用于车间型测量机的光栅尺: 膨胀系数决定精度

已知要求的进一步扩展

　　恶劣的生产环境给测量机提出了在严密保护的测量室中不存在或不重要的新要求。测量机在生产车间中需要面对变化的温度和更严酷的环境条件。振动和污染也是常见的挑战。测量机的生产厂家采用了不同的解决方案。但在一点上，所有厂家的意见是统一的：任何相对于DIN 102标准中确定的参考温度20 ℃温度误差都会导致测量机和被测工件的长度和角度变化。这些变化必须被折算回参考温度。而测量设备（光栅尺、编码器）的可定义的、高重复性的热性能是进行折算的必要条件。这意味着，测量机所配备的测量设备有着特别的重要性。未来的坐标测量机国际标准（ISO TC213-WG10）为此将更为重视测量设备的膨胀系数及其允许的误差范围。

温度变化所导致的膨胀 = 无法预知的长度变化？

　　作为测量机的测量基准，光栅尺的膨胀系数及其误差起着重要的影响。制造光栅尺的材料通常为：钢、玻璃或玻璃陶瓷。这些材料的膨胀系数可在资料中查阅。但是，不同的资料所给出的数值却相差很大。

　　要作为膨胀误差补偿计算的基础，这些数据的用处非常有限。如下面针对“钢”所作的例子所示，当计算所采用的膨胀系数不准确时，仅仅几度的温度变化就会造成数微米的测量误差。

　　　　　　　　　　　
确定膨胀系数α的可能方法

　　为了获得膨胀系数的精确数值，可以使用专用“膨胀计”。用这样的设备可以通过测量材料样品来精确地确定光栅尺材料的真实膨胀系数。位于布仑瑞克的联邦物理研究所设计的用于测量棒状材料的“α测试台”就是这类设备的代表。

　　这样获得的精确热膨胀系数可以作为真实值用于测量机的长度补偿计算。但在更多的情况下，人们还是采用了资料中查到的，或是由生产商提供的数据。这样一来，补偿的不确定性从一开始就已经不可避免了。

温度和精度补偿

　　车间型测量机的结构设计非常重要。生产厂家多年的经验确保了测量机的高可靠性和在生产现场恶劣环境下的高精度。即使和测量室内的测量机对比，在测量精度的要求上也不能打折扣。热变形的因素要通过掌握相应的信息、正确的材料选择和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，而且达到新温度的速度也不同，所需的温度和精度补偿都相当复杂。对于补偿计算而言，最重要的就是要拥有已知的出发点：所使用的光栅尺。

没有付出就没有收获

　　为了从一开始就避免将补偿计算建立在错误测量值的基础上，一定要采用热稳定的光栅尺。车间型测量机用光栅尺的材料选择特别重要。光栅尺一般采用的材料如玻璃、钢只能给出大概的膨胀系数数值。而光栅材料ZERODUR® 玻璃陶瓷的膨胀系数在很宽的温度范围中都可以保证0+/- 0,1 x 10-6K-1的精度，而且其抗老化的性能也极为出色。由于对热稳定和无畸变成像性能的要求极高，世界各地的天文望远镜上都大量使用了这类材料。

热稳定的测量设备

　　正确选择光栅尺可以提高测量机的性能，对测量机的可靠性起着决定性的作用。在车间级测量机领域，如下的要求和性能是必需的：

　　- 光栅尺的膨胀系数必须是已知的。
　　- 节点间精度高
　　- 高抗污染能力保障无故障测量
　　- 长时间的高可靠性
　　- 价格低廉

　　高精度、用户友好的安装公差、高速度以及紧凑的读数头设计是海德汉LIDA 400型开放式增量光栅尺的标志特征。这些特性使得它特别适合于自动化和电子行业生产设备、直接驱动应用和测量设备领域。新的玻璃和玻璃陶瓷光栅载体材料(ZERODUR®, ROBAX®)的采用大大地拓展了这款光栅尺的应用领域。新款LIDA 400同样也适用于在车间级测量机上使用。背面固定的粘接层PRECIMET® 可以实现方便的安装。新的玻璃和玻璃陶瓷光栅不需要特殊的读数头，也就是说，现有的标准LIDA 400读数头仍可以继续使用。统一的光栅截面尺寸使得不同材质光栅的替换变得易如反掌。这从物流角度而言是个很大的优点，因为客户可以将标准供货的LIDA 48 (1Vss) 和 LIDA 47 (TTL)与玻璃尺体、玻璃陶瓷尺体和钢尺体自由地组合。玻璃尺体和玻璃陶瓷尺体统一的截面尺寸使得通过更换尺体来升级测量机变得非常方便。所有型号读数头都拥有大面积（14.5mm2）的扫描窗口，这一特性使得光栅对污染极不敏感，另一方面非常标准的扫描信号也允许对信号进一步高倍细分。

　　LIDA 400系列光栅尺的栅距为20微米，可选1Vpp或TTL输出信号。最大测量长度可长达30米（钢带）或3米（玻璃和玻璃陶瓷）。允许测量速度可达480米/分钟。光栅可以配备参考点，也可集成磁限位开关。

总结

　　对现代的机器设备，如测量机或是电子工业的生产设备的更高要求需要有新的测量反馈元件来配合。热膨胀问题可以在保持读数头型号统一性的前提下，通过选择合适的光栅尺体材料来解决。新一代采用玻璃或陶瓷玻璃光栅的LIDA 400系列光栅尺完美满足了车间型测量机或其它车间级设备的测量需求。

METALLUR工艺

　　海德汉研发了这种将栅线结构制作到玻璃陶瓷、玻璃和钢表面的工艺。近似为平面的栅线结构提供了优良的抗污染能力，从根本上保障了测量设备的可靠性。它的生产过程非常环保，完全不需要使用传统刻蚀工艺中所常用的化学药剂。