适用于表面贴装技术的自由伸缩钢制光栅尺
什么是光栅？
一套直线光栅系统由一个位置测量读数头和一条精确刻划的栅尺搭配组成。读数头通过直接感测栅尺上间隔均匀的刻线来测量位置，并将位置信息以模拟信号或数字信号的形式输出。随后，数显表 (DRO) 或运动控制器会将这些信号转换为位置读数。直线栅尺可能较长，并且对温度变化十分敏感。
光栅和热膨胀特性
在选择光栅系统时，栅尺的热膨胀特性是一个重要考虑因素。雷尼绍光栅尺主要分为两种类型：一种不受基体的热胀冷缩影响（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）。
自由伸缩栅尺的热膨胀系数 (CTE) 与栅尺材料本身大致相同，而且栅尺材料的热膨胀系数已知，因此可以有效实现对栅尺热膨胀进行主动补偿。
表面贴装技术 (SMT)
SMT 设备会拾取电子元件（如无源器件、倒装芯片和四方扁平封装器件），并在回流焊接之前将它们贴装到印制电路板 (PCB) 上的指定位置。PCB 是一种多层叠合结构，其在平面 (x-y) 方向内的热膨胀系数通常在 6 - 14 ppm/K 之间，具体取决于应用需求。为了确保电子元件与 PCB 之间形成良好的电气连接，贴装精度必须控制在几十微米以内。
SMT 贴片机通常由以下部分组成：用于传送 PCB 的输送系统、安装在两条平行电机驱动导轨（Y 轴）上的龙门式 X 轴、贴装头模块以及自动送料系统。贴装头模块配备多个独立吸嘴用于抓取电子元件，并安装在由丝杠驱动的滑座上，能够沿龙门架水平移动，如图 2 所示。
每个吸嘴均可在 Z 轴方向上下移动，并可在 PCB 平面内旋转，从而在贴装前对电子元件进行精确定位。视觉系统能够验证每个元件的旋转角度是否正确。
图 2：SMT 贴片机示意图，展示了由吸嘴（红色）、元件相机（蓝色）、基准点相机（黄色）以及 PCB 拼板（绿色）组成的丝杠驱动贴装头模块。当 PCB 进入 SMT 贴片机时会触及挡板，该挡板同时作为贴片机的基准点。PCB 停止运动后将被夹紧固定。在开始贴装工序之前，通常会利用每块 PCB 四角上的两个或三个基准点，来确定电路板的方向、位置及其线性膨胀或收缩情况。
X 轴和 Y 轴上均安装有直线光栅，用于向机器控制器提供精确的位置反馈。
应用实例
以一台钢制机架的 SMT 贴片机为例，假设在一次生产过程中，其所在工厂的环境温度上升了 5℃。
设备的 X 轴长 2 m，Y轴（纵向轴）长 3 m。表面贴装器件 (SMD) 安装在尺寸为 610 mm × 457 mm 的标准 PCB 拼板上。拼板的三个角上设有全局基准点，用于校正拼板偏移，并确定 (0,0) 基准点。
在这种情况下，选择自由伸缩直线栅尺进行精密测量，并将其安装在贴片机的各个运动轴上。这些栅尺具有已知的热膨胀系数，并可通过固定在栅尺上的温度传感器（例如热电偶）进行热补偿。每条栅尺均具有一个固定的基准位置，并与机器的基准点相对应，如图 1 所示。
在与环境空气达到热平衡的前提下，PCB 材料的热膨胀特性使其温度变化会跟随栅尺温度，且两者的温度大致相同。栅尺与 PCB 的温度随时间变化曲线之间不存在相位滞后，所以可以采用缩放系数对 PCB 的线性热膨胀进行补偿。因此，栅尺与 PCB 之间的热膨胀差异，与栅尺材料和 PCB 层压结构之间的热膨胀系数差异成正比。
如图 3 所示，由于钢制栅尺与 PCB 材料之间的热膨胀系数差异较小，因此几乎不需要进行热补偿，就能实现较高的贴装精度。这样可以降低栅尺温度测量误差对整体精度的影响。
以雷尼绍 RTLC 不锈钢钢带栅尺为例，其热膨胀系数为 10 ppm，位于 PCB 常用材料热膨胀系数范围的中间段。
对于一块 X‑Y 方向热膨胀系数为 10 ppm 的 PCB，其热膨胀可由栅尺的线性膨胀进行补偿，因此在贴装过程中仅需校正 PCB 的旋转与平移偏移，即可实现高精度贴装。对于另一块热膨胀系数高达 14 ppm 的 PCB，其大部分热膨胀仍可由栅尺的线性膨胀进行补偿。当栅尺与 PCB 的热膨胀系数只存在很小差异时，在应用主动热补偿时可将误差降至最低。
相比价格昂贵的低热膨胀系数栅尺，热膨胀系数与 PCB 拼板相近的自由伸缩钢制栅尺，可明显提升贴装的准确度和精密度。
结语
利用配备自由伸缩栅尺的光栅系统，如雷尼绍配备 RTLC 栅尺的 QUANTiC™ 光栅，设计人员能够大幅提高贴片机的贴装精度和良率。此外，在 SMT 应用中，自由伸缩栅尺是低膨胀栅尺的合适替代方案。这些光栅系统还能够主动补偿栅尺的热膨胀特性，从而在温度变化条件下仍保持良好的测量性能。
雷尼绍技术支持团队将竭诚帮助客户根据具体测量需求选择合适的随基体伸缩栅尺或自由伸缩栅尺。
有关直线光栅系统的详细信息，请访问 www.renishaw.com.cn/opticalencoders