测量的温度补偿的原则与方法

2011 NO.24Science and Technology Innovation Herald科技创新导报测量的温度补偿的原则与方法

吕莉 陈志远

(中国航空技术国际控股有限公司 北京 100101)

摘 要:在现代飞机制造过程中,坐标测量机大量地应用于生产和产品检测。由于温度变化对于金属材料几何特性的影响,使温度补偿对于降低测量误差的意义非常巨大。本文以波音飞机的产品公差要求为例,根据温度补偿对于不同精度的测量设备测量结果的影响分析,得出在不同的条件下采用坐标测量机进行测量时的温度补偿原则。关键词:坐标测量机 温度补偿 测量机中图分类号:TP39文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)08(c)-0109-02

1 环境温度对零件几何尺寸的影响

.com.cn. All Rights Reserved.目前,在国内大型飞机制造公司的坐标测量设备中,精度比较高的可以达到±0.004mm;即使是重复精度比较低的便携式坐标测量机,其设备的重复精度也可以到达±0.083mm。温度补偿对于高精度测量过程来说都是必不可少的一个重要环节。

温度变化造成机械加工的误差超过占全部加工误差的50%[1,2]。因此在精密加工中,都要求采用补偿方式以最大限度地降

1931年国际权度局确定以低这种影响[3,4]。

20℃作为测量物体尺寸的标准温度。也就是说,某一物体长为L,是指它在20℃时的2 温度补偿的原则

在其他温度下测量时,它呈现的尺按照测量设备误差小于1/3倍的被测长度L。

寸不为L,这时就产生热变形误差。世界上零件公差要求的设备能力基本原则,零件

热变形量与设备系统误差之和必须小于1/大多数国家将20℃作为测量环境的标准温

3倍的被测零件要求公差,即度,测量设备的一系列系统参数一般也是

(E变形+E设备)<1/3T零件 (1)按照该温度进行设定的。但是,温度总是在

一个范围内变动的。考虑各种常用材料的除特殊要求的零件外,波音飞机的大热膨胀系数很小,因此,在一般情况下,只部分结构件的通用公差要求,按照零件类要环境温度在测量过程中能保持在20±2型不同一般分为±0.254mm、±0.508mm和℃范围内,可以不考虑温度的影响。那么,0.762mm三类;另外,根据结构要求,有些零温度对于飞机结构件精度的影响有多大件的公差可以达到±0.02mm。对于不同公呢？飞机零件中材料使用最多的金属是铝差要求的零件,在确定使用何种设备测量合金。时,首先应该考虑设备的能力。

以铝合金为例,由于其热膨胀系数是0.2.1固定式测量机00002351mm/℃,当温度变化2℃时,1m长度下面以设备精度为±0.004mm的测量机的零件的长度变化量可以按下式计算得出:检测公差要求为±0.06mm的零件为例,得出

1000×2℃×0.00002351mm/℃＝0.在这种条件下,不同尺寸的零件热变形对温度047mm补偿需求的分析数据,如表1。

比较便携式测量仪的测量精度和被测按照表1数据,可得出不同几何尺寸的零件零件的精度要求,0.047mm也是相当大的热变形量对公式1影响的趋势曲线,如图1误差,不能不加以考虑。但是如果零件的长度所示。只有1mm,当温度变化2℃时其长度误差为0.从图1中可以明显看出,只有当图中的E000047mm,这显然是远小于飞机零件的尺变形和E设备曲线在1/3T零件误差曲线的下寸公差的,因此此时可以不考虑温度的影方时,即当零件尺寸小于300mm且温度不大响了。于22℃时,测量才可以不对零件进行温度补

对于高精度的固定式坐标测量机,环偿。其他情况时,必须对零件进行温度补偿

表1

境温度可以通过控制测控间的温度来实现。但对于类似便携式坐标测量机和激光跟踪仪来说,这些设备经常是在环境比较差的工作现场进行测量,如在零件加工现场附件或在临时存储区域中等。在这些场所,温度的精确控制是比较困难的,也就是说,温度一般都会在一个比较大的范围内变化。如果不考虑这些温度的影响,测量结果的误差会严重放大。因此,如何在不同情况下对温度引起的测量误差进行补偿就成为一个重要问题。

以消除零件热变形对测量误差的影响。

采用以上办法,可以分析出对于各类精度要求的零件和采用不同精度的测量设备,零件尺寸在不同温度下热变形的影响。2.2温度补偿的原则

设E变形＝L×ΔT×C,由公式1可以得到(L×ΔT×C+E设备)<1/3T零件 (2)其中L是零件尺寸;ΔT是与标准温度的偏差;C是膨胀系数常量;

进而得出:L×ΔT<(1/3T零件－E设备)/C(3)以铝合金零件为例,按照设备精度满足1/3零件公差的原则,估算(1/3T零件－E设)/ C。备

1)如E设备是在0.004－0.02mm之间,则可检测的T零件为0.012－0.06mm之间,那么

Max{(1/3*T零件－E设备)/ C}

＝(Max(1/3*T零件)－Min(E设备))/C＝0.016/0.00002351=680.6

这种情况下就是用最精的设备测量公差最大的零件。为满足公式3的要求,则,

当ΔT＝0.5℃,即测量环境温度为20.5℃时,L <1361mm

当ΔT＝1℃,即测量环境温度为21℃时,L<680.5

当ΔT＝2℃,即测量环境温度为22℃时,L<340.3

由此得出:

原则一:当使用高精度测量机对公差要求很严格的零件进行测量时,如果零件尺寸超过300mm,必须将测量间温度严格控制在20±2℃范围内。否则必须对零件进行温度补偿。

2)如E设备是分别在0.04－0.10mm和0.10－0.25mm之间时,同理可得出:

原则二:当使用中低精度测量机(如ROMER1024便携式测量机)对公差要求一般的零件进行测量时,如果零件尺寸超过1000mm,必须将时刻考虑温度补偿;如果温度高于28℃,则无论零件尺寸如何,必须进行温度补偿。

原则三:当使用很低精度的测量机(如ROMER1036便携式测量机)对公差要求很低的零件进行测量时,如果零件尺寸小于500mm而温度不是很高时,可以不考虑温度补偿。

3 温度补偿的方法

可以选择的两种补偿方式:（1）标准长度杆方法

首先,在温度控制环境下使用标准的CMM测量机检测一个标准长度杆,长度杆的材料应该和被测零件的材料一致。检测完成后的长度杆的长度作为标准长度。在检查零件前,长度杆应在测量零件的环境

(下转111页)

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工 程 技 术

表1

2011 NO.24Science and Technology Innovation Herald科技创新导报表2

表3

V2nb.对整网进行二维约束平差。以深圳市平面控制网GPS点“G2015、2035”作为起算数据,对控制网进行二维约束平差计算。

5 GPS内业解算

5.1数据后处理

a.GPS观测数据内业编辑输入相关点位信息后,采用接收机配备的商用软件Ashtech solutions2.5进行基线解算,保证每一条基线都求出整周模糊度。

b.重复基线较差和非同步环闭合差的检核仍按外业基线检核时的要求进行。5.2网平差

a.对整网进行无约束平差并检核GPS网的观测质量。以所有独立基线组成闭合图形,以三维基线向量及相应方差协方差阵作为观测信息,以网一点的WGS-84系三维坐标作为起算依据,进行全网无约束平差。

中放置至少半小时。

(2)直接系数补偿方法

该方法可以使操作者按照温度补偿系数对被测零件进行补偿。

选择X、Y和Z轴的比例系数。在键入三个相应的比例系数后,当前坐标系按照新的比例系数重新生成。

这种方法操作相对比较简单,因此在实际测量中主要采用此种方法。

下面举例说明直接系数补偿方法的操作:

假设:尺寸为1000mm×300mm×30mm的零件,测量环境温度为25℃

首先计算温度补偿系数,因为环境温度大于标准温度20℃,因此系数要大于1。

程进度及精度要求下,如何将GPS技术在大型工程施工控制中灵活运用是一个只得探讨的课题。通过本工程的实践笔者得到如下一些体会。

(1)GPS观测受到各种外界因素的影响,有可能产生粗差和各种随机误差,为了对GPS观测成果进行质量检查,保证成果的可靠并恰当地评定精度,就要求由非同步独立观测边构成闭合环或符合线路。作业时不应将非独立边作为独立观测边处理,更不能将同步闭合环当作非同步闭合环。

(2)对GPS网进行图型设计时,应使闭合环的边数小于规范的规定,仅允许个别闭合环的边数等于规范的边数,为了使外业观测有计划的进行,避免GPS独立边选择的随意性,便于及时检查观测结果。宜按设计网图选定GPS独立边,必要时,在经过技术负责人审议后,可根据具体情况作适当调整。

6 GPS精度评定

环闭合差统计(如表1）;基线残差统计（如表2）;

平面平差基线相对精度统计（如表3）。GPS点位中误差统计:

100%的点位精度在1.0cm以内,其中46%精度小于0.5cm。

以上充分说明观测数据合格,基线解算质量良好,GPS网的测量精度满足四等要求。

参考文献

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理与应用[M].测绘出版社,北京,1995.[2]张雨化.公路勘测设计[M].人民交通出

版社,西安,1986.

[3]刘基余,李征航,王跃虎,桑吉章.全球

定位系统原理及应用[M].测绘出版社,北京,1992.

7 结语

随着城市建设规模日益扩大,今后遇到高速公路拓宽改建的项目会越来越多,在保证工系数=1+(环境温度 标准温度)×膨胀系数

=1+(25-20)×0.00002351=1.00011755

分别键入对于X、Y、Z坐标轴的比例系数,完成了坐标系的温度补偿。

前必须彻底消除零件内部的这种温度差。对于从不同环境中运输来的零件,在零件进行测量前,要有最短半小时的温度适应期,使其温度恒定后再进行测量。在测量前对零件进行温度测定时,要在零件上最少3个不同的位置进行测量,以这3个温度值的平均值作为环境温度的最终值。

为确保温度在测量前后的恒定,对于环境、零件等温度的测量,应在测量前和测量后分别进行两次。

在不能保证测量环境温度恒定的情况下,任何测量是没有意义的。

.com.cn. All Rights Reserved.(上接109页)

4 实施温度补偿时的注意事项

无论在何种条件下进行补偿或者不补

偿,要保证在整个测量过程中的环境温度的相对恒定。尤其对于尺寸比较大的零件,其测量时间比较长,而测量结果对温度变化又比较敏感。因此,尺寸较大的零件测量时更应该注意测量过程中温度的相对恒定。

根据零件尺寸和形状的不同,在零件内部可能存在明显的温度梯度差别,因此在测量之

参考文献

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图1 设备精度为±0.004mm,零件公差±0.06mm的零件温度补偿分析

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