三坐标测量机热特性分析及改善对策

19910124曼

三坐标测量机热特性分析及改善对策
6 E+ j7 [1 H+ B- N3 S/ z三坐标测量机的结构材料对其测量精度、性能有很大影响，随着各种新型材料的研究、开发和应用，三坐标测量机的结构材料也越来越多，性能也越来越好。常见的结构材料主要有以下一些。
　　一、铸铁
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6 m7 b+ l  Z& D* K9 n: G　　铸铁是应用较为普遍的一种材料，主要用于底座、滑动与滚动导轨、立柱、支架、床身等。它的优点是变形小、耐磨性好、易于加工、成本较低、线膨胀系数与多数被测件（钢件）接近，是早期三坐标测量机广泛使用的材料。至今在有些测量机上仍主要用铸铁材料。但铸铁也有缺点：易受腐蚀，耐磨性低于花岗石，强度不高。目前铸铁主要用在划线机等测量机上。现在越来越多地为其它材料（如钢板焊件、花岗石）代替。但也有些公司，如瑞士的SIP公司认为铸铁是较为理想的基座材料，它的线膨胀系数与钢接近，在整个机器结构中只采用铁金属材料可避免复杂变形；铸件可经过较长时间的自然时效，有利于保持长期稳定性。
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　　二、钢
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　　钢主要用于外壳、支架等结构，有的测量机底座也采用钢。一般采用低碳钢，而且必须要进行热处理。钢的优点是刚性和强度好。它的缺点是容易变形，这是因为钢在加工之后，内部的残余应力释放导致变形。
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　　钢材料的又一优点是可用焊接件。在80年代初期焊接件成功地应用于测量机及机器人。与铸铁件相比较，焊接件有以下地优点。
　　
　　1、焊接构件经过充分地人工时效后可获得较高的稳定性。
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$ k1 P" X# Y) K0 J  N& y6 {0 N　　2、能获得较高刚度，设计的灵活性比铸件要好，钢构件比铸铁轻。更为突出的是，在许可条件下，可以焊接出空腔甚至多腔结构的封闭型高强度薄壳零件。在这方面，铸件是难以达到的。
　　
+ i( I" C  N. ?: ?9 q4 f. ~+ J4 d　　3、焊接件的尺寸可以得到很好的控制。成批生产条件下，靠夹具保证焊接件的尺寸；在单件或小批量生产时则靠工人的技术掌握。目前可以将误差控制在±1mm以内，因此在外形设计和加工余量上都可以得到控制。
　　
) C+ P4 V7 C3 }  R2 p　　当然，焊接件质量的优劣在很大程度上依赖于配套设备的性能。如专用的夹具、弯板以及自动焊接设备等。目前，采用这种构件的厂家有中国航空精密研究所等，其产品的代号为SZC-1065、SZC-654及IOTA。国外也有许多制造商将焊接结构应用到三坐标测量机中，如意大利DEA公司的 BETA，DELTA，LAMBDA。
　　三、花岗石
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) q) Z* q! Z3 `7 }' S2 V: `% S　　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，易于作平面加工，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。目前许多三坐标测量机采用这种材料。如Leitz和Zeiss三坐标测量机，大部分采用花岗石材料。国内具有代表性的有青岛前哨公司的ZC系列全花岗石固定桥式高精度三坐标测量机。它的基座、工作台、桥框、各轴导轨、Z轴等全用花岗岩制造。花岗石可用于作工作台、角尺、立柱、横梁、导轨、支架、壳体等。由于花岗石的热膨胀系数小，很适合与气浮导轨配合。
　　
& E: N6 ~$ J. h6 l& u; ~. D& x　　花岗石也存在不少缺点，主要是：虽然可以用粘贴的方法制成空心结构，但较麻烦；实心结构质量大，不易加工，特别是螺钉孔和光孔难以加工，不能将磁力表架吸附到其上，造价高于铸铁；花岗石材质较脆，粗加工时容易崩边；遇水会产生微量变形。使用中应注意防水防潮，禁止用混水的清洗剂擦拭花岗石表面，也应防止静压气体中的水分对导轨的影响。
　　
$ J: N/ z! f( k　　某些产地的花岗石弹性模量（例如泰山青）与铸铁相近，比较如下：
　　
# K  M8 G0 O. Z+ s. E6 A　　一般灰口铸铁：（1.15～1.60）×105·Mpa
　　
) t: v: _6 H" g2 @　　泰山青花岗石：1.28×105·Mpa
　　
　　不同产地的花岗石差异较大，一般的花岗石弹性模量为（0.5～0.6）×105·Mpa。
　　
+ M# x9 d- B4 D; W: ~5 ?　　四、陶瓷
　　
　　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（密度约为3g/cm3）、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。目前德国Zeiss公司、英国LK公司、日本东京精密公司的一些三坐标测量机采用陶瓷材料。
　　
- T  y* f7 ~1 _1 b. v- P! ]. a　　五、铝
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& d1 T2 i9 W0 p) h2 J　　三坐标测量机主要是使用高强度铝合金。这是近几年发展最快的新型材料。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。
　　
, M3 ?3 y; ]% N" V/ T6 }- l　　近年来，各国不断推出新型材料应用于三坐标测量机。美国推出的6000号铝合金，各项性能都较好。这种材料的最大特点是不易变形，是理想的导轨材料。目前美国Brown&Sharp和德国Zeiss采用了这种材料，因此桥框质量减小，变形也减小，适用于快速测量。在德国Zeiss的产品 UMC850中，轴和轴的导轨采用了最新研制的合金材料CARAT（带陶瓷涂层的抗时效铝合金），由于其导热系数大、温度梯度小，所以不易产生复杂热变形。为减小其伸缩变形，在测量机外部加隔温罩，而且在导轨的右平板上下两面装有若干个温度传感器，在检测出温度变化后即由计算机对由于线膨胀而产生的热变形进行补偿。
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　　总之，三坐标测量机结构材料的发展经历了由金属到陶瓷、花岗石，再由这些自然材料发展到铝合金的过程。现在，各种合成材料的研究也在深入进行，德国Zeiss、英国LK及Tarus公司均开始采用碳素纤维作结构件。随着对精度要求的不断提高，对材料性能要求也越来越高。可以看出，三坐标测量机的材料向着轻便、变形小、易加工的方向发展。