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三坐标温度补偿功能是一项牵强附会的功能?
作者: 来源: 时间:2018-05-14
  三坐标测量机的温度自动补偿,似乎可以解决车间型CMM或者放宽对CMM工作温度的要求。

先说说温度的影响有多大?桥式测量机目前精度大约5微米(测量1000长度),那么钢铁的膨胀系数11.6,也就是1米长度上,温度变化1°,则长度变化11.6微米,那么,温度变化0.5度,所标称的精度就没有意义了。

但光栅尺本身也会跟随温度变化,如果光栅尺贴在测量机上,测量机也是钢铁做的,那么理论上讲,三个轴和零件一样膨胀,误差就抵消掉了。

如果光栅尺是悬浮于导轨,不受导轨拉伸的影响,并且光栅的膨胀系数是0,那么温度对CMM本身没有影响。但是对零件仍然会有影响。

理解了这几个特例,下面再扯其他的就比较好懂了。首选,温度变化分为随时间的变化和随空间的变化(所谓时间梯度和空间梯度)。

如果晚上关了空调,早上上班再开启,则会出现时间梯度,也就是温度从凌晨的自然温度逐步趋近空调的温度,当然这里面三坐标三轴的效果有差别,Z轴最快,我的经验是半个小时到1个小时,贴在花岗石平台上的光栅达到空调温度需要的时间很久,也许需要一上午。

经常维修三坐标的人都知道,爬到测量机高处维修三坐标的时候,经常感觉到上面的温度很高,就是所谓的空间梯度。

三坐标公司为了解决这2个问题,采用最快每10秒钟刷新一次,另外每个轴贴上几个传感器的做法来解决时间梯度和空间梯度。

看起来很完美,但是,我们现在要来说说它的局限性了。

如下图,以左侧第一个为原点,测量其他小孔,直径比较简单,按照温度膨胀比例变化即可。

右侧最远端的孔测量所得的孔心坐标为X=1000,Y=0,Z=0,三轴按照温度膨胀比例变化,得到X=1000.01,Y=0,Z=0,没有什么错。

同一个零件,如果坐标系发生了平移,最右侧的孔的坐标变为X=5000,Y=0,Z=0,三轴按照温度膨胀比例变化,得到X=5000.05,Y=0,Z=0。同一个孔,温度补偿数据就从0.01变成0.05了。

所以,为解决这个问题,据说大多数软件的温度补偿,只应用于距离,上面的例子中,在坐标系1中,左侧孔X=0,右侧孔X=1000,温度修正后,分别是X=0和X=1000.01,距离1000.01

坐标系2中,左侧孔变成X=4000,右侧孔变成X=5000,温度补偿修正后的数据分别是X=4000.04,和X=5000.05,距离仍然是1000.01

为了不让你们绕晕过去,复杂的情况我就不讲了,你们可以自己去思考。比如从Z向测量一个点X=1000,Y=0,Z=0,那么输出应该是X=1000.01,Y=,Z=0么?测量误差变成了X误差0.01,这不是很扯么?我测量的是Z误差,你给我出X误差。其实应该这样做,你编程移动到X=1000位置,从上往下测量一点,CMM知道零件膨胀了,那CMM就应该走到X=1000.01处测量,然后逆向温度补偿,输出X=1000给你。你的软件有这么聪明么?你试试看。

问题又来了,如果三坐标X坐标变成5000,那么你应该走到X=5000.05处测量,同一个零件,温度变化一样的,温度导致的变形一样的,只是你的坐标系变化了,测量的位置就要改变了么?这样也不对啊。测量的不是同一个位置,还有比较的意义么!

一个终极的发问是:温度目前是22°,产品是这个样子,当温度稳定到20°,产品是有变化了,但是这个变化肯定跟坐标系无关,跟三坐标无关,那么三坐标,首先要有一个坐标系,然后才能有XYZ的数据,如何用坐标系和XYZ来描述温度导致的变形?其实这是一件驴唇不对马嘴的事情。只有某些特定条件和特定参数(比如距离)可以适用这个温度补偿功能,比如测量量块的时候,补偿就很正确。

要从根本上解决这个问题,我觉得应该从数模着手,在数模上模拟温度变形,通过数模变形以匹配当前温度下的零件,然后用这个变形后的数模去与实物比对。

目前来看,百万元级别的CAD软件似乎还没听说过这个功能,价格只是CAD软件零头的的CMM软件肯定是没有了。

所以还是老老实实的把测量室的温度稳定下来比较靠谱。说到温度补偿,我经常讲,车再好,车子的减震再好,各种高科技自动修正再好,路不好的话,终究跑不快。要想跑快,最简单,还得上平坦的高速公路。

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以上内容转载自北京欧科德张工微信公众号 ARCO CAD;欢迎大家使用ARCO CAD三坐标测量软件和服务;

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