陳　昶

(中國二重(德陽)重型裝備部有限股份公司檢測中心, 四川 618013)

溫度對尺寸測量的影響研究

陳昶

(中國二重(德陽)重型裝備部有限股份公司檢測中心, 四川 618013)

摘要：分析尺寸檢測中溫度對測量結(jié)果的影響及控制措施，介紹傳統(tǒng)的測量結(jié)果修正方法。如何確定恒溫時(shí)間(以pro/e的動態(tài)溫度顯示及溫差、時(shí)間變化趨勢)，以消除溫度變化對測量結(jié)果的影響。

關(guān)鍵詞：尺寸測量；恒溫時(shí)間；修正

在大型工件的加工中，通常在加工機(jī)床上進(jìn)行尺寸檢測，工件裝夾、機(jī)械切削產(chǎn)生的熱能使工件溫度升高，體積膨脹，尺寸增大；當(dāng)工件離開加工機(jī)床后，溫度降低，體積減小，尺寸減小，測量時(shí)，如果不考慮環(huán)境溫度對測量結(jié)果的影響，必然存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

通過對測量人員、測量設(shè)備、被測工件、測量方法、測量環(huán)境等影響因素的分析。測量環(huán)境中，溫度對測量結(jié)果的影響為主要影響。

1溫度變化對尺寸測量的影響

在影響測量準(zhǔn)確性的眾多因素中，工件和測量設(shè)備的膨脹系數(shù)差、工件和測量設(shè)備的溫度差為主要影響因素。

工件使用的材料具有熱脹冷縮的特性。在溫差很大時(shí)(溫差大于15℃)，測量時(shí)溫度差對大尺寸測量結(jié)果影響很大，必須嚴(yán)格控制溫度差。減小溫度變化對測量結(jié)果的影響，可通過近似計(jì)算，修正測量結(jié)果。

1.1一維線性計(jì)算

對于形狀簡單的工件，可通過公式計(jì)算變化量，并對測量結(jié)果進(jìn)行修正，公式[1]為：

(1)

式中L——被測工件的尺寸，單位為mm；

△L——工件、測量設(shè)備的溫度、線膨脹系數(shù)差引起的測量誤差，單位為mm；

a1——工件使用材料的線膨脹系數(shù)；

a2——計(jì)量器具使用材料的線膨脹系數(shù)；

t1——測量時(shí)工件的溫度，單位為℃；

t2——測量時(shí)計(jì)量器具的溫度，單位為℃。

1.2非一維線性計(jì)算

對于形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的被測件，不能按上述線性公式進(jìn)行修正值計(jì)算，應(yīng)按公式(2)計(jì)算[1]：

式中L——被測工件的尺寸，單位為mm；

△L——工件、測量設(shè)備的溫度、線膨脹系數(shù)差引起的測量誤差，單位為mm；

a1——工件使用材料的線膨脹系數(shù)；

a2——計(jì)量器具使用材料的線膨脹系數(shù)；

t1——測量尺寸時(shí)工件的溫度，單位為℃；

t2——測量尺寸時(shí)計(jì)量器具的溫度，單位為℃。

工件長度為1 000 mm，a1、a2、t1、t2取不同值時(shí)，修正值如表1所示。

表1　工件長度為1 000 mm 修正值

通過表1可知：當(dāng)工件和計(jì)量器具的溫度一致、膨脹系數(shù)相同時(shí)，溫度的影響量可以消除；當(dāng)工件、計(jì)量器具膨脹系數(shù)相同，溫度不同時(shí)，可以通過恒溫的方式來消除測量誤差；當(dāng)工件和計(jì)量器具膨脹系數(shù)不相同，溫度不同時(shí)，應(yīng)盡量選擇接近工件膨脹系數(shù)的計(jì)量器具，并通過恒溫手段有效消除測量誤差。

2對溫度變化的控制措施

2.1通過公式計(jì)算恒溫時(shí)間

通?？刹捎煤銣睾蛯Y(jié)果進(jìn)行修正的方式消除溫度差的影響?？赏ㄟ^下列公式計(jì)算工件、測量設(shè)備溫度一致所需時(shí)間為：

式中γ——密度，單位為kg/m3；

V——體積，單位為m3；

F——表面積，單位為m2；

△t1——初始溫差，單位為℃；

△t2——最后溫差，單位為℃；

K——有關(guān)系數(shù)。

以200 mm的量規(guī)則形體，初始溫度30℃，最終溫度20℃，計(jì)算得150 min后達(dá)到等溫狀態(tài)。此方法雖然計(jì)算快捷，但在實(shí)際測量工作中，因?yàn)楣ぜY(jié)構(gòu)性復(fù)雜，簡單地套用公式，往往準(zhǔn)確性較差，求得的等溫時(shí)間與實(shí)際等溫時(shí)間存在很大差異。

2.2通過軟件進(jìn)行模擬，確定恒溫時(shí)間

目前，許多技術(shù)規(guī)范只規(guī)定恒溫時(shí)間，沒有考慮溫差對恒溫時(shí)間的影響。為消除溫度對測量結(jié)果的影響，另一種方法就是將工件、測量設(shè)備放在同一環(huán)境中經(jīng)過長時(shí)間后，工件、測量設(shè)備的變形已趨于穩(wěn)定，當(dāng)兩者溫差小于0.1℃時(shí)，認(rèn)為兩者溫度相等，以此確定恒溫時(shí)間?？捎孟铝蟹椒ù_定恒溫時(shí)間。

2.2.1采集尺寸、溫度變化數(shù)據(jù)，用 《Matlab》求恒溫時(shí)間

確定工件、測量設(shè)備的恒溫、檢測時(shí)間，對組織生產(chǎn)、保證質(zhì)量都很重要。恒溫過程中，不同溫度的工件、測量設(shè)備處在相同環(huán)境條件下，相同時(shí)間間隔的尺寸測量值的差值逐漸趨近于一個(gè)固定值，溫度變化的這一過程就是恒溫過程。所用的時(shí)間就是要求的恒溫時(shí)間。某產(chǎn)品的時(shí)間擬合曲線如圖1、圖2和表2[2]所示。

從圖2可知，恒溫時(shí)間35 h以后，測量值、溫度差值趨于恒定，所用的時(shí)間為恒溫時(shí)間。

表2　某產(chǎn)品的時(shí)間擬合表

圖1　某產(chǎn)品的時(shí)間擬合曲線

圖2　某產(chǎn)品的溫差變化曲線

2.2.2用《pro/mechanica wildfire 3.0/4.0 結(jié)構(gòu)、熱力分析》軟件確定恒溫時(shí)間

用pro/e軟件對工件進(jìn)行恒溫時(shí)間仿真，首先要輸入pro/m可接受的模型，可用UG、SOLIDWORKS、MASTERCOM等軟件制作，可接受的通用格式為IGS。在mechanica模塊下輸入模擬環(huán)境變量，材料參數(shù)[3]，并進(jìn)行計(jì)算，得到溫度、時(shí)間變化曲線[3]，如圖3所示。

在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，溫度差小于或等于0.1℃(或允許的溫度差)，溫度變化對工件尺寸測量的影響很小，可以忽略，其所用時(shí)間為希望得到的恒溫時(shí)間。

圖3中為同一工件，環(huán)境條件、材料、溫差相同，恒溫時(shí)間相同。從圖3中可以看到，用時(shí)17 142 s(約4.7 h)后，達(dá)到兩次采樣溫差小0.1℃，所用的時(shí)間為恒溫時(shí)間。

3結(jié)論

本文分析了溫度變化對測量的影響。工件、測量設(shè)備的溫度差是整個(gè)測量過程的關(guān)鍵。探討工件、測量設(shè)備的膨脹系數(shù)差、溫度差、計(jì)算測量結(jié)果的修正量和軟件模擬來確定充分恒溫所必須的時(shí)間，以消除溫度差對測量結(jié)果的影響。

(a)15℃的工件置入20℃的恒溫室內(nèi)的溫度變化曲線

(b) 25℃的工件置入到20℃的恒溫室內(nèi)的溫度變化曲線

完成工件在溫度變化過程中仿真，應(yīng)具備以下條件：

(1)制作工件模型；

(2)獲取環(huán)境參數(shù)(資料)；

(3)獲取工件材料性能參數(shù)(資料)；

(4)設(shè)定符合實(shí)際的約束條件等。

參考文獻(xiàn)

[1]光滑工件測量計(jì)量器具選用技術(shù)規(guī)范(試行). 中國二重集團(tuán)技術(shù)規(guī)范.

[2]陳嵐, 賴誠. 大尺寸、高精度測量中溫度誤差的修正方法及其比較. 《機(jī)床與液壓》，2014(8)：130-132.

[3]PRO/E 結(jié)構(gòu)、熱力分析. 電子工業(yè)出版社.

編輯陳秀娟

Research on Influence of Temperature on Dimension Measurement

Chen Chang

Abstract：The influence of temperature on dimension checking results and control measurements have been analyzed, and the correct method for traditional checking results has been introduced. The thermostatic time can be confirmed by pro/e dynamic temperature display and variation trend between temperature difference and time to eliminate the influence of temperature variation on checking results.

Key words：dimension measurement; thermostatic time; correct

收稿日期：2015—12—23

中圖分類號：TG81

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B