張 波 傅云霞 曾燕華 唐冬梅 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

三坐標測量機的升級改造*

張 波 傅云霞 曾燕華 唐冬梅 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

三坐標測量機升級改造的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)包括機械改造、控制系統(tǒng)升級改造、三維測頭升級改造和測量軟件升級改造等。通過這些升級改造，三坐標測量機大大提高了測量速度和準確度，并可以實現(xiàn)逆向制造，為單位創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

計量學(xué)；三坐標測量機；升級改造

0　引言

我國早期使用的三坐標測量機（CMM）大多是從國外進口的，這些三坐標測量機均使用陳舊計算機軟件控制并處理測量數(shù)據(jù)給出計算結(jié)果，經(jīng)過十幾年甚至幾十年的使用，計算機系統(tǒng)經(jīng)常出問題。而且早期計算機使用的是老標準的配置，如主板、硬盤、CPU、內(nèi)存和操作系統(tǒng)等都與現(xiàn)在的計算機配置標準不同，一旦損壞買不到配件，就使整個系統(tǒng)陷入癱瘓?？刂葡到y(tǒng)也呈現(xiàn)出元器件老化、集成度低等問題。由于時間久遠，大部分元器件和電路板都已經(jīng)停產(chǎn)，更新難度極大。但是，三坐標的機械部分均采用氣浮導(dǎo)軌，又在空氣溫度、濕度較好的環(huán)境中使用，盡管用了十幾年甚至幾十年，性能依然保持良好，仍有較大的使用價值。如果完全淘汰重新購置三坐標測量機，其代價太大而且是對資源的極大浪費，這是擁有三坐標測量機的單位必然要面對的現(xiàn)實。因此，對原有的三坐標測量機進行技術(shù)改造不失為解決這一問題的理想方案， 不僅可以提高原有設(shè)備利用率，節(jié)約資金，而且可以大幅度提高測量準確度、增強測量功能。

1　三坐標測量機的組成及工作原理

1.1組成

三坐標測量機由四部分組成：機械、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和輔助設(shè)備（如圖1所示）。

機械部分：包括工作臺，X、Y、Z三軸。

圖1　工作原理示意圖

控制系統(tǒng)部分：計算機、測量軟件、控制柜。

數(shù)據(jù)采集部分：測頭、溫度傳感器。

輔助設(shè)備：壓縮空氣及穩(wěn)壓部分。

1.2工作原理

任何形狀都是由三維空間點組成的，所有的幾何量測量都可以歸結(jié)為三維空間點的測量，因此精確地進行空間點坐標的采集，是評定任何幾何形狀的基礎(chǔ)。坐標測量機的基本原理是將被測零件放入它允許的測量空間范圍內(nèi)，準確地測出被測零件表面的點在空間三個坐標位置的數(shù)值，將這些點的坐標數(shù)值經(jīng)過計算機處理，擬合形成測量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過數(shù)學(xué)計算的方法得出其形狀、位置公差及其他幾何量數(shù)據(jù)。

三坐標測量機可定義為“一種具有可作三個方向移動的探測器，可在三個相互垂直的導(dǎo)軌上移動，此探測器以接觸或非接觸等方式傳送信號，三個軸的位移測量系統(tǒng)（如光學(xué)尺）經(jīng)數(shù)據(jù)處理器或計算機等計算出工件的各點坐標（X、Y、Z）及各項功能測量的儀器”。三坐標測量機的測量功能應(yīng)包括尺寸準確度測量、定位準確度測量、幾何準確度測量及輪廓準確度測量等。

2　技術(shù)升級的可行性

本單位有一臺Leitz PMM544三坐標測量機，生產(chǎn)于1983年，屬于全分立元件產(chǎn)品，是最早一批進入中國的高準確度三坐標測量機。經(jīng)過近三十年的使用，所有氣管和空氣過濾芯老化嚴重必須更換，空氣軸承、Z軸導(dǎo)向系統(tǒng)和摩擦驅(qū)動系統(tǒng)由于時間久遠，灰塵堆積嚴重需要清洗?？刂葡到y(tǒng)因為元件老化、溫度參數(shù)漂移嚴重、運行速度慢而經(jīng)常出現(xiàn)問題，無法正常開展工作，但機械性能依舊保持完好，只要把三坐標測量機的控制系統(tǒng)進行改造更換，對機器進行大修則重新運行是可靠的。二十多年來，伴隨新材料、溫度補償、測頭補償、激光干涉儀校準技術(shù)和測量軟件新技術(shù)的應(yīng)用，三坐標測量機的技術(shù)指標和功能大為提高。通過這次升級改造，Leitz PMM544可以把準確度從±（1.2+L/300）μm提升到±（0.8+L/500）μm，并且支持多種測量軟件，增強測量功能，提高測量效率。

3　更新改造方案

3.1機器全面大修

機器全面大修內(nèi)容包括：

1）更換所有氣管、空氣過濾芯；

2）清洗空氣軸承、清洗Z軸導(dǎo)向系統(tǒng)；

3）清洗或調(diào)整摩擦驅(qū)動系統(tǒng)、調(diào)整光柵系統(tǒng)；

4）檢查調(diào)整Z軸質(zhì)量平衡系統(tǒng)；

5）計算機補償前機器機械垂直度校準、旋轉(zhuǎn)度校準。

3.2控制系統(tǒng)升級

原控制系統(tǒng)生產(chǎn)于1983年，屬于全分立元件產(chǎn)品，元件老化、參數(shù)漂移嚴重，運行速度慢，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

升級改造采用最新推出的增強型UP-S微電子控制系統(tǒng)，由IPC主控中心對各微電子模塊及智能型操縱臺進行控制，具有很高的集成化、程序化，運行穩(wěn)定、維修方便。

對于PMM 544 A型機，其功能與最新的LEITZ B4系統(tǒng)基本相同。包括：

1）主控制中心IPC工控計算機；

2）80位智能型數(shù)顯操縱臺；

3）各軸CNC驅(qū)動系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、探測系統(tǒng)由微電子控制；

4）高精度伺服驅(qū)動系統(tǒng)（與B4系統(tǒng)相同）；

5）具有機器狀態(tài)自檢功能、誤差修正及溫度補償功能、自動換探針功能；

6）支持MESCAL、QUINDOS、PC-DMIS、METROLOG多種測量軟件。

3.3三維測頭升級

原三維測頭完全是手動式在機床上卡緊、放松測針，速度慢、重復(fù)性差、人體熱輻射影響測量準確度，而且容易損壞測頭。測針取下后，必須重新校準才能使用，影響工作效率及測量準確度。

新的氣動卡放探針式精密測頭，可實現(xiàn)對測針的自動卡緊放松，具有相當(dāng)高的重復(fù)性（兩次卡緊重復(fù)性小于0.7 μm）。對于校準過的測針，可以取下再使用，無需再校準，大大提高了工作效率。

3.4測量軟件升級

現(xiàn)有的St 控制系統(tǒng)，總線是IEEE488，連接MESCAL3測量軟件。新的控制系統(tǒng)由通用IPC工控機，采用接口RS232聯(lián)機，可自行選擇連接多種測量程序（MESCAL、 QUINDOS、METROLOG、PCDMIS等）。本機升級后安裝現(xiàn)有MESCAL最高版本，及升級到QUINDOS6測量軟件。

4　溫度補償和雙頻激光干涉儀長度補償

4.1溫度補償

雖然Leitz PMM544采用全大理石構(gòu)造，因此自身對溫度的要求比傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)（鋁合金、不銹鋼、航空鋁等）要低得多，但是由于是超高準確度測量設(shè)備，三坐標測量機在改造時增加了溫度補償系統(tǒng)。

采用實時的溫度補償系統(tǒng)，共有8個溫度傳感器，X、Y、Z光柵尺兩端各1個，被測樣品上放置兩個。傳感器可以實時地感知實際溫度，并將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)和軟件，軟件根據(jù)當(dāng)前的溫度和選定的材料熱膨脹系數(shù)，在計算標準溫度20 ℃下實際尺寸時，將溫度變化引起的產(chǎn)品尺寸變化考慮在內(nèi)。溫度補償系統(tǒng)提高了實際應(yīng)用精度。

4.2雙頻激光干涉儀長度補償

三坐標測量機的軟硬件改造完成之后，需要用雙頻激光干涉儀對各軸的準確度進行校準。測量各坐標軸的示值誤差是按一定的步長進行的。測量機工作時，被測點可能不在采樣點上，這就需要插值計算。無論采用何種擬合曲線均為近似的，與實際誤差分布曲線有差異。因此，補償步長的長短則要影響補償效果，其確定原則是擬合誤差要小到可忽略不計。選擇步長應(yīng)根據(jù)測量機準確度來確定，要求補償準確度高則步長選擇短些，準確度低則可選擇長些。改造完成的三坐標測量機Leitz PMM544屬于超高準確度坐標測量機，選擇步長為10 mm。根據(jù)得到的誤差補償曲線進行軟件補償，進一步提高其測量準確度。

5　結(jié)語

1）新的控制柜采用集成化、小型化的微電子控制系統(tǒng)，減少占用空間和能源消耗；

2）通用的微機和電子元器件替代了原來的專用控制設(shè)備部件，便于今后的維修和保養(yǎng)；

3）超高準確度的三坐標測量機現(xiàn)在售價都在數(shù)百萬元，本次改造的費用僅需四十余萬，經(jīng)濟效益巨大。

通過升級改造，本單位的三坐標測量機Leitz PMM 544恢復(fù)了原有的測量功能，測量準確度從±（1.2+L/300）μm提高到±（0.8+L/500）μm，使這一臺幾乎報廢的設(shè)備重獲新生。通過1 a多的使用，系統(tǒng)穩(wěn)定，效果良好。

［1］ 張國雄. 三坐標測量機的發(fā)展趨勢［J］. 中國機械工程，2000，11（1）：222- 226.

［2］ 齊艷霞， 陸伯印. 三坐標誤差補償方法的研究［J］. 計量技術(shù)，1997，12：9- 11.

［3］ 席增強， 于迎紅. 三坐標測量機數(shù)控系統(tǒng)改造［J］. 計量技術(shù)，2004，08：64- 65.

Upgrading for CMM

Zhang Bo，F(xiàn)u Yunxia，Zeng Yanhua，Tang Dongmei
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

Each key link and key technologies of three coordinate measuring machine upgrading include mechanical modifications， the upgrading transformation of control system， the upgrading transformation of three-dimensional probe and the upgrading transformation of measurement software etc. Through these upgrading transformation，CMM greatly improved measurement speed and accuracy， and can achieve reverse manufacturing， to create a good economic and social benefits for the units.

Metrology； CMM； upgrading transformation

上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局基標準器改造項目（D00BJ1303）