如何选定适合的测量机材料

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前言：测量机同其他精密测量仪器一样，其使用的材料并没有绝对的优劣之分。只有充分了解测量机的使用环境、测量效率要求和各种材料的物理特性，结合优秀的结构设计和测量机系统设计，方能科学地进行材料的选择并将材料的物理特性充分发挥出来以满足测量的要求。
本文通过对不同材料在温度特性、运动特性以及工艺特性三个方面进行分析的基础上，提出针对不同精度、使用环境、测量效率要求的测量机适合的材料，从而为正确的选用提供科学依据。

一、与测量机材料选择相关的参数：

1. 温度特性：

　　测量机做为一种高精度的计量设备，为保持其持续的高精度，需要针对安装环境的温度变化进行适当的应对或补偿，这其中，构成测量机各主要部件材料的温度特性就成为一项非常重要的指标。

　　评定材料的温度特性，我们主要从热膨胀系数、热导率、热膨胀系数/热导率三个主要参数进行分析，下表通过测量机常用的几种材料，包括铝合金、陶瓷、花岗岩与钢说明各参数之间的相互关系：

评定指标	铝合金	陶瓷	花岗岩	钢	指标说明
热膨胀系数(e^-6/K)	23.2	8.2	7	14	材料的热膨胀系数衡量材料在温度变化时的变形量；值越大，则在同样的温度变化情况下，材料的延伸或收缩量越大。但众所周知，测量机温度膨胀补偿技术已经成熟了多年，均匀的材料膨胀所带来的误差是非常容易被补偿掉的。
热导率( W/m/K)	237	24.7	2.5	80	材料的热导率衡量材料对热能的传导速度，也可以被理解为材料在温度变化时，材料的整体达到温度平衡的快慢。该值越高，则材料越能快速实现热平衡，材料内部的温度差越小，局部的膨胀和变形差异越小，最终可使结构的弯曲变形导致的累积误差越小。热导率小的材料非常容易在材料内部形成复杂的局部变形，并最终累积成复杂的整体变形，这种变形是很难通过温度补偿来保证高精度的。参见图1和图2的说明
膨胀系数/热导比	0.10	0.33	2.80	0.18	材料的热膨胀系数和热导率之比是对测量机材料选择和结构设计非常重要的一个指标。它综合考察一种材料的热膨胀系数和热导率对测量机的共同影响。该参数越小，则温度变化产生的材料局部变形和累积变形越小，从而测量机越容易通过快速实时的温度补偿来达到更高的精度和稳定性。
膨胀系数/热导比	好	较好	一般	好

通过以上材料温度特性和相关的说明，我们不难看出:

◆对于通用型测量机，机器需要在相对宽松的温度条件下保持较高的精度（基本要求在正负2度，但很多机器可以工作在更宽的温度环境中）。这种情况下，往往温度的变化和不均匀性带来的影响（通过局部和累积变形）远大于材料均匀膨胀所带来的影响。材料热膨胀系数带来的简单膨胀可以被温度补偿技术很有效地补偿掉，但局部和累积的材料变形的补偿是非常困难并难以精确补偿的。因此对通用型测量机，在确保膨胀系数/热导比的前提下，应当更侧重于材料的热导率，加之后面我们要讨论到的运行特性和工艺特性，铝合金是目前业界所能经济使用的最好的材料。

◆对于坐落于非常良好的温度环境内的高精度机器，机器更强调精度，并为达到超高精度而采用较为昂贵的手段保证很高的温度环境要求（如要求保证0.5度左右）和尽量小的单位膨胀率。因此在材料的选择上应当在采用较低的膨胀系数/热导比材料的前提下，更多地侧重于材料的热膨胀系数（较好的材料如花岗岩，陶瓷）。

◆

图1：热导率示意图

说明：铝合金达到温度平衡所需的时间比陶瓷快10倍，比花岗岩快100倍

图2：热导率在温度变化时对材料的影响（假设热源在材料下方）

说明：铝合金的热导率高，可快速达到热平衡，故其热胀冷缩更接近线性，在环境温度变化时仍可保证最好的直线度和垂直度，容易补偿，适合通用型测量机（基本要求在正负2度，可在更宽的温度环境中工作）。

陶瓷和花岗岩由于热导率较差，在温度变化时局部温度变形复杂，带来复杂的局部和累积材料变形，难以充分补偿，只适合于环境温度控制较好的情况下使用（如要求保证0.5度），多用于高精度测量机。

2. 运动特性：

　　不断致力于提高效率是现代制造业的一个最为显著的特征，同时测量系统被广泛应用在车间现场，要求更快的为制造流程提供实时的测量反馈，因此，测量系统的运动性能不仅能够通过提供更加平稳顺畅的运动特性而提升测量的精度和重复性，同时还可以提供更高的测量速度和效率。测量系统的运动特性是在精度之外另外一项需要关注的指标。

　　材料密度和刚性(弹性模量MPa)是反映测量系统运动特性的两项重要指标)，下表列出了测量机使用的主要材料相关指标与分析：

评定指标

铝合金

陶瓷

花岗岩

钢

指标说明

材料密度（g/cm³)

2.7

3.7

2.8

7.9

测量机运动部件所采用材料的密度对测量机运动性能有重大影响，材料密度越低，则机器的运动部分的质量越小:

1)：可获的更高的测量速度和加速度；

2)：机器的力学负荷越小，在同样刚性的情况下结构变形越小;尤其对机器在运动状况下（包括测量）具有非常重要的影响。

刚性

(弹性模量MPa)

310

206

材料的测量刚性决定了材料在外力作用下的变形大小，刚性越大，则在同样的作用力下，材料变形越小，越有利于保证测量机的精度。参见图3

根据上述分析，我们可以得出以下结论:

◆在补偿技术被坐标测量机普遍应用以后，刚性就已经不在是参考材料特性的最重要指标，因为材料的静态变形和低速度/加速度情况下的变形补偿已经成为各主流坐标测量机厂商的标准手段。最为复杂的刚性-变形情况来自与机器以较高速度/加速度运行时产生的变形和运动控制误差（由机器，传动，控制系统等构成的运动位置环）。这种情况下运动部分的重量（反映在材料密度特性）显得极为重要，它对系统精度的影响不是简单倍数而是级数关系。

◆对于通用型测量机，在用户利益最大化的设计思路指导下，机器需要在保证较高精度的同时追求更高效率。因此在材料的选择上应当在较高刚性/密度比的前提下，更多地侧重于材料的轻密度，并通过优化结构设计来减小运动部分的质量。在这种情况下，铝合金的优势又更明显地体现出来。这也是为什么同样精度的机器，一些公司的机器可以更高效率运行，另一些公司却只能缓慢测量。效率低意味着要投入更多的资金购买测量设备并付出更多的人工和更长的资源占用时间。

　　对于高精度测量机（精度要求1微米以内），机器更强调更多的是精度而不是速度。因此在材料选择上往往在较高的刚性/密度比的前提下，更多地侧重于材料本身的刚性，或通过增加材料的尺寸来提高整体刚性。两种都是业界采用的有效方法。

3. 材料的制造工艺性和弹性：

　　随着坐标测量机的需求量的日益扩大，要求测量机的制造和生产从原来的单件生产模式转化为更具效率的批量生产，从而产品的品质更加稳定、制造效率更高，从而为客户提供具有更好性价比的测量产品。在这种背景下，测量机主要部件材料的制造工艺性成为测量机厂商需要重点考虑的指标。

评定指标	铝合金	陶瓷	花岗岩	钢	指标说明
制造工艺性	好	一般	一般	较好	采用制造工艺性好的材料，设计师可以根据测量机使用要求和生产工艺的要求，对机器结构进行充分设计优化。突破材料在制造工艺性上的束缚，结合材料本身的其他特性，能够为用户设计和提供性能更加优异的测量机。同时，制造工艺性好的材料一般也具有较好的弹性，这样在机器运输和使用过程中可以承受更多的突发震动或误操作碰撞，不至于断裂损坏而造成较大损失。

铝合金是通用型测量机极佳的材料：

◆一般来说，除非部分核心设计或制造技术无法突破或缺乏加工手段（在合理成本下），否则测量机的设计师应当在综合平衡其他材料特性后选用制造工艺性更好的材料。

◆铝合金是一种很好的综合性能材料并且具有非常好的制造工艺性，是通用性测量机的极佳材料。但一些实力比较弱或者技术相对落后的测量机厂商并没有掌握大尺寸铝合金横梁的材料成型与高精度加工技术，从而不得不放弃采用铝合金材料或只能局部使用。实际上，因为测量机使用铝合金材料具有显著优点，有许多声称使用其他材料的厂商实际上还是在自身技术能力所及的地方使用铝合金，如：Z轴，滑架，左右腿等（这些零件的制造加工技术比起横梁来相对容易）；技术落后的厂商甚至连铝合金Z轴的制造技术都无法突破。

二、如何选择适合的测量机材料：

　　在以上综合分析测量机上主要采用的材料(铝合金、陶瓷、花岗石、钢)在温度特性、动态特性以及工艺特性的方面的相关参数的基础上，考虑到测量机当今制造业中的使用特点、使用环境、精度以及效率要求，我们不难看出：

1. 通用型和车间型测量机：

　　此类测量机在保证较高精度的情况下，对测量的效率也有较高的要求，其所在的工作环境一般。综合而言，铝合金是设计此类测量机非常理想的材料。

具体说明如下：

1.1在环境温度变化的情况下，由于外界温度变化较大，在兼顾膨胀系数/热导比的情况下，需要采用热导率更好的材料, 在这方面，铝合金是最佳的材料。

1.2在确保材料的刚性/密度比的同时，铝合金密度小，在保证精度的情况下有助于提高测量机的动态性能，从而提高测量效率。尤其是铝合金材料配以高精密三角梁的设计，充分挖掘了铝合金这种理想材料的优良特性，是测量机设计的经典杰作。

1.3 铝合金材料易于实现材料的一致性，如Global即为全铝框架，这样的好处是温度变化时，各部分的变形一致，容易补偿。否则，如果机器的横梁、滑架和Z轴采用不同的材料，则温度变化时的膨胀量不同，导致机器膨胀变形扭曲，这种变形是非线性的，难以通过温度补偿解决。参见下图所示：

图3：材料一致性与温变变形的关系图

说明1 ：圆形和三角形代表两个部件。

1 如果两者材料一致，则在温度升高时，两者膨胀的程度一致，故发生的弯曲变形较小，容易补偿。

2 如果两者采用不同的材料制成，则两者的膨胀程度无法保持一致，由此将产生复杂的变形，难以补偿。

下图以海克斯康的Global测量机为例加以说明：

海克斯康的Global 桥式机，

如图说是：该机器采用全铝框架，保证了在温度变化时,机器的主体框架不会产生复杂的变形，保证了机器的精度。

图4：机型材料一致性示意图

2. 高精度测量机

　　此类测量机对精度的要求是第一位的，而对速度要求一般；由于价值高，一般配备专用的工作环境，环境较好。其移动部件的选材，需要兼顾密度和刚性；而对于固定部件，则对密度/刚性比的要求比较宽松，一般通过加大截面尺寸提高刚性，故固定部件的材料可选择陶瓷或花岗石。

三、结论：

　　选定适合的测量机材料，需要综合考虑材料的温度特性、动态特性以及工艺特性，同时需要考虑测量机使用的场合、精度要求、效率要求等综合因素。技术的创新是无止境的，要求测量机厂商需要融合最新的材料技术、加工技术、补偿技术以及控制技术，采用适合客户具体应用需要的测量机材料。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　出自：海克斯康

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