陳　昶

(中國(guó)二重(德陽(yáng))重型裝備部有限股份公司檢測(cè)中心, 四川 618013)

溫度對(duì)尺寸測(cè)量的影響研究

陳昶

(中國(guó)二重(德陽(yáng))重型裝備部有限股份公司檢測(cè)中心, 四川 618013)

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

關(guān)鍵詞：尺寸測(cè)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(cè)，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(kāi)加工機(jī)床后，溫度降低，體積減小，尺寸減小，測(cè)量時(shí)，如果不考慮環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，必然存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

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

1溫度變化對(duì)尺寸測(cè)量的影響

在影響測(cè)量準(zhǔn)確性的眾多因素中，工件和測(cè)量設(shè)備的膨脹系數(shù)差、工件和測(cè)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(cè)量時(shí)溫度差對(duì)大尺寸測(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，可通過(guò)近似計(jì)算，修正測(cè)量結(jié)果。

1.1一維線性計(jì)算

對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的工件，可通過(guò)公式計(jì)算變化量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，公式[1]為：

(1)

式中L——被測(cè)工件的尺寸，單位為mm；

△L——工件、測(cè)量設(shè)備的溫度、線膨脹系數(shù)差引起的測(cè)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(cè)量時(shí)工件的溫度，單位為℃；

t2——測(cè)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(duì)于形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的被測(cè)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(cè)工件的尺寸，單位為mm；

△L——工件、測(cè)量設(shè)備的溫度、線膨脹系數(shù)差引起的測(cè)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(cè)量尺寸時(shí)工件的溫度，單位為℃；

t2——測(cè)量尺寸時(shí)計(jì)量器具的溫度，單位為℃。

工件長(zhǎng)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(zhǎng)度為1 000 mm 修正值

通過(guò)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(guò)恒溫的方式來(lái)消除測(cè)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(guò)恒溫手段有效消除測(cè)量誤差。

2對(duì)溫度變化的控制措施

2.1通過(guò)公式計(jì)算恒溫時(shí)間

通?？刹捎煤銣睾蛯?duì)結(jié)果進(jìn)行修正的方式消除溫度差的影響?？赏ㄟ^(guò)下列公式計(jì)算工件、測(cè)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(cè)量工作中，因?yàn)楣ぜY(jié)構(gòu)性復(fù)雜，簡(jiǎn)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(guò)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(méi)有考慮溫差對(duì)恒溫時(shí)間的影響。為消除溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，另一種方法就是將工件、測(cè)量設(shè)備放在同一環(huán)境中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間后，工件、測(cè)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(cè)量設(shè)備的恒溫、檢測(cè)時(shí)間，對(duì)組織生產(chǎn)、保證質(zhì)量都很重要。恒溫過(guò)程中，不同溫度的工件、測(cè)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(cè)量值的差值逐漸趨近于一個(gè)固定值，溫度變化的這一過(guò)程就是恒溫過(guò)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(cè)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(duì)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(duì)工件尺寸測(cè)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(duì)測(cè)量的影響。工件、測(cè)量設(shè)備的溫度差是整個(gè)測(cè)量過(guò)程的關(guān)鍵。探討工件、測(cè)量設(shè)備的膨脹系數(shù)差、溫度差、計(jì)算測(cè)量結(jié)果的修正量和軟件模擬來(lái)確定充分恒溫所必須的時(shí)間，以消除溫度差對(duì)測(cè)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(guò)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(cè)量計(jì)量器具選用技術(shù)規(guī)范(試行). 中國(guó)二重集團(tuán)技術(shù)規(guī)范.

[2]陳嵐, 賴(lài)誠(chéng). 大尺寸、高精度測(cè)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(lèi)號(hào)：TG81

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B