溫度對三坐標測量機影響的技術研究

王洪廣 孟祥忠

摘 要：溫度對三坐標測量機精度的影響是很大的。受溫度影響的關鍵部件是如何變化并被修正補償的，正確理解三坐標受溫度的影響是使用好三坐標測量機的前提。

關鍵詞：三坐標測量機；溫度；補償

引言

隨著中國工業的飛速發展，機械加工全行業的精度提高，企業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測量機，也慢慢普及到了機械加工的每一個角落。三坐標測量機的作用也尤為重要起來。概括來說，三坐標測量機在生產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。三坐標對溫度的要求是精度保障系統實現的前提條件，是絕對不能忽視的最基本的條件。所以溫度對三坐標每個軸產生了哪些影響，如何才能盡量消除溫度影響？文章以當前三坐標的主流機型——移動橋式三坐標測量機為例來探討溫度對三坐標的影響。

1 橋式三坐標測量機結構和材料及溫度影響

1.1 移動橋式三坐標測量機結構

移動橋式三坐標測量機以笛卡爾坐標系為基礎來進行測量空間的設計，有X，Y，Z，三個軸來組成。

文章以橫梁為X軸，工作臺為Y軸，上下運動的為Z軸來討論來進行討論。

每個軸都有機械部件，驅動，傳動，計數系統來組成。而受溫度影響最大的有兩塊，一是三軸的機械組成材料，二是光柵計數系統所受溫度的影響。

1.2 移動橋式三坐標測量機機械部件材料

三坐標測量機對材料的要求有：

（1）導熱性要好，以免外界有溫度變化（時間或空間）時形成溫度梯度，引起機械結構的變形。

（2）熱膨脹系數要小，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）較高的強度不易斷裂。

（6）運動部分材料的密度小，減小運動部分的慣性。

（7）受潮要不易變形。

（8）工藝性好，易于加工。

（9）成本低。

根據三坐標的發展及當前多數三坐標的使用材料來看，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，是目前應用較為普遍的一種材料。花崗巖的主要優點是變形小、穩定性好、不生銹，易于做平面加工，易于達到比鑄鐵更高的平面度，適合制作高精度的平臺與導軌。由于花崗石的熱膨脹系數小，很適合與氣浮導軌配合。

三坐標測量機主要是使用高強度鋁合金。鋁材料的優點是質量輕、強度高、變形小、導熱性能好，并且能進行焊接，適合作測量機上的許多部件。應用高強度鋁合金是目前的主要趨勢。

陶瓷是近年來發展很快的材料。它是將陶瓷材料壓制成形后燒結，再研磨而得。它的特點是多孔、質量輕、強度高、易加工、耐磨性好、不生銹，適于作Y軸和Z軸導軌。陶瓷的缺點是制作設備造價高、工藝要求也較高，而且毛胚制造復雜，所以使用這種材料的測量機不多。

鋼通常被用作大型機的工作臺和導軌材料。從加工到造價來說，鋼使用起來都比較昂貴，并且精度加工比較困難。但大型機往往對精度要求沒那么高，而且國外的大型機多數采用是鋼結構，并建立了一套完整的補償方法。

2 三坐標計數系統的安裝特點

對于三坐標測量機的光柵計數系統，多數廠家采用的是兩種結構。一種是直接將光柵尺粘貼在三個軸的導軌材料上。另一種是采用光柵尺基座，將基座粘貼在三個軸的導軌上，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軌上的三坐標來說，溫度對其的影響要考慮兩方面的因素：一是導軌材料受溫度的影響，二是光柵尺本身的變化。此時，如果使用溫度補償功能的話，要在導軌材料和光柵尺兩種材料的線性膨脹中選擇一個合適的值來確定。

對于使用光柵尺基座的計數系統來說，一種是兩端預緊的，一種是一段固定的。對于兩端預緊的系統來說，仍然要考慮導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

在三坐標測量機的生產、校準和使用過程中，對于光柵尺的線性膨脹在下位機或上微機通常都是存在補償的。這一點也是我們在使用三坐標測量機之前要著重注意的。

3 計數系統位置度的補償受溫度的影響

對于三坐標來說，三個軸的位置度補償就是光柵計數系統的修正和補償。通常來說，位置度的補償是通過激光干涉儀來進行補償的。

校準界所用的國際基準溫度是20℃ ，三坐標測量機及機床一般參照此溫度來執行校準。三坐標測量機要求用戶的現場使用環境是20℃，而出廠前作精度補償時，都是嚴格控制在20℃附近來作精度修正的。

在一般的工廠環境中通常無法取得精確的溫度控制，因此機床也無法保持在這個溫度上。因為大多數機床會隨著溫度變化膨脹或收縮，可能導致校準發生誤差。

為避免校準誤差，線性測量軟件納入一種稱為熱膨脹補償數學修正，應用在線性激光讀數上。軟件使用膨脹系數將測量加以歸一，并使用環境補償裝置來測量平均機床溫度。修正的目的是要評估在 20℃的溫度下執行校準時應得的激光器校準結果。

所以在激光補償時，通常考慮的因素有：波長補償，材料熱膨脹補償。

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

圖3為雷尼紹激光干涉儀的位置度修正原理圖。

4 測量機的結構溫度補償

為了適應車間溫度環境，克服溫度變化所引起的變形，在一些大尺寸的測量機上安裝了實時的結構溫度補償。

對于普通大型橋式三坐標測量機，因為橫梁和豎軸結構簡單，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，其通常采用的是花崗巖整體結構，溫度引起的非線性變形比較復雜。某些廠家特地為這種工作臺進行了有限元分析，進行了數學建模，從而確立了較少的溫度傳感器布局，可以達到修正工作臺受溫度影響引起的非線性變形情況。

工作臺的結構溫度傳感器通常被均勻的布置在三坐標工作臺的下方。當測量機的控制系統開始工作時，會對處于工作臺下方的幾個溫度傳感器進行讀數。讀取的溫度傳感器數據會被輸入已經建立在控制系統軟件補償模型中。通過模型的計算，將計算得出的補償數據應用于三坐標整機的誤差補償文件中，從而對三坐標測量機進行了結構補償。

5 工件溫度傳感器的使用

工件溫度傳感器在三坐標上的使用也是非常重要的一個環節。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行工件測量尺寸的修正。

當完成一件零件的加工時，為了盡快得到零件的尺寸。往往急于進行三坐標的測量，使工件的溫度與三坐標測量機環境的溫度不同。這時三坐標需要對尺寸進行工件溫度的修正。

這樣，也使得我們的三坐標適應了更寬的范圍。

但是，需要注意的是，我們的工件是一個空間體，它受溫度變化的變形同樣是非線性的。對每一個工件進行建模分析是不現實的。所以為了得到更準確的數值，最好的方法就是將工件恒溫到和三坐標測量機同樣的標準室溫（20℃）再進行測量。

參考文獻

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[5]梁榮茗.三坐標測量機的設計、使用、維修與鑒定[M].北京：中國計量出版社，2001.

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