常柴三坐标测量机改造项目
常柴三坐标数控测量机改造方案
我国一些机械制造企业七、八十年代从国外进口了大量机械设备。目前，这些设备
的机械部分基本完好，但由于其控制部分技术资料不全、内部电器老化、以及国外供货
商的售后服务跟不上，售后服务和设备维修的费用昂贵，导致相当一部分设备不能正常
使用，成为企业沉重的包袱。
武汉华中数控系统有限公司已成功地为东方电机厂、南昌飞机制造公司、常柴股份
有限公司改造了多台东德、俄罗斯、美国等国的二手设备，积累了较丰富的经验。已为
常柴、北京第一机床厂等单位提高了多台经济、实用的三维数字化仿形控制系统，已开
发激光数字化三维复杂曲面测量/造型/加工一体化集成系统，已开发了在普通数控机床
上，配置三坐标测头，对零件的几何形状精度和自由曲面零件自动测量的数控测量软件
包。通过对常柴的三坐标数控测量机的现状进行了解和分析之后，提出以下改造技术方
案。以下方案供企业领导决策时参考。
一、技术方案
由于该测量机是德国二手设备，所配控制系统为286微机，其控制系统的配件很难购
到，已无法对其系统进行维修。其软件不具备对复杂曲面三维数字化扫描测量功能，不
具备与CAD/CAM接口、不具备与数控机床通讯的功能，限制了该设备在常柴北厂模具车间
的使用范围，其软件有待于升级。本方案提出更换原设备的控制系统，用在华中I型数控
系统的基础上派生的华中三坐标测量机数控系统（含数控单元、PLC、强电柜等）对该设
备进行彻底改造，达到其原有的零件几何形状精度测量功能，并增加对复杂曲面三维数
字化扫描测量功能、与CAD/CAM接口、与数控机床通讯和网络等功能。
1、 三坐标数控系统结构详析
采用品牌奔腾计算机(配置15’彩色显示器、’软驱、8GB硬盘、64MB内存、激
光打印机等)替代原控制系统。在计算机总线上，插入模拟式伺服控制模块、触发式测头
接口模块、仿形测头控制模块、光隔离输入模块、光隔离输出模块、网络控制模块等，
作为与三坐标测量机的控制接口。更换系统操纵盒、控制电柜。保留三坐标测量机上原
有的直流伺服驱动和电机、Heidenhain光栅尺及光栅信号处理系统、Renishaw触发式测
头和信号预处理系统、操纵杆、行程开关等部件。若用户需要，可购置国产、或进口模
拟式仿形测头(如Renishaw SP600M)，或非接触激光数字化侧头，使系统具备曲面三维
数字化扫描测量的功能。
模拟式伺服控制模块有三个位置检测接口，采集光栅尺系统的脉冲信号，作为三个
坐标的位置反馈，并有三路D/A输出信号控制伺服放大器，构成全闭环控制系统。输入模
块是CNC系统内装PLC的硬件输入接口，输入电压为0--24V，最大电流为100毫安，用于操
作面板的按钮信号输入、开关检测输入、气压的检测输入等，这个模块的输入点数为48
点，系统可扩展的输入数点为4*64=256点。输出模块是CNC系统内装PLC的硬件输出接
口，输出电压为2 4V，用于测量机的继电器控制系统，如测头方向的控制。该模块的输
出点数为48点，系统可扩展输出点数为4*48=196点。多功能模块主要完成操纵杆位置信
号的输入等。触发式测头接口模块、仿形测头控制模块采用硬件电路，实时采集测头的
位置信号和测量机的坐标状态，经数据处理后，获得被测点的坐标数据。
数控单元的计算机采用交互式人机中文汉字界面和图形显示。数控单元内运行华中I
型数控测量机软件，通过其内置的位置控制模块和PLC输入/输出模块控制伺服驱动单
元，进而控制安装在测量机上的X、Y、Z轴伺服电机和测头按指定的程序运动和测量。
奔腾计算机 CPU主
板 显 示
卡
8GB硬盘
无
源
母
板
（
系
统
总
线
B
U
S
)
标准PC计算机
光隔I/O板
行程开关等I/O
操纵盒、状态灯
键盘
操纵杆
网络卡
多功能板
模拟位置环板
1
伺服放大器1 X
X光栅系统
模拟位置环板
2
伺服放大器2 Y
Y光栅系统
模拟位置环板
3
伺服放大器3 Z
Z光栅系统
触发式测头接口板触发式测头
仿形测头接口板仿形测头
测头状态控制
打印机
气压保护
华中I型数控系统的硬件结构图
2．数控与数据处理软件功能
2．1 基本软件
基本几何元素测量程序
扩展几何元素测量程序
形位公差测量程序
脱机零件编程程序
自学习零件编程程序
2．2 曲面点---点位置测量程序(选件)
曲面测量边界设置程序
曲面测量的自动布点程序
基于曲面测量数据的CAM系统
2．3 复杂曲面三维数字化扫描测量(仿形测量)系统(选件，需配置仿形测头控制模块和
仿形测头)
HNC-1P数字化仿形数控系统是将数控系统与仿形系统集成化、一体化的控制系统，
可与各种加工中心、数控铣床、仿形铣床、三维数字化扫描测量装置等配套使用。采用
华中 I型数控系统作为各种底层驱动和接口，与通用数控系统完全兼容，具有行进给方
式的一维仿形、XY平面整圆周二维仿形、以及 XY平面与 Z轴联动的三维仿形等功能。该
系统既可使用用户提供的仿形测头，也可根据用户需求，配套提供我公司的 HNC-C3D型
模拟式三维接触测头和 HNC-L3D型三维激光非接触测头。系统可作为数字化测量装置对
实物模型进行数控测量，并且可根据测量数据，生成曲面的几何模型，也可自动生成凹
模、凸模、比例变换后的标准加工 G代码。系统具有仿形速度快、加工精度高、集成度
高和功能强的特点，是适用于模具制造的扫描系统。
主要性能指标：
★ 具备通用数控加工功能，与 HNC-
2000M加工中心完全兼容
★ 最高仿形速度：500mm/min
★ 仿形测量采样频率：300点/秒
★ 仿形测量精度：
★ 最大移动速度:16m/min
★ 一维 ZX ZY平面+行进给仿形
★ 二维 XY平面内任意曲线仿形
★ 三维 XY平面内任意曲线+Z轴层进给
仿形
★ 三维空间清根仿形加工(三轴联动)
★ 仿形测量坐标系设定
★ 快速建立仿形工作初始状态
★ 无须人工干预，自动仿形测量或加工
★ 仿形过程速度自适应控制
★ 比例缩放与凸、凹模转换 (选件)
★ 测量数据与通用 CAD/CAM系统接口
(选件)
★ 测量数据生成数控加工 G代码 (选件)
★ 仿形轨迹三维彩色图形动态跟踪显示
★ 友好的用户界面，简单的操作控制
★ 适用于多种测头，可配测头如下：
Renishaw的 SP600M型模拟式三维接
触测头
华中 HNC-C3D型模拟三维接触测头
华中 HNC-L3D型三维激光非接触测头
3DSCANNER型激光非接触测头
ANR1282型激光非接触测头
二、可行性分析与华中I型数控系统的技术特点
武汉华中数控系统有限公司是华中理工大学、香港华润机械有限公司、北京科希
盟科技集团公司(国家科委)与武汉中南科技实业公司(武汉市科委)联合组成股份制企
业。公司现有教授、高工等员工188人。
公司在技术上以华中理工大学数控研究所为依托，近年来受到863高科技计划项
目、国家与地方的七五、八五攻关项目、国家自然科学基金项目的多项资助，取得了
多项重大科研成果。所研制的华中I型数控系统于1994年通过了由国家教委主持的技术
鉴定，鉴定会认为:“华中I型是我国独创的数控系统，是一项重大科研成果，系统达
到国际先进水平，在复杂型面加工和轨迹控制技术方面达到当前国际水平。并在产品
化方面取得了重要进展”。由于华中I型数控系统采用以通用工控机为基础的开放式体
系结构，具有独特的技术优势，已逐步被我国工业界认可并受到用户欢迎。目前，公
司生产的华中I型系列数控系统已成为中国四个主要数控系统之一。
在本技术路线中其硬件是我公司的成熟产品，不需重新开发，技术上有保障。已
为常柴、北京第一机床厂等单位提高了多台经济、实用的三维数字化仿形控制系统；
已开发激光数字化三维复杂曲面测量/造型/加工一体化集成系统；已开发了在普通数
控机床上，配置三坐标测头，对零件的几何形状精度和自由曲面零件自动测量的数控
测量软件包。本项目中，还需按用户的要求重新设计控制电柜中的强电电路和控制电
柜的机械结构，不存在重大技术障碍。
三：系统配置与价格清单
产品
序号 名 称 数量
价格
(人民币)
1
华中I型测量机数控单元，包括：
1. 控制计算机
2. 华中I型三坐标测量机数控系统软件(三轴联动控制)
1
2 伺服控制模块(3轴全闭环) 3
3 光隔离输入模块 (48通道) 1
4 光隔离输出模块 (48通道) 1
5 多功能控制模块 1
6 触发式测头控制模块 1
7 网络通讯模块及通讯软件 1
8 三坐标测量机数据处理基本模块 1
9 曲面点---点扫描测量程序 1
10
电器控制柜：
工程面板: 控制按扭、急停按扭、进给修调波段开
关、等(工程面板按用户的要求设计)
操纵台；
电源变压器；
伺服变压器；
直流电源；
继电器、接触器、电源保护电路等；
强电柜；
电柜组装等。
1
11 工程实施费用(设计、调试、培训、不可预见费用等) 1
12 管理费、税费和利润
13 技术文档：编程手册、使用手册、操作手册、电气控制柜
原理图
1
合计
注：1．交货期：4个月；工程实施验收：5个月；
2. 运输方式：自提，代办托运。
选件：仿形数控系统
1 三坐标数控仿形软件 1
2 英国 Renishaw 高精度三维仿形测头 SP-600M、球
头测指 (2 支 )
1
3 仿形头接口电路 1
注：1.若采用华中三维仿形测头，则在以上价格的基础上下浮40000万元。
武汉华中数控系统有限公司
2000年1月15日
附录一：复杂曲面三维数字化扫描测量方式：
一维 ZX、ZY 平面+行进给仿型
X i
Zi
Yi
图 1 数控一维仿型方式示意图
(a) 一维 ZX 仿型 (b) 一维 ZY 仿型
X m in X m ax
X i
Zi
Yi
X m in X m ax
这种仿型方式又称为沿 z轴的一维仿型，即仿型测量过程中测头只在 z轴做一维
仿型退让动作，其它轴做仿型进给运动。一般具有 x向和 y向两种行切方式，称为 zox
或 zoy平面仿型。测头的运动规律类似于曲面数控加工的坐标平面行切法。
以 x向行切方式为例说明一维仿型的过程。如图 1(a)所示，设每次测得测头坐标
值为(xi， yi， zi)，加工区域为 xmax < xi < xmin，ymin < yi < ymax，则控制算法如
下：若 xmax < xi < xmin满足，测头沿 z向进行退让动作，沿 x向作进给运动，y轴的
进给速度为零；当 xi < xmin或 xi > xmax，且 ymin < yi < ymax时（即到达仿型区域左边
或右边换行边界），暂停 zox平面仿型，启动 zoy平面仿型；当测头沿 y轴运动到行
进给间距，则暂停 zoy平面仿型，启动 zox平面仿型；如此循环往复，直到当 yi >
ymax或 yi < ymin时，仿型测量过程完成。这种 zox或 zoy平面的行切仿型方式在仿型
加工中具有较普遍的适用性，几乎可完成所有型面的仿型加工。
zox与 zoy平面仿型方式在仿型过程中可由操作者在任意地点、任意时刻随时切
换，仿型加工区域也可随时改变，即在操作过程中有高度的自由度，以增加对复杂曲
面仿型加工的能力。
二维 XY 平面内任意曲线仿型
二维 XY 平面内任意曲线 +Z 轴层进给仿型
图 2 数控 X Y 平面二维仿型方式示意图
(a) 二维 X Y 任意封闭曲线仿型
测头 仿型方向
G
(a) 二维 X Y 任意开曲线仿型
G
二维仿型分为两种情形：其一是纯 XOY平面二维曲线的仿型，其二是 XOY平面二
维曲线仿型一周后，进入一维层进给，然后再进入 XOY平面二维曲线仿型，如此循环
往复直到给定仿型区域仿型完毕。如图 2所示为两种纯 XOY平面二维曲线的仿型方
式，其一为任意非自交、封闭二维曲线，其二为任意非自交、开曲线。如图 3所示为
带层进给的二维仿型。带层进给的二维仿型层进给方向可以是沿 Z轴由下向上（见图
3(a)），也可以是由上向下（见图 3(b)）。如图 3(c)所示，带层进给的二维仿型可以
进行部分柱面区域的仿型加工。二维仿型方向、层进给方向等控制参数可以在仿型过
程中随时切换，具有较强的仿型适宜性。
图 3 带层进给二维仿型层进给实现原理
Z
(b) 层进给方向为负向
Y
X
O
Z
(a) 层进给方向为正向
Y
X
O
Z
Y
X
O
Z
Y
X
O
(c) 内腔带层进给仿型
三维空间清根仿形加工 (三轴联动 )
图 4 数控三维清根仿型方式示意图
侧点
底点
三维清根仿型的特点是：在仿型过程中测头与型面始终保持两点接触，一为测头
的底点，一为测头的侧点。三维清根仿型的目的是清除柱面与底面之间的切屑余量。
一般柱面的母线不一定是直线，底面也不一定是水平平面，测头轨迹是一条空间曲
线，因此三维清根仿型时三轴必须联动。实现三维清根仿型的基本思想是：用测头与
柱面侧点接触得到的信息（测头 X、Y两个方向的变形量）控制测头绕柱面二维仿型；
测头与底面接触的信息控制测头沿 Z轴的一维仿型。二维仿型与 Z轴的一维仿型是相
互独立的，它们的运动综合起来共同实现三维清根仿型。如图 4所示，三维清根仿型
方式适合于凸台与底曲面相交部位的清根切削。
