測量機(jī)同其他精密測量儀器一樣，其使用的材料并沒有的優(yōu)劣之分。只有充分了解測量機(jī)的使用環(huán)境、測量效率要求和各種材料的物理特性，結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和測量機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，方能科學(xué)地進(jìn)行材料的選擇并將材料的物理特性充分發(fā)揮出來以滿足測量的要求。
本文通過對不同材料在溫度特性、運(yùn)動(dòng)特性以及工藝特性三個(gè)方面進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出針對不同精度、使用環(huán)境、測量效率要求的測量機(jī)適合的材料，從而為正確的選用提供科學(xué)依據(jù)。
一、與測量機(jī)材料選擇相關(guān)的參數(shù)：
1. 溫度特性：
測量機(jī)做為一種高精度的計(jì)量設(shè)備，為保持其持續(xù)的高精度，需要針對安裝環(huán)境的溫度變化進(jìn)行適當(dāng)?shù)膽?yīng)對或補(bǔ)償，這其中，構(gòu)成測量機(jī)各主要部件材料的溫度特性就成為一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)。
評定材料的溫度特性，我們主要從熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)/熱導(dǎo)率三個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行分析，下表通過測量機(jī)常用的幾種材料，包括鋁合金、陶瓷、花崗巖與鋼說明各參數(shù)之間的相互關(guān)系：
評定指標(biāo)
鋁合金
陶瓷
花崗巖
鋼
指標(biāo)說明
熱膨脹系數(shù)
（e-6/k）
23.2
8.2
7
14
材料的熱膨脹系數(shù)衡量材料在溫度變化時(shí)的變形量；值越大，則在同樣的溫度變化情況下，材料的延伸或收縮量越大。但*，測量機(jī)溫度膨脹補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)成熟了多年，均勻的材料膨脹所帶來的誤差是非常容易被補(bǔ)償?shù)舻摹?br>熱導(dǎo)率
（ w/m/k）
237
24.7
2.5
80
材料的熱導(dǎo)率衡量材料對熱能的傳導(dǎo)速度，也可以被理解為材料在溫度變化時(shí)，材料的整體達(dá)到溫度平衡的快慢。該值越高，則材料越能快速實(shí)現(xiàn)熱平衡，材料內(nèi)部的溫度差越小，局部的膨脹和變形差異越小，zui終可使結(jié)構(gòu)的彎曲變形導(dǎo)致的累積誤差越小。熱導(dǎo)率小的材料非常容易在材料內(nèi)部形成復(fù)雜的局部變形，并zui終累積成復(fù)雜的整體變形，這種變形是很難通過溫度補(bǔ)償來保證高精度的。參見圖1和圖2的說明
膨脹系數(shù)
/熱導(dǎo)比
0.10
0.33
2.80
0.18
材料的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率之比是對測量機(jī)材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要的一個(gè)指標(biāo)。它綜合考察一種材料的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率對測量機(jī)的共同影響。該參數(shù)越小，則溫度變化產(chǎn)生的材料局部變形和累積變形越小，從而測量機(jī)越容易通過快速實(shí)時(shí)的溫度補(bǔ)償來達(dá)到更高的精度和穩(wěn)定性。
好
較好
一般
好
通過以上材料溫度特性和相關(guān)的說明，我們不難看出:
對于通用型測量機(jī)，機(jī)器需要在相對寬松的溫度條件下保持較高的精度（基本要求在正負(fù)2度，但很多機(jī)器可以工作在更寬的溫度環(huán)境中）。這種情況下，往往溫度的變化和不均勻性帶來的影響（通過局部和累積變形）遠(yuǎn)大于材料均勻膨脹所帶來的影響。材料熱膨脹系數(shù)帶來的簡單膨脹可以被溫度補(bǔ)償技術(shù)很有效地補(bǔ)償?shù)?，但局部和累積的材料變形的補(bǔ)償是非常困難并難以補(bǔ)償?shù)?。因此對通用型測量機(jī)，在確保膨脹系數(shù)/熱導(dǎo)比的前提下，應(yīng)當(dāng)更側(cè)重于材料的熱導(dǎo)率，加之后面我們要討論到的運(yùn)行特性和工藝特性，鋁合金是目前業(yè)界所能經(jīng)濟(jì)使用的的材料。
對于坐落于非常良好的溫度環(huán)境內(nèi)的高精度機(jī)器，機(jī)器更強(qiáng)調(diào)精度，并為達(dá)到超高精度而采用較為昂貴的手段保證很高的溫度環(huán)境要求（如要求保證0.5度左右）和盡量小的單位膨脹率。因此在材料的選擇上應(yīng)當(dāng)在采用較低的膨脹系數(shù)/熱導(dǎo)比材料的前提下，更多地側(cè)重于材料的熱膨脹系數(shù)（較好的材料如花崗巖，陶瓷）。
圖1：熱導(dǎo)率示意圖
說明：鋁合金達(dá)到溫度平衡所需的時(shí)間比陶瓷快10倍，比花崗巖快100倍
圖2：熱導(dǎo)率在溫度變化時(shí)對材料的影響（假設(shè)熱源在材料下方）
說明：鋁合金的熱導(dǎo)率高，可快速達(dá)到熱平衡，故其熱脹冷縮更接近線性，在環(huán)境溫度變化時(shí)仍可保證的直線度和垂直度，容易補(bǔ)償，適合通用型測量機(jī)（基本要求在正負(fù)2度，可在更寬的溫度環(huán)境中工作）。
陶瓷和花崗巖由于熱導(dǎo)率較差，在溫度變化時(shí)局部溫度變形復(fù)雜，帶來復(fù)雜的局部和累積材料變形，難以充分補(bǔ)償，只適合于環(huán)境溫度控制較好的情況下使用（如要求保證0.5度），多用于高精度測量機(jī)。
2. 運(yùn)動(dòng)特性：
不斷致力于提率是現(xiàn)代制造業(yè)的一個(gè)zui為顯著的特征，同時(shí)測量系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在車間現(xiàn)場，要求更快的為制造流程提供實(shí)時(shí)的測量反饋，因此，測量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能不僅能夠通過提供更加平穩(wěn)順暢的運(yùn)動(dòng)特性而提升測量的精度和重復(fù)性，同時(shí)還可以提供更高的測量速度和效率。測量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性是在精度之外另外一項(xiàng)需要關(guān)注的指標(biāo)。
材料密度和剛性（彈性模量mpa）是反映測量系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性的兩項(xiàng)重要指標(biāo)），下表列出了測量機(jī)使用的主要材料相關(guān)指標(biāo)與分析：
評定指標(biāo)
鋁合金
陶瓷
花崗巖
鋼
指標(biāo)說明
材料密度（g/cm3）
2.7
3.7
2.8
7.9
測量機(jī)運(yùn)動(dòng)部件所采用材料的密度對測量機(jī)運(yùn)動(dòng)性能有重大影響，材料密度越低，則機(jī)器的運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量越小:
1）：可獲的更高的測量速度和加速度；
2）：機(jī)器的力學(xué)負(fù)荷越小，在同樣剛性的情況下結(jié)構(gòu)變形越小;尤其對機(jī)器在運(yùn)動(dòng)狀況下（包括測量）具有非常重要的影響。
剛性
（彈性模量mpa）
70
310
48
206
材料的測量剛性決定了材料在外力作用下的變形大小，剛性越大，則在同樣的作用力下，材料變形越小，越有利于保證測量機(jī)的精度。參見圖3
根據(jù)上述分析，我們可以得出以下結(jié)論:
在補(bǔ)償技術(shù)被坐標(biāo)測量機(jī)普遍應(yīng)用以后，剛性就已經(jīng)不在是參考材料特性的zui重要指標(biāo)，因?yàn)椴牧系撵o態(tài)變形和低速度/加速度情況下的變形補(bǔ)償已經(jīng)成為各主流坐標(biāo)測量機(jī)廠商的標(biāo)準(zhǔn)手段。zui為復(fù)雜的剛性-變形情況來自與機(jī)器以較高速度/加速度運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的變形和運(yùn)動(dòng)控制誤差（由機(jī)器，傳動(dòng)，控制系統(tǒng)等構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)位置環(huán)）。這種情況下運(yùn)動(dòng)部分的重量（反映在材料密度特性）顯得極為重要，它對系統(tǒng)精度的影響不是簡單倍數(shù)而是級數(shù)關(guān)系。
對于通用型測量機(jī)，在用戶利益zui大化的設(shè)計(jì)思路指導(dǎo)下，機(jī)器需要在保證較高精度的同時(shí)追求更率。 因此在材料的選擇上應(yīng)當(dāng)在較高剛性/密度比的前提下，更多地側(cè)重于材料的輕密度，并通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來減小運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量。在這種情況下，鋁合金的優(yōu)勢又更明顯地體現(xiàn)出來。這也是為什么同樣精度的機(jī)器，一些公司的機(jī)器可以更率運(yùn)行，另一些公司卻只能緩慢測量。效率低意味著要投入更多的資金購買測量設(shè)備并付出更多的人工和更長的資源占用時(shí)間。
對于高精度測量機(jī)（精度要求1微米以內(nèi)），機(jī)器更強(qiáng)調(diào)更多的是精度而不是速度。因此在材料選擇上往往在較高的剛性/密度比的前提下，更多地側(cè)重于材料本身的剛性，或通過增加材料的尺寸來提高整體剛性。兩種都是業(yè)界采用的有效方法。
3. 材料的制造工藝性和彈性：
隨著坐標(biāo)測量機(jī)的需求量的日益擴(kuò)大，要求測量機(jī)的制造和生產(chǎn)從原來的單件生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)化為更具效率的批量生產(chǎn)，從而產(chǎn)品的品質(zhì)更加穩(wěn)定、制造效率更高，從而為客戶提供具有更好性價(jià)比的測量產(chǎn)品。在這種背景下，測量機(jī)主要部件材料的制造工藝性成為測量機(jī)廠商需要重點(diǎn)考慮的指標(biāo)。
評定指標(biāo)
鋁合金
陶瓷
花崗巖
鋼
指標(biāo)說明
制造工藝性
好
一般
一般
較好
采用制造工藝性好的材料，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)測量機(jī)使用要求和生產(chǎn)工藝的要求，對機(jī)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分設(shè)計(jì)優(yōu)化。突破材料在制造工藝性上的束縛，結(jié)合材料本身的其他特性，能夠?yàn)橛脩粼O(shè)計(jì)和提供性能更加優(yōu)異的測量機(jī)。同時(shí)，制造工藝性好的材料一般也具有較好的彈性，這樣在機(jī)器運(yùn)輸和使用過程中可以承受更多的突發(fā)震動(dòng)或誤操作碰撞，不至于斷裂損壞而造成較大損失。
鋁合金是通用型測量機(jī)的材料：
一般來說，除非部分核心設(shè)計(jì)或制造技術(shù)無法突破或缺乏加工手段（在合理成本下），否則測量機(jī)的設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)在綜合平衡其他材料特性后選用制造工藝性更好的材料。
鋁合金是一種很好的綜合性能材料并且具有非常好的制造工藝性，是通用性測量機(jī)的材料。但一些實(shí)力比較弱或者技術(shù)相對落后的測量機(jī)廠商并沒有掌握大尺寸鋁合金橫梁的材料成型與高精度加工技術(shù)，從而不得不放棄采用鋁合金材料或只能局部使用。實(shí)際上，因?yàn)闇y量機(jī)使用鋁合金材料具有顯著優(yōu)點(diǎn)，有許多聲稱使用其他材料的廠商實(shí)際上還是在自身技術(shù)能力所及的地方使用鋁合金，如：z軸，滑架，左右腿等（這些零件的制造加工技術(shù)比起橫梁來相對容易）；技術(shù)落后的廠商甚至連鋁合金z軸的制造技術(shù)都無法突破。
二、如何選擇適合的測量機(jī)材料：
在以上綜合分析測量機(jī)上主要采用的材料（鋁合金、陶瓷、花崗石、鋼）在溫度特性、動(dòng)態(tài)特性以及工藝特性的方面的相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮到測量機(jī)當(dāng)今制造業(yè)中的使用特點(diǎn)、使用環(huán)境、精度以及效率要求，我們不難看出：
1. 通用型和車間型測量機(jī)：
此類測量機(jī)在保證較高精度的情況下，對測量的效率也有較高的要求，其所在的工作環(huán)境一般。綜合而言，鋁合金是設(shè)計(jì)此類測量機(jī)非常理想的材料。
具體說明如下：
1.1在環(huán)境溫度變化的情況下，由于外界溫度變化較大，在兼顧膨脹系數(shù)/熱導(dǎo)比的情況下，需要采用熱導(dǎo)率更好的材料, 在這方面，鋁合金是*的材料。
1.2在確保材料的剛性/密度比的同時(shí)，鋁合金密度小，在保證精度的情況下有助于提高測量機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，從而提高測量效率。尤其是鋁合金材料配以高精密三角梁的設(shè)計(jì)，充分挖掘了鋁合金這種理想材料的優(yōu)良特性，是測量機(jī)設(shè)計(jì)的經(jīng)典杰作。
1.3 鋁合金材料易于實(shí)現(xiàn)材料的一致性，如global即為全鋁框架，這樣的好處是溫度變化時(shí)，各部分的變形一致，容易補(bǔ)償。否則，如果機(jī)器的橫梁、滑架和z軸采用不同的材料，則溫度變化時(shí)的膨脹量不同，導(dǎo)致機(jī)器膨脹變形扭曲，這種變形是非線性的，難以通過溫度補(bǔ)償解決。參見下圖所示：
圖3：材料一致性與溫變變形的關(guān)系圖
說明1 ： 圓形和三角形代表兩個(gè)部件。
1 如果兩者材料一致，則在溫度升高時(shí)，兩者膨脹的程度一致，故發(fā)生的彎曲變形較小，容易補(bǔ)償。
2 如果兩者采用不同的材料制成，則兩者的膨脹程度無法保持一致，由此將產(chǎn)生復(fù)雜的變形，難以補(bǔ)償。
下圖以海克斯康的global測量機(jī)為例加以說明：
?？怂箍档膅lobal 橋式機(jī)，
如圖說是： 該機(jī)器采用全鋁框架，保證了在溫度變化時(shí),機(jī)器的主體框架不會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的變形，保證了機(jī)器的精度。
圖4：機(jī)型材料一致性示意圖
2. 高精度測量機(jī)
此類測量機(jī)對精度的要求是*位的，而對速度要求一般；由于價(jià)值高，一般配備的工作環(huán)境，環(huán)境較好。其移動(dòng)部件的選材，需要兼顧密度和剛性；而對于固定部件，則對密度/剛性比的要求比較寬松，一般通過加大截面尺寸提高剛性，故固定部件的材料可選擇陶瓷或花崗石。
三、結(jié)論：
選定適合的測量機(jī)材料，需要綜合考慮材料的溫度特性、動(dòng)態(tài)特性以及工藝特性，同時(shí)需要考慮測量機(jī)使用的場合、精度要求、效率要求等綜合因素。技術(shù)的創(chuàng)新是無止境的，要求測量機(jī)廠商需要融合的材料技術(shù)、加工技術(shù)、補(bǔ)償技術(shù)以及控制技術(shù)，采用適合客戶具體應(yīng)用需要的測量機(jī)材料。