面向工業(yè)4.0 的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x教學(xué)功能開發(fā)

王 亮，于 穎

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804）

0 引 言

現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，測(cè)量幾乎遍及生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，工業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)既能保證設(shè)備的安全運(yùn)行以防止事故發(fā)生，又能提升工廠自動(dòng)化程度以提高生產(chǎn)效率，因而在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中具有重要的地位和作用［1-3］。智能測(cè)量系統(tǒng)在工業(yè)4.0 當(dāng)中承擔(dān)著重要角色，它可將測(cè)量結(jié)果直接反饋到操作系統(tǒng)，形成一個(gè)閉環(huán)信息系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)零廢品。在工業(yè)4.0 時(shí)代，對(duì)專業(yè)化的計(jì)量技術(shù)人才需求越來(lái)越高［4-6］。數(shù)字化測(cè)量?jī)x器、數(shù)字化量具產(chǎn)品的不斷豐富和發(fā)展，適合并滿足了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不斷提高的使用要求。而三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x（Coordinate Measurement Machine，CMM）是一種能夠在六面體的空間范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，并且能夠表現(xiàn)被測(cè)對(duì)象幾何形狀、長(zhǎng)度及圓周分度等特征的儀器，被廣泛應(yīng)用于汽車、電子、機(jī)械、航空、軍工、模具等行業(yè)中。同時(shí)也有較多實(shí)驗(yàn)教學(xué)針對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x而開展，課程設(shè)置也比較成熟［7-15］。但是如何進(jìn)一步開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使幾何測(cè)量能夠適應(yīng)新的工業(yè)環(huán)境的變化，培養(yǎng)符合工業(yè)4.0 人才標(biāo)準(zhǔn)的綜合性人才，是本文研究的重點(diǎn)。

1 研究對(duì)象

我校與德國(guó)卡爾-蔡司公司簽署協(xié)議，正式啟動(dòng)“同濟(jì)大學(xué)—蔡司教學(xué)科研基地”。該基地配備蔡司的O-INSPECT 332 復(fù)合式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，如圖1 所示。該設(shè)備可用于開展學(xué)生教學(xué)及教師科研。蔡司O-INSPECT 322 復(fù)合式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x是集光學(xué)式與接觸式測(cè)量技術(shù)于一身的復(fù)合式測(cè)量機(jī)，涵蓋各類型工件與多樣化分析功能。配備業(yè)界頂級(jí)光學(xué)及接觸式傳感器系統(tǒng)，基于VAST XXT 掃描傳感器可實(shí)現(xiàn)真正的3D掃描測(cè)量。將投影儀、顯微鏡、輪廓儀與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的優(yōu)勢(shì)與功能集于一身，最大限度地降低了不同檢測(cè)儀器測(cè)量綜合誤差，有效縮短幾何測(cè)量鏈。

圖1 接觸-光學(xué)復(fù)合式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x

面向工業(yè)4.0 的產(chǎn)品智能測(cè)量是工件質(zhì)量控制中數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)挖掘與融合的關(guān)鍵步驟。蔡司所提供的軟硬件平臺(tái)將推動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)直接或借助互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息及檢測(cè)報(bào)告全球化的交換及標(biāo)準(zhǔn)化的共享，很好地貼合了工業(yè)4.0 對(duì)于工業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘、融合與管理的要求，通過(guò)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析及可視化報(bào)告?zhèn)€性化定制與編輯功能，兼容多樣化的量具量?jī)x，能夠極大助力“工業(yè)4.0-智能工廠實(shí)驗(yàn)室”的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、融合及大數(shù)據(jù)挖掘。

本文基于接觸-光學(xué)復(fù)合式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，以工業(yè)4.0 人才緊缺為背景，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)工業(yè)4.0 關(guān)鍵環(huán)節(jié)智能測(cè)量的認(rèn)知，培育智能測(cè)量實(shí)操人才為目的，開發(fā)適合工業(yè)4.0 環(huán)境下的智能測(cè)量實(shí)驗(yàn)課程。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)

從豐富三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的測(cè)量對(duì)象和測(cè)量方法以及質(zhì)量數(shù)據(jù)管理入手，探討面向工業(yè)4.0 的復(fù)合式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能開發(fā)并對(duì)其涉及的操作步驟進(jìn)行介紹。

2.1 測(cè)量多樣性實(shí)驗(yàn)教學(xué)開發(fā)

2.1.1 常規(guī)特征接觸性測(cè)量

（1）標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)件測(cè)量教學(xué)。在工業(yè)4.0 智能工廠實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，采用了如圖2 所示的教學(xué)工件進(jìn)行了常規(guī)接觸式測(cè)量教學(xué)，由于教學(xué)工件在各個(gè)表面都有特征，可利用該工件并配合CALYPSO軟件開展以下實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程：坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的介紹和功能演示、坐標(biāo)測(cè)量?jī)x基本操作及探針組合和校準(zhǔn)、庫(kù)位的定義及使用、基本元素的測(cè)量（包括點(diǎn)、線、面、圓、圓柱、圓錐、球等）、幾何特征的構(gòu)造、測(cè)量坐標(biāo)系的建立、尺寸測(cè)量及公差評(píng)定、幾何公差的測(cè)量及評(píng)定、數(shù)字測(cè)量的綜合應(yīng)用等。使學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)及自動(dòng)測(cè)量各個(gè)表面的孔、槽、平面等的尺寸及形位公差。

圖2 具有多特征的教學(xué)工件

（2）齒輪測(cè)量。通過(guò)配置專門的齒輪測(cè)量模塊，可對(duì)齒輪進(jìn)行快速測(cè)量，同時(shí)可加深學(xué)生對(duì)齒輪參數(shù)及評(píng)定指標(biāo)含義的了解。學(xué)生需要了解直齒輪的主要參數(shù)與測(cè)量結(jié)果的分析規(guī)范，使用自己定制的齒輪工件，掌握蔡司齒輪測(cè)量模板GearPro 的編程與測(cè)量。實(shí)驗(yàn)操作步驟大致如下：

根據(jù)參數(shù)建立齒輪CAD模型，如圖3 所示的齒輪模數(shù)、螺旋方向、齒根圓、齒頂圓直徑等，并根據(jù)參數(shù)生成齒輪模型。

圖3 Gear Pro齒輪幾何參數(shù)設(shè)置

將生成的模型導(dǎo)入CALYPSO 軟件中，并在CALYPSO中建立工作坐標(biāo)系，如圖4 所示。

回到GearPro軟件，導(dǎo)入測(cè)針系統(tǒng)，如圖5 所示。

圖4 齒輪測(cè)量坐標(biāo)系的建立

圖5 齒輪測(cè)量測(cè)針配置

設(shè)置齒輪測(cè)量任務(wù)如齒形、齒向、齒距的測(cè)量，并完善其對(duì)應(yīng)的測(cè)量策略，如圖6 所示。

圖6 齒輪測(cè)量任務(wù)及策略設(shè)置

2.1.2 光學(xué)非接觸式測(cè)量

（1）使用光學(xué)探頭測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)件。開發(fā)使用光學(xué)測(cè)量的面光測(cè)量教學(xué)，使用表面光測(cè)量如圖2 所示的標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)工件上表面圓柱孔的直徑，主要是通過(guò)光學(xué)測(cè)頭測(cè)量出孔的邊界，如圖7 所示。可使學(xué)生掌握同一特征的不同測(cè)量方法，另外由于光學(xué)測(cè)頭具有放大鏡功能，因此還可將光學(xué)測(cè)量推廣至微小尺寸的測(cè)量教學(xué)上。

圖7 圓柱孔邊界識(shí)別與測(cè)量

（2）快速輪廓。使用3D 打印獲得的工件，開發(fā)快速輪廓獲取的教學(xué)功能開發(fā)，可使學(xué)生建立逆向工程的思想，拓展學(xué)生的測(cè)量思維。操作步驟大致如下：①為了掃描此類型邊界，調(diào)整燈光，關(guān)閉面光，開啟背景光。在元素選項(xiàng)中建立“曲線”元素，如圖8 所示。在元素列表中建立元素“曲線”，在策略中選擇“分段”，在計(jì)算機(jī)所顯示的圖像上標(biāo)注起點(diǎn)與終點(diǎn)，同時(shí)選擇所繞軸線為Z軸。需要注意的是，在掃描曲線之前應(yīng)該細(xì)致清理不平整的邊緣，以防止測(cè)量?jī)x誤識(shí)別從而導(dǎo)致曲線掃描的提前終止。②完成掃描之后，系統(tǒng)將獲得工件的邊界輪廓曲線。圖9 展示了實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的3D打印工件及掃描獲得的邊界輪廓曲線。學(xué)生可進(jìn)一步通過(guò)CALYPSO軟件將生成的曲線導(dǎo)出為主流的三維建模軟件可處理的文件。

圖8 未知輪廓測(cè)量策略設(shè)置

圖9 蝙蝠標(biāo)志工件及掃描獲得的輪廓曲線

3 質(zhì)量數(shù)據(jù)管理教學(xué)建設(shè)

根據(jù)教學(xué)任務(wù)需要，可在具有三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、數(shù)控機(jī)床、手工檢測(cè)設(shè)備等的基礎(chǔ)上，建設(shè)質(zhì)量數(shù)據(jù)管理中心，滿足基于工業(yè)4.0 理念的多源數(shù)據(jù)管理教學(xué)的需求。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心配置了蔡司的質(zhì)量數(shù)據(jù)管理軟件Pi-web，該軟件主要由Server、Planner、Designer 和Reporter 4 個(gè)模塊組成，其中Pi-web 軟件的Server 模塊，可將不同地點(diǎn)的不同測(cè)量設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)等采集到服務(wù)器，可針對(duì)學(xué)生開設(shè)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集的相關(guān)實(shí)驗(yàn)任務(wù)；Planner模塊可對(duì)采集上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，顯示數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，并開展手動(dòng)輸入或?qū)氤Ｒ?guī)數(shù)據(jù)、刪除不需要的測(cè)量值、生成計(jì)算特征、導(dǎo)出數(shù)據(jù)等教學(xué)任務(wù)；Designer 模塊可利用數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)展示的方式，內(nèi)置多種圖標(biāo)、圖形和表格。并且內(nèi)置CAD功能可以與用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)的3D互動(dòng)，可開設(shè)可視化的報(bào)表制作教學(xué)任務(wù)；Monitor 模塊可用于展示最終的報(bào)告，可以選擇顯示測(cè)量結(jié)果的次數(shù)。圖10 所示學(xué)生通過(guò)管理測(cè)量數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)展示方案，最終展示效果。

圖10 質(zhì)量結(jié)果的展示效果設(shè)計(jì)與發(fā)布

4 結(jié) 語(yǔ)

在考慮工業(yè)4.0 時(shí)代對(duì)人才類型的需要的前提下，通過(guò)對(duì)接觸-光學(xué)復(fù)合式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的教學(xué)功能進(jìn)行開發(fā)，可使學(xué)生掌握三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的基本操作，掌握一般特征工件及齒輪工件的接觸式測(cè)量的程序開發(fā)，使用光學(xué)式測(cè)量模式測(cè)量一般特征及快速輪廓測(cè)量的策略，面向工業(yè)4.0 的質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、管理、分析及發(fā)布等。有利于學(xué)生系統(tǒng)性掌握智能測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，提升學(xué)生將已有的互換性及傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)上升至數(shù)字測(cè)量乃至智能測(cè)量技術(shù)。