三坐标测量机的升级改造
发布日期：2016-05-03 来源：《上海设备管理》
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我国早期使用的三坐标测量机（CMM）大多是从国外进口的，这些三坐标测量机均使用陈旧计算机软件控制并处理测量数据给出计算结果，经过十几年甚至几十年的使用，计算机系统经常出问题。而且早期计算机使用的是老标准的配置，如主板、硬盘、CPU、内存和操作系统等都与现在的计算机配置标准不同，一旦损坏买不到配件，就使整个系统陷入瘫痪。控制系统也呈现出元器件老化、集成度低等问题。由于时间久远，大部分元器件和电路板都已经停产，更新难度极大。但是，三坐标的机械部分均采用气浮导轨，又在空气温度、湿度较好的环境中使用，尽管用了十几年甚至几十年，性能依然保持良好，仍有较大的使用价值。如果完全淘汰重新购置三坐标测量机，其代价太大而且是对资源的极大浪费，这是拥有三坐标测量机的单位必然要面对的现实。因此，对原有的三坐标测量机进行技术改造不失为解决这一问题的理想方案, 不仅可以提高原有设备利用率，节约资金，而且可以大幅度提高测量准确度、增强测量功能。
一、三坐标测量机的组成及工作原理
1、组成
三坐标测量机由四部分组成：机械、控制系统、数据采集和辅助设备（如图1所示）。
机械部分：包括工作台，X、Y、Z三轴。
控制系统部分：计算机、测量软件、控制柜。
数据采集部分：测头、温度传感器。
辅助设备：压缩空气及稳压部分。
2、工作原理
任何形状都是由三维空间点组成的，所有的几何量测量都可以归结为三维空间点的测量，因此精确地进行空间点坐标的采集，是评定任何几何形状的基础。坐标测量机的基本原理是将被测零件放入它允许的测量空间范围内，准确地测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，将这些点的坐标数值经过计算机处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其他几何量数据。
三坐标测量机可定义为“一种具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上移动，此探测器以接触或非接触等方式传送信号，三个轴的位移测量系统（如光学尺）经数据处理器或计算机等计算出工件的各点坐标（X、Y、Z）及各项功能测量的仪器”。三坐标测量机的测量功能应包括尺寸准确度测量、定位准确度测量、几何准确度测量及轮廓准确度测量等。
二、技术升级的可行性
本单位有一台Leitz PMM544 三坐标测量机，生产于1983年，属于全分立元件产品，是最早一批进入中国的高准确度三坐标测量机。经过近三十年的使用，所有气管和空气过滤芯老化严重必须更换，空气轴承、Z轴导向系统和摩擦驱动系统由于时间久远，灰尘堆积严重需要清洗。控制系统因为元件老化、温度参数漂移严重、运行速度慢而经常出现问题，无法正常开展工作，但机械性能依旧保持完好，只要把三坐标测量机的控制系统进行改造更换，对机器进行大修则重新运行是可靠的。二十多年来，伴随新材料、温度补偿、测头补偿、激光干涉仪校准技术和测量软件新技术的应用，三坐标测量机的技术指标和功能大为提高。通过这次升级改造，Leitz PMM544 可以把准确度从±（1.2＋L/300）μm提升到±（0.8＋L/500）μm，并且支持多种测量软件，增强测量功能，提高测量效率。
三、更新改造方案
1、机器全面大修
机器全面大修内容包括：
（1）更换所有气管、空气过滤芯；
（2）清洗空气轴承、清洗Z轴导向系统；
（3）清洗或调整摩擦驱动系统、调整光栅系统；
（4）检查调整Z轴质量平衡系统；
（5）计算机补偿前机器机械垂直度校准、旋转度校准。
2、控制系统升级
原控制系统生产于1983年，属于全分立元件产品，元件老化、参数漂移严重，运行速度慢，系统不稳定。
升级改造采用最新推出的增强型UP-S微电子控制系统，由IPC主控中心对各微电子模块及智能型操纵台进行控制，具有很高的集成化、程序化，运行稳定、维修方便。
对于PMM 544 A型机，其功能与最新的LEITZ B4 系统基本相同。包括：
（1）主控制中心IPC工控计算机；
（2）80位智能型数显操纵台；
（3）各轴CNC驱动系统、监控系统、探测系统由微电子控制；
（4）高精度伺服驱动系统（与B4系统相同）；
（5）具有机器状态自检功能、误差修正及温度补偿功能、自动换探针功能；
（6）支持MESCAL、QUINDOS、PC-DMIS、METROLOG多种测量软件。
3、三维测头升级
原三维测头完全是手动式在机床上卡紧、放松测针，速度慢、重复性差、人体热辐射影响测量准确度，而且容易损坏测头。测针取下后，必须重新校准才能使用，影响工作效率及测量准确度。
新的气动卡放探针式精密测头，可实现对测针的自动卡紧放松，具有相当高的重复性（两次卡紧重复性小于0.7μm）。对于校准过的测针，可以取下再使用，无需再校准，大大提高了工作效率。
4、测量软件升级
现有的St控制系统，总线是IEEE488，连接MESCAL3测量软件。新的控制系统由通用IPC工控机，采用接口RS232联机，可自行选择连接多种测量程序（MESCAL、 QUINDOS、METROLOG、PC-DMIS等）。本机升级后安装现有MESCAL 最高版本，及升级到QUINDOS6 测量软件。
四、温度补偿和双频激光干涉仪长度补偿
1、温度补偿
虽然Leitz PMM544采用全大理石构造，因此自身对温度的要求比传统的金属结构（铝合金、不锈钢、航空铝等）要低得多，但是由于是超高准确度测量设备，三坐标测量机在改造时增加了温度补偿系统。
采用实时的温度补偿系统，共有8个温度传感器，X、Y、Z光栅尺两端各1个，被测样品上放置两个。传感器可以实时地感知实际温度，并将数据传输给控制系统和软件，软件根据当前的温度和选定的材料热膨胀系数，在计算标准温度20℃下实际尺寸时，将温度变化引起的产品尺寸变化考虑在内。温度补偿系统提高了实际应用精度。
2、双频激光干涉仪长度补偿
三坐标测量机的软硬件改造完成之后，需要用双频激光干涉仪对各轴的准确度进行校准。测量各坐标轴的示值误差是按一定的步长进行的。测量机工作时，被测点可能不在采样点上，这就需要插值计算。无论采用何种拟合曲线均为近似的，与实际误差分布曲线有差异。因此，补偿步长的长短则要影响补偿效果，其确定原则是拟合误差要小到可忽略不计。选择步长应根据测量机准确度来确定，要求补偿准确度高则步长选择短些，准确度低则可选择长些。改造完成的三坐标测量机Leitz PMM544属于超高准确度坐标测量机，选择步长为10mm。根据得到的误差补偿曲线进行软件补偿，进一步提高其测量准确度。
五、结语
（1）新的控制柜采用集成化、小型化的微电子控制系统，减少占用空间和能源消耗；
（2）通用的微机和电子元器件替代了原来的专用控制设备部件，便于今后的维修和保养；
（3）超高准确度的三坐标测量机现在售价都在数百万元，本次改造的费用仅需四十余万，经济效益巨大。
通过升级改造，本单位的三坐标测量机LeitzPMM 544恢复了原有的测量功能，测量准确度从±（1.2＋L/300）μm 提高到±（0.8＋L/500）μm，使这一台几乎报废的设备重获新生。通过1 年多的使用，系统稳定，效果良好。
作者：张波 傅云霞 曾燕华 唐冬梅 单位：上海市计量测试技术研究院
