三坐標測量機結構材料對性能的影響

三坐標測量機結構材料對測量精度、性能有很大影響，隨著各種新型材料的研究、開發和應用，三坐標測量機結構材料種類越來越多。目前三坐標測量機主流結構材料為花崗巖、鋁合金，工業陶瓷基本只出現在gaoduan三坐標測量機中。

一、材料分類

1.1鑄鐵

鑄鐵是應用較為普遍的一種材料，主要用于底座、導軌、立柱、支架、床身等。優點是變形小、耐磨性好、易于加工、成本較低、熱膨脹系數與多數被測件（鋼件）接近，是早期三坐標測量機廣泛使用的材料。

1.2花崗巖

花崗巖（俗稱大理石）密度比鋼輕,比鋁重,是目前應用較為普遍的一種材料。由于花崗巖在地下經過億萬年的時效，應力釋放充分，加工后的穩定性好、不生銹,易于作平面加工,達到比鑄鐵更高的平面度,適合制作高精度的平臺與導軌，目前多數三坐標測量機用這種材料。

目前超高精度三坐標主要采用固定橋式，固定橋三坐標測量機采用固定“封閉框架”和移動工作臺的設計，工作臺、X軸橫梁和Z軸一般也是用優質花崗巖，各軸具有相同的熱力學性能，能有效消除溫度變化對結構的影響，保證儀器長時間運行的高精度和穩定性。

1.3陶瓷

工業陶瓷是近年來發展很快的材料類型，它是將陶瓷材料壓制成形后燒結、研磨得到。三坐標X軸橫梁和Z軸采用陶瓷結構，可以充分發揮工業陶瓷重量輕、剛性與抗熱膨脹性優異、容易加工成超高精度表面的特性，在各種工業制造環境中都能夠獲取精確可靠的測量數據。

由于主軸和橫梁采用工業陶瓷，工作臺采用花崗巖，三軸熱匹配性合理，更有利于在20℃±2℃溫度范圍內保證精度。

1.4鋁合金

高強度鋁合金密度小，表面硬質陽極氧化后硬度良好，不易銹蝕，機械強度高，能夠制作大尺寸零件。

鋁合金因其高剛性/質量比、適合批量化生產、導熱性好，在三坐標中成為輕量化結構材料。在要求快速測量的場合，三坐標測量機X軸橫梁和Z軸采用航空鋁合金，可以獲得更快的測量速度，提高測量效率。由于鋁合金導熱性非常好，當環境溫度波動時，材料也會發生相對均勻的熱變形，配以溫度反饋和補償，可以減少熱變形帶來的影響。

二、測量室環境溫度對儀器的影響

恒溫時間：長時間不工作的三坐標，當室內空調打開時，室內體感溫度會很快達到20°C左右，但儀器內部結構件需要數小時后才能達到要求溫度，進行測量。構件材料越厚，需要的恒溫時間越長。

室內溫度梯度：測量室溫度一般會存在溫度梯度，儀器難以通過溫度補償消除溫度梯度的影響，只能要求客戶溫度梯度達到允許范圍。熱膨脹系數小的材料，溫度梯度的影響也越小。

溫度變化：測量室人員出入、人數變化（人體就是熱源）等因素，也可以影響測量室溫度場，使用熱膨脹性更低的材料（如花崗巖、陶瓷），可以有效降低此影響。

一般而言，為了保證環境溫度要求，應該根據房間大小使用相應的變頻空調，設立溫度緩沖間，使用頂部均勻送風的空調，避免空調直吹儀器；室內不應有太陽照射進來，儀器不應靠近暖氣，不應靠近進出通道；空調應該24小時開機；溫度空間梯度≤1℃/米、溫度范圍20（±2）℃、 溫度時間梯度≤0.5℃/小時&≤2℃/24 小時。

三、不同材料對比

3.1溫度穩定性

“熱膨脹系數”在很大程度上反映出設備對溫度的穩定性；花崗巖和工業陶瓷的熱膨脹系數僅約為鋁合金材料的1/4和鋼的1/2，其溫度穩定性優于鋁合金。

3.2熱匹配性

工作臺一般采用花崗巖材料，運動部分采用花崗巖、鋁合金、陶瓷，不合適的“熱膨脹系數”組合會在環境溫度發生變化時，帶來結構變形，影響精度。

3.3加工精度

花崗巖通過研磨手段，其平行度、平面度可以做到<2um，這是gaoduan三坐標測量機重要的條件。

鋁合金通過擠壓、精密銑削/車削、陽極氧化（帶陶瓷涂層的抗時效）、研磨等手段，也可以達到較高加工精度。

工業陶瓷硬度很高，要達到與花崗巖相同的加工精度，成本會更高。

3.4剛性

花崗巖彈性模量接近鑄鐵，可以做成中空結構，也能保證剛性，不易產生彎曲變形。

使用鋁合金、陶瓷材料，由于容易結構成型，可以通過對其內部中空結構的設計來進一步協調重量和剛性的關系。

3.5剛度/質量比

材料的剛度/質量比，也稱為比剛度，是衡量材料在輕量化設計中的關鍵指標，其定義為：E/ρ，即材料的彈性模量和密度的比值，可反映出材料剛性與運動特性的關系，工業陶瓷比剛度是鋁合金材料的4倍、是花崗巖材料的6倍，合適設計后，可以在保證精度情況下獲得較高的測量速度。

3.6動態性能

鋁合金通過筋板設計，可以讓移動軸更輕便。花崗巖，可以通過鉆孔的方式來減少本身的重量，但體積往往要大于鋁合金，也比鋁合金更重。

工業陶瓷因其超高的“剛度/質量比”，基本無需使用筋板或只使用簡單的筋板就可以保證強度，并且由于密度比其他材質小，重量小、強度高，是非常適宜做X軸橫梁和Z軸的材料。

3.7成本及生產效率

工業陶瓷硬度高，加工精度面相比花崗巖要困難很多，并且燒結過程中可能出現不良品，成本要遠高于其他材質。

花崗巖的精度面一般通過手工研磨來獲得的，其生產周期根據尺寸大約需要30到60天，一些超大構件需要的時間會更多。

鋁合金可以通過模具大量生產，生產效率高、成本低。

四、小結

三坐標測量機的移動部件重量、移動速度和精度相互影響。測量機運動部分X軸橫梁和Z軸，目前多采用花崗巖、航空鋁合金、工業陶瓷，分別應用于不同應用場景。超高精密三坐標測量機，多使用優質花崗巖和陶瓷材料。