三坐標測量技術在高端裝備制造業中的應用

汪世偉

摘 要：本文主要講述了三坐標測量技術在逆向工程、數控加工、智能制造等領域的應用，講述了三坐標測量技術原理，通過測量分析得到測量數據或點云數據，應用于逆向工程，通過大SPC統計分析等方法，分析數控加工工藝的合理性。利用三坐標測量得到的數據及數據信息反饋，以及時保證智能制造線的加工質量及效率。

關鍵詞：三坐標測量技術;逆向工程;SPC統計分析;數控加工;智能制造

一、三坐標測量技術概念

由于零件加工尺寸精度要求的不斷提高，對于檢測設備的要求也不斷提供。隨著計算機技術地快速發展，20世紀 60 年代發展起來的一種新型、高效的精密測量儀器——坐標測量機（CMM），實現了復雜機械零件的測量和空間自由曲線曲面的測量。它的出現，一方面是由于數控機床加工越來越多復雜形狀零件，需要有快速可靠的測量設備與之配套;另一方面是由于電子技術、計算機技術、數字控制技術以及精密加工技術的發展為三坐標測量機的產生提供了技術基礎。

三坐標測量機所采用的三坐標測量技術（Three-coordinate measurement technology，簡稱CMM）是通過對工件輪廓面進行離散點坐標獲取、幾何要素擬合操作后進行誤差評定的幾何量測量技術。三坐標測量機作為一種精密、高效的空間長度測量儀器，它能實現許多傳統測量器具所不能完成的測量工作，其效率比傳統的測量器具高出十幾倍甚至幾十倍。而且坐標測量機很容易與CAD連接，把測量結果實時反饋給設計及生產部門，借以改進產品設計或生產流程。

與傳統測量技術相比，三坐標測量技術具有極大的萬能性，同時方便進行大數據處理及過程控制。因而不僅在精密檢測和產品質量控制上起到關鍵作用而且可以通過與數控機床交換信息，實現對加工的控制，并且還可以根據測量數據，實現反求工程。

二、三坐標測量技術與逆向工程

逆向工程技術（Reverse Engineering ，簡稱RE），是以先進產品、設備的實物、樣件、軟件或影像作為研究對象，應用有關專業知識進行系統分析和研究、探索掌握其關鍵技術，進而開發出同類的更為先進的產品的技術。作為消化吸收先進技術的一種手段，特別是隨著現代計算機技術及測試技術的發展，利用CAD/CAM技術、先進制造技術來實現產品實物的逆向工程，已成為逆向工程技術應用的主要內容。

三坐標測量機具備強大的逆向工程能力，是理想的數字化工具。通過利用坐標測量機，探測所要實現逆向工程設計的零件表面，利用專業軟件對采集數據進行處理，生成該零件直觀的圖形化表示，進行有關設計更改，并經過性能模擬測試，大大縮短了設計時間，簡化了零件的調整和評估時間。

如圖1-1所示，為三坐標測量機與逆向工程流程圖，利用三坐標測量機的通用測量軟件Rational-DMIS或PC-DMIS中的CAD功能來實現產品的數據采集，該測量軟件支持國家或國際標準的大部分幾何元素的形位公差評價，包括：幾何尺寸評價，直線度、平面度、圓度、圓柱度、平行度、垂直度、傾斜度、位置度、同軸（心）度、對稱度、圓（全）跳動等形位公差評價。能夠根據具體應用需要，采用接觸式點觸發測頭或采用連續掃描測頭，進行工件表面點的數據采集，并可采用多種方式實現采集點數據的輸出，這包括利用通用的IGES格式和/或VDA格式進行測量數據的導出，以及與CAD/CAM系統的直接連接進行快速輸出。

如圖1-2所示，為鑄件的點云數據，該數據是通過三坐標測量機獲取，利用在Rational-DMIS軟件測量模塊中的點元素功能，手動測量該鑄件元素，采集逆向所需的足夠點元素之后，通過軟件只導出實際點元素和坐標，格式一般選用通用格式IGES，數據采集完畢后即可進行逆向工程。

將三坐標采集的數據導入UG、Geomagic等三維建模軟件即可開始逆向建模，如圖1-3所示，為UG逆向所得模型數據。將數據導入UG后，創建不同平面，通過點元素繪制草圖，用拉伸、旋轉、拔模、圓角等命令完成逆向建模。

與傳統的手工量具相比，用三坐標采集的數據為元素點，即可擬合元素評價尺寸和形位公差，又可做逆向工程，精度高;而手工量具只能測量尺寸數據，數據精度取決于量具精度和測量手法。作為逆向工程中的一種核心設備，三坐標測量機在產品的生產與開發過程中發揮著舉足輕重的作用，雖然仍存在著工作量太大等問題，但隨著逆向工程的不斷發展，三坐標測量機的應用也將會更加成熟，不僅在模型建立的精度上達到更高的水平，還能夠使逆向工程的開發更加便捷，更加省力。

三、三坐標測量技術與數控加工

數控加工的產品，從根本上講是為加工更高質量的產品，而產品質量從源頭上是通過制造過程實現的，而不是通過最終的檢驗，然后要保持生產和設計的一致性，必須對質量過程進行控制，亦稱為產品質量控制，其最有效的方法就是精確的測量工件的尺寸，獲得尺寸信息后，通過SPC分析等，反饋生產過程，從而改進加工工藝，提高加工質量。要精確獲取零部件各組成要素的空間坐標點，并利用計算機對所采集的眾多數據進行大數據進行分析處理、計算出所需要計算的形位公差及尺寸，目前而言，三坐標測量機目前仍是最有效檢測設備。

三坐標測量機具備高精度、高效率和萬能性的特點，是目前市場上重要的計量測試和產品檢驗設備之一。如圖1-4和圖1-5，為三坐標測量機檢測數控加工件，通過Rational-DMIS軟件編程，采集被測元素，對被測元素進行擬合、評價，得到數控加工件的尺寸和形位公差，如圖1-6所示。三坐標測量機作為加工與質量管理之間的連接橋梁，通過三坐標測量機測得數控加工批量零件的尺寸和形位公差，并將零件的尺寸和形位公差傳輸到質量分析軟件中，用SPC分析同一尺寸的多組數據，即可了解該零件在生產過程中哪一環節質量出現問題，即使解決問題，從而提高生產效率和合格率。

SPC是英文Statistical Process Control的字首簡稱，即統計過程控制。SPC就是應用統計技術對過程中的各個階段收集的數據進行分析，并調整制程，從而達到改進與保證數控加工產品的質量目的。SPC強調預防，防患于未然是SPC的宗旨。具體表現為以下幾點：

（1）控制圖都有上下控制線和中心線;

（2）控制圖的數據收集規則、數據分析的規則，更加的繁瑣，更加的嚴格;

（3）控制圖一定要有相應的改善輸出。

WHY（為什么要用SPC）：為了及時發現產品加工過程中，產品質量合格率等出現異常的情況得到及時改善，以保證高效率的完成高質量產品。

When（在什么時候用SPC）：生產能力、產品外形尺寸精度、產品合格率等基本穩定，加工工藝已經自認為最優化了，很多問題從表面上已經很難發現了。這個時候，產品規格基本都能符合要求了，但是不合格率還是比較高，需要深入挖掘問題，這個時候SPC就發揮了它的作用，在大量的數據統計中，找出異常點，給我們的改善指引方向。

數控加工中，不是所有的尺寸都需要做SPC分析報告的，需要做的是一些關鍵參數，如齒輪的尺寸、配合公差、孔的位置公差等等，又或者計數型的不良個數，缺陷數等等。這是一個持續的過程，如果無法持續收集數據，那對于批量的數控加工而言，將毫無意義。SPC統計過程分析其實亦是大數據分析。通過關鍵尺寸或公差的持續監測，得到大批量數據。然后分析總結出產品的最佳加工工藝。

統計檢測的數據，通過大數據分析，指導生產部門對產品的加工工藝流程和設備進行調整，以便生產出符合設計要求的產品。同時亦可用利用三坐標測量機對外購件進行了入廠質量的檢驗，為產品的質量起了把關的作用。

四、智能制造背景下的三坐標測量技術

當前，全球制造業正加快邁向數字化、智能化時代，智能制造對制造業競爭力的影響越來越大。智能制造就是面向產品全生命周期，實現泛在感知條件下的信息化制造。智能制造技術是在現代傳感技術、網絡技術、自動化技術、擬人化智能技術等先進技術的基礎上，通過智能化的感知、人機交互、決策和執行技術，實現設計過程、制造過程和制造裝備智能化，是信息技術、智能技術與裝備制造技術的深度融合與集成。2015年3月5日，李克強在全國兩會上作《政府工作報告》時首次提出“中國制造2025”的宏大計劃。堅持“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”的基本方針。智能制造成為了《中國制造2025》核心任務之一。精密測量是智能制造的核心功能之一，沒有測量及測量結果反饋的智能制造通常稱為開環智能制造或自動化生產線，反之，稱為閉環智能制造。

2016年，國內首臺車間型三坐標的出現，其工作溫度一般為10℃-30℃，實現了三坐標測量技術在智能制造線中數控加工島的應用，它打破了傳統的計量模式（又稱為實驗室型三坐標測量機，其工作溫度20±2℃），將測量室搬到了車間生產現場，智能制造線中數控加工島包括加工中心、工業機器人、三坐標測量機、在線測頭與對刀儀、統計分析軟件、CAM軟件，及自動上下料系統，可以完成自動上下料、自動編程及加工、自動檢測、自動分析、自動刀具補償、自動分揀等諸多功能。目前企業常見的簡易閉環智能制造線如圖1-8。

閉環智能制造是真正地實現了自動化、無人化、24小時不間斷生產，極大提高生產效率。車間型三坐標測量機定時測量數據反饋于MES系統，嚴格控制了產品質量。通過車間測量機與在線測量裝置的完美結合，可實時地監控、收集過程數據，然后將數據送至MES系統進行大數據分析，最后將產品加工質量狀態實時反饋給機床進行補償加工，這就形成了一個完整的閉環。近年來，已經越來越多的企業包括各類院校在智能制造這一領域建設時，都在逐步引入車間型三坐標測量機作為重要的產品質量保證手段。

總 結

三坐標測量機是一種高精度、高效率的精密幾何量檢測設備，在推動我國制造業的發展方面起著越來越重要的作用。尤其是在我國航空航天、汽車、船舶等高端裝備制造產業應用更為廣泛，對我國逐步走上核心技術自主開發有著不可忽視的作用，三坐標測量更是企業技術進步、產品升級、質量控制等不可或缺的檢測手段。其具有的檢測速度快、測量精度高、數據處理易于自動化等優點，其需求和應用領域不斷擴大，不僅僅局限在機械、電子、汽車、飛機等工業部門，在醫學、服裝、娛樂、文物保存工程等行業也得到了廣泛的應用。

參考文獻

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