測量機(jī)的熱變形誤差分析

       在用儀器測量工件尺寸時(shí)，它的模型可用圖1表示。它由儀器框架1、標(biāo)尺2、測量臂3、指零（測微）表4與被測工件5組成。這一模型對三坐標(biāo)測量機(jī)同樣適用，只是測量機(jī)的每一維測量構(gòu)成一個(gè)如圖1所示模型。指零（測微）表4對三坐標(biāo)測量機(jī)來說，就是三維測頭。

       如果儀器的溫度場均勻，且由具有相同的線膨脹系數(shù)的材料制成，那么儀器只產(chǎn)生簡單的熱變形，即框架1均勻地?zé)崤蛎洠ɑ蚴湛s）。由此產(chǎn)生的熱誤差等于工件5的熱變形與標(biāo)尺2熱變形之差。指零（測微）表4的熱誤差可單獨(dú)考慮。
　　如果儀器存在溫度梯度，或者雖然各個(gè)部分溫度相同，但各部分線膨脹系數(shù)不一樣，那么就會產(chǎn)生復(fù)雜變形，如圖2所示。這時(shí)除了考慮由于被測工件5與標(biāo)尺2的熱膨脹引起的誤差外，還要考慮框架1彎曲變形引起的誤差。它使測量臂3與指零（測微）表4隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。

一、測量機(jī)的簡單熱變形誤差
　　當(dāng)坐標(biāo)測量機(jī)只有簡單熱變形誤差，即只有線膨脹而不存在彎曲，扭曲等復(fù)雜變形時(shí)，由于熱效應(yīng)引起的測量誤差：
△l=l(ap △tp –as△ts )　　 (公式1)
式中 l——被測尺寸(mm)；
ap 、as——被測件及標(biāo)尺的線膨脹系數(shù)（1/℃）；
△tp 、△ts——被測件及標(biāo)尺相對于20℃的溫度偏差（℃）
這一誤差稱為名義線膨脹值誤差。
　　從（公式1）中可以看到，當(dāng)ap= as ，△tp=△ts 時(shí)，△l=0。即當(dāng)標(biāo)尺與被測件的線膨脹系數(shù)和溫度都相等時(shí)，沒有熱變形誤差。
　　若被測件與標(biāo)尺的線膨脹系數(shù)都相同，ap =as =a ，則
△l=la（△tp –△ts ）　　 （公式2）
此時(shí)，熱變形誤差主要由被測件與標(biāo)尺溫度不同而引起。
　　若被測件與標(biāo)尺的溫度相同，△tp=△ts =△t，而線膨脹系數(shù)不同，則熱變形誤差
△l=l△t(ap –as )　　　　 （公式3）
上式表明，若ap≠ as ，只要溫度偏離20℃，即使它們溫度相等，也會產(chǎn)生測量誤差。
　　從（公式1）還可以看到，△l只與標(biāo)尺的溫度和線膨脹系數(shù)有關(guān)，而與機(jī)器框架的溫度和線膨脹系數(shù)無關(guān)。這一結(jié)論在機(jī)器框架只有簡單變形，且只在一個(gè)點(diǎn)上與標(biāo)尺連接時(shí)成立。從圖1可以看出，在這種情況下框架1的伸縮不會影響測量結(jié)果。若標(biāo)尺在兩端同時(shí)與機(jī)器框架固結(jié)，那么（公式1）中的as 同時(shí)受框架與標(biāo)尺材料線膨脹系數(shù)的影響。

二、測量機(jī)的復(fù)雜熱力變形誤差
　　當(dāng)測量機(jī)存在溫度梯度，或者測量機(jī)各部分線膨脹系數(shù)不一樣時(shí)，都會產(chǎn)生復(fù)雜變形。即除了均勻伸長或收縮外，還有彎曲或扭曲變形。復(fù)雜熱變形帶來的影響很復(fù)雜。例如圖2中，框架1的熱彎曲變形會帶來測量臂的傾側(cè)。在這方面，它與由于幾何誤差而產(chǎn)生的角運(yùn)動(dòng)誤差相似，這是就它對下一個(gè)部件的影響而言。但就框架本身來說，它不是整體作角運(yùn)動(dòng)，而是各個(gè)部分還有相對變形。
　　熱變形不一定伴隨著熱應(yīng)力。不僅簡單變形如此，復(fù)雜變形也是如此。只要沒有另一物體約束它，便不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)一個(gè)物體的熱變形受到另一物體約束，就會產(chǎn)生熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力往往會導(dǎo)致復(fù)雜熱變形。例如一個(gè)兩端固結(jié)的桿受熱伸長時(shí)，由于兩端受約束，就可能產(chǎn)生彎曲。但只有當(dāng)約束它的物體與受約束的物體線膨脹量不一樣時(shí)即或者兩者溫度不同，或者兩者線膨脹系數(shù)不同，才會產(chǎn)生這種熱應(yīng)力或復(fù)雜熱變形。因此，產(chǎn)生復(fù)雜熱變形的原因仍可歸納為：或是存在溫度梯度，或是各個(gè)部分的線膨脹系數(shù)不同。
　　由于復(fù)雜熱變形帶來的誤差比較復(fù)雜，也難以精確計(jì)算、補(bǔ)償，在測量機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中應(yīng)盡量避免復(fù)雜熱變形。
　　在現(xiàn)代測量機(jī)中，由于結(jié)構(gòu)性能方面的需要，常采用花崗石、合成材料、玻璃、鋁等多種材料，這是導(dǎo)致復(fù)雜熱變形的一個(gè)因素。SIP公司則堅(jiān)持在他們生產(chǎn)的三坐標(biāo)測量機(jī)中，主要構(gòu)件都采用鐵金屬。此外，不同材料構(gòu)件之間的連接，只要允許，盡可能只在一點(diǎn)連接，不使對熱變形形成約束。
　　溫度梯度是產(chǎn)生復(fù)雜熱變形的主要原因。在測量機(jī)工作中有許多內(nèi)部熱源與外部熱源。為了保持測量機(jī)溫度恒定，需要用適當(dāng)?shù)姆绞綄�熱量移走，這就形成了一個(gè)熱傳播途徑。兩點(diǎn)之間的傳熱量與它們之間的溫差成正比，與它們之間的熱阻成反比。為了減小測量機(jī)內(nèi)的溫度梯度，一是要盡量減小各種熱源產(chǎn)生的熱量，特別是輻射到測量機(jī)上的熱量；另一方面要減小測量機(jī)內(nèi)部的熱阻。
　　精密測量室不應(yīng)有陽光照射，照明燈應(yīng)遠(yuǎn)離測量機(jī)，調(diào)溫送風(fēng)也不應(yīng)直接對著測量機(jī)。對于高精度測量機(jī)，除了整個(gè)測量室的恒溫外，還常用一個(gè)隔溫罩使它與外界隔離開來。人體也是一個(gè)重要熱源。精密測量，不允許人體直接接近測量機(jī)，人在隔溫罩外，通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)施操作。被測件也可能是一個(gè)熱源。被測件送入后，應(yīng)在測量室內(nèi)、隔溫罩外放置一段時(shí)間，使它的溫度接近20℃，再移入罩內(nèi)測量機(jī)上，均溫一段時(shí)間后測量。
　　對測量機(jī)內(nèi)部熱源也應(yīng)予以重視。摩擦是一個(gè)重要熱源，精密測量機(jī)要盡可能避免或減小摩擦。測量光路的光源，應(yīng)采用低熱型的，在可能情況下，應(yīng)將光源（如激光器）放置在隔溫罩外部，光束通過棱鏡或光纖引入。對于電氣部分也一樣，一些大功率器件應(yīng)盡量放在罩外。
　　為了減小溫度梯度，希望測量機(jī)構(gòu)件導(dǎo)熱性能要好。近年來國際上出現(xiàn)用鋁制作測量機(jī)構(gòu)件的趨勢。雖然鋁的線膨脹系數(shù)較大，但它的導(dǎo)熱系數(shù)大，容易做到溫度均勻。簡單的熱變形比較容易補(bǔ)償。
　　德國蔡司（Zeiss）公司還發(fā)展了一種稱為CARAT的技術(shù)，即帶涂層、抗時(shí)效的鋁合金技術(shù)。它是在無時(shí)效的鋁合金基體上涂覆一層具有高耐磨性能的陶瓷，利用它制作測量機(jī)的橫梁與主軸。它既有所需的耐磨性能，又有高的熱傳導(dǎo)特性，使溫度梯度及由它引起的彎曲變形減小。
　　在物體受熱后，同樣的熱量引起的物體溫度變化還與它的熱容量有關(guān)。熱容量越大，溫度變化越慢。由于結(jié)構(gòu)上的需要，如果測量機(jī)橋體的兩根梁一根是實(shí)心，另一根是空心，那么在外界溫度作同樣的變化時(shí)，一般地說（當(dāng)外界對這兩根梁的熱傳遞情況相同時(shí)），空心梁的溫度變化較快。這也是形成溫度梯度的原因之一。為了減小熱誤差，測量機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能對稱。