三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的升級(jí)改造和多功能化

    三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）使加工車(chē)間能夠?qū)τ脩?hù)要求日益嚴(yán)格的零件公差進(jìn)行檢測(cè)。但是，用CMM進(jìn)行精密測(cè)量所耗費(fèi)的時(shí)間和精力（取決于CMM的服役年限和復(fù)雜程度）往往可能成為生產(chǎn)流程中的一個(gè)瓶頸。通過(guò)有選擇地對(duì)CMM進(jìn)行升級(jí)改造和采用多功能CMM技術(shù)，有助于提高CMM的測(cè)量速度和檢測(cè)柔性。 

    CMM的升級(jí)改造 對(duì)CMM進(jìn)行升級(jí)改造時(shí)，首先必須考慮的問(wèn)題是CMM的機(jī)械性能。為此，需要檢查CMM的使用狀態(tài)，如果機(jī)械部分狀況良好，能夠校準(zhǔn)和保持精度，那么就適合對(duì)其進(jìn)行升級(jí)。如果機(jī)械系統(tǒng)已經(jīng)損壞，喪失了精度，就沒(méi)有必要對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造。 如果一臺(tái)CMM機(jī)械性能完好，比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的升級(jí)方式就是更新其測(cè)量軟件。軟件升級(jí)是CMM改造的工作重點(diǎn)。一個(gè)典型實(shí)例是升級(jí)改造一臺(tái)已使用了15年，硬件狀態(tài)良好但軟件運(yùn)行平臺(tái)仍為DOS操作系統(tǒng)的CMM。用基于Windows操作系統(tǒng)的新型測(cè)量軟件（如Zeiss公司的Calypso軟件包）對(duì)其進(jìn)行更新升級(jí)后，就能輸入CAD文件，選擇測(cè)量范圍，并自動(dòng)創(chuàng)建測(cè)量程序。這種面向操作者的軟件允許脫機(jī)編程，可在不中斷測(cè)量的情況下為檢測(cè)新的零件進(jìn)行編程準(zhǔn)備。 

    如果一個(gè)加工車(chē)間有多臺(tái)不同品牌的CMM，可以將它們升級(jí)到同一個(gè)測(cè)量軟件包，這樣操作人員就可以方便地在多臺(tái)CMM之間輪換操作。軟件的標(biāo)準(zhǔn)化還有利于新購(gòu)置CMM設(shè)備，因?yàn)榭梢詫�測(cè)量軟件直接移植到新增的CMM上。 完成軟件升級(jí)后，下一個(gè)步驟是升級(jí)更新CMM控制器。通過(guò)更換新型控制器，可以顯著提高數(shù)據(jù)采集的速度和精度，還能為CMM提供信息采集、隨機(jī)診斷等功能和預(yù)檢修程序。 完成軟件和控制器升級(jí)后，更新測(cè)頭技術(shù)也可以顯著改善CMM的性能。CMM的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)頭為觸發(fā)式測(cè)頭，它的探針與被測(cè)工件接觸一次，就激活一次發(fā)訊開(kāi)關(guān)，記錄一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)�，F(xiàn)在許多觸發(fā)式測(cè)頭的性能不斷提高和完善，如接觸式掃描測(cè)頭可在觸測(cè)點(diǎn)與工件保持接觸并提供模擬量反饋，連續(xù)而快速地記錄大量數(shù)據(jù)點(diǎn)。 新的測(cè)量軟件、控制器和測(cè)頭技術(shù)相結(jié)合，可以大大提高CMM的檢測(cè)速度。例如，Zeiss公司為高性能級(jí)CMM新機(jī)型配備的Vast Navigator組合套件中就包括了先進(jìn)的邏輯控制器、專(zhuān)用測(cè)頭和測(cè)量軟件，可對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行快速掃描和數(shù)據(jù)采集。過(guò)去對(duì)V6發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸體進(jìn)行一次全面檢測(cè)需要22分鐘，而采用Navigator套件（即使不對(duì)測(cè)量程序作任何改編）可使檢測(cè)速度提高30％。 

    傳感技術(shù)的改進(jìn) 傳感器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展包括在不接觸工件的情況下采集其尺寸數(shù)據(jù)的能力。如采用激光測(cè)頭進(jìn)行探測(cè)時(shí)，將一束相干光投射到被測(cè)工件表面，通過(guò)對(duì)反射光信號(hào)進(jìn)行分析，即可記錄到單點(diǎn)或多點(diǎn)尺寸數(shù)據(jù)（如同采用接觸式掃描測(cè)頭時(shí)一樣）。視頻傳感系統(tǒng)則采用一臺(tái)攝像機(jī)和一套照明系統(tǒng)，可以同時(shí)記錄大量數(shù)據(jù)點(diǎn)，能夠精確測(cè)量工件的邊緣，還能記錄接觸式測(cè)頭難以檢測(cè)的微小形貌。 非接觸式傳感器最適合用于測(cè)量具有延展性的軟材料和小尺寸工件形貌。采用非接觸激光掃描測(cè)頭能夠快速完成大尺度、中等精度的檢測(cè)工作（如汽車(chē)外儀表板安裝尺寸的檢測(cè)）。而用接觸式掃描測(cè)頭檢測(cè)薄壁金屬工件則可能因測(cè)力過(guò)大而損壞工件，檢測(cè)此類(lèi)工件的精度要求可能比檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體的典型精度要求（＜2μm）要低10～20倍。 新型掃描測(cè)頭能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)頭測(cè)量功能的不足。傳統(tǒng)的觸發(fā)測(cè)頭只能用于單個(gè)點(diǎn)的尺寸/位置測(cè)量，而掃描測(cè)頭具有多點(diǎn)快速測(cè)量功能，是工件形貌測(cè)量的首選。例如，Renishow公司新開(kāi)發(fā)的掃描測(cè)頭的掃描速度比傳統(tǒng)測(cè)頭大幅度提高，同時(shí)又保留了觸發(fā)測(cè)頭的單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)快速測(cè)量功能。 

    提高掃描測(cè)頭的掃描測(cè)量速度意義重大。但在以前，當(dāng)試圖提高掃描速度時(shí)，測(cè)量機(jī)的動(dòng)量和慣性會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度降低。當(dāng)測(cè)量機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)頭快速掃過(guò)工件和改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生不斷變化的動(dòng)態(tài)誤差，從而將掃描速度限制在20mm/sec.以下。為了將動(dòng)態(tài)誤差的影響降至Renishow公司開(kāi)發(fā)了新的軟件和硬件，其中包括2軸萬(wàn)向定位測(cè)頭。最近，該公司推出了一套由Renscan5測(cè)量機(jī)5軸控制技術(shù)、Revo高速掃描測(cè)頭、激光校準(zhǔn)測(cè)頭和UCC2通用型CMM控制器等組成的掃描測(cè)量系統(tǒng)。采用該成套技術(shù)的CMM能以500mm/sec.的掃描速度對(duì)高精度工件參數(shù)進(jìn)行可覆蓋更大數(shù)據(jù)范圍的高速測(cè)量。 CMM的多功能化 正如將控制軟件與換刀裝置相結(jié)合的多功能機(jī)床能在一次裝夾中完成工件的多工序加工一樣，采用多傳感技術(shù)的CMM也能在同一臺(tái)儀器上實(shí)現(xiàn)對(duì)工件多種誤差項(xiàng)目的檢測(cè)，從而可以節(jié)省將工件從一臺(tái)儀器移至另一臺(tái)儀器分別測(cè)量各項(xiàng)誤差所花費(fèi)的時(shí)間和精力，并可將工件在轉(zhuǎn)移、裝卸過(guò)程中發(fā)生損壞的可能性和多次裝夾引入的測(cè)量誤差降至最低。 但是，用多傳感技術(shù)改造老式CMM也存在一些需要解決的問(wèn)題。雖然目前將CMM的單點(diǎn)觸發(fā)測(cè)頭升級(jí)為掃描觸發(fā)測(cè)頭已相當(dāng)普遍，但在CMM上加裝視頻測(cè)頭卻受到一定限制。這是因?yàn)橐曨l測(cè)頭通常比觸發(fā)測(cè)頭要重得多，而老式CMM的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難以承受這一重量。此外，使用視頻傳感系統(tǒng)還需要有專(zhuān)用照明裝置，而在使用觸發(fā)測(cè)頭的CMM上通常沒(méi)有此類(lèi)裝置。另一個(gè)問(wèn)題是觸發(fā)測(cè)頭與視頻測(cè)量軟件的集成。觸發(fā)測(cè)頭CMM的測(cè)量方式是對(duì)單個(gè)點(diǎn)或一組點(diǎn)進(jìn)行采樣，而視頻測(cè)量系統(tǒng)則是利用一臺(tái)攝像機(jī)對(duì)一個(gè)點(diǎn)陣進(jìn)行快速采樣。因此，為了能在測(cè)量中對(duì)不同的傳感器進(jìn)行快速切換，而無(wú)需停機(jī)對(duì)其它傳感器重新校準(zhǔn)后再繼續(xù)測(cè)量，將不同的傳感器集成到測(cè)量軟件中就顯得至關(guān)重要。 

    OPG公司正嘗試以另一種思路來(lái)解決CMM的多功能化問(wèn)題，即最好是在視頻測(cè)量機(jī)上加裝單點(diǎn)采樣傳感器，而不是在單點(diǎn)測(cè)量機(jī)上加裝視頻測(cè)頭。由于視頻測(cè)量機(jī)具有同時(shí)處理多點(diǎn)數(shù)據(jù)的能力，因此也能處理單點(diǎn)數(shù)據(jù)和掃描輸入數(shù)據(jù)。該公司設(shè)計(jì)的多傳感測(cè)頭CMM是以視頻測(cè)量機(jī)為基型，可加裝接觸測(cè)頭、激光測(cè)頭以及其它類(lèi)型的傳感測(cè)頭，即在同一個(gè)給定的測(cè)量平臺(tái)上可以使用4～5種不同的傳感測(cè)頭。 集成化的多測(cè)頭CMM能夠大幅度提高測(cè)量能力和檢測(cè)效率。例如，將被測(cè)工件一次裝夾好后，可以用視頻測(cè)頭對(duì)所有適合視頻測(cè)量的部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣；對(duì)于某些視頻測(cè)頭無(wú)法測(cè)量的部位（如深度超過(guò)視頻測(cè)頭焦距的孔的底部），可以換用觸發(fā)測(cè)頭逐點(diǎn)采樣；對(duì)于那些沒(méi)有經(jīng)過(guò)精確幾何形狀CAD設(shè)計(jì)的復(fù)雜表面形貌，則可采用激光測(cè)頭對(duì)其進(jìn)行表面掃描。各種傳感器采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)用一個(gè)軟件包進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果與初始CAD文件進(jìn)行比較，以確定工件是否正確。 

    多傳感測(cè)頭的一個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例是對(duì)半金屬密封墊圈的測(cè)量。對(duì)于墊圈的金屬基體材料部分，可以采用接觸式測(cè)頭測(cè)量其尺寸參數(shù)（如孔徑）；對(duì)于不能用接觸式測(cè)頭測(cè)量的軟性材料部分，如果有一臺(tái)多功能CMM，就可以切換到視頻攝像測(cè)頭，從而獲得工件的連續(xù)數(shù)字圖像。 將多種測(cè)量功能集成到一臺(tái)測(cè)量機(jī)上是完全可以實(shí)現(xiàn)的。CMM的多功能化將大大減少測(cè)量每種特定的工件參數(shù)對(duì)單一功能測(cè)量機(jī)的需求量。隨著坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，CMM最終可能會(huì)達(dá)到如下理想境界：只需將被測(cè)工件放到測(cè)量機(jī)上，撳一下按鈕，即可獲得需要的所有測(cè)量結(jié)果。將來(lái)，用一臺(tái)綜合型測(cè)量機(jī)取代所有的單一功能測(cè)量機(jī)也完全可能實(shí)現(xiàn)。