测量机结构设计选型指导-中国化学仪器网仪器信

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1、测量机材料与结构选型指导如何选定适合的测量机材料前言：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

2、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)23.28.2714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)23724.72.580材料的热导率衡量材

3、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0.100.332.800.18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

4、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。好较好一般好-6-测量机材料与结构选型指导通过以上材料温度特性和相关的说明，我们不难看出:u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

5、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。u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）。u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

6、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。-6-测量机材料与结构选型指导1.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

7、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)2.73.72.87.9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