測量的溫度補償?shù)脑瓌t與方法

摘 要:在現(xiàn)代飛機制造過程中，坐標測量機大量地應用于生產(chǎn)和產(chǎn)品檢測。由于溫度變化對于金屬材料幾何特性的影響，使溫度補償對于降低測量誤差的意義非常巨大。本文以波音飛機的產(chǎn)品公差要求為例，根據(jù)溫度補償對于不同精度的測量設(shè)備測量結(jié)果的影響分析，得出在不同的條件下采用坐標測量機進行測量時的溫度補償原則。

關(guān)鍵詞:坐標測量機溫度補償測量機

中圖分類號:TP39文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(c)-0109-02

1 環(huán)境溫度對零件幾何尺寸的影響

目前，在國內(nèi)大型飛機制造公司的坐標測量設(shè)備中，精度比較高的可以達到±0.004mm;即使是重復精度比較低的便攜式坐標測量機，其設(shè)備的重復精度也可以到達±0.083mm。溫度補償對于高精度測量過程來說都是必不可少的一個重要環(huán)節(jié)。

溫度變化造成機械加工的誤差超過占全部加工誤差的50%[1，2]。因此在精密加工中，都要求采用補償方式以最大限度地降低這種影響[3，4]。1931年國際權(quán)度局確定以20℃作為測量物體尺寸的標準溫度。也就是說，某一物體長為L，是指它在20℃時的長度L。在其他溫度下測量時，它呈現(xiàn)的尺寸不為L，這時就產(chǎn)生熱變形誤差。世界上大多數(shù)國家將20℃作為測量環(huán)境的標準溫度，測量設(shè)備的一系列系統(tǒng)參數(shù)一般也是按照該溫度進行設(shè)定的。但是，溫度總是在一個范圍內(nèi)變動的。考慮各種常用材料的熱膨脹系數(shù)很小，因此，在一般情況下，只要環(huán)境溫度在測量過程中能保持在20±2℃范圍內(nèi)，可以不考慮溫度的影響。那么，溫度對于飛機結(jié)構(gòu)件精度的影響有多大呢？飛機零件中材料使用最多的金屬是鋁合金。

以鋁合金為例，由于其熱膨脹系數(shù)是0.00002351mm/℃，當溫度變化2℃時，1m長度的零件的長度變化量可以按下式計算得出:

1000×2℃×0.00002351mm/℃＝0.047mm

比較便攜式測量儀的測量精度和被測零件的精度要求，0.047mm也是相當大的誤差，不能不加以考慮。但是如果零件的長度只有1mm，當溫度變化2℃時其長度誤差為0.000047mm，這顯然是遠小于飛機零件的尺寸公差的，因此此時可以不考慮溫度的影響了。

對于高精度的固定式坐標測量機，環(huán)境溫度可以通過控制測控間的溫度來實現(xiàn)。但對于類似便攜式坐標測量機和激光跟蹤儀來說，這些設(shè)備經(jīng)常是在環(huán)境比較差的工作現(xiàn)場進行測量，如在零件加工現(xiàn)場附件或在臨時存儲區(qū)域中等。在這些場所，溫度的精確控制是比較困難的，也就是說，溫度一般都會在一個比較大的范圍內(nèi)變化。如果不考慮這些溫度的影響，測量結(jié)果的誤差會嚴重放大。因此，如何在不同情況下對溫度引起的測量誤差進行補償就成為一個重要問題。

2 溫度補償?shù)脑瓌t

按照測量設(shè)備誤差小于1/3倍的被測零件公差要求的設(shè)備能力基本原則，零件熱變形量與設(shè)備系統(tǒng)誤差之和必須小于1/3倍的被測零件要求公差，即

(E變形+E設(shè)備)<1/3T零件(1)

除特殊要求的零件外，波音飛機的大部分結(jié)構(gòu)件的通用公差要求，按照零件類型不同一般分為±0.254mm、±0.508mm和0.762mm三類;另外，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，有些零件的公差可以達到±0.02mm。對于不同公差要求的零件，在確定使用何種設(shè)備測量時，首先應該考慮設(shè)備的能力。

2.1 固定式測量機

下面以設(shè)備精度為±0.004mm的測量機檢測公差要求為±0.06mm的零件為例，得出在這種條件下，不同尺寸的零件熱變形對溫度補償需求的分析數(shù)據(jù)，如表1。

按照表1數(shù)據(jù)，可得出不同幾何尺寸的零件熱變形量對公式1影響的趨勢曲線，如圖1所示。

從圖1中可以明顯看出，只有當圖中的E變形和E設(shè)備曲線在1/3T零件誤差曲線的下方時，即當零件尺寸小于300mm且溫度不大于22℃時，測量才可以不對零件進行溫度補償。其他情況時，必須對零件進行溫度補償以消除零件熱變形對測量誤差的影響。

采用以上辦法，可以分析出對于各類精度要求的零件和采用不同精度的測量設(shè)備，零件尺寸在不同溫度下熱變形的影響。

2.2 溫度補償?shù)脑瓌t

設(shè)E變形＝L×ΔT×C，由公式1可以得到

(L×ΔT×C+E設(shè)備)<1/3T零件(2)

其中L是零件尺寸;ΔT是與標準溫度的偏差;C是膨脹系數(shù)常量;

進而得出:L×ΔT<(1/3T零件－E設(shè)備)/C(3)

以鋁合金零件為例，按照設(shè)備精度滿足1/3零件公差的原則，估算(1/3T零件－E設(shè)備)/ C。

1)如E設(shè)備是在0.004－0.02mm之間，則可檢測的T零件為0.012－0.06mm之間，那么

Max{(1/3*T零件－E設(shè)備)/ C}

＝(Max(1/3*T零件)－Min(E設(shè)備))/C

＝0.016/0.00002351=680.6

這種情況下就是用最精的設(shè)備測量公差最大的零件。為滿足公式3的要求，則，

當ΔT＝0.5℃，即測量環(huán)境溫度為20.5℃時，L <1361mm

當ΔT＝1℃，即測量環(huán)境溫度為21℃時，L<680.5

當ΔT＝2℃，即測量環(huán)境溫度為22℃時，L<340.3

由此得出:

原則一:當使用高精度測量機對公差要求很嚴格的零件進行測量時，如果零件尺寸超過300mm，必須將測量間溫度嚴格控制在20±2℃范圍內(nèi)。否則必須對零件進行溫度補償。

2)如E設(shè)備是分別在0.04－0.10mm和0.10－0.25mm之間時，同理可得出:

原則二:當使用中低精度測量機(如ROMER1024便攜式測量機)對公差要求一般的零件進行測量時，如果零件尺寸超過1000mm，必須將時刻考慮溫度補償;如果溫度高于28℃，則無論零件尺寸如何，必須進行溫度補償。

原則三:當使用很低精度的測量機(如ROMER1036便攜式測量機)對公差要求很低的零件進行測量時，如果零件尺寸小于500mm而溫度不是很高時，可以不考慮溫度補償。

3 溫度補償?shù)姆椒?/p>

可以選擇的兩種補償方式:

（1）標準長度桿方法

首先，在溫度控制環(huán)境下使用標準的CMM測量機檢測一個標準長度桿，長度桿的材料應該和被測零件的材料一致。檢測完成后的長度桿的長度作為標準長度。在檢查零件前，長度桿應在測量零件的環(huán)境中放置至少半小時。

(2)直接系數(shù)補償方法

該方法可以使操作者按照溫度補償系數(shù)對被測零件進行補償。

選擇X、Y和Z軸的比例系數(shù)。在鍵入三個相應的比例系數(shù)后，當前坐標系按照新的比例系數(shù)重新生成。

這種方法操作相對比較簡單，因此在實際測量中主要采用此種方法。

下面舉例說明直接系數(shù)補償方法的操作:

假設(shè):尺寸為1000mm×300mm×30mm的零件，測量環(huán)境溫度為25℃

首先計算溫度補償系數(shù)，因為環(huán)境溫度大于標準溫度20℃，因此系數(shù)要大于1。

系數(shù)=1+(環(huán)境溫度 標準溫度)×膨脹系數(shù)

=1+(25-20)×0.00002351

=1.00011755

分別鍵入對于X、Y、Z坐標軸的比例系數(shù)，完成了坐標系的溫度補償。

4 實施溫度補償時的注意事項

無論在何種條件下進行補償或者不補償，要保證在整個測量過程中的環(huán)境溫度的相對恒定。尤其對于尺寸比較大的零件，其測量時間比較長，而測量結(jié)果對溫度變化又比較敏感。因此，尺寸較大的零件測量時更應該注意測量過程中溫度的相對恒定。

根據(jù)零件尺寸和形狀的不同，在零件內(nèi)部可能存在明顯的溫度梯度差別，因此在測量之前必須徹底消除零件內(nèi)部的這種溫度差。對于從不同環(huán)境中運輸來的零件，在零件進行測量前，要有最短半小時的溫度適應期，使其溫度恒定后再進行測量。在測量前對零件進行溫度測定時，要在零件上最少3個不同的位置進行測量，以這3個溫度值的平均值作為環(huán)境溫度的最終值。

為確保溫度在測量前后的恒定，對于環(huán)境、零件等溫度的測量，應在測量前和測量后分別進行兩次。

在不能保證測量環(huán)境溫度恒定的情況下，任何測量是沒有意義的。

參考文獻

[1]P.A.McKeown，M.Weck，R.Bonse， Annals of the CIRP 44(2)(1995)589.

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[3]M.H.Attia，Proceedings of the International Symposium on Manufacturing and Materials Processing，Dubrovnik，Yugoslavia，vol.1，Begell House，N.Y.，1997.

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[5]Geoffrey Boothroyd，George E.Dieter， COORDINATE MEASURING MACHINES AND SYSTEMS，MARCEL DEKKER，INC.1995.