三坐标测量机检测工件所需恒温时间规律的研究

三坐标测量机检测工件所需恒温时间规律的研究

董智刚 刘勤鹏

中车大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116000

摘 要：金属工件基本都有热胀冷缩的物理特性，温度变化量和金属材质是工件几何量变化的决定因素。所以，温度对长度精密测量精度有直接影响。本文通过三坐标测量机测量试验数据的比对分析，研究了温度变化对三坐标测量结果的影响及工件温度的恒定时间的估算。

关键词：温度 公差 恒温时间 三坐标测量机

在机械加工和几何量测量中，必须要充分重视温度对加工精度和测量准确度的影响，同一工件在不同的温度下，所测得的尺寸是有变化的。ISO国际标准规定，工业长度测量的标准温度是20℃。因此，在进行精密测量时，通常是在具有相对温度变化量可控的标准恒温试验室中进行的，以实现被测工件、计量设备仪器的温度对标准温度的变化量在一定区间内，尽量降低温度对长度精密测量结果的影响。

为了探寻三坐标测量机对工件产品的测量准确性与温度变化的关系，我们注重实用原则，首先研究了温度对三坐标测量机的测量结果的影响，同时为了兼顾测量效率和测量的经济性，我们也对工件恒温时间的确定做了初步研究。

1 温度对长度精密测量的影响

工件相对标准温度的温差所引起的尺寸变化量可用下式计算：

δ_Ｌ＝Ｌ×α×(t - 20℃)＝Ｌ×α×⊿t　　　　　　　　　（1.1）

　δ_Ｌ——温度变化所引起的尺寸变化量（μm）；

Ｌ——被测工件的长度（mm）；

α——工件金属的线膨胀系数（10^-6／℃）；

t——被测工件的温度（℃）；

⊿t ——对标准温度（20℃）的温差（℃）。

例如，当某一钢性材质的工件长度Ｌ为1000毫米，温度变化为1℃时，其尺寸变化量为

δ_Ｌ＝Ｌ×α×⊿t=1000×11.5×10^-6×1≈0.01(mm)

这个结果即是机加行业通常所说的，“一米一度一丝”，可见温度对长度测量结果的影响还是很大的。

为更准确地掌握温度对工件的尺寸和形位公差的影响，我们选取了一些工件，分时段运用三坐标测量机对工件的尺寸及主要形位公差技术参数进行测量。

我们综合了多种工件测量结果数据，进行对比分析，发现一个相对结构匀称的工件（相关测量元素的实体厚度相差不过分大），且已进入相对稳定的状态（不是突然进入标准温度环境），在20±5℃的温度区间内，其尺寸类技术项目的测量结果(如距离、位置度等)受温度影响明显，其结果变化量基本符合公式1.1的计算结果；而非尺寸类形位公差（如垂直度、平行度等）的测量结果，其变化很小，甚至不变。

所以，对半精加工工件产品进行检测时，我们完全可以在20±5℃的温度区间内对尺寸相关不大的形位公差进行直接检测。对尺寸相关类的测量可以进行修正或估算趋势。例如：距离数值可依据公式1.1进行相应修正；位置度可在其细化影响类别因素中，去除尺寸因素影响，估算其变化趋势。这样，我们就可以缩短工件的恒温时间，提高生产效率。　

2 工件恒温时间的研究

为了尽量消除温度对长度精密测量结果的影响，我们往往将一个常温工件放置于20℃的标准室中进行恒温处理，待工件温度与标准室温度相恒定时，我们方应进行长度精密测量。工件从常温到标准温度的恒温时间的确定，直接影响测量结果的精准度，同时也是测量效率和测量经济性的主要因素。

2.1工件恒温时间的类别

长度精密测量的标准温度是20℃，工件在工作自然常温下的温度平衡到标准温度（20℃）所消耗的时间就是工件的恒温时间。因受季节等外因的影响，工件的恒温过程是以标准温度为目标温度的双向（降温、升温）平衡过程，所以，恒温过程时间分为两种类别：

2.1.1降温过程时间。

当工件的原有温度高于标准温度时，恒温过程是一个降温过程。（图1，φ60mm,长500mm的心轴降温恒定过程）。

图1 标准心轴35－20℃的降温恒温过程曲线

2.1.2升温过程时间。

当工件的原有温度低于标准温度时，恒温过程是一个升温过程。（图2，φ60mm,长500mm的心轴升温恒定过程）

2.2恒温试验数据的分析

通过对多种工件的恒温过程的变化数据及趋势曲线的综合对比分析，可发现影响工件恒温时间的主要因素。如图3

图3 工件恒温时间影响因素

因为机加工件的材质的热膨胀系数和温差是可确定量，进而得出影响工件实际恒温时间的主要不易确定变量有：工件的体积、工件的形态结构等。且呈现以下特性：

2.2.1 同一工件，工件原有温度与标准温度的温差越大，恒温时间就越长。

2.2.2 同一个工件的恒温过程的单位温变时间是先快后慢的。温差大时，温度趋于标准温度的单位温度时间越短；温差越小时，温度趋于标准温度的单位温度时间越长。

2.2.3 同样结构的工件，体积越大，恒温时间越长。但体积相等或相近的工件，由于形态结构不同其相应的恒温时间也有很大不同。

2.3工件恒温时间确定的方法

因为工件的形态结构千差万别，所以确定工件恒温时间是一件很复杂的工作。所以，我们以实用快捷为原则，采用样件比对法来估算一个工件的恒温时间。

　　首选在对相应工件进行反复恒温过程时间监测的基础上，建立一个主要工件产品的分类恒温信息数据库。当需要知道一个被测工件的恒温时间时，在数据库中找到可比较性强的工件，依据其恒温过程时间估算被测工件的时间。

2.4工件恒温时间确定的原则与指标参数

为更好地比对估算某个工件的恒温时间，我们建议应遵循“一形二温三精度”的原则。

“一形”指工件的形态结构；“二温”指工件原有温度与标准测量室的标准温度的温差；“三精度”指工件被测项目公差的等级和大小。具体参考以下指标参数或规则：

2.4.1形态判别

根据工件形态结构，把工件分为实体类工件、腔体类工件、板件类工件三个判别品类。当需要判断一个工件的恒温时间，先判断其形态，然后在该类别中找到可比性强的样件进行比对估算。

2.4.2工件表观密度和工件外感表面积

单位重量的工件接触标准室内环境的面积越大，其恒温时间越快。所以，可采用粗算法计算工件表观密度和工件外感表面积两个参数，在对比估算中作为进一步参考的指标。

P_工＝m_实/V_表

P_工：工件表观密度

m_实：工件实际重量（kg）

V_表：工件表体积

V_表工件表体积，是指以工件外轮廓的外形尺寸，近似按方体或圆柱体来计算得到的工件表体积。

工件外感表面积是指工件实际接触标准室环境的面积部分，为方便计算，也近似以外轮廓的外形尺寸和腔体的外形尺寸，按方体或圆柱体来计算，宽腔体类工件要将外轮廓表面积加内腔体表面积。这两个参数应用时要依据经验综合运用。

2.4.3热平衡状态

受温差的大小的影响，工件的恒温过程可分为剧烈平衡状态和稳定平衡状态。剧烈平衡状态是指工件刚进入恒温室（特别在温差较大时），不宜马上进行测量的；稳定平衡状态可以通过引入温度补偿修正的方式进行粗测量或精测量。通过试验数据分析，升温过程在（15-20）℃温度区间，降温过程在（25-20）℃温度区间，属于稳定平衡状态。

2.4.4工件公差率

应使用公差率来更准确地判断工件精度技术要求的严格性，公差率是实际要求公差与名义尺寸的比值。公差率越小，代表工件精度技术要求越严，温度对其测量精度的影响就越明显。

经研究分析，对钢材质工件的公差率小于0.1%，要充分考虑温度的影响，考虑根据热膨胀性对测量结果进行相应的温度补偿，也可应用三坐标自身的温度补偿系统进行相应的温度补偿。

综述：在实际测量中，我们应从恒温时间确定方法的有效性和经济性的两个维度来解决工件恒温时间的确定问题，还需要从实际测量中对相关累积经验进行量化，并充分有效运用现代温度补偿技术，来不断减小温度对长度精密测量结果的影响。

参考文献：

1、GB/T 1958-2017《产品几何技术规范（GPS）几何公差　检测与验证》

2、GB/T 19765-2005/ISO 1:2002《产品几何量技术规范（GPS）产品几何量技术规范和检验的标准参考温度》