溫度因素對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果的影響

1、溫度因素對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果的影響三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種高精度的測(cè)量設(shè)備,其測(cè)量過(guò)程對(duì)溫度非常敏感.本文通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)分別在合格及 不合格溫度狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)球?qū)嶒?yàn)和量塊實(shí)驗(yàn),并對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果進(jìn)行比較分析，探討溫度對(duì)于三坐標(biāo)測(cè) 量結(jié)果的影響.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種高精度的測(cè)量設(shè)備，其測(cè)量過(guò)程對(duì)溫度非常敏感。本文通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)分別在合格 及不合格溫度狀態(tài)下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)球?qū)嶒?yàn)和量塊實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果進(jìn)行比較分析，探討溫度對(duì)于三坐 標(biāo)測(cè)量結(jié)果的影響。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本原理是將被測(cè)零件存入它允許的測(cè)量空間范圍內(nèi)，精確地測(cè)出被測(cè)零件表面的點(diǎn)在空 間三個(gè)坐標(biāo)位置的數(shù)值，將這些點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)值經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理，擬合形成

2、測(cè)量元素。作為一種計(jì)量溯源的設(shè)備，其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性、真實(shí)性至關(guān)重要。我們知道溫度對(duì)于精密測(cè)量的影響非 常之大，那么到底溫度對(duì)于精密測(cè)量的影響有哪些呢？我們將通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)進(jìn)行分析。本次實(shí)驗(yàn)采用海克斯康Leitz Reference Xi 15.9.7三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（見(jiàn)圖1），序列號(hào)為325,該三坐標(biāo)于2013年10月由安徽省計(jì)量院完成標(biāo)定，各項(xiàng)指標(biāo)均合格，可以認(rèn)為，該三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)滿足實(shí)驗(yàn)要求。用到的量 塊為304所制造的三等量塊，出廠序列號(hào)為11052&01049，該量塊由江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院檢定，可以認(rèn) 為，該量塊各項(xiàng)指標(biāo)均滿足實(shí)驗(yàn)要求。圖1?？怂箍礚盤(pán)Reference Xi 15.9.

3、7測(cè)景機(jī)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)溫度的要求Leitz Reference Xi 15.9.7測(cè)量機(jī)最大允許探測(cè)誤差（MPEp）為1.2um，最大允許掃描探測(cè)誤差（MPEthp）為2.2/45um/s，如此高精度的設(shè)備，決定了它對(duì)溫度的要求非?？量?。該三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)環(huán)境溫度的要求 如表1所示。從表1可以看出，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)溫度的要求，不是單一對(duì)溫度范圍有要求，它還要求了時(shí)間溫度梯度及 空間溫度梯度。只有三者都滿足規(guī)定，才能保證三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。表1精密泗量間溶度要求要求畚數(shù)房間溫度 18 22 C溫度梯度（時(shí)間） 1 c巾溫度梯度（時(shí)間1 C /24h溫度梯度（空間ir/m溫度范圍要求三坐標(biāo)測(cè)

4、量機(jī)的正常工作溫度是（202）C，三坐標(biāo)的長(zhǎng)度基準(zhǔn)-光柵尺是在20C時(shí)修正的，三坐標(biāo)測(cè)量 機(jī)也是在這個(gè)溫度下裝配調(diào)試的，所以使用時(shí)，要求精密測(cè)量間溫度必須滿足（202）C。溫度可以說(shuō)是 影響測(cè)量機(jī)精度的最主要因素，當(dāng)我們?cè)谑褂脺y(cè)量機(jī)時(shí)要盡量保持精密測(cè)量間的環(huán)境溫度與檢定時(shí)一致。時(shí)間溫度梯度時(shí)間溫度梯度指的是在精密測(cè)量間的同一個(gè)位置處，在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)所測(cè)量的所有溫度值的極差。實(shí) 驗(yàn)所用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)要求時(shí)間溫度梯度為1C/24h，就是說(shuō)要求精密測(cè)量間測(cè)量范圍內(nèi)的任何一點(diǎn)，24h 內(nèi)監(jiān)控到的所有溫度值的極差值要不大于1C。這就要求精密測(cè)量間在全天24h都要保證溫度恒定?？臻g溫度梯度空間溫度梯度指

5、的是在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，在規(guī)定的距離范圍內(nèi)所測(cè)量的所有溫度值與選定點(diǎn)溫度值的差值。 本文中所要求的空間溫度梯度為1C/m，相當(dāng)于選定測(cè)量范圍內(nèi)任何一點(diǎn)，以該點(diǎn)為球心，以1m為半徑 做一個(gè)球，球體內(nèi)的任何一點(diǎn)與球心處的溫度差值不大于1C。這就要求精密測(cè)量間溫度不僅要在時(shí)間上 恒定，在空間范圍內(nèi)也要恒定。溫度范圍對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果的影響三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)正常工作的溫度范圍是（202）C，但很多情況下精密測(cè)量間的溫度并不能保證在正常的溫 度范圍內(nèi)，那么如果溫度范圍超差，會(huì)對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果造成什么影響呢？下面我們將通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)球標(biāo)定實(shí) 驗(yàn)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)中，我們將分別在17.5C、19C和22.5C三個(gè)溫度下，進(jìn)行MP

6、Ep、MPEthp值測(cè)量。MPEp測(cè)量數(shù)據(jù) 和MPEthp測(cè)量數(shù)據(jù)如表2、表3所示。從MPEp和MPEthe測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出來(lái)，不同的溫度下，得到的探測(cè)誤差和掃描誤差是不同的；也就是 說(shuō)，在不同的溫度情況下，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量能力是不一樣的。當(dāng)溫度滿足測(cè)量要求時(shí)，探測(cè)誤差合格，當(dāng)溫度不滿足測(cè)量要求時(shí)，在進(jìn)行多次測(cè)試時(shí)，探測(cè)誤差或者不 合格，或者有時(shí)合格有時(shí)不合格，穩(wěn)定性差，不具備進(jìn)行正常測(cè)量的能力。和探測(cè)誤差相比，掃描探測(cè)誤差還受到測(cè)量時(shí)間的影響。當(dāng)溫度滿足測(cè)量要求時(shí)，掃描探測(cè)誤差合格，測(cè) 量時(shí)間滿足要求。當(dāng)溫度不滿足測(cè)量要求時(shí)，掃描探測(cè)誤差也合格，但是測(cè)量時(shí)間超差。對(duì)于掃描探測(cè)誤 差而言，掃

7、描時(shí)間是一個(gè)非常重要的數(shù)值；可以看出，溫度對(duì)于掃描探測(cè)誤差的影響，主要是通過(guò)影響測(cè) 量時(shí)間來(lái)體現(xiàn)的。當(dāng)溫度不滿足要求時(shí)，掃描時(shí)間超差，此時(shí)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)不具備進(jìn)行正常掃描的能力。 溫度不達(dá)標(biāo)時(shí)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)不具備正常測(cè)量的能力，做量塊標(biāo)定實(shí)驗(yàn)沒(méi)有意義，本文在此不做介紹。表4對(duì)5個(gè)量塊進(jìn)行測(cè)量得到的修正值及允許誤差對(duì)比量塊編號(hào)塊規(guī)名火值/mm修正值/1-110允并誤差/叩QW920 (W00113060066200000 013070107500 000 0I 226090008500.000 0京350BOO971000.000 0014 1時(shí)間溫度梯度對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果的影響三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)不僅受到

8、溫度范圍的影響，也受到時(shí)間溫度梯度的影響。那么時(shí)間溫度梯度對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量結(jié) 果的影響到底有多大呢？為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，我們選取的溫度均滿足1822C,排除溫度范圍超差對(duì)結(jié) 果的影響。在做量塊實(shí)驗(yàn)時(shí)，將量塊水平地放置在大理石平臺(tái)上，避免由于高度差造成的空間溫度梯度影 響。實(shí)驗(yàn)時(shí)監(jiān)控到的溫度曲線如圖2所示。圖2曲線所顯示的溫度范圍是18.621.2C，滿足三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)正常使用的要求。實(shí)驗(yàn)中，我們節(jié)選兩個(gè) 較為穩(wěn)定的溫度段，分別是上午10點(diǎn)，溫度為21C；下午4點(diǎn)，溫度為19.7C。從圖2中可以看出，在 這兩個(gè)時(shí)間范圍的溫度是穩(wěn)定的，在這樣的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以充分地反映時(shí)間溫度梯度對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量 結(jié)果

9、的影響。實(shí)驗(yàn)所用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的最大允許示值誤差MPEe為(1.2+L/350) mm，選取5塊量塊進(jìn)行測(cè)量，分別為 20mm、200mm、500mm、800mm和1000mm。量塊的修正值及允許誤差如表4所示。實(shí)驗(yàn)中，我們將分別在21C和19.7C對(duì)5塊量塊進(jìn)行測(cè)量，每一塊量塊進(jìn)行三次測(cè)量。根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)可 以得出，在19.7C和21C進(jìn)行量塊測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果均合格，但是21C下量塊的最大偏差要大于在19.7C 下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。并且，在21C溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)于每一塊量塊所測(cè)量的數(shù)值都要略微的大于在19.7C 下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的數(shù)值。量塊是由金屬材料制作而成，對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，都符合熱脹冷縮的原理

10、，當(dāng)溫度升高時(shí)，量塊要有適當(dāng) 的伸長(zhǎng)，所以在21C下進(jìn)行量塊測(cè)量，測(cè)量出來(lái)的數(shù)值，要略微的高于在19.7C下進(jìn)行測(cè)量的數(shù)值。表5空間溫度禰度量塊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（單位；mm）修正值實(shí)測(cè)1實(shí)測(cè)2突測(cè)3聶大誤差充許誤差2Q.00Q00.119 999 9820 000 2320.000 230213200.000 001199 999 34199 99926199 999 34081.84MOOOQ0 5400.0Q211400.001 S8400 001 9Q1 52.6500.000012500.002 80500.00350500 003 002.33 56CM.DOOO1.7600.005 016

11、00.00532600.004203641表6 4數(shù)值統(tǒng)計(jì)（單位:mm）量塊20000200一 000400-00G500.000600.000最大誤差0.2000.TO1 5002 3003頗允評(píng)誤羞1.3Wt 600；*就馳值C.1&40.4440.5770 657O87S三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的正常工作溫度是（202）C，光柵尺是在20C時(shí)修正的，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)也是在這個(gè)溫度 下裝配調(diào)試的，所以在使用時(shí)，溫度越接近20C,測(cè)量結(jié)果越理想。相對(duì)于21C, 19.7C偏離20C更小， 所以在19.7C溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量所得的結(jié)果更理想。從實(shí)驗(yàn)中可以看出，當(dāng)溫度偏離20C越大時(shí)，測(cè)量的誤差也就越大，換言

12、之，當(dāng)時(shí)間溫度梯度越大時(shí)，測(cè) 量出來(lái)的結(jié)果偏差也就越大，這對(duì)于需要連續(xù)測(cè)量，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的測(cè)量?jī)?nèi)容來(lái)說(shuō)，影響是非常大的。如 在進(jìn)行機(jī)床能力驗(yàn)收時(shí)，要進(jìn)行Cmk件測(cè)量，這就需要連續(xù)測(cè)量50個(gè)工件，用來(lái)分析機(jī)床的加工能力。 如果每個(gè)工件的測(cè)量時(shí)間為1h，50個(gè)工件需要連續(xù)測(cè)量50h，當(dāng)時(shí)間溫度梯度超過(guò)1C/24h時(shí)，那么由 于時(shí)間溫度梯度造成的測(cè)量誤差，就會(huì)對(duì)后面的統(tǒng)計(jì)分析造成很大的影響?？臻g溫度梯度的影響三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)除了受到溫度范圍及時(shí)間溫度梯度的影響，還受到了空間溫度梯度的影響。那么空間溫度梯 度究竟是如何影響三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果的呢？同樣，我們通過(guò)量塊實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證空間溫度梯度對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量結(jié) 果的影

13、響。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，我們所選取的溫度均滿足1822C，排除溫度范圍超差對(duì)結(jié)果的影響，在進(jìn)行量塊 實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們將量塊豎起來(lái)進(jìn)行測(cè)量，我們所選用的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)Z軸向的量程為700mm，在選取量塊時(shí)， 選用 20mm、200mm、400mm、500mm 和 600mm 量塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在測(cè)量前對(duì)精密測(cè)量間環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)控，測(cè)量結(jié)果為：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)大理石平臺(tái)溫度19.5C，橫梁處溫 度20.3C。橫梁距離大理石平臺(tái)約900mm，故此時(shí)的空間溫度梯度為（20.319.5）/0.9=0.89C/m。在 上述溫度環(huán)境下，我們進(jìn)行量塊的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果如表5所示。定義一個(gè)新的變量中：中=最大誤差/允許誤差

14、對(duì)于不同的量塊，允許誤差并不相同，長(zhǎng)度越長(zhǎng)允許誤差越大，單純地比較最大誤差，并不能正確地反映 測(cè)量結(jié)果，用最大誤差除以允許誤差，可以很好地解決這一問(wèn)題。我們可以認(rèn)為中數(shù)值是空間溫度梯度對(duì) 測(cè)量結(jié)果影響的一個(gè)數(shù)值，其數(shù)值的大小，反映了測(cè)量受溫度梯度影響的大小，中數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表6所 示。從上述數(shù)值可以看出，隨著量塊長(zhǎng)度增加，允許誤差在增大，最大誤差在增大，本文所定義的牛數(shù)值也在 增大。豎直方向上長(zhǎng)度越長(zhǎng)，空間溫度變化越大，測(cè)量結(jié)果受空間溫度梯度的影響也越大。對(duì)于豎直方向 尺寸比較大的工件，測(cè)量的結(jié)果受空間梯度的影響就無(wú)法忽略了。結(jié)語(yǔ)通過(guò)上述分析可以清楚地看到，溫度因素對(duì)于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的正常使用，

15、影響是非常大的。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 是一種非常精密測(cè)量設(shè)備，如果沒(méi)有提供相應(yīng)的精密測(cè)量間，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)也是無(wú)法發(fā)揮其作用的?？偨Y(jié)起來(lái)，溫度因素對(duì)于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的正常使用，有以下幾個(gè)方面的影響：溫度范圍在1822C以外時(shí)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的探測(cè)誤差及掃描探測(cè)誤差無(wú)法標(biāo)定合格，不具備使用條件， 所測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)不能被認(rèn)可，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的使用就失去了其測(cè)量意義。時(shí)間溫度梯度不滿足要求時(shí)，不同時(shí)間段所測(cè)量的數(shù)據(jù)偏差很大。當(dāng)遇到需要測(cè)量多個(gè)工件，進(jìn)行數(shù)理 統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，由于時(shí)間溫度梯度所造成的測(cè)量偏差，會(huì)直接影響到最終統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果。比如說(shuō)，在進(jìn)行 機(jī)床能力驗(yàn)收，需要做Cmk時(shí)，如果時(shí)間溫度梯度很差，測(cè)出來(lái)的Cmk值往往也是不