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生产现场的测量机
海克斯康测量技术(青岛)有限公司
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使用在传统计量室的测量机(CMMs)在许多情况下不能够在过程控制方面提供及时有效的解决方案。目前，可以直接将测量机安装在车间现场,使之成为制造流程不可缺少的一部分。把制造过程纳入控制，从而对任何的异常都能够马上采取行动。在线测量或靠近生产线进行测量，能够显著减少调整生产线的时间，从而减少了新品投放市场的时间。测量机逐渐地取而代之，可以补充传统专用量具的不足。实际上，量具在测量速度上无可匹敌，但有时其局限同样是不可接受，尤其是它只能完成相对测量(即与样板进行比较)，这样就缺乏灵活性。
采用“车间现场的灵活性”概念，允许公司的尺寸质量控制策略得以发展。用传统的“基于错误的调整”的检测方法来判断工件是否在公差范围内，只是在出现异常时才发现产生故障的原因。这种方法可通过更有效地“控制的调整”方法取而代之，即可实时地检查过程趋向，预防有缺陷工件的产生，并为优化制造过程提供必要的信息。
对用户来说，测量机所需要的一个主要特性就在于有效地适应车间现场尺寸控制的应用需要，也就是：良好的动态特性以适应合适的取样数率；一定水平的精度；保证符合制造的工件符合设计公差的要求；便于使用，即使是没有特殊计量知识背景的操作者也能够使用；方便的上、下料操作；在需要的情况下，需要整合在制造过程中， 在不影响正常的测量机操作的情况下，能够脱机产生测量程序； 为测量机提供避免环境影响的必要保护，并可保障操作者的人身安全。
基于以上的原因，适合车间的测量机采用了特定的技术方案，使得机器能够更好的抵御外界环境的影响。
环境温度
环境温度和温度梯度是测量机保障测量机精度的最为关键的因素。一方面，国际标准考虑到物理实体的尺寸在参考温度20°C 下为标准；另外一个方面，一般的制造环境的温度条件不尽相同，并随着时间和空间上的温度变化而有所不同。一般情况，在不考虑车间现场环境的改善，使温度不发生大幅度变化的前提下，车间现场的温度范围在18°C 到35°C 之间，24 h内温度梯度的变化在10°C 之内。
直接将测量机安装在车间现场，并使之成为制造过程不可缺少的组成部分。
温度如何对测量机造成影响
很明显，温度上升时，物质会膨胀。具备高导热系数的材料，比如铝，往往会快速调整其温度与外界温度的差异。它们通常对温度梯度非常敏感，并能够快速达到温度平衡。具有低导热率的材料(例如花岗石、铸铁)，受温度环境变化的影响就比较慢，它们对于快速的温度梯度变化的影响就不敏感，它们保持温度的时间就比较长,尺寸变化的也比较慢。在这两种情况下，在梯度出现时为获得正确的测量结果，需要采用温度补偿技术，使得测量结果能够回归到理想状况下。还需要考虑温度因素对于被测工件的影响，因为检测结果的可靠性将与两者有着密切的关系。为便于分辨，将区分与测量机相关的问题和与工件相关的问题。一般情况下的环境条件与国际标准环境温度条件(20°C) 有所不同,这并不是一个大问题。在温度条件稳定的情况下，能够加以预测和补偿。
大多数测量机在设计上力求确保其部件的线性膨胀(图1)，从而可通过线性补偿的方法将所有的测量结果自动补偿至20°C 条件下。在实际操作中，温度的快速变化(温度时间梯度)、温度的空间变化(温度空间梯度) 往往会产生在测量机整个空间的不均匀变化，从而引发测量机几何上的变形(图2)。在这种情况下，通常比较难于进行补偿。测量机是使用各种不同的材料制成的，每种材料的特性也有所不同，该因素在这种现象中起着关键作用。为帮助用户正确地评定和比较测量机的性能， 采用的规定(例如ISO) 需要制造商说明测量机保证精度情况下的温度条件( 绝对温度， 温度梯度、时间和空间上的温度变化)。

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图1 线性尺寸变化

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图2 非线性尺寸变化

材料和结构
多年来，测量机的制造商关于材料的选择和相关的补偿方法形成两个明显的学派。这样使得采用低温度传导率材料和采用高温度传导率材料的车间型测量机并存。前者在短时间内比较稳定，但在中长期就会短暂延迟；后者反应迅速，能够快速达到温度平衡。一般情况下，最好的选择是根据结构的尽可能对称。解决方案是能够可靠地反应测量机的几何结构模型，从而对模型进行补偿。基于合理设计的刚性结构当然是非常重要的因素。比如测量机精密三角梁的截面提供了良好的刚性、质量参数。
采用同等跨距分布的空气轴承，三角截面的重心较低，这样使得机器刚性更好、更加稳固（图3）。

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图3 精密三角梁技术和传统技术的比较

无论采用那种补偿系统，在车间现场是不可能获得与温控间同等水平的精度和可靠性。
结构温度补偿
正如我们所看到的，线性温度补偿仅能够补偿车间环境下的部分测量机精度。鉴于此，Hexagon 计量产业集团采用基于结构温度补偿的先进系统，能够补偿由于温度梯度变化所造成的对机器结构变形的影响。
A.C.T.I.V. 技术(温度环境变化的自适应补偿) 一方面基于机器结构和材料技术，另一方面，根据机器结构的关键点(图4) 所放置温度传感器上所获得的数值。

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图4 GLOBAL 测量机配备ACTIV 技术

先进的算法能够根据结构的膨胀和变形指数实时地修正工件的检测数据(图5)。为使该补偿系统有效，测量机需要具备良好的尺寸稳定性。

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图5 ACTIV 技术的功能图表

在这种情况下，需要使用具备高导热率的材料(快速达到温度平衡)，材料尽可能地均匀(使得变形的影响最小)。利用这一方案，测量机和工件能够大致达到一个温度，即周围环境温度。从移动桥测量机上获得的数据（图6），验证了A.C.T.I.V. 技术是一项在温度发生大的变化时，显著减少测量不确定性的有效方法(15 ～30°C，最大温度变化范围是10°C/24h)。为了完成在16～26°C 和最大温度变化范围5°C/24h 的环境变化，我们还可提供CLIMA 选项。

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图6 ACTIV 补偿结果图表

隔离间和隔离罩
在一些情况下，测量机安装在通风或温控的隔离间内，从而减少温度和温度梯度造成的影响，并使得湿度保持一致。另外，隔离间还能够保护测量机免受灰尘和油污的影响。隔离罩一般只能包容测量机，而隔离间一般情况下除了容纳测量机，还能够为操作者提供工作空间。这两种方案都能够为机器操作提供绝对安全。
通风罩一般用来保持机器结构的温度与外界温度保持一致，这样的温度梯度变化较小，从而避免在测量空间产生温度阶层。很显然，能够使温度的影响最小化但不能消除。为防止未经控制的测量机计量性能的降低，需要在测量机上使用合适的补偿系统。温控间使得测量机处于理想状态，具有一致的操作温度。需要注意的是，测量时的温度条件与被测工件的温度条件有所不同(环境温度)。 （MM《现代制造》） 12/31/2005

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