温度对三坐标测量机影响的技术研究

王洪广 孟祥忠

摘 要：温度对三坐标测量机精度的影响是很大的。受温度影响的关键部件是如何变化并被修正补偿的，正确理解三坐标受温度的影响是使用好三坐标测量机的前提。

关键词：三坐标测量机；温度；补偿

引言

随着中国工业的飞速发展，机械加工全行业的精度提高，企业对于检具量具的精度要求越来越高。作为高端检测仪器的三坐标测量机，也慢慢普及到了机械加工的每一个角落。三坐标测量机的作用也尤为重要起来。概括来说，三坐标测量机在生产中给我们带来了两方面的作用，一是检测的便利性，二是加工件高精度的保证。三坐标对温度的要求是精度保障系统实现的前提条件，是绝对不能忽视的最基本的条件。所以温度对三坐标每个轴产生了哪些影响，如何才能尽量消除温度影响？文章以当前三坐标的主流机型——移动桥式三坐标测量机为例来探讨温度对三坐标的影响。

1 桥式三坐标测量机结构和材料及温度影响

1.1 移动桥式三坐标测量机结构

移动桥式三坐标测量机以笛卡尔坐标系为基础来进行测量空间的设计，有X，Y，Z，三个轴来组成。

文章以横梁为X轴，工作台为Y轴，上下运动的为Z轴来讨论来进行讨论。

每个轴都有机械部件，驱动，传动，计数系统来组成。而受温度影响最大的有两块，一是三轴的机械组成材料，二是光栅计数系统所受温度的影响。

1.2 移动桥式三坐标测量机机械部件材料

三坐标测量机对材料的要求有：

（1）导热性要好，以免外界有温度变化（时间或空间）时形成温度梯度，引起机械结构的变形。

（2）热膨胀系数要小，以免温度变化引起过大的长度变化。

（3）刚性（弹性模量）要大，以免受力变形较大。

（4）高的硬度及耐磨性，保证不易划伤和磨损。

（5）较高的强度不易断裂。

（6）运动部分材料的密度小，减小运动部分的惯性。

（7）受潮要不易变形。

（8）工艺性好，易于加工。

（9）成本低。

根据三坐标的发展及当前多数三坐标的使用材料来看，集中于四种材料：花岗石，铝合金，陶瓷，钢。

花岗石比钢轻，比铝重，是目前应用较为普遍的一种材料。花岗岩的主要优点是变形小、稳定性好、不生锈，易于做平面加工，易于达到比铸铁更高的平面度，适合制作高精度的平台与导轨。由于花岗石的热膨胀系数小，很适合与气浮导轨配合。

三坐标测量机主要是使用高强度铝合金。铝材料的优点是质量轻、强度高、变形小、导热性能好，并且能进行焊接，适合作测量机上的许多部件。应用高强度铝合金是目前的主要趋势。

陶瓷是近年来发展很快的材料。它是将陶瓷材料压制成形后烧结，再研磨而得。它的特点是多孔、质量轻、强度高、易加工、耐磨性好、不生锈，适于作Y轴和Z轴导轨。陶瓷的缺点是制作设备造价高、工艺要求也较高，而且毛胚制造复杂，所以使用这种材料的测量机不多。

钢通常被用作大型机的工作台和导轨材料。从加工到造价来说，钢使用起来都比较昂贵，并且精度加工比较困难。但大型机往往对精度要求没那么高，而且国外的大型机多数采用是钢结构，并建立了一套完整的补偿方法。

2 三坐标计数系统的安装特点

对于三坐标测量机的光栅计数系统，多数厂家采用的是两种结构。一种是直接将光栅尺粘贴在三个轴的导轨材料上。另一种是采用光栅尺基座，将基座粘贴在三个轴的导轨上，再将光栅尺装入光栅尺的基座中。

对于直接将光栅尺粘贴在导轨上的三坐标来说，温度对其的影响要考虑两方面的因素：一是导轨材料受温度的影响，二是光栅尺本身的变化。此时，如果使用温度补偿功能的话，要在导轨材料和光栅尺两种材料的线性膨胀中选择一个合适的值来确定。

对于使用光栅尺基座的计数系统来说，一种是两端预紧的，一种是一段固定的。对于两端预紧的系统来说，仍然要考虑导轨材料和光栅尺两种材料的热膨胀。对于一段固定的，可以只考虑光栅尺本身的线性膨胀。

以海德汉光栅尺为例，如图2所示。

带基座的光栅尺

不带基座的光栅尺

图2

在三坐标测量机的生产、校准和使用过程中，对于光栅尺的线性膨胀在下位机或上微机通常都是存在补偿的。这一点也是我们在使用三坐标测量机之前要着重注意的。

3 计数系统位置度的补偿受温度的影响

对于三坐标来说，三个轴的位置度补偿就是光栅计数系统的修正和补偿。通常来说，位置度的补偿是通过激光干涉仪来进行补偿的。

校准界所用的国际基准温度是20℃ ，三坐标测量机及机床一般参照此温度来执行校准。三坐标测量机要求用户的现场使用环境是20℃，而出厂前作精度补偿时，都是严格控制在20℃附近来作精度修正的。

在一般的工厂环境中通常无法取得精确的温度控制，因此机床也无法保持在这个温度上。因为大多数机床会随着温度变化膨胀或收缩，可能导致校准发生误差。

为避免校准误差，线性测量软件纳入一种称为热膨胀补偿数学修正，应用在线性激光读数上。软件使用膨胀系数将测量加以归一，并使用环境补偿装置来测量平均机床温度。修正的目的是要评估在 20℃的温度下执行校准时应得的激光器校准结果。

所以在激光补偿时，通常考虑的因素有：波长补偿，材料热膨胀补偿。

波长补偿是考虑激光受环境的影响，比如气温，气压，相对湿度。材料热膨胀补偿主要是考虑机床材料的热膨胀。前者主要是修正激光的准确性，后者是考虑到机床本身的变换而对激光进行的准确性修正。

图3为雷尼绍激光干涉仪的位置度修正原理图。

4 测量机的结构温度补偿

为了适应车间温度环境，克服温度变化所引起的变形，在一些大尺寸的测量机上安装了实时的结构温度补偿。

对于普通大型桥式三坐标测量机，因为横梁和竖轴结构简单，温度变化带来的影响非常小。主要的影响是用于放置工件的工作台，其通常采用的是花岗岩整体结构，温度引起的非线性变形比较复杂。某些厂家特地为这种工作台进行了有限元分析，进行了数学建模，从而确立了较少的温度传感器布局，可以达到修正工作台受温度影响引起的非线性变形情况。

工作台的结构温度传感器通常被均匀的布置在三坐标工作台的下方。当测量机的控制系统开始工作时，会对处于工作台下方的几个温度传感器进行读数。读取的温度传感器数据会被输入已经建立在控制系统软件补偿模型中。通过模型的计算，将计算得出的补偿数据应用于三坐标整机的误差补偿文件中，从而对三坐标测量机进行了结构补偿。

5 工件温度传感器的使用

工件温度传感器在三坐标上的使用也是非常重要的一个环节。工件温度传感器通常是采集的所需测量的工件的温度来进行工件测量尺寸的修正。

当完成一件零件的加工时，为了尽快得到零件的尺寸。往往急于进行三坐标的测量，使工件的温度与三坐标测量机环境的温度不同。这时三坐标需要对尺寸进行工件温度的修正。

这样，也使得我们的三坐标适应了更宽的范围。

但是，需要注意的是，我们的工件是一个空间体，它受温度变化的变形同样是非线性的。对每一个工件进行建模分析是不现实的。所以为了得到更准确的数值，最好的方法就是将工件恒温到和三坐标测量机同样的标准室温（20℃）再进行测量。

参考文献

[1]雷尼绍激光器系统手册[Z].版权所有2000-2002Renishaw plc 版本6.1.

[2]张国雄.三坐标测量机[M].天津：天津大学出版社，1999.

[3]海德汉敞开式直线光栅尺样本[Z].2011.

[4]海克斯康测量技术（青岛）有限公司.实用坐标测量技术[M].北京：化学工业出版社，2007

[5]梁荣茗.三坐标测量机的设计、使用、维修与鉴定[M].北京：中国计量出版社，2001.

作者简介：王洪广，男，籍贯：山东青岛，学历：在职研究生，职称：中级工程师，研究方向：控制工程。