三坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)材料對測量精度、性能有很大影響，隨著各種新型材料的研究、開發(fā)和應(yīng)用，三坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)構(gòu)材料種類越來越多。目前三坐標(biāo)測量機(jī)主流結(jié)構(gòu)材料為花崗巖、鋁合金，工業(yè)陶瓷基本只出現(xiàn)在高端三坐標(biāo)測量機(jī)中。

一、材料分類

1.1鑄鐵

鑄鐵是應(yīng)用較為普遍的一種材料，主要用于底座、導(dǎo)軌、立柱、支架、床身等。優(yōu)點(diǎn)是變形小、耐磨性好、易于加工、成本較低、熱膨脹系數(shù)與多數(shù)被測件（鋼件）接近，是早期三坐標(biāo)測量機(jī)廣泛使用的材料。

1.2花崗巖

花崗巖（俗稱大理石）密度比鋼輕,比鋁重,是目前應(yīng)用較為普遍的一種材料。由于花崗巖在地下經(jīng)過億萬年的時(shí)效，應(yīng)力釋放充分，加工后的穩(wěn)定性好、不生銹,易于作平面加工,達(dá)到比鑄鐵更高的平面度,適合制作高精度的平臺與導(dǎo)軌，目前多數(shù)三坐標(biāo)測量機(jī)用這種材料。

目前超高精度三坐標(biāo)主要采用固定橋式，固定橋三坐標(biāo)測量機(jī)采用固定“封閉框架”和移動工作臺的設(shè)計(jì)，工作臺、X軸橫梁和Z軸一般也是用優(yōu)質(zhì)花崗巖，各軸具有相同的熱力學(xué)性能，能有效消除溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響，保證儀器長時(shí)間運(yùn)行的高精度和穩(wěn)定性。

1.3陶瓷

工業(yè)陶瓷是近年來發(fā)展很快的材料類型，它是將陶瓷材料壓制成形后燒結(jié)、研磨得到。三坐標(biāo)X軸橫梁和Z軸采用陶瓷結(jié)構(gòu)，可以充分發(fā)揮工業(yè)陶瓷重量輕、剛性與抗熱膨脹性優(yōu)異、容易加工成超高精度表面的特性，在各種工業(yè)制造環(huán)境中都能夠獲取精確可靠的測量數(shù)據(jù)。

由于主軸和橫梁采用工業(yè)陶瓷，工作臺采用花崗巖，三軸熱匹配性合理，更有利于在20℃±2℃溫度范圍內(nèi)保證精度。

1.4鋁合金

高強(qiáng)度鋁合金密度小，表面硬質(zhì)陽極氧化后硬度良好，不易銹蝕，機(jī)械強(qiáng)度高，能夠制作大尺寸零件。

鋁合金因其高剛性/質(zhì)量比、適合批量化生產(chǎn)、導(dǎo)熱性好，在三坐標(biāo)中成為首選的輕量化結(jié)構(gòu)材料。在要求快速測量的場合，三坐標(biāo)測量機(jī)X軸橫梁和Z軸采用航空鋁合金，可以獲得更快的測量速度，提高測量效率。由于鋁合金導(dǎo)熱性非常好，當(dāng)環(huán)境溫度波動時(shí)，材料也會發(fā)生相對均勻的熱變形，配以溫度反饋和補(bǔ)償，可以減少熱變形帶來的影響。

二、測量室環(huán)境溫度對儀器的影響

恒溫時(shí)間：長時(shí)間不工作的三坐標(biāo)，當(dāng)室內(nèi)空調(diào)打開時(shí)，室內(nèi)體感溫度會很快達(dá)到20°C左右，但儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)件需要數(shù)小時(shí)后才能達(dá)到要求溫度，進(jìn)行測量。構(gòu)件材料越厚，需要的恒溫時(shí)間越長。

室內(nèi)溫度梯度：測量室溫度一般會存在溫度梯度，儀器難以通過溫度補(bǔ)償徹底消除溫度梯度的影響，只能要求客戶溫度梯度達(dá)到允許范圍。熱膨脹系數(shù)小的材料，溫度梯度的影響也越小。

溫度變化：測量室人員出入、人數(shù)變化（人體就是熱源）等因素，也可以影響測量室溫度場，使用熱膨脹性更低的材料（如花崗巖、陶瓷），可以有效降低此影響。

一般而言，為了保證環(huán)境溫度要求，應(yīng)該根據(jù)房間大小使用相應(yīng)的變頻空調(diào)，設(shè)立溫度緩沖間，使用頂部均勻送風(fēng)的空調(diào)，避免空調(diào)直吹儀器；室內(nèi)不應(yīng)有太陽照射進(jìn)來，儀器不應(yīng)靠近暖氣，不應(yīng)靠近進(jìn)出通道；空調(diào)應(yīng)該24小時(shí)開機(jī)；溫度空間梯度≤1℃/米、溫度范圍20（±2）℃、 溫度時(shí)間梯度≤0.5℃/小時(shí)&≤2℃/24小時(shí)。

三、不同材料對比

3.1溫度穩(wěn)定性

“熱膨脹系數(shù)”在很大程度上反映出設(shè)備對溫度的穩(wěn)定性；花崗巖和工業(yè)陶瓷的熱膨脹系數(shù)僅約為鋁合金材料的1/4和鋼的1/2，其溫度穩(wěn)定性優(yōu)于鋁合金。

3.2熱匹配性

工作臺一般采用花崗巖材料，運(yùn)動部分采用花崗巖、鋁合金、陶瓷，不合適的“熱膨脹系數(shù)”組合會在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，帶來結(jié)構(gòu)變形，影響精度。

3.3加工精度

花崗巖通過研磨手段，其平行度、平面度可以做到<2um，這是高端三坐標(biāo)測量機(jī)不可或缺的條件。

鋁合金通過擠壓、精密銑削/車削、陽極氧化（帶陶瓷涂層的抗時(shí)效）、研磨等手段，也可以達(dá)到較高加工精度。

工業(yè)陶瓷硬度很高，要達(dá)到與花崗巖相同的加工精度，成本會更高。

3.4剛性

花崗巖彈性模量接近鑄鐵，可以做成中空結(jié)構(gòu)，也能保證剛性，不易產(chǎn)生彎曲變形。

使用鋁合金、陶瓷材料，由于容易結(jié)構(gòu)成型，可以通過對其內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來進(jìn)一步協(xié)調(diào)重量和剛性的關(guān)系。

3.5剛度/質(zhì)量比

材料的剛度/質(zhì)量比，也稱為比剛度，是衡量材料在輕量化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵指標(biāo)，其定義為：E/ρ，即材料的彈性模量和密度的比值，可反映出材料剛性與運(yùn)動特性的關(guān)系，工業(yè)陶瓷比剛度是鋁合金材料的4倍、是花崗巖材料的6倍，合適設(shè)計(jì)后，可以在保證精度情況下獲得較高的測量速度。

3.6動態(tài)性能

鋁合金通過筋板設(shè)計(jì)，可以讓移動軸更輕便?；◢弾r，可以通過鉆孔的方式來減少本身的重量，但體積往往要大于鋁合金，也比鋁合金更重。

工業(yè)陶瓷因其超高的“剛度/質(zhì)量比”，基本無需使用筋板或只使用簡單的筋板就可以保證強(qiáng)度，并且由于密度比其他材質(zhì)小，重量小、強(qiáng)度高，是非常適宜做X軸橫梁和Z軸的材料。

3.7成本及生產(chǎn)效率

工業(yè)陶瓷硬度高，加工精度面相比花崗巖要困難很多，并且燒結(jié)過程中可能出現(xiàn)不良品，成本要遠(yuǎn)高于其他材質(zhì)。

花崗巖的精度面一般通過手工研磨來獲得的，其生產(chǎn)周期根據(jù)尺寸大約需要30到60天，一些超大構(gòu)件需要的時(shí)間會更多。

鋁合金可以通過模具大量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高、成本低。

四、小結(jié)

三坐標(biāo)測量機(jī)的移動部件重量、移動速度和精度相互影響。測量機(jī)運(yùn)動部分X軸橫梁和Z軸，目前多采用花崗巖、航空鋁合金、工業(yè)陶瓷，分別應(yīng)用于不同應(yīng)用場景。超高精密三坐標(biāo)測量機(jī)，多使用優(yōu)質(zhì)花崗巖和陶瓷材料。