溫度對三坐標(biāo)測量機(jī)影響的技術(shù)研究

王洪廣 孟祥忠

摘 要：溫度對三坐標(biāo)測量機(jī)精度的影響是很大的。受溫度影響的關(guān)鍵部件是如何變化并被修正補(bǔ)償?shù)模_理解三坐標(biāo)受溫度的影響是使用好三坐標(biāo)測量機(jī)的前提。

關(guān)鍵詞：三坐標(biāo)測量機(jī)；溫度；補(bǔ)償

引言

隨著中國工業(yè)的飛速發(fā)展，機(jī)械加工全行業(yè)的精度提高，企業(yè)對于檢具量具的精度要求越來越高。作為高端檢測儀器的三坐標(biāo)測量機(jī)，也慢慢普及到了機(jī)械加工的每一個(gè)角落。三坐標(biāo)測量機(jī)的作用也尤為重要起來。概括來說，三坐標(biāo)測量機(jī)在生產(chǎn)中給我們帶來了兩方面的作用，一是檢測的便利性，二是加工件高精度的保證。三坐標(biāo)對溫度的要求是精度保障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前提條件，是絕對不能忽視的最基本的條件。所以溫度對三坐標(biāo)每個(gè)軸產(chǎn)生了哪些影響，如何才能盡量消除溫度影響？文章以當(dāng)前三坐標(biāo)的主流機(jī)型——移動(dòng)橋式三坐標(biāo)測量機(jī)為例來探討溫度對三坐標(biāo)的影響。

1 橋式三坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)和材料及溫度影響

1.1 移動(dòng)橋式三坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)

移動(dòng)橋式三坐標(biāo)測量機(jī)以笛卡爾坐標(biāo)系為基礎(chǔ)來進(jìn)行測量空間的設(shè)計(jì)，有X，Y，Z，三個(gè)軸來組成。

文章以橫梁為X軸，工作臺(tái)為Y軸，上下運(yùn)動(dòng)的為Z軸來討論來進(jìn)行討論。

每個(gè)軸都有機(jī)械部件，驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)，計(jì)數(shù)系統(tǒng)來組成。而受溫度影響最大的有兩塊，一是三軸的機(jī)械組成材料，二是光柵計(jì)數(shù)系統(tǒng)所受溫度的影響。

1.2 移動(dòng)橋式三坐標(biāo)測量機(jī)機(jī)械部件材料

三坐標(biāo)測量機(jī)對材料的要求有：

（1）導(dǎo)熱性要好，以免外界有溫度變化（時(shí)間或空間）時(shí)形成溫度梯度，引起機(jī)械結(jié)構(gòu)的變形。

（2）熱膨脹系數(shù)要小，以免溫度變化引起過大的長度變化。

（3）剛性（彈性模量）要大，以免受力變形較大。

（4）高的硬度及耐磨性，保證不易劃傷和磨損。

（5）較高的強(qiáng)度不易斷裂。

（6）運(yùn)動(dòng)部分材料的密度小，減小運(yùn)動(dòng)部分的慣性。

（7）受潮要不易變形。

（8）工藝性好，易于加工。

（9）成本低。

根據(jù)三坐標(biāo)的發(fā)展及當(dāng)前多數(shù)三坐標(biāo)的使用材料來看，集中于四種材料：花崗石，鋁合金，陶瓷，鋼。

花崗石比鋼輕，比鋁重，是目前應(yīng)用較為普遍的一種材料?；◢弾r的主要優(yōu)點(diǎn)是變形小、穩(wěn)定性好、不生銹，易于做平面加工，易于達(dá)到比鑄鐵更高的平面度，適合制作高精度的平臺(tái)與導(dǎo)軌。由于花崗石的熱膨脹系數(shù)小，很適合與氣浮導(dǎo)軌配合。

三坐標(biāo)測量機(jī)主要是使用高強(qiáng)度鋁合金。鋁材料的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、變形小、導(dǎo)熱性能好，并且能進(jìn)行焊接，適合作測量機(jī)上的許多部件。應(yīng)用高強(qiáng)度鋁合金是目前的主要趨勢。

陶瓷是近年來發(fā)展很快的材料。它是將陶瓷材料壓制成形后燒結(jié)，再研磨而得。它的特點(diǎn)是多孔、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、易加工、耐磨性好、不生銹，適于作Y軸和Z軸導(dǎo)軌。陶瓷的缺點(diǎn)是制作設(shè)備造價(jià)高、工藝要求也較高，而且毛胚制造復(fù)雜，所以使用這種材料的測量機(jī)不多。

鋼通常被用作大型機(jī)的工作臺(tái)和導(dǎo)軌材料。從加工到造價(jià)來說，鋼使用起來都比較昂貴，并且精度加工比較困難。但大型機(jī)往往對精度要求沒那么高，而且國外的大型機(jī)多數(shù)采用是鋼結(jié)構(gòu)，并建立了一套完整的補(bǔ)償方法。

2 三坐標(biāo)計(jì)數(shù)系統(tǒng)的安裝特點(diǎn)

對于三坐標(biāo)測量機(jī)的光柵計(jì)數(shù)系統(tǒng)，多數(shù)廠家采用的是兩種結(jié)構(gòu)。一種是直接將光柵尺粘貼在三個(gè)軸的導(dǎo)軌材料上。另一種是采用光柵尺基座，將基座粘貼在三個(gè)軸的導(dǎo)軌上，再將光柵尺裝入光柵尺的基座中。

對于直接將光柵尺粘貼在導(dǎo)軌上的三坐標(biāo)來說，溫度對其的影響要考慮兩方面的因素：一是導(dǎo)軌材料受溫度的影響，二是光柵尺本身的變化。此時(shí)，如果使用溫度補(bǔ)償功能的話，要在導(dǎo)軌材料和光柵尺兩種材料的線性膨脹中選擇一個(gè)合適的值來確定。

對于使用光柵尺基座的計(jì)數(shù)系統(tǒng)來說，一種是兩端預(yù)緊的，一種是一段固定的。對于兩端預(yù)緊的系統(tǒng)來說，仍然要考慮導(dǎo)軌材料和光柵尺兩種材料的熱膨脹。對于一段固定的，可以只考慮光柵尺本身的線性膨脹。

以海德漢光柵尺為例，如圖2所示。

帶基座的光柵尺

不帶基座的光柵尺

圖2

在三坐標(biāo)測量機(jī)的生產(chǎn)、校準(zhǔn)和使用過程中，對于光柵尺的線性膨脹在下位機(jī)或上微機(jī)通常都是存在補(bǔ)償?shù)?。這一點(diǎn)也是我們在使用三坐標(biāo)測量機(jī)之前要著重注意的。

3 計(jì)數(shù)系統(tǒng)位置度的補(bǔ)償受溫度的影響

對于三坐標(biāo)來說，三個(gè)軸的位置度補(bǔ)償就是光柵計(jì)數(shù)系統(tǒng)的修正和補(bǔ)償。通常來說，位置度的補(bǔ)償是通過激光干涉儀來進(jìn)行補(bǔ)償?shù)摹?/p>

校準(zhǔn)界所用的國際基準(zhǔn)溫度是20℃ ，三坐標(biāo)測量機(jī)及機(jī)床一般參照此溫度來執(zhí)行校準(zhǔn)。三坐標(biāo)測量機(jī)要求用戶的現(xiàn)場使用環(huán)境是20℃，而出廠前作精度補(bǔ)償時(shí)，都是嚴(yán)格控制在20℃附近來作精度修正的。

在一般的工廠環(huán)境中通常無法取得精確的溫度控制，因此機(jī)床也無法保持在這個(gè)溫度上。因?yàn)榇蠖鄶?shù)機(jī)床會(huì)隨著溫度變化膨脹或收縮，可能導(dǎo)致校準(zhǔn)發(fā)生誤差。

為避免校準(zhǔn)誤差，線性測量軟件納入一種稱為熱膨脹補(bǔ)償數(shù)學(xué)修正，應(yīng)用在線性激光讀數(shù)上。軟件使用膨脹系數(shù)將測量加以歸一，并使用環(huán)境補(bǔ)償裝置來測量平均機(jī)床溫度。修正的目的是要評估在 20℃的溫度下執(zhí)行校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)得的激光器校準(zhǔn)結(jié)果。

所以在激光補(bǔ)償時(shí)，通常考慮的因素有：波長補(bǔ)償，材料熱膨脹補(bǔ)償。

波長補(bǔ)償是考慮激光受環(huán)境的影響，比如氣溫，氣壓，相對濕度。材料熱膨脹補(bǔ)償主要是考慮機(jī)床材料的熱膨脹。前者主要是修正激光的準(zhǔn)確性，后者是考慮到機(jī)床本身的變換而對激光進(jìn)行的準(zhǔn)確性修正。

圖3為雷尼紹激光干涉儀的位置度修正原理圖。

4 測量機(jī)的結(jié)構(gòu)溫度補(bǔ)償

為了適應(yīng)車間溫度環(huán)境，克服溫度變化所引起的變形，在一些大尺寸的測量機(jī)上安裝了實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)溫度補(bǔ)償。

對于普通大型橋式三坐標(biāo)測量機(jī)，因?yàn)闄M梁和豎軸結(jié)構(gòu)簡單，溫度變化帶來的影響非常小。主要的影響是用于放置工件的工作臺(tái)，其通常采用的是花崗巖整體結(jié)構(gòu)，溫度引起的非線性變形比較復(fù)雜。某些廠家特地為這種工作臺(tái)進(jìn)行了有限元分析，進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，從而確立了較少的溫度傳感器布局，可以達(dá)到修正工作臺(tái)受溫度影響引起的非線性變形情況。

工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)溫度傳感器通常被均勻的布置在三坐標(biāo)工作臺(tái)的下方。當(dāng)測量機(jī)的控制系統(tǒng)開始工作時(shí)，會(huì)對處于工作臺(tái)下方的幾個(gè)溫度傳感器進(jìn)行讀數(shù)。讀取的溫度傳感器數(shù)據(jù)會(huì)被輸入已經(jīng)建立在控制系統(tǒng)軟件補(bǔ)償模型中。通過模型的計(jì)算，將計(jì)算得出的補(bǔ)償數(shù)據(jù)應(yīng)用于三坐標(biāo)整機(jī)的誤差補(bǔ)償文件中，從而對三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)補(bǔ)償。

5 工件溫度傳感器的使用

工件溫度傳感器在三坐標(biāo)上的使用也是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。工件溫度傳感器通常是采集的所需測量的工件的溫度來進(jìn)行工件測量尺寸的修正。

當(dāng)完成一件零件的加工時(shí)，為了盡快得到零件的尺寸。往往急于進(jìn)行三坐標(biāo)的測量，使工件的溫度與三坐標(biāo)測量機(jī)環(huán)境的溫度不同。這時(shí)三坐標(biāo)需要對尺寸進(jìn)行工件溫度的修正。

這樣，也使得我們的三坐標(biāo)適應(yīng)了更寬的范圍。

但是，需要注意的是，我們的工件是一個(gè)空間體，它受溫度變化的變形同樣是非線性的。對每一個(gè)工件進(jìn)行建模分析是不現(xiàn)實(shí)的。所以為了得到更準(zhǔn)確的數(shù)值，最好的方法就是將工件恒溫到和三坐標(biāo)測量機(jī)同樣的標(biāo)準(zhǔn)室溫（20℃）再進(jìn)行測量。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：王洪廣，男，籍貫：山東青島，學(xué)歷：在職研究生，職稱：中級工程師，研究方向：控制工程。