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  • 如何根據不同的測量系統選定適合的測量機材料

    測量機同其他精密測量儀器一樣,其使用的材料并沒有絕對的優劣之分。只有充分了解測量機的使用環境、測量效率要求和各種材料的物理特性,結合優秀的結構設計和測量機系統設計,方能科學地進行材料的選擇并將材料的物理特性充分發揮出來以滿足測量的要求。

    本文通過對不同材料在溫度特性、運動特性以及工藝特性三個方面進行分析的基礎上,提出針對不同精度、使用環境、測量效率要求的測量機適合的材料,從而為正確的選用提供科學依據。

    一、與測量機材料選擇相關的參數:

    1. 溫度特性:

    測量機做為一種高精度的計量設備,為保持其持續的高精度,需要針對安裝環境的溫度變化進行適當的應對或補償,這其中,構成測量機各主要部件材料的溫度特性就成為一項非常重要的指標。

    評定材料的溫度特性,我們主要從熱膨脹系數、熱導率、熱膨脹系數/熱導率三個主要參數進行分析,下表通過測量機常用的幾種材料,包括鋁合金、陶瓷、花崗巖與鋼說明各參數之間的相互關系:

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    通過以上材料溫度特性和相關的說明,我們不難看出:

    • 對于通用型測量機,機器需要在相對寬松的溫度條件下保持較高的精度(基本要求在正負2度,但很多機器可以工作在更寬的溫度環境中)。這種情況下,往往溫度的變化和不均勻性帶來的影響(通過局部和累積變形)遠大于材料均勻膨脹所帶來的影響。材料熱膨脹系數帶來的簡單膨脹可以被溫度補償技術很有效地補償掉,但局部和累積的材料變形的補償是非常困難并難以精確補償的。因此對通用型測量機,在確保膨脹系數/熱導比的前提下,應當更側重于材料的熱導率,加之后面我們要討論到的運行特性和工藝特性,鋁合金是目前業界所能經濟使用的最好的材料。
    • 對于坐落于非常良好的溫度環境內的高精度機器,機器更強調精度,并為達到超高精度而采用較為昂貴的手段保證很高的溫度環境要求(如要求保證0.5度左右)和盡量小的單位膨脹率。因此在材料的選擇上應當在采用較低的膨脹系數/熱導比材料的前提下,更多地側重于材料的熱膨脹系數(較好的材料如花崗巖,陶瓷)。
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    2. 運動特性:

    不斷致力于提高效率是現代制造業的一個最為顯著的特征,同時測量系統被廣泛應用在車間現場,要求更快的為制造流程提供實時的測量反饋,因此,測量系統的運動性能不僅能夠通過提供更加平穩順暢的運動特性而提升測量的精度和重復性,同時還可以提供更高的測量速度和效率。測量系統的運動特性是在精度之外另外一項需要關注的指標。材料密度和剛性(彈性模量MPa)是反映測量系統運動特性的兩項重要指標),下表列出了測量機使用的主要材料相關指標與分析:

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    根據上述分析,我們可以得出以下結論:

    • 在補償技術被坐標測量機普遍應用以后,剛性就已經不在是參考材料特性的最重要指標,因為材料的靜態變形和低速度/加速度情況下的變形補償已經成為各主流坐標測量機廠商的標準手段。最為復雜的剛性-變形情況來自與機器以較高速度/加速度運行時產生的變形和運動控制誤差(由機器,傳動,控制系統等構成的運動位置環)。這種情況下運動部分的重量(反映在材料密度特性)顯得極為重要,它對系統精度的影響不是簡單倍數而是級數關系。
    • 對于通用型測量機,在用戶利益最大化的設計思路指導下,機器需要在保證較高精度的同時追求更高效率。因此在材料的選擇上應當在較高剛性/密度比的前提下,更多地側重于材料的輕密度,并通過優化結構設計來減小運動部分的質量。在這種情況下,鋁合金的優勢又更明顯地體現出來。這也是為什么同樣精度的機器,一些公司的機器可以更高效率運行,另一些公司卻只能緩慢測量。效率低意味著要投入更多的資金購買測量設備并付出更多的人工和更長的資源占用時間。
    • 對于高精度測量機(精度要求1微米以內),機器更強調更多的是精度而不是速度。因此在材料選擇上往往在較高的剛性/密度比的前提下,更多地側重于材料本身的剛性,或通過增加材料的尺寸來提高整體剛性。兩種都是業界采用的有效方法。

    3. 材料的制造工藝性和彈性:

    隨著坐標測量機的需求量的日益擴大,要求測量機的制造和生產從原來的單件生產模式轉化為更具效率的批量生產,從而產品的品質更加穩定、制造效率更高,從而為客戶提供具有更好性價比的測量產品。在這種背景下,測量機主要部件材料的制造工藝性成為測量機廠商需要重點考慮的指標。

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    鋁合金是通用型測量機極佳的材料:

    • 一般來說,除非部分核心設計或制造技術無法突破或缺乏加工手段(在合理成本下),否則測量機的設計師應當在綜合平衡其他材料特性后選用制造工藝性更好的材料。
    • 鋁合金是一種很好的綜合性能材料并且具有非常好的制造工藝性,是通用性測量機的極佳材料。但一些實力比較弱或者技術相對落后的測量機廠商并沒有掌握大尺寸鋁合金橫梁的材料成型與高精度加工技術,從而不得不放棄采用鋁合金材料或只能局部使用。實際上,因為測量機使用鋁合金材料具有顯著優點,有許多聲稱使用其他材料的廠商實際上還是在自身技術能力所及的地方使用鋁合金,如:Z軸,滑架,左右腿等(這些零件的制造加工技術比起橫梁來相對容易);技術落后的廠商甚至連鋁合金Z軸的制造技術都無法突破。

    二、如何選擇適合的測量機材料:

    在以上綜合分析測量機上主要采用的材料(鋁合金、陶瓷、花崗石、鋼)在溫度特性、動態特性以及工藝特性的方面的相關參數的基礎上,考慮到測量機當今制造業中的使用特點、使用環境、精度以及效率要求,我們不難看出:

    1. 通用型和車間型測量機:

    此類測量機在保證較高精度的情況下,對測量的效率也有較高的要求,其所在的工作環境一般。綜合而言,鋁合金是設計此類測量機非常理想的材料。

    具體說明如下:

    1.1在環境溫度變化的情況下,由于外界溫度變化較大,在兼顧膨脹系數/熱導比的情況下,需要采用熱導率更好的材料, 在這方面,鋁合金是最佳的材料。

    1.2在確保材料的剛性/密度比的同時,鋁合金密度小,在保證精度的情況下有助于提高測量機的動態性能,從而提高測量效率。尤其是鋁合金材料配以高精密三角梁的設計,充分挖掘了鋁合金這種理想材料的優良特性,是測量機設計的經典杰作。

    1.3 鋁合金材料易于實現材料的一致性,如Global即為全鋁框架,這樣的好處是溫度變化時,各部分的變形一致,容易補償。否則,如果機器的橫梁、滑架和Z軸采用不同的材料,則溫度變化時的膨脹量不同,導致機器膨脹變形扭曲,這種變形是非線性的,難以通過溫度補償解決。參見下圖所示:

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    下圖以??慫箍檔腉lobal測量機為例加以說明:

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    2. 高精度測量機

    此類測量機對精度的要求是第一位的,而對速度要求一般;由于價值高,一般配備專用的工作環境,環境較好。其移動部件的選材,需要兼顧密度和剛性;而對于固定部件,則對密度/剛性比的要求比較寬松,一般通過加大截面尺寸提高剛性,故固定部件的材料可選擇陶瓷或花崗石。

    三、結論:

    選定適合的測量機材料,需要綜合考慮材料的溫度特性、動態特性以及工藝特性,同時需要考慮測量機使用的場合、精度要求、效率要求等綜合因素。技術的創新是無止境的,要求測量機廠商需要融合最新的材料技術、加工技術、補償技術以及控制技術,采用適合客戶具體應用需要的測量機材料。