測(cè)量機(jī)的熱變形誤差分析
發(fā)布日期:2012-08-10 蘭生客服中心 瀏覽:6020
在用儀器測(cè)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(cè)量臂3、指零(測(cè)微)表4與被測(cè)工件5組成。這一模型對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)同樣適用,只是測(cè)量機(jī)的每一維測(cè)量構(gòu)成一個(gè)如圖1所示模型。指零(測(cè)微)表4對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來說,就是三維測(cè)頭。
如果儀器的溫度場(chǎng)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(cè)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(huì)產(chǎn)生復(fù)雜變形,如圖2所示。這時(shí)除了考慮由于被測(cè)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(cè)量臂3與指零(測(cè)微)表4隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。
一、測(cè)量機(jī)的簡單熱變形誤差
當(dāng)坐標(biāo)測(cè)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(cè)量誤差:
△l=l(ap △tp –as△ts ) (公式1)
式中 l——被測(cè)尺寸(mm);
ap 、as——被測(cè)件及標(biāo)尺的線膨脹系數(shù)(1/℃);
△tp 、△ts——被測(cè)件及標(biāo)尺相對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)件與標(biāo)尺溫度不同而引起。
若被測(cè)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(huì)產(chǎn)生測(cè)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(huì)影響測(cè)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(cè)量機(jī)的復(fù)雜熱力變形誤差
當(dāng)測(cè)量機(jī)存在溫度梯度,或者測(cè)量機(jī)各部分線膨脹系數(shù)不一樣時(shí),都會(huì)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(huì)帶來測(cè)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(duì)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(duì)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(huì)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(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,這種熱應(yīng)力往往會(huì)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(huì)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)量機(jī)工作中有許多內(nèi)部熱源與外部熱源。為了保持測(cè)量機(jī)溫度恒定,需要用適當(dāng)?shù)姆绞綄崃恳谱,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(cè)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(cè)量機(jī)上的熱量;另一方面要減小測(cè)量機(jī)內(nèi)部的熱阻。
精密測(cè)量室不應(yīng)有陽光照射,照明燈應(yīng)遠(yuǎn)離測(cè)量機(jī),調(diào)溫送風(fēng)也不應(yīng)直接對(duì)著測(cè)量機(jī)。對(duì)于高精度測(cè)量機(jī),除了整個(gè)測(cè)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(cè)量,不允許人體直接接近測(cè)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(cè)件也可能是一個(gè)熱源。被測(cè)件送入后,應(yīng)在測(cè)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(cè)量機(jī)上,均溫一段時(shí)間后測(cè)量。
對(duì)測(cè)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(cè)量機(jī)要盡可能避免或減小摩擦。測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)量機(jī)構(gòu)件的趨勢(shì)。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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能對(duì)稱。
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