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三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的升級(jí)改造
發(fā)布日期：2016-05-03 來(lái)源：《上海設(shè)備管理》
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我國(guó)早期使用的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）大多是從國(guó)外進(jìn)口的，這些三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)均使用陳舊計(jì)算機(jī)軟件控制并處理測(cè)量數(shù)據(jù)給出計(jì)算結(jié)果，經(jīng)過(guò)十幾年甚至幾十年的使用，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)經(jīng)常出問(wèn)題。而且早期計(jì)算機(jī)使用的是老標(biāo)準(zhǔn)的配置，如主板、硬盤(pán)、CPU、內(nèi)存和操作系統(tǒng)等都與現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)配置標(biāo)準(zhǔn)不同，一旦損壞買(mǎi)不到配件，就使整個(gè)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(wèn)題。由于時(shí)間久遠(yuǎn)，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(biāo)的機(jī)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(jià)值。如果完全淘汰重新購(gòu)置三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其代價(jià)太大而且是對(duì)資源的極大浪費(fèi)，這是擁有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的單位必然要面對(duì)的現(xiàn)實(shí)。因此，對(duì)原有的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造不失為解決這一問(wèn)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(cè)量準(zhǔn)確度、增強(qiáng)測(cè)量功能。
一、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成及工作原理
1、組成
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)由四部分組成：機(jī)械、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和輔助設(shè)備（如圖1所示）。
機(jī)械部分：包括工作臺(tái)，X、Y、Z三軸。
控制系統(tǒng)部分：計(jì)算機(jī)、測(cè)量軟件、控制柜。
數(shù)據(jù)采集部分：測(cè)頭、溫度傳感器。
輔助設(shè)備：壓縮空氣及穩(wěn)壓部分。
2、工作原理
任何形狀都是由三維空間點(diǎn)組成的，所有的幾何量測(cè)量都可以歸結(jié)為三維空間點(diǎn)的測(cè)量，因此精確地進(jìn)行空間點(diǎn)坐標(biāo)的采集，是評(píng)定任何幾何形狀的基礎(chǔ)。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基本原理是將被測(cè)零件放入它允許的測(cè)量空間范圍內(nèi)，準(zhǔn)確地測(cè)出被測(cè)零件表面的點(diǎn)在空間三個(gè)坐標(biāo)位置的數(shù)值，將這些點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)值經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理，擬合形成測(cè)量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)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(biāo)測(cè)量機(jī)可定義為“一種具有可作三個(gè)方向移動(dòng)的探測(cè)器，可在三個(gè)相互垂直的導(dǎo)軌上移動(dòng)，此探測(cè)器以接觸或非接觸等方式傳送信號(hào)，三個(gè)軸的位移測(cè)量系統(tǒng)（如光學(xué)尺）經(jīng)數(shù)據(jù)處理器或計(jì)算機(jī)等計(jì)算出工件的各點(diǎn)坐標(biāo)（X、Y、Z）及各項(xiàng)功能測(cè)量的儀器”。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量功能應(yīng)包括尺寸準(zhǔn)確度測(cè)量、定位準(zhǔn)確度測(cè)量、幾何準(zhǔn)確度測(cè)量及輪廓準(zhǔn)確度測(cè)量等。
二、技術(shù)升級(jí)的可行性
本單位有一臺(tái)Leitz PMM544 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，生產(chǎn)于1983年，屬于全分立元件產(chǎn)品，是最早一批進(jìn)入中國(guó)的高準(zhǔn)確度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。經(jīng)過(guò)近三十年的使用，所有氣管和空氣過(guò)濾芯老化嚴(yán)重必須更換，空氣軸承、Z軸導(dǎo)向系統(tǒng)和摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于時(shí)間久遠(yuǎn)，灰塵堆積嚴(yán)重需要清洗�？刂葡到y(tǒng)因?yàn)樵匣�、溫度參�?shù)漂移嚴(yán)重、運(yùn)行速度慢而經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題，無(wú)法正常開(kāi)展工作，但機(jī)械性能依舊保持完好，只要把三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造更換，對(duì)機(jī)器進(jìn)行大修則重新運(yùn)行是可靠的。二十多年來(lái)，伴隨新材料、溫度補(bǔ)償、測(cè)頭補(bǔ)償、激光干涉儀校準(zhǔn)技術(shù)和測(cè)量軟件新技術(shù)的應(yīng)用，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的技術(shù)指標(biāo)和功能大為提高。通過(guò)這次升級(jí)改造，Leitz PMM544 可以把準(zhǔn)確度從±（1.2＋L/300）μm提升到±（0.8＋L/500）μm，并且支持多種測(cè)量軟件，增強(qiáng)測(cè)量功能，提高測(cè)量效率。
三、更新改造方案
1、機(jī)器全面大修
機(jī)器全面大修內(nèi)容包括：
（1）更換所有氣管、空氣過(guò)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(dòng)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(jì)算機(jī)補(bǔ)償前機(jī)器機(jī)械垂直度校準(zhǔn)、旋轉(zhuǎn)度校準(zhǔn)。
2、控制系統(tǒng)升級(jí)
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(yán)重，運(yùn)行速度慢，系統(tǒng)不穩(wěn)定。
升級(jí)改造采用最新推出的增強(qiáng)型UP-S微電子控制系統(tǒng)，由IPC主控中心對(duì)各微電子模塊及智能型操縱臺(tái)進(jìn)行控制，具有很高的集成化、程序化，運(yùn)行穩(wěn)定、維修方便。
對(duì)于PMM 544 A型機(jī)，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(jì)算機(jī)；
（2）80位智能型數(shù)顯操縱臺(tái)；
（3）各軸CNC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)由微電子控制；
（4）高精度伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（與B4系統(tǒng)相同）；
（5）具有機(jī)器狀態(tài)自檢功能、誤差修正及溫度補(bǔ)償功能、自動(dòng)換探針功能；
（6）支持MESCAL、QUINDOS、PC-DMIS、METROLOG多種測(cè)量軟件。
3、三維測(cè)頭升級(jí)
原三維測(cè)頭完全是手動(dòng)式在機(jī)床上卡緊、放松測(cè)針，速度慢、重復(fù)性差、人體熱輻射影響測(cè)量準(zhǔn)確度，而且容易損壞測(cè)頭。測(cè)針取下后，必須重新校準(zhǔn)才能使用，影響工作效率及測(cè)量準(zhǔn)確度。
新的氣動(dòng)卡放探針式精密測(cè)頭，可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)針的自動(dòng)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0.7μm）。對(duì)于校準(zhǔn)過(guò)的測(cè)針，可以取下再使用，無(wú)需再校準(zhǔn)，大大提高了工作效率。
4、測(cè)量軟件升級(jí)
現(xiàn)有的St控制系統(tǒng)，總線是IEEE488，連接MESCAL3測(cè)量軟件。新的控制系統(tǒng)由通用IPC工控機(jī)，采用接口RS232聯(lián)機(jī)，可自行選擇連接多種測(cè)量程序（MESCAL、 QUINDOS、METROLOG、PC-DMIS等）。本機(jī)升級(jí)后安裝現(xiàn)有MESCAL 最高版本，及升級(jí)到QUINDOS6 測(cè)量軟件。
四、溫度補(bǔ)償和雙頻激光干涉儀長(zhǎng)度補(bǔ)償
1、溫度補(bǔ)償
雖然Leitz PMM544采用全大理石構(gòu)造，因此自身對(duì)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(zhǔn)確度測(cè)量設(shè)備，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在改造時(shí)增加了溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。
采用實(shí)時(shí)的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，共有8個(gè)溫度傳感器，X、Y、Z光柵尺兩端各1個(gè)，被測(cè)樣品上放置兩個(gè)。傳感器可以實(shí)時(shí)地感知實(shí)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(jì)算標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃下實(shí)際尺寸時(shí)，將溫度變化引起的產(chǎn)品尺寸變化考慮在內(nèi)。溫度補(bǔ)償系統(tǒng)提高了實(shí)際應(yīng)用精度。
2、雙頻激光干涉儀長(zhǎng)度補(bǔ)償
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的軟硬件改造完成之后，需要用雙頻激光干涉儀對(duì)各軸的準(zhǔn)確度進(jìn)行校準(zhǔn)。測(cè)量各坐標(biāo)軸的示值誤差是按一定的步長(zhǎng)進(jìn)行的。測(cè)量機(jī)工作時(shí)，被測(cè)點(diǎn)可能不在采樣點(diǎn)上，這就需要插值計(jì)算。無(wú)論采用何種擬合曲線均為近似的，與實(shí)際誤差分布曲線有差異。因此，補(bǔ)償步長(zhǎng)的長(zhǎng)短則要影響補(bǔ)償效果，其確定原則是擬合誤差要小到可忽略不計(jì)。選擇步長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)測(cè)量機(jī)準(zhǔn)確度來(lái)確定，要求補(bǔ)償準(zhǔn)確度高則步長(zhǎng)選擇短些，準(zhǔn)確度低則可選擇長(zhǎng)些。改造完成的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)Leitz PMM544屬于超高準(zhǔn)確度坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，選擇步長(zhǎng)為10mm。根據(jù)得到的誤差補(bǔ)償曲線進(jìn)行軟件補(bǔ)償，進(jìn)一步提高其測(cè)量準(zhǔn)確度。
五、結(jié)語(yǔ)
（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(jī)和電子元器件替代了原來(lái)的專(zhuān)用控制設(shè)備部件，便于今后的維修和保養(yǎng)；
（3）超高準(zhǔn)確度的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)現(xiàn)在售價(jià)都在數(shù)百萬(wàn)元，本次改造的費(fèi)用僅需四十余萬(wàn)，經(jīng)濟(jì)效益巨大。
通過(guò)升級(jí)改造，本單位的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)LeitzPMM 544恢復(fù)了原有的測(cè)量功能，測(cè)量準(zhǔn)確度從±（1.2＋L/300）μm 提高到±（0.8＋L/500）μm，使這一臺(tái)幾乎報(bào)廢的設(shè)備重獲新生。通過(guò)1 年多的使用，系統(tǒng)穩(wěn)定，效果良好。
作者：張波 傅云霞 曾燕華 唐冬梅 單位：上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院
