺的使用有很大影响。光栅尺通常由钢材、玻璃或玻璃陶瓷制成。虽然这些材料的膨胀系数均可在相关的资料中查到,但不同的资料给出的数据却千差万别。
从下面钢材示例的数据中我们可以清晰发现,作为长度补偿的基础,这些膨胀系数数据所起的作用非常有限。当采用的膨胀系数不正确时,即使只有几度的温度变化也会造成数微米的测量误差。
ΔL = αx L x ΔT
示例:钢材
Δ1K Δ2K Δ5K 
α 11,0 ≈ 16,5 μm ≈ 33,0 μm ≈ 82,5 μm 
α 11,6 ≈ 17,4 μm ≈ 34,8 μm ≈ 87,0 μm 
α 12,2 ≈ 18,3 μm ≈ 36,6 μm ≈ 91,5 μm
初始长度L = 1500 mm

确认膨胀系数的可行方法
膨胀计是一种测量热膨胀的设备,膨胀系数的测定可由膨胀计来完成。使用设计精良的膨胀计,可通过测量样品获得材料膨胀系数的精确数据,然后根据这个精确数据来制造光栅尺。其中一个例子就是用于测量杆件长度热膨胀的“阿尔法测量台”。位于布朗斯维克省的德国联邦物理技术研究院采用的就是这种测量台。
测量得到膨胀系数值后就可计算长度补偿了。大多数情况下,企业仍会尽可能利用资料或材料制造商的数据。这样,测量结果将不可避免地具有不确定性。

温度与精度补偿
安装车间测量机时须格外小心。制造商多年的经验确保了机器的高可靠性及高精度。即使在恶劣环境下,测量机的精度也应与测量室内的测量机相同,在测量精度的要求上不能有任何妥协。热变形的因素要通过掌握相应的知识、选择正确的材料以及尽量满足热力学条件来应对。由于不同的原材料在温度变化时的膨胀程度不一样,而且达到新环境温度的速度也不同,因此针对温度和精度补偿所需的计算非常复杂。而这一切补偿计算都需由线性光栅尺来完成。

佳品还须良材
为测量到精确数据从而实现精确补偿,光栅尺具有热稳定性是不可或缺的首要前提。基于此,车间测量机中光栅尺的材料选择尤为重要。玻璃或钢制光栅尺一般只能获得粗略的测量值,而由具有0+/- 0.1 x 10-6K-1膨胀系数的玻璃陶瓷材料ZERODUR®制成的光栅尺则在很大温度范围内仍能进行非常精确的测量,而且这些光栅尺经久耐用。现在ZERODUR®材料已广泛应用于全世界的天文望远镜,因为它们能满足天文望远镜对热稳定性及无失真图像的极高要求。

热稳定的光栅尺
正确选择光栅尺可增强机器性能,并极大地提高测量机的可靠性。在生产集成型测量领域,必须满足以下要求:
• 光栅尺膨胀系数已知
• 补偿点之间精度高
• 测量不受污染影响
• 长期的高可靠性
• 光栅尺性价比高

海德汉LIDA 400敞开式增量型光栅尺具有精度高、安装公差大、运动速度高和读数头紧凑等特点。这些特性使之非常适用于自动化工程与电子工业的生产设备,以及线性驱动及各种计量领域中的应用。现在推出的新型玻璃或玻璃陶瓷光栅 (ZERODUR®, ROBAX®) 极大地扩展了这些光栅尺的应用范围,并使它们非常适用于车间测量机。LIDA 400的安装十分简单,使用后背的PRECIMET®粘膜胶带安装即可。

LIDA 400的标准读数头满足所有玻璃与玻璃陶瓷(ZERODUR®, ROBAX®)光栅尺的读取要求,因此无需任何特殊的读数头。而且,这些光栅尺的截面相同,相互之间的光栅可方便互换。从物流学角度看,这是个巨大优势,因为标准LIDA 48(1 VPP)与LIDA 47(TTL)读数头可与玻璃尺体、玻璃陶瓷尺体及钢尺体自由组合。由于玻璃及玻璃陶瓷光栅尺的截面相同,升级已有测量机也变得十分方便。所有型号的扫描窗口面积均为14.5mm2,因此具有很强的抗污染能力,并且能产生可高倍细分的标准扫描信号。

海德汉LIDA 400系列光栅尺的栅距为20微米,具有广泛使用的1 VPP与TTL接口,测量长度达30米(钢材)或3米(玻璃与玻璃陶瓷),测量速度可轻松达到480 m/min。这些光栅尺均配备参考标记及集成磁限位开关。
可用测量标准

材料热膨胀系数口therm最大测量长度ML
20μm METALLUR刻度
玻璃~ 8 x 10-6K-13040 mm 
ZERODUR®玻璃陶瓷(0±0.1) x 10-6K-13040 mm
ROBAX®玻璃陶瓷~ 0 x 10-6K-11640 mm 
钢材~ 10 x 10-6-1 30 040 mm 

总结
现今对各种机器(如电子工业的的测量机与生产设备)的要求正在不断变化,这进而要求光栅尺也能相应满足这些要求。热膨胀问题可通过正确选择具有相同型号读数头的合适光栅来解决。新一代采用玻璃与玻璃陶瓷光栅的LIDA 400敞开式线性光栅尺能够完美满足车间生产集成型机器的精确测量要求。

LIDA 400的扫描头为标准尺寸,满足玻璃与玻璃陶瓷光栅尺的所有读取要求。而且,这些光栅尺截面相同,因此相互之间的光栅可以互换。

METALLUR工艺
海德汉开发了一种名为METALLUR的工艺,可用于在玻璃、陶瓷或钢材基体上制作刻度。准平面光栅结构提供了最佳的抗污染保护,因此极大地提高了光栅尺的可靠性。制造工艺是环保的,不含蚀刻通常所需的化学物质。

部分透明栅
透明栅
反射基层
使用SPC的新型高精度测量方法

海德汉公司将高精度的CERTO长度计和配有统计处理控制(SPC)的ND 287数显(DRO)相结合,向市场投放一种新的强大的检测系统。新的通用型海德汉ND 287标准接口,与CERTO的集成轻松自如。CERTO擅长于大测量范围,包括纳米级测量。该系统一般用于测量设备的检测及仪表装置校准。海德汉CERTO长度计测量范围为25mm、精度± 0.1 μm/± 0.03 μm ,或测量范围60 mm 精度± 0.01 μm/± 0.05 μm,后者为误差补偿后精度。该仪器可大大减少检测过程中需要的参照标准装置的数目,使重新校准变得得心应手。类似功能的感应仪表测量长度及精度都十分有限。
新的海德汉CERTO系统结合了新的ND 287单轴位置显示和专门为更全面集成到机器数据传输网络而设计的众多功能,成为一款十分强大的工具。ND 287自身支持四路输入,也可在多个仪表、传感器及光栅尺间轻松切换。用户可使用SPC功能向内存中写入最多10,000个测量值,对其进行统计分析评价。
海德汉CS-200高度抛光的花岗岩测量基座,轴的垂直度确保了公差的严密性。另有由陶瓷吸盘与膈膜泵制成的真空吸盘可选,以消除计量工艺中的气隙,进一步增加系统的精确性。
新型海德汉DRO系统为网络计量提供了更多选择
为了满足对可完全集成至机床数据传输网络的单轴位置显示的需求,海德汉推出了ND 200系列数显装置 (DRO)。该系列数显装置支持多路输入,配置灵活,适用于未来的绝对长度计量,并具有全面的功能。
最新的单轴ND 200 数显装置有两种型号:ND 280,具备标准功能(配有黑白纯平显示器),可执行许多种测量任务;ND 287(配有彩色纯平显示器),采用模块化设计,最多支持四路输入,该功能可轻松实现在多个测量仪表、传感器和光栅尺之间的切换。

海德汉ND 287包含三个附加轴模块,其中两个是模拟附加轴模块,可以与模拟传感器(如温度传感器和压力传感器)连接,另一个是纯串行EnDat2.2接口,可连接海德汉绝对式光栅尺。此外,该数显装置还可集成至以太网,从而方便远程监控。目前海德汉ND 287还具有SPC(统计过程控制)功能,它可将最多10000个测量值写入内部存储器并对其进行统计评估。
两个ND 200系列产品都配备有一个计量连接卡(公用)。作为海德汉单轴DRO的改进产品,它们具有各种新功能,例如,设计功能公式来管理多个轴和软键的交互运行,由此为运行和参数设置提供了多种帮助。ND 200系列产品能够显示线性光栅尺和角度编码器,并能读取距离编码参考标记。配备EnDat 2.2接口的光栅尺都可与这两款设备连接。
由于该数显设备需要安装在19英寸的机架上,其高度和宽度也符合相应要求。在19英寸规格电气柜中可并排安装两个数显装置。
海德汉革命性的二维光栅尺
如果光栅尺能够测量一个新的维度,那将变得非常新奇。海德汉公司现在就推出了一款1Dplus光栅尺。经过多次研发后,海德汉公司设计出了一款独特的创新型二维光栅尺,它可以测量某个工作台或设备运动时的线性导向误差及温漂误差,因而可以对这些误差进行快速处理和补偿。这就使系统在初次测量时就能精确地完成任务。

目前1Dplus光栅尺最可能的应用领域包括平面工作台、龙门运动结构、晶圆设备以及大型纯平显示器的生产和测试,希望提升任何运动平台性能的用户都将从中受益。
这些具有真正革命意义的1Dplus光栅尺无摩擦,并在两个维度上都有光栅,配有两个或三个扫描部件,可在X和Y方向上进行同时测量。三个扫描部件可计算支撑扫描部件支架的旋转角度。这些正交光栅尺光栅可以对新维度进行精确地测量,它们既测量左右方向(X轴)的运动,也测量上下方向(Y轴)的运动(通过控制进行补偿)。海德汉早期和当前使用的1Dplus光栅尺分别是干涉型线性光栅和LIF400 1Dplus(见图)。测量标准是热膨胀系数为0ppm/K的DIADUR。当前测量长度为300×2mm,今后计划大幅度提高此值。1Dplus本身规格为20×4.9mm。
1Dplus的X轴测量精度等级为±1 μm,包括一个参考标记。光栅周期为8 μm;信号周期为4μm。
海德汉新型QUADRA-CHEK®数显装置

新的QUADRA-CHEK® ND 1300数显(DRO)—专为便利的2D测量而设计,具备顶尖的视频系统—现可从海德汉全球子公司订购。QUADRACHEK数显先前由海德汉子公司METRONICS, Inc.销售,在测量系统方面领跑业内。自1983年以来,METRONICS一直就活跃于计量市场,其应用领域包括三坐标测量机、轮廓投影仪、刀具预调仪、测量显微镜。海德汉公司已于近期成功完成重组,向市场上推出原有METRONICS产品。
最新的ND 1300 QUADRA-CHEK (占目前海德汉QUADRA-CHEK系列产品的五分之一)具有一个新的暗灰色面板,同时保持所有最新优点,包括QUADRA-CHEK品牌。受益于海德汉公司的丰富资源,QUADRA-CHEK用户将有机会享受到更大规模的销售、服务和技术支持。新型ND 1300数显使用者有望获得一个支持多达四个轴的高品质测量设备。ND 1300 QUADRA-CHEK数显还具有一个增强型彩色触摸屏界面和Measure Magic®专利技术。配有光学和视频边缘检测系统,ND1300是测量显微镜、光学比较仪和视频系统的理想之选。所有的ND1300系列配备可用于连接打印机和网络的串行端口和USB端口。
ND1300视频选项支持利用S-Video或复合接口直接连接摄像头,从而不必像以前要连接带图像采集卡的计算机或带十字准线生成器的监控器。
海德汉QUADRA-CHEK的整个产品线包括(括号内为METRONICS原来型号):
• ND 1100 (QC-100) – 适用于简单的定位任务 
• ND 1200 (QC-200) – 适用于2D几何测量
• ND 1300 (QC-320) – 适用于2D,带视频选项 
• ND 1400 (QC-330) – 适用于手动3D测量设备
• IK 5000 (QC-5000) – 通用计算机套件解决方案
海德汉现在还提供GAGE-CHECK型号ND 2100G(原来的METRONICS GC-100),专为多点测量而设计,输入支持多达八个测量点。
车间计量绝对式长度计
生产环境对车间计量的工件位置测量系统有特殊要求。感应式测量系统原理有其固有弱点,例如温度敏感或非线性特性。海德汉公司新开发的长度计在保持增量式光学测量的优点外,还增加了提供绝对式位置值能力。它优于原有位置测量系统,是车间长度测量的新选择。

产品以及其部件对品质、精度和功能的要求对其生产有巨大影响。为满足这些要求,同时也需确保生产的经济性,人们在生产过程监测方面投入了大量人力物力,希望精确测量公差和偏离其名义值的偏差并进行相应修正。大批量自动化生产中,用统计方法以及尽可能用机器和过程能力指标进行品质保证。如果这不可行或由于特定条件限制使这些方法不经济,就只能通过“检测”保证品质。无论那种情况,都意味着需要大量时间,时间开销与检测精度、零件装卸和检测点数量有关,因为测量过程必须谨慎地与生产线进行整合,以确保相互影响和相关性最小。机械生产中,这些任务通常由不同形式的位移传感器执行。有很多形式,例如:最简单情况是用电容性或电感性接近传感器检测零件组装中或组装后是否存在。如果要求更高,需要检测、测量和测试设备能复测工件尺寸、形状和位置公差,精度需达到数微米。这需要环境条件稳定或确定和对测量设备有特殊要求。
绝对式长度计的特点是位置与位置信息间关系确定。即使运动速度很高,也能始终提供可靠测量值。因此,截止频率和电气系统的最高速度限制这些指标都不重要。
测量设备工作前必须先建立原点,就是说基于外部坐标系确定被测位置的测量值。通常用实物标准(在确定的位置处)确定这个原点:长度计接触被测物体表面,然后接触已知实物标准的表面。如果测量设备开机后不能确定自己位置,就需要这样确定原点,类似于增量式光栅尺没有回零时情况。如果是绝对式光栅尺,开机后测量设备能立即确定位置。单这一项优点就能大大方便检测设备的装卸和调试。Acanto长度计不仅有增量式光学测量设备的优点,还能提供绝对测量值。这样的设备提供了立即得到绝对位置的测量手段。如果再考虑环境条件因素,检测期间甚至都可能不需要重新校准。

Acanto长度计为接触式测量,防护等级为IP65。测量长度有两种,12毫米和30毫米。可用于大量应用。为了简化安装和操作,有轴向和径向版,用插头连接电缆。测杆用压缩空气驱动,也有用弹簧驱动。测杆的陶瓷复合材料滑动导轨摩擦小,磨损小和使用寿命长(超过≥ 500万个往返行程)。长度计用装夹杆固定(8 mm直径)。位置用23 nm分辨率的玻璃光栅尺刻线确定。系统误差,也就是测量行程全长的线性误差为±2 µm。小行程误差(细分误差)为0.7 µm。这对只有几微米行程的重复测量很重要。温度漂移的典型值为1 µm/K。
位置值通过EnDat 2.2串口传送。EnDat主单元负责EnDat光栅尺的通信。可以只传送位置值,也可以为上一级应用提供附加信息。EnDat主单元用微控制器(µC)或FPGA(现场可编程门阵列)或ASI进行集成。如果选择集成在FPGA或ASIC中,将能用纯串行进行高频传输。EnDat接口除提供绝对位置信息外,还提供光栅尺诊断功能。通过有效值提供当前生成的测量值质量信息。保存在设备存储器中的数据可以读取,也支持警告和报警功能。因此可以方便地监测长度计工作情况,显著增加检测系统可靠性,特别是多轴应用时。
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