面向工业4.0 的三坐标测量仪教学功能开发

王 亮，于 颖

（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

0 引 言

现代化工业生产中，测量几乎遍及生产的各个环节，工业测量数据既能保证设备的安全运行以防止事故发生，又能提升工厂自动化程度以提高生产效率，因而在工业自动化系统中具有重要的地位和作用［1-3］。智能测量系统在工业4.0 当中承担着重要角色，它可将测量结果直接反馈到操作系统，形成一个闭环信息系统，从而实现零废品。在工业4.0 时代，对专业化的计量技术人才需求越来越高［4-6］。数字化测量仪器、数字化量具产品的不断丰富和发展，适合并满足了生产现场不断提高的使用要求。而三坐标测量仪（Coordinate Measurement Machine，CMM）是一种能够在六面体的空间范围内进行测量，并且能够表现被测对象几何形状、长度及圆周分度等特征的仪器，被广泛应用于汽车、电子、机械、航空、军工、模具等行业中。同时也有较多实验教学针对三坐标测量仪而开展，课程设置也比较成熟［7-15］。但是如何进一步开发新的实验教学内容，使几何测量能够适应新的工业环境的变化，培养符合工业4.0 人才标准的综合性人才，是本文研究的重点。

1 研究对象

我校与德国卡尔-蔡司公司签署协议，正式启动“同济大学—蔡司教学科研基地”。该基地配备蔡司的O-INSPECT 332 复合式三坐标测量仪，如图1 所示。该设备可用于开展学生教学及教师科研。蔡司O-INSPECT 322 复合式三坐标测量仪是集光学式与接触式测量技术于一身的复合式测量机，涵盖各类型工件与多样化分析功能。配备业界顶级光学及接触式传感器系统，基于VAST XXT 扫描传感器可实现真正的3D扫描测量。将投影仪、显微镜、轮廓仪与三坐标测量机的优势与功能集于一身，最大限度地降低了不同检测仪器测量综合误差，有效缩短几何测量链。

图1 接触-光学复合式三坐标测量仪

面向工业4.0 的产品智能测量是工件质量控制中数据获取与数据挖掘与融合的关键步骤。蔡司所提供的软硬件平台将推动测量系统直接或借助互联网实现信息及检测报告全球化的交换及标准化的共享，很好地贴合了工业4.0 对于工业大数据挖掘、融合与管理的要求，通过系统统计分析及可视化报告个性化定制与编辑功能，兼容多样化的量具量仪，能够极大助力“工业4.0-智能工厂实验室”的数据实时采集、融合及大数据挖掘。

本文基于接触-光学复合式三坐标测量仪，以工业4.0 人才紧缺为背景，以增强学生对工业4.0 关键环节智能测量的认知，培育智能测量实操人才为目的，开发适合工业4.0 环境下的智能测量实验课程。

2 实验教学建设

从丰富三坐标测量仪的测量对象和测量方法以及质量数据管理入手，探讨面向工业4.0 的复合式三坐标测量仪的实验教学功能开发并对其涉及的操作步骤进行介绍。

2.1 测量多样性实验教学开发

2.1.1 常规特征接触性测量

（1）标准教学件测量教学。在工业4.0 智能工厂实验室内，采用了如图2 所示的教学工件进行了常规接触式测量教学，由于教学工件在各个表面都有特征，可利用该工件并配合CALYPSO软件开展以下实验教学课程：坐标测量仪的介绍和功能演示、坐标测量仪基本操作及探针组合和校准、库位的定义及使用、基本元素的测量（包括点、线、面、圆、圆柱、圆锥、球等）、几何特征的构造、测量坐标系的建立、尺寸测量及公差评定、几何公差的测量及评定、数字测量的综合应用等。使学生能够实现手动及自动测量各个表面的孔、槽、平面等的尺寸及形位公差。

图2 具有多特征的教学工件

（2）齿轮测量。通过配置专门的齿轮测量模块，可对齿轮进行快速测量，同时可加深学生对齿轮参数及评定指标含义的了解。学生需要了解直齿轮的主要参数与测量结果的分析规范，使用自己定制的齿轮工件，掌握蔡司齿轮测量模板GearPro 的编程与测量。实验操作步骤大致如下：

根据参数建立齿轮CAD模型，如图3 所示的齿轮模数、螺旋方向、齿根圆、齿顶圆直径等，并根据参数生成齿轮模型。

图3 Gear Pro齿轮几何参数设置

将生成的模型导入CALYPSO 软件中，并在CALYPSO中建立工作坐标系，如图4 所示。

回到GearPro软件，导入测针系统，如图5 所示。

图4 齿轮测量坐标系的建立

图5 齿轮测量测针配置

设置齿轮测量任务如齿形、齿向、齿距的测量，并完善其对应的测量策略，如图6 所示。

图6 齿轮测量任务及策略设置

2.1.2 光学非接触式测量

（1）使用光学探头测量标准教学件。开发使用光学测量的面光测量教学，使用表面光测量如图2 所示的标准教学工件上表面圆柱孔的直径，主要是通过光学测头测量出孔的边界，如图7 所示。可使学生掌握同一特征的不同测量方法，另外由于光学测头具有放大镜功能，因此还可将光学测量推广至微小尺寸的测量教学上。

图7 圆柱孔边界识别与测量

（2）快速轮廓。使用3D 打印获得的工件，开发快速轮廓获取的教学功能开发，可使学生建立逆向工程的思想，拓展学生的测量思维。操作步骤大致如下：①为了扫描此类型边界，调整灯光，关闭面光，开启背景光。在元素选项中建立“曲线”元素，如图8 所示。在元素列表中建立元素“曲线”，在策略中选择“分段”，在计算机所显示的图像上标注起点与终点，同时选择所绕轴线为Z轴。需要注意的是，在扫描曲线之前应该细致清理不平整的边缘，以防止测量仪误识别从而导致曲线扫描的提前终止。②完成扫描之后，系统将获得工件的边界轮廓曲线。图9 展示了实验教学采用的3D打印工件及扫描获得的边界轮廓曲线。学生可进一步通过CALYPSO软件将生成的曲线导出为主流的三维建模软件可处理的文件。

图8 未知轮廓测量策略设置

图9 蝙蝠标志工件及扫描获得的轮廓曲线

3 质量数据管理教学建设

根据教学任务需要，可在具有三坐标测量仪、数控机床、手工检测设备等的基础上，建设质量数据管理中心，满足基于工业4.0 理念的多源数据管理教学的需求。本实验教学中心配置了蔡司的质量数据管理软件Pi-web，该软件主要由Server、Planner、Designer 和Reporter 4 个模块组成，其中Pi-web 软件的Server 模块，可将不同地点的不同测量设备、生产设备的生产数据、测量数据等采集到服务器，可针对学生开设设备联网及数据采集的相关实验任务；Planner模块可对采集上来的数据进行管理，显示数据库内容，并开展手动输入或导入常规数据、删除不需要的测量值、生成计算特征、导出数据等教学任务；Designer 模块可利用数据库内的数据设计数据展示的方式，内置多种图标、图形和表格。并且内置CAD功能可以与用户进行数据的3D互动，可开设可视化的报表制作教学任务；Monitor 模块可用于展示最终的报告，可以选择显示测量结果的次数。图10 所示学生通过管理测量数据，设计数据展示方案，最终展示效果。

图10 质量结果的展示效果设计与发布

4 结 语

在考虑工业4.0 时代对人才类型的需要的前提下，通过对接触-光学复合式三坐标测量仪的教学功能进行开发，可使学生掌握三坐标测量仪的基本操作，掌握一般特征工件及齿轮工件的接触式测量的程序开发，使用光学式测量模式测量一般特征及快速轮廓测量的策略，面向工业4.0 的质量数据采集、管理、分析及发布等。有利于学生系统性掌握智能测量技术的应用，提升学生将已有的互换性及传统测量技术上升至数字测量乃至智能测量技术。