三坐标测量机结构材料对性能的影响

三坐标测量机结构材料对测量精度、性能有很大影响，随着各种新型材料的研究、开发和应用，三坐标测量机结构材料种类越来越多。目前三坐标测量机主流结构材料为花岗岩、铝合金，工业陶瓷基本只出现在高端三坐标测量机中。

一、材料分类

1.1铸铁

铸铁是应用较为普遍的一种材料，主要用于底座、导轨、立柱、支架、床身等。优点是变形小、耐磨性好、易于加工、成本较低、热膨胀系数与多数被测件（钢件）接近，是早期三坐标测量机广泛使用的材料。

1.2花岗岩

花岗岩（俗称大理石）密度比钢轻,比铝重,是目前应用较为普遍的一种材料。由于花岗岩在地下经过亿万年的时效，应力释放充分，加工后的稳定性好、不生锈,易于作平面加工,达到比铸铁更高的平面度,适合制作高精度的平台与导轨，目前多数三坐标测量机用这种材料。

目前超高精度三坐标主要采用固定桥式，固定桥三坐标测量机采用固定“封闭框架”和移动工作台的设计，工作台、X轴横梁和Z轴一般也是用优质花岗岩，各轴具有相同的热力学性能，能有效消除温度变化对结构的影响，保证仪器长时间运行的高精度和稳定性。

1.3陶瓷

工业陶瓷是近年来发展很快的材料类型，它是将陶瓷材料压制成形后烧结、研磨得到。三坐标X轴横梁和Z轴采用陶瓷结构，可以充分发挥工业陶瓷重量轻、刚性与抗热膨胀性优异、容易加工成超高精度表面的特性，在各种工业制造环境中都能够获取精确可靠的测量数据。

由于主轴和横梁采用工业陶瓷，工作台采用花岗岩，三轴热匹配性合理，更有利于在20℃±2℃温度范围内保证精度。

1.4铝合金

高强度铝合金密度小，表面硬质阳极氧化后硬度良好，不易锈蚀，机械强度高，能够制作大尺寸零件。

铝合金因其高刚性/质量比、适合批量化生产、导热性好，在三坐标中成为首选的轻量化结构材料。在要求快速测量的场合，三坐标测量机X轴横梁和Z轴采用航空铝合金，可以获得更快的测量速度，提高测量效率。由于铝合金导热性非常好，当环境温度波动时，材料也会发生相对均匀的热变形，配以温度反馈和补偿，可以减少热变形带来的影响。

二、测量室环境温度对仪器的影响

恒温时间：长时间不工作的三坐标，当室内空调打开时，室内体感温度会很快达到20°C左右，但仪器内部结构件需要数小时后才能达到要求温度，进行测量。构件材料越厚，需要的恒温时间越长。

室内温度梯度：测量室温度一般会存在温度梯度，仪器难以通过温度补偿彻底消除温度梯度的影响，只能要求客户温度梯度达到允许范围。热膨胀系数小的材料，温度梯度的影响也越小。

温度变化：测量室人员出入、人数变化（人体就是热源）等因素，也可以影响测量室温度场，使用热膨胀性更低的材料（如花岗岩、陶瓷），可以有效降低此影响。

一般而言，为了保证环境温度要求，应该根据房间大小使用相应的变频空调，设立温度缓冲间，使用顶部均匀送风的空调，避免空调直吹仪器；室内不应有太阳照射进来，仪器不应靠近暖气，不应靠近进出通道；空调应该24小时开机；温度空间梯度≤1℃/米、温度范围20（±2）℃、 温度时间梯度≤0.5℃/小时&≤2℃/24小时。

三、不同材料对比

3.1温度稳定性

“热膨胀系数”在很大程度上反映出设备对温度的稳定性；花岗岩和工业陶瓷的热膨胀系数仅约为铝合金材料的1/4和钢的1/2，其温度稳定性优于铝合金。

3.2热匹配性

工作台一般采用花岗岩材料，运动部分采用花岗岩、铝合金、陶瓷，不合适的“热膨胀系数”组合会在环境温度发生变化时，带来结构变形，影响精度。

3.3加工精度

花岗岩通过研磨手段，其平行度、平面度可以做到<2um，这是高端三坐标测量机不可或缺的条件。

铝合金通过挤压、精密铣削/车削、阳极氧化（带陶瓷涂层的抗时效）、研磨等手段，也可以达到较高加工精度。

工业陶瓷硬度很高，要达到与花岗岩相同的加工精度，成本会更高。

3.4刚性

花岗岩弹性模量接近铸铁，可以做成中空结构，也能保证刚性，不易产生弯曲变形。

使用铝合金、陶瓷材料，由于容易结构成型，可以通过对其内部中空结构的设计来进一步协调重量和刚性的关系。

3.5刚度/质量比

材料的刚度/质量比，也称为比刚度，是衡量材料在轻量化设计中的关键指标，其定义为：E/ρ，即材料的弹性模量和密度的比值，可反映出材料刚性与运动特性的关系，工业陶瓷比刚度是铝合金材料的4倍、是花岗岩材料的6倍，合适设计后，可以在保证精度情况下获得较高的测量速度。

3.6动态性能

铝合金通过筋板设计，可以让移动轴更轻便。花岗岩，可以通过钻孔的方式来减少本身的重量，但体积往往要大于铝合金，也比铝合金更重。

工业陶瓷因其超高的“刚度/质量比”，基本无需使用筋板或只使用简单的筋板就可以保证强度，并且由于密度比其他材质小，重量小、强度高，是非常适宜做X轴横梁和Z轴的材料。

3.7成本及生产效率

工业陶瓷硬度高，加工精度面相比花岗岩要困难很多，并且烧结过程中可能出现不良品，成本要远高于其他材质。

花岗岩的精度面一般通过手工研磨来获得的，其生产周期根据尺寸大约需要30到60天，一些超大构件需要的时间会更多。

铝合金可以通过模具大量生产，生产效率高、成本低。

四、小结

三坐标测量机的移动部件重量、移动速度和精度相互影响。测量机运动部分X轴横梁和Z轴，目前多采用花岗岩、航空铝合金、工业陶瓷，分别应用于不同应用场景。超高精密三坐标测量机，多使用优质花岗岩和陶瓷材料。