三坐标测量机的技术升级改造和多功能化

　　三坐标测量机（CMM）使加工车间能够对用户要求日益严格的零件公差进行检测。但是，用CMM进行精密测量所耗费的时间和精力（取决于CMM的服役年限和复杂程度）往往可能成为生产流程中的一个瓶颈。通过有选择地对CMM进行升级改造和采用多功能CMM技术，有助于提高CMM的测量速度和检测柔性。

　　CMM的升级改造：对CMM进行升级改造时，首先必须考虑的问题是CMM的机械性能。为此，需要检查CMM的使用状态，如果机械部分状况良好，能够校准和保持精度，那么就适合对其进行升级。如果机械系统已经损坏，丧失了精度，就没有必要对其进行升级改造。如果一台CMM机械性能完好，比较经济实惠的升级方式就是更新其测量软件。软件升级是CMM改造的工作重点。一个典型实例是升级改造一台已使用了15年，硬件状态良好但软件运行平台仍为DOS操作系统的CMM。用基于Windows操作系统的新型测量软件（如Zeiss公司的Calypso软件包）对其进行更新升级后，就能输入CAD文件，选择测量范围，并自动创建测量程序。这种面向操作者的软件允许脱机编程，可在不中断测量的情况下为检测新的零件进行编程准备。如果一个加工车间有多台不同品牌的CMM，可以将它们升级到同一个测量软件包，这样操作人员就可以方便地在多台CMM之间轮换操作。软件的标准化还有利于新购置CMM设备，因为可以将测量软件直接移植到新增的CMM上。完成软件升级后，下一个步骤是升级更新CMM控制器。通过更换新型控制器，可以显著提高数据采集的速度和精度，还能为CMM提供信息采集、随机诊断等功能和预检修程序。完成软件和控制器升级后，更新测头技术也可以显著改善CMM的性能。CMM的标准测头为触发式测头，它的探针与被测工件接触一次，就激活一次发讯开关，记录一个数据点。现在许多触发式测头的性能不断提高和完善，如接触式扫描测头可在触测点与工件保持接触并提供模拟量反馈，连续而快速地记录大量数据点。新的测量软件、控制器和测头技术相结合，可以大大提高CMM的检测速度。例如，Zeiss公司为高性能级CMM新机型配备的Vast Navigator组合套件中就包括了先进的逻辑控制器、专用测头和测量软件，可对被测工件进行快速扫描和数据采集。过去对V6发动机的汽缸体进行一次全面检测需要22分钟，而采用Navigator套件（即使不对测量程序作任何改编）可使检测速度提高30％。

　　传感技术的改进：传感器技术的进一步发展包括在不接触工件的情况下采集其尺寸数据的能力。如采用激光测头进行探测时，将一束相干光投射到被测工件表面，通过对反射光信号进行分析，即可记录到单点或多点尺寸数据（如同采用接触式扫描测头时一样）。视频传感系统则采用一台摄像机和一套照明系统，可以同时记录大量数据点，能够精确测量工件的边缘，还能记录接触式测头难以检测的微小形貌。非接触式传感器最适合用于测量具有延展性的软材料和小尺寸工件形貌。采用非接触激光扫描测头能够快速完成大尺度、中等精度的检测工作（如汽车外仪表板安装尺寸的检测）。而用接触式扫描测头检测薄壁金属工件则可能因测力过大而损坏工件，检测此类工件的精度要求可能比检测发动机汽缸体的典型精度要求（＜2μm）要低10～20倍。新型扫描测头能够弥补传统测头测量功能的不足。传统的触发测头只能用于单个点的尺寸/位置测量，而扫描测头具有多点快速测量功能，是工件形貌测量的首选。例如，Renishow公司新开发的扫描测头的扫描速度比传统测头大幅度提高，同时又保留了触发测头的单个数据点快速测量功能。提高扫描测头的扫描测量速度意义重大。但在以前，当试图提高扫描速度时，测量机的动量和惯性会导致测量精度降低。当测量机驱动测头快速扫过工件和改变运动方向时，就会产生不断变化的动态误差，从而将扫描速度限制在20mm/sec.以下。为了将动态误差的影响降至最小，Renishow公司开发了新的软件和硬件，其中包括2轴万向定位测头。最近，该公司推出了一套由Renscan5测量机5轴控制技术、Revo高速扫描测头、激光校准测头和UCC2通用型CMM控制器等组成的扫描测量系统。采用该成套技术的CMM能以500mm/sec.的扫描速度对高精度工件参数进行可覆盖更大数据范围的高速测量。

　　CMM的多功能化：正如将控制软件与换刀装置相结合的多功能机床能在一次装夹中完成工件的多工序加工一样，采用多传感技术的CMM也能在同一台仪器上实现对工件多种误差项目的检测，从而可以节省将工件从一台仪器移至另一台仪器分别测量各项误差所花费的时间和精力，并可将工件在转移、装卸过程中发生损坏的可能性和多次装夹引入的测量误差降至最低。但是，用多传感技术改造老式CMM也存在一些需要解决的问题。虽然目前将CMM的单点触发测头升级为扫描触发测头已相当普遍，但在CMM上加装视频测头却受到一定限制。这是因为视频测头通常比触发测头要重得多，而老式CMM的机械结构设计难以承受这一重量。此外，使用视频传感系统还需要有专用照明装置，而在使用触发测头的CMM上通常没有此类装置。另一个问题是触发测头与视频测量软件的集成。触发测头CMM的测量方式是对单个点或一组点进行采样，而视频测量系统则是利用一台摄像机对一个点阵进行快速采样。因此，为了能在测量中对不同的传感器进行快速切换，而无需停机对其它传感器重新校准后再继续测量，将不同的传感器集成到测量软件中就显得至关重要。OPG公司正尝试以另一种思路来解决CMM的多功能化问题，即最好是在视频测量机上加装单点采样传感器，而不是在单点测量机上加装视频测头。由于视频测量机具有同时处理多点数据的能力，因此也能处理单点数据和扫描输入数据。该公司设计的多传感测头CMM是以视频测量机为基型，可加装接触测头、激光测头以及其它类型的传感测头，即在同一个给定的测量平台上可以使用4～5种不同的传感测头。集成化的多测头CMM能够大幅度提高测量能力和检测效率。例如，将被测工件一次装夹好后，可以用视频测头对所有适合视频测量的部位进行数据采样；对于某些视频测头无法测量的部位（如深度超过视频测头焦距的孔的底部），可以换用触发测头逐点采样；对于那些没有经过精确几何形状CAD设计的复杂表面形貌，则可采用激光测头对其进行表面扫描。各种传感器采集的数据点用一个软件包进行分析，并将分析结果与初始CAD文件进行比较，以确定工件是否正确。多传感测头的一个典型应用实例是对半金属密封垫圈的测量。对于垫圈的金属基体材料部分，可以采用接触式测头测量其尺寸参数（如孔径）；对于不能用接触式测头测量的软性材料部分，如果有一台多功能CMM，就可以切换到视频摄像测头，从而获得工件的连续数字图像。将多种测量功能集成到一台测量机上是完全可以实现的。CMM的多功能化将大大减少测量每种特定的工件参数对单一功能测量机的需求量。随着坐标测量技术的不断发展，CMM最终可能会达到如下理想境界：只需将被测工件放到测量机上，揿一下按钮，即可获得需要的所有测量结果。将来，用一台综合型测量机取代所有的单一功能测量机也完全可能实现。

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