随基体伸缩栅尺用于激光切割机
激光切割广泛用于从航空航天到土木建筑等诸多行业。本文探讨了雷尼绍的随基体伸缩直线栅尺如何在光纤激光切割应用中帮助确保激光精确切割大块金属片或金属板。
一套直线光栅系统由位置测量读数头装置与栅尺（精确标尺）搭配组成。读数头通过光学感测栅尺上间隔均匀的刻线来测量位置，并将位置数据以模拟或数字信号的形式输出。随后，信号通过数显表 (DRO) 或运动控制器转换为位置读数。直线栅尺可能长达几米，因此对温度变化十分敏感。
在选择光栅系统时，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。
衡量自由伸缩栅尺性能的一个有效指标是干扰，即实际栅尺长度与理论上完全自由伸缩栅尺所预测长度之间的偏离。栅尺末端出现这种微米级位置误差是由安装方式导致的，同时与栅尺及基体的膨胀存在一定的关联。
光纤激光切割金属
数控激光切割机通常用于切割不锈钢、碳钢、铜、铝等材质的金属片或金属板。市场上的激光切割机通常使用功率在1至10 kW范围内的光纤激光源，切割厚度为1至20毫米的金属。
图1：激光切割机立视图。1 = 激光切割头和龙门架。2 = 机床工作台。3 = 金属板坯。4 = 电机驱动线圈。5 = 永磁定子。6 = 栅尺。
这些激光切割机包含一个在X轴和Y轴上均装有直线电机的数控运动系统，一个光束准直仪和一个切割头，如图1所示。激光切割头上还包含聚焦光学组件，以及用于辅助切割过程的辅助气体喷嘴。
将金属片装载到大型机床工作台（比如3.2 m x 20 m）上。每片都由成排的金属齿支撑，这些齿在支撑工件的同时又方便金属废料掉落。激光头安装在沿龙门架（X轴）移动的滑架上，龙门架的两根立柱各由一个直线电机沿Y轴驱动。为确保光束精确聚焦，通常需要使用直线感应电机进行动态Z轴控制。X、Y和Z轴上均装有直线栅尺，向CNC控制器提供位置反馈。
精密激光切割过程中产生的热量高度集中，并且会迅速消散，因此工件的平均温度与空气温度十分接近。
应用实例
激光金属切割是一种在工厂中使用的加工工艺。在车间里，空气温度可能会随时间波动（例如，由于空调启停导致的温度变化）。空气温度的变化会导致栅尺出现膨胀/收缩，再加上栅尺干扰，因而产生严重的位置误差。这种误差可能会导致成品不合格，需要重新加工或造成报废。
光纤激光切割机的工作方式是，以相同的切割路径，对沿机床的纵向轴成行排列的一批钢板坯料 (2 m x 2 m x 2 mm) 进行切割。空气温度波动显著增加了直接温度补偿难度，尤其是对于20 m长的轴而言，如图2所示。在这种情况下，机床的纵向轴和龙门轴具有极高的热质量，因此在整个切割过程中保持平均温度和尺寸接近恒定。
有一种增强型测量解决方案是，使用搭配随基体伸缩栅尺的直线光栅在机床工作台平面上沿X轴和Y轴进行运动控制。栅尺和机床轴的热膨胀极为接近，因而无需对栅尺进行主动补偿。而且，由于栅尺干扰小，激光定位精度也进一步提高。
通过定期加工标定工件进行粗略刀补修正，可以补偿长期空气温度变化对工件的影响。由于机床基体的热质量较高，这种修正将保持很长一段时间，因而可在整个切割过程中保持相对恒定的平均温度并确保栅尺的尺寸稳定。
总结
采用随基体伸缩栅尺的直线光栅系统（例如雷尼绍配备RKLC栅尺的QUANTiC™读数头）是精密激光加工工艺的绝佳解决方案。在激光加工过程中，现场空气温度波动可能会导致工件超差。将随基体伸缩栅尺安装在热质量较高的基体上，可以在激光切割过程中进行有效的热误差补偿。在较长的机床轴上使用随基体伸缩栅尺的另一个优点是，能够消除栅尺干扰误差。一般来说，随基体伸缩栅尺的优点包括：简化热补偿机制，以及减少由于现场机床环境中的空气温度变化等导致的潜在非重复性测量误差。