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测量环境和温度对三坐标测量机的影响及问题处理

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  【摘要】:本文提出了精密测量中环境和温度对测量活动的影响及处理温度误差的方法
  【关键词】:测量机使用环境要求 测量机温度补偿 克服温度误差对精密加工的影响
  三坐标测量机需要日常保养的是传动系统和气路系统的部件,保养的频率应该根据测量机所处的环境决定。一般在环境比较好的精测间中的测量机,我们每三个月进行一次常规保养,如果用户的使用环境中灰尘比较多,测量间的温度湿度不能完全满足测量机使用环境要求,那应该每月进行一次常规保养,对测量机的常规保养,应了解影响测量机的因素:
  1.压缩空气对测量机的影响
  (1).要选择合适的空压机,最好另有储气罐,使空压机工作寿命长,压力稳定。
  (2).空压机的启动压力一定要大于工作压力。
  (3).开机时,要先打开空压机,然后接通电源。
  2. 油和水对测量机的影响
  由于压缩空气对测量机的正常工作起着非常重要的作用,所以对气路的维修和保养非常重要。其中有以下主要项目:
  每天使用测量机前检查管道和过滤器,放出过滤器内及空压机或储气罐的水和油。
  每天都要擦拭导轨油污和灰尘,保持气浮导轨的正常工作状态。
  3. 对测量机导轨的保护要养成良好的工作习惯。
  当我们在使用测量机时要尽量保持测量机房的环境温度与检定时一致。另外电气设备、计算机、人员都是热源。在设备安装时要做好规划,使电气设备、计算机等与测量机有一定的距离。测量机房加强管理不要有多余人员停留。高精度的测量机使用环境的管理更应该严格。
  4. 空调的风向对测量机温度的影响
  测量机房的空调应尽量选择变频空调。变频空调最主要的是控温能力强。在正常容量的情况下,控温可在±1℃范围内。
  由于空调器吹出风的温度不是20℃,因此决不能让风直接吹到测量机上。有时为防止风吹到测量机上而把风向转向墙壁或一侧,结果出现机房内一边热一边凉,温差非常大的情况。
  空调器的安装应有规划,应让风吹到室内的主要位置,风向向上形成大循环,尽量使室内温度均衡。
  5. 空调的开关时间对机房温度的影响
  一般我们每天早晨上班时打开空调,晚上下班再关闭空调。待机房温度稳定大约4小时后,测量机精度才能稳定。这种工作方式严重影响测量机的使用效率,在冬夏季节精度会很难保证。对测量机正常稳定也会有很大影响。
  6. 机房结构对机房温度的影响
  由于测量机房要求恒温,所以机房要有保温措施。如有窗户要采用双层窗,并避免有阳光照射。门口要尽量采用过渡间,减少温度散失。机房的空调选择要与房间相当,机房过大或过小都会对温度控制造成困难。
  在南方湿度较大的地区或北方的夏天或雨季,当正在制冷的空调突然被关闭后,空气中的水汽会很快凝结在温度相对比较低的测量机导轨和部件上,会使测量机的气浮块和某些部件严重锈蚀,影响测量机寿命。而计算机和控制系统的电路板会因湿度过大出现腐蚀或造成短路。如果湿度过小,会严重影响花岗石的吸水性,可能造成花岗石变形。灰尘和静电会对控制系统造成危害。所以机房的湿度并不是无关紧要的,要尽量控制在60%±5%的范围内。空气湿度大、测量机房密封性不好是造成机房湿度大的主要原因。在湿度比较大地区机房的密封性要求好一些,必要时增加除湿机。
  7. 防止“假期综合症”
  解决的办法就是改变管理方式,将“放假前打扫卫生”改为“上班时打扫卫生”,而且要打开空调和除湿机清除水分。要定期清洁计算机和控制系统中的灰尘,减少或避免因此而造成的故障隐患。
  热胀冷缩的常识大家都知道,但是要克服温度误差对精密加工的影响,必须对温 度误差的特性有充分的了解,并在生产及测量过程中采取适当措施加以控制,才能保证生产 合格的产品。
  下面,将简单分析温度与尺寸的线性关系,重点介绍几种根据测量实践经验总结出的处 理温度误差的方法。
  温度与线性尺寸的关系
  由于绝大部分工件都有热胀冷缩的特点,其形状及大小均会随温度变化而发生变化,具 体变化量主要取决于:
  (1)工件结构及尺寸
  (2)温度变化量
  (3)材质膨胀系数的差异
  这些因素,对形位公差要求测量的影响是较为复杂的,不同测量要求对以上因素的侧重 点是不一样的,如孔径较多的需要考虑材质,而位置度则可能更多需要考虑结构和尺寸等, 具体问题具体分析。为了描述方便,本文仅选取常见、受温度误差影响明显的长度尺寸 与温度与之间的线性关系来介绍。
  据科学研究结果,长度与温度之间的关系可以用如下函数式表示:
  △L=La(t-20) (关系式 1)
  式中各代码含义:
  △L――尺寸变化量 L――物体尺寸 a――物体线胀系数(1/℃) t――物体温度(℃)
  以上关系式仅能反映工件与温度之间的关系,而在我们要对工件进行测量时,还需要考虑到量具三坐标测量机的温度。三坐标测量机的温度使用要求是 20±2℃,如果未能准确恒定控制在标准温度 20℃,严格来说还需要考虑量具带来的温度误差。由此,测量过程中,工件、量具与温度之间的关系表达式变为:
  △L=L[a1(t1-20)-a2(t2-20)]
  (关系式 2) 式中各代码含义: △L――由于温度变化引起的测量误差量 L――工件尺寸 a1,a2――工件和量具材料的线胀系数(1/℃) t1,t2――工件和量具的温度(℃)
  以上关系式 仅是在标准材料样本上研究得出的理论关系,由于线 胀系数对不同结构的工件,产生的影响会略有差异,而我们工作中要测的工件往往不像研究 样本的结构那样规则,形状万千,所以在实际应用时,还需要根据此理论关系,对具体结构 工件作具体试验,得出的数值才更准确更有参考价值。   由以上理论关系表明,要想减少温度误差对测量的影响,除了被测工件要恒温,测量室 恒温的控制也是很有必要的。当测量室要想达到计量或者更高精度级别,那么恒定精准控制 在标准温度 20℃是很重要的。
  温度误差的处理
  在生产、测量的过程中,满足工件足够恒温所需要的时间与紧迫的交货期通常会发生冲 突,如何实现既可以快速完成测量,又可以保证测量精度,是大家所追求的。下面介绍三种 解决温度误差的处理方法。
  (1)恒温车间加工,恒温室检测
  恒温加工,恒温检测,是保证零件精度可靠的办法。
  从关系式 2 可以看出,当工件和量具温度同为 20℃时,则两者温差为零,测量误差△L 为零。
  建立恒温车间,在标准温度 20℃恒温条件下加工,省略了工件测量前恒温这道工序, 使测量既准确又快捷,相信很多有条件的企业,都已采用这种方法。同时,作为严谨的测量人员,对工件恒温检测这个条件应该也早有认识并在实际中遵循执行。
  在工件未恒温检测出来的结果直接读数使用,除非碰到 t1=20℃, 否则是错误的!亦即是工件温度 t1 偏离 20℃越大,测量误差值△L 就会越大。通常在夏天, t1>20℃,△L 值为正值,根据 L 测=L 实+△L(关系式 3),即实际尺寸 L 实会比测量值 L 测 读数小;而在冬天,t1<20℃时,则△L 值为负值,即实际尺寸会比测量值读数大。
  (2)样件对比检测
  当不具备恒温车间,我们运用样件对比法解决常温加工问题,即在常温车间实现接近恒温车间的精度保 证效果。这里所提的精度要求公差等级好在 IT7 内,对更高的精度要求不适用。
  样件对比法,即选取与待加工零件相同的已测量合格的样件,与待加工毛坯放置在一起, 使毛坯与样件处于相同的温度状态,在调机生产首件前,先检测样件的尺寸状态,再计算样 件测量结果与实际尺寸之差,把这个差值补偿到机床参数中。其中的这个样件,就相当于一个标准规的作用。
  根据关系式 3:L 测=L 实+△L,如果已知 L 实,那么通过测量样件测出 L 测,就可求△L, 再把△L 值补偿到机床主轴参数中去,相当于手动去添加一个温度补偿,一定程度上也可以 解决温度误差问题。
  这种方法要注意的事项是,测量的时间要尽量快,以减少工件在恒温室的恒温效果。当 然,从关系式 2 可以看出,这种操作实际上还是存在误差的,只是这个误差是较小的,在精 度要求不是特别高的、零件尺寸不是很大的情况下一般是可以接受的。
  (3)测量机温度补偿
  现在大部分测量机具有温度补偿功能,其原理与上述样件对比法差不多,都是对温度误 差△L 作一个修正处理。只是测量机温度补偿在测量软件 PC-DMIS 里作好了设置好参数后, 省却手工去计算,后面操作的自动化程度更高。
  这种方法补偿的只是一个理论值,对结构不规则或者尺寸比较大的工件误 差偏大。温度探头读到的只是工件表面的温度,如果工件实际温度与标准温度相差 较远,因反差较大工件受测量室恒温的变化就会越大,工件芯部与外部的温差也就越大,这 种复杂的温度条件,工件尺寸的变化就会更加不规则。
  上述三种方法操作各有不同,测量结果精度也不一样。我们可以根据自身内部的硬度 及软件条件不同或者产品精度要求的差异而选择适合自己的方法。
  结束语
  随着飞机装备制造业的发展,检测设备已经较普及。 但是,有了好设备不一定就代表着能加工出好的产品,关键还得靠管理。我们要善于结合理论及实践的经验,及时优化测量作业,才能不断从零件质量方面提高自身的竞争力。
  参考文献:
  [1] 佚名. 温度对测量的影响 . 中国机械网
  [2] 于波 《关于三坐标测量机温度误差修正技术的研究》
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