激光尺 — 一項能夠精確加工40 m復合材料工件的功能性技術

2014年4月

Flow International Corporation（福祿國際股份有限公司）為其復合材料加工中心 (CMC) 選用了雷尼紹HS10和HS20激光尺。在對長達40 m的復合板進行一周的加工過程中，這些激光尺沿X軸移動時，加工工件的精確度高達百萬分之一。

Flow International Corporation（納斯達克：FLOW）的復合材料加工中心 (CMC) 對40米長復合材料機翼蒙皮的單次安裝加工一舉獲得成功，而在長達一周的加工周期中，保持長軸精度的關鍵因素之一就是雷尼紹HS10/HS20激光尺。激光尺及其組件RCU10實時補償單元測量距離的精度達到激光干涉儀的水平，在CMC的X軸上可實現百萬分之一的定位精度。使用安裝在機床上的傳統光柵尺時，必須對各種誤差因素進行補償，而激光尺則消除了這一弊端。

CMC是Flow開發的一種新型機床，旨在滿足航空航天工業生產尺寸偏差極小的大型工件的需求。“減少工件尺寸偏差是整個行業的目標，”Flow航空航天總監Mark Saberton解釋道。“目的是減少裝配時間、工作量以及機床加工。OEM希望消除裝配過程中因為需要修配而增加產品負荷和延長加工時間的問題。他們希望送到裝配車間的工件無需使用夾具和墊片就能夠達到裝配公差要求。重量也是一個問題。減少飛機工件的偏差可確保更好地控制飛機的最終重量。”

Flow建立的CMC是經高壓蒸汽處理的復合材料工件的一站式加工中心。其可用作中置導軌龍門結構或雙立柱移動式機床。龍門采用單個龍門上配備兩個滑枕的設計，每個滑枕分別帶有一個五軸擺頭，其中一個滑枕用于超高壓水射流切削，另一個用于傳統的高速切削。CMC只需一次安裝即可完成機翼蒙皮的所有精加工：裁切、鉆孔、切削、表面銑削、標記和檢測，使工件離開機床時直接就可進行裝配。該機床被全球的空客合作伙伴廣泛使用。

模塊化CMC提供6到50 m長的標準X軸及定制尺寸。“過去我們總是在X軸上使用鋼帶柵尺，而安裝在機床上的光柵尺長達30到50 m，這會導致結構性問題，并且使熱補償變得更加困難，”Flow高級電氣項目工程師Todd Fuchs解釋道。“即使在裝有空調的廠房，在130小時的加工周期中，機床在超過40米長的范圍內的溫差也比較大。在光柵尺本身與機床基體變化之間，誤差因素過于復雜。HS20激光尺提供了在這種長軸上獲得精確反饋的最簡便方法。”

CMC通過在其龍門兩側的齒條和小齒輪傳動裝置，利用兩側分別配有激光尺的獨立工作的X軸反饋，按主從定位的方式工作。激光尺放置在傳動系統附近防護罩下的導管中，管中通有潔凈、干燥的空氣，確保獲得穩定的測量值，并防止空氣中可能的碎片引起激光束“斷光”。

Flow共有24條機床軸采用了雷尼紹的HS10激光尺和其替代產品HS20。在雷尼紹工程師的幫助下，Flow已在德國、西班牙、法國以及英國的工廠完成激光尺安裝。這兩種激光尺均采用相同的激光干涉測量技術。該技術被機床校準專家用于線性誤差測量和補償，不同之處在于激光尺取代了玻璃/鋼帶配件和細分裝置，作為機床的永久柵尺。

與鋼帶柵尺或玻璃柵尺不同，激光尺系統不具有可在長軸上“累積”的短期誤差，并且其1 m/s的測量速度能夠適應當今快速運動的機床。HS20按IP43的標準密封并經過硬質氧化處理，可在惡劣的加工環境中提供全面保護。“40 m龍門的X軸可重復性技術指標為0.0381 mm，基本等同于機床校準所用的激光干涉儀，” Fuchs說道。“同時，激光尺的分辨率是鋼帶柵尺的兩倍，而同一尺寸和類型的其他機床無法利用這一分辨率。“

工件測量對安裝和序后測量起著決定性作用

X軸定位精度是工件測量的另一要素，對切削過程至關重要。CMC使用雷尼紹RMP60觸發式測頭在安裝過程中對工件進行定位，并在加工后確定最終尺寸。“機翼蒙皮等部分工件在加工前的價值就高達近100萬美元，” Fuchs強調說。“這些工件在剛放置在機床上準備加工時，極少與CAD模型吻合，因此我們在加工前要進行全面測量，并完成大量的最佳擬合計算。”
 

該觸發式測頭設計精巧，能夠到達并測量機床主軸可接觸的工件加工的任意點。多測頭系統和其他工業設備可利用其無線電跳頻 (FHSS) 信號傳輸系統在“嘈雜”工業環境中共存，尤其是在無線Wi-Fi和藍牙通信普遍應用的環境。

“我們在歐洲許多國家工廠的機床上都裝配了激光尺，事實證明雷尼紹HS20激光尺比鋼帶柵尺更容易安裝，并且可靠牢固，”Fuchs補充道。“對于用來切削昂貴和關鍵工件的具有長軸的機床，客戶都希望X軸的定位精度能達到線性測量的最高精度標準 — 激光干涉儀的精度水平。與RMP60測頭配合使用，我們能夠給客戶帶來實實在在的利益。”