《基于三維模型的數(shù)字化檢驗》

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引言

目前，在數(shù)字化環(huán)境構(gòu)建需求的牽引下，研制單位在設(shè)計環(huán)節(jié)上已啟動了數(shù)字化樣機的研制；在

工藝環(huán)節(jié)上進行了三維制造和裝配工藝的仿真技術(shù)研究；在制造環(huán)節(jié)利用數(shù)字化加工和裝配設(shè)備、物

料存儲和輸送系統(tǒng)、生產(chǎn)過程的數(shù)字控制等開展了數(shù)字化生產(chǎn)；在管理環(huán)節(jié)上借助信息化平臺實施了

精益管理。數(shù)字化研制環(huán)境的變化，也帶來了制造過程質(zhì)量管理要求和方法的相應(yīng)轉(zhuǎn)變：制造過程的

管控對象從單一的實物驗證向虛擬驗證、預(yù)防控制轉(zhuǎn)變；質(zhì)量控制方式從單一的事后把關(guān)向數(shù)據(jù)自動

采集、過程在線監(jiān)督轉(zhuǎn)變；文件、要求的執(zhí)行從人工管控向信息系統(tǒng)對流程的剛性管控轉(zhuǎn)變；質(zhì)量管

控的對象、節(jié)點從關(guān)注結(jié)果向?qū)θ^程、全要素的監(jiān)督管控轉(zhuǎn)變，形成一種“實物+過程+體系+聯(lián)合

管理”相結(jié)合的全面監(jiān)督質(zhì)量工作模式。

數(shù)字化制造過程質(zhì)量控制要求的轉(zhuǎn)變，使得基于三維模型的數(shù)字化檢驗也產(chǎn)生了相應(yīng)變化：

1、產(chǎn)品檢驗的依據(jù)發(fā)生了變化。最直接的就是表達形式發(fā)生了變化，二維工程圖紙被三維數(shù)字

模型所取代。隨著三維設(shè)計技術(shù)的不斷完善，基于三維模型的制造和檢驗技術(shù)也逐步從技術(shù)研究走向

工程應(yīng)用。在航空領(lǐng)域，已從單純的基于三維模型的制造向三維設(shè)計、三維工藝、三維制造仿真、三

維檢驗的產(chǎn)品研制全過程應(yīng)用發(fā)展，實現(xiàn)了三維模型信息在產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)的貫通和使用，保證了

全壽命周期產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性，提高了產(chǎn)品的研制效率。由于數(shù)字化生產(chǎn)制造是依據(jù)三維模型直接傳

遞設(shè)計意圖，沒有二維工程圖的輔助，這就要求必須將產(chǎn)品的設(shè)計信息完整、規(guī)范地定義到三維設(shè)計

模型中；將產(chǎn)品的制造要求完整、規(guī)范地定義到三維工藝模型中；將產(chǎn)品的檢驗信息完整、規(guī)范地定

義到三維檢驗?zāi)Ｐ椭小Ｒ虼藬?shù)字化設(shè)計、數(shù)字化制造、數(shù)字化檢驗每個環(huán)節(jié)質(zhì)量管控該做什么，怎么

去做，流程如何推送，如何閉環(huán)，必須有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系。

2、產(chǎn)品檢驗的方法、手段發(fā)生了變化。隨著數(shù)字化、自動化制造水平越來越高，基于三維模型

的檢測技術(shù)作為制造技術(shù)的一部分也進入了數(shù)字化發(fā)展時代，不斷向高精度、高效率、自動化、智能

化方向發(fā)展，主要發(fā)展方向包括：1）基于MBD的檢測技術(shù)。其核心是以數(shù)據(jù)的傳遞和要素的自動識別

提取為檢測原理，通過計算機輔助技術(shù)、數(shù)字化檢測技術(shù)規(guī)劃、檢測數(shù)據(jù)管理等各個軟件之間的集成

與融合，對檢測數(shù)據(jù)的自動采集和檢測資源的有效傳遞，實現(xiàn)檢測三維模型信息的即時反饋和無縫傳

遞。2）三坐標(biāo)測量技術(shù)。新一代測量機普遍具有與外界設(shè)備通訊的功能，可以直接讀取IGES、STEP、

PRO-E等數(shù)字模型，實現(xiàn)了從簡單信息的獲取到復(fù)雜信息的融合。3）激光掃描測量技術(shù)。采用與理想

要素比較的原則，利用“點云”數(shù)據(jù)建立起被測對象的物理模型，通過專業(yè)軟件與設(shè)計模型進行比對

評價，顯著提高制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量管控效率。由此可見，基于三維模型的數(shù)字化檢驗必須具備相關(guān)功能

的軟、硬件支撐才能得以實現(xiàn)。

3、過程檢驗的策略發(fā)生了變化?！笆讬z+批檢”、“工序檢+成品檢”的傳統(tǒng)質(zhì)量控制策略在數(shù)

字化生產(chǎn)環(huán)境下檢驗內(nèi)容與要求也發(fā)生了相應(yīng)變化。在首件全要素檢驗合格、數(shù)控軟件歸檔后，批量

生產(chǎn)制件的檢驗不僅僅可依據(jù)GJB179A、GB2828等的規(guī)定抽樣，還應(yīng)根據(jù)企業(yè)自身特定產(chǎn)品數(shù)控加工

的特點，結(jié)合實際生產(chǎn)過程中更換不同機床、不同班次、不同加工者等情況，制定企業(yè)規(guī)范，明確實

施數(shù)量及要素的抽檢策略要求。

III

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本標(biāo)準(zhǔn)以基于三維模型制造的機械零部件幾何尺寸檢驗為對象，結(jié)合基于三維模型的數(shù)字化接觸

式測量與非接觸式測量方法的應(yīng)用實踐，融合國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，形成數(shù)字化環(huán)境下基于三

維模型的數(shù)字化檢驗實施指南，為企業(yè)全面推進實施三維數(shù)字化檢驗提供參考和借鑒。

IV

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基于三維模型的數(shù)字化檢驗實施指南

1范圍

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了基于三維模型的數(shù)字化檢驗實施的要求、流程與方法。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于數(shù)字化環(huán)境下基于三維模型制造的機械零部件幾何尺寸的檢驗。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的條款通過本標(biāo)準(zhǔn)的引用而成為本標(biāo)準(zhǔn)的條款。凡是注日期的引用文件，其隨后所有

的修改單（不包含勘誤的內(nèi)容）或修訂版均不適用于本標(biāo)準(zhǔn)，然而，鼓勵根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)達成協(xié)議的各方

研究是否可使用這些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T19000質(zhì)量管理體系基礎(chǔ)和術(shù)語

GB/T1804一般公差未注公差的線性和角度尺寸的公差

SJ21304電子裝備數(shù)字化工藝基本術(shù)語

3術(shù)語和定義

GB/T19000界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1三維模型

應(yīng)用三維軟件，在計算機中反映產(chǎn)品幾何要素、約束要素和工程要素信息的集合。

3.2數(shù)字化檢驗

采用數(shù)字化手段，對產(chǎn)品的一個或多個特性進行測量、檢查、試驗或度量，并將結(jié)果與三維數(shù)字

模型規(guī)定的要求進行比較以確定每項合格情況的活動，稱為數(shù)字化質(zhì)量檢驗，簡稱數(shù)字化檢驗。

3.3接觸式測量

接觸式測量是通過測頭與被測工件接觸，采集被測表面的輪廓點，進行數(shù)據(jù)處理后，從而獲得被

測工件的表面輪廓信息。

3.4非接觸式測量

非接觸式測量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參

數(shù)信息的測量方法。

4一般要求

4.1人員要求

1

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檢驗人員應(yīng)通過培訓(xùn)取得專業(yè)資格證書，能夠熟練操作數(shù)字化專業(yè)檢驗設(shè)備，按照規(guī)定的檢驗?zāi)?/p>

力范圍開展產(chǎn)品質(zhì)量檢驗。

4.2設(shè)備要求

檢驗設(shè)備要求如下：

a)接觸式測量設(shè)備：具備機械接觸式觸發(fā)測頭或掃描測頭的三坐標(biāo)測量機。

b)非接觸式測量設(shè)備：具備非接觸激光掃描測量功能的三坐標(biāo)測量機。

c)檢驗設(shè)備的測量軟件具備自動識別、提取三維模型中的檢驗要素及自動編程等功能。

d)檢驗設(shè)備的精度通常應(yīng)比被測量指標(biāo)精度高4倍或以上。

e)測量時應(yīng)保證檢驗設(shè)備完好，計量合格標(biāo)識在有效期內(nèi)。

4.3環(huán)境要求

針對不同產(chǎn)品的差異，識別可能直接對產(chǎn)品檢驗結(jié)果產(chǎn)生影響的環(huán)境因素，如環(huán)境溫度、濕度、

電磁、潔凈度、多余物等，對相關(guān)環(huán)境影響因素應(yīng)實施有效的控制。如檢驗環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)溫度為20℃，

如果測量環(huán)境的溫度、等因素影響測量結(jié)果，應(yīng)在測量不確定度評估時考慮。

4.4技術(shù)規(guī)范要求

a)具備相應(yīng)的三維設(shè)計標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，三維模型應(yīng)能準(zhǔn)確表達產(chǎn)品零部件本身的幾何屬性、

工藝屬性、質(zhì)量檢驗屬性以及管理屬性等信息，以滿足工藝設(shè)計、制造過程各個階段對數(shù)據(jù)的需求。

三維模型的標(biāo)注應(yīng)滿足以下要求：

——模型標(biāo)注應(yīng)規(guī)范、完整、清晰；

——標(biāo)注的尺寸應(yīng)與相應(yīng)模型特征的圓整尺寸一致，標(biāo)注的尺寸的數(shù)值不應(yīng)人為更改。對于模型

與實物不完全一致的模型，如：彈簧、齒輪、蝸輪、蝸桿等零件應(yīng)在注釋中加以說明；

——不宜以注釋形式標(biāo)注尺寸；

——偏公差尺寸應(yīng)標(biāo)注為驅(qū)動尺寸；

——對簡化模型和允許省略建模的結(jié)構(gòu)要素應(yīng)標(biāo)注和說明。如：螺紋、滾花、倒角、倒圓、砂輪

越程槽等幾何特征；

——模型特征的尺寸和標(biāo)注尺寸值為加工完成后、表面處理前的尺寸，否則應(yīng)另加說明；

——選擇尺寸界限的依附類型應(yīng)遵循“面-線-點”的優(yōu)選次序；

——模型標(biāo)注應(yīng)分視圖進行規(guī)范性管理；

——未標(biāo)注公差尺寸的極限偏差按GB/T1804《一般公差未注公差的線性和角度尺寸的公差》相

關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

b)規(guī)定實施數(shù)字化制造過程的控制規(guī)范要求，如：信息格式、數(shù)據(jù)接口、電子簽名、模型版本控

制等。

c)具備相關(guān)的數(shù)字化檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。

5檢驗工作流程與要求

5.1檢驗工作流程

基于三維模型的數(shù)字化檢驗工作流程如圖1所示，

2

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圖1三維數(shù)字化檢驗流程

5.2檢驗工作要求

5.2.1分析檢驗需求

讀取三維模型，對三維模型中已標(biāo)注的和不可見的尺寸、公差、符號、注釋、技術(shù)要求以及材料

等屬性進行識別和查詢，分析出所有檢驗要素需求。

可利用專業(yè)軟件將三維模型中的標(biāo)注信息自動提取，包括測量要素理論值、公差等，形成檢驗需

求規(guī)劃。

5.2.2制定檢驗方案

根據(jù)被測對象的結(jié)構(gòu)特征和屬性要求以及制定的相關(guān)數(shù)字化檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，確定合適的檢

測方法，選擇滿足產(chǎn)品精度要求的檢測設(shè)備，規(guī)劃詳細的測量步驟與內(nèi)容。

基于三維模型的機械零部件檢驗，可根據(jù)對三維模型中檢驗特性的分析，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計精度要求，

制定檢驗方案。

a)平臺測量。對于外形較為規(guī)則、測量參數(shù)較少、精度要求不高的機械零部件，推薦優(yōu)先選擇具

備數(shù)據(jù)自動采集、存儲功能的平臺測量手段，如測高儀；

b)接觸式自動化測量。對于幾何形狀較為規(guī)則、測量參數(shù)較多、精度要求較高的殼體類、板類等

機械零部件，推薦采用基于尺寸測量接口標(biāo)準(zhǔn)的三坐標(biāo)接觸式測量方法；

c)非接觸式激光掃描比對測量。對于剛性較差的薄壁件及具有復(fù)雜包絡(luò)曲面特征的異形結(jié)構(gòu)件，

推薦采用三坐標(biāo)激光掃描比對的非接觸式測量方法。

5.2.3實施產(chǎn)品檢驗

按照制定的檢驗方案開展機械零部件幾何尺寸的檢驗。

a)檢驗工作準(zhǔn)備。熟悉檢驗依據(jù)，明確檢驗項目的質(zhì)量要求，準(zhǔn)備檢驗工具、量具、設(shè)備。

b)檢驗測試。用規(guī)定的方法和手段檢查和測試產(chǎn)品，獲取產(chǎn)品的質(zhì)量特性值。采用平臺測量選擇

測高儀時，注意先將測頭在標(biāo)準(zhǔn)校驗塊上校準(zhǔn)。采用自動化測量設(shè)備選擇三坐標(biāo)時，可先離線編制測

量程序。接觸式自動化測量的具體操作步驟參見附錄A。非接觸式激光掃描對比測量的具體操作步驟

參見附錄B。

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c)比較判定。將檢驗的質(zhì)量特性與質(zhì)量要求進行自動比較、判定。

d)檢驗結(jié)果處理。按規(guī)定記錄檢驗數(shù)據(jù)及判定結(jié)果，形成表格或圖樣式的檢測報告和誤差分析報

告。對合格品做標(biāo)識放行，對不合格品做標(biāo)識、隔離并及時報告。

5.2.4數(shù)據(jù)分析反饋

通過建立分布式的生產(chǎn)過程質(zhì)量數(shù)據(jù)采集點，實時采集生產(chǎn)過程質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)并錄入管理平臺。

利用生產(chǎn)過程質(zhì)量數(shù)據(jù)采集終端軟件，對過程質(zhì)量數(shù)據(jù)進行集中管理和統(tǒng)計分析，實現(xiàn)生產(chǎn)過程質(zhì)量

數(shù)據(jù)的在線共享和實時查詢，為前端設(shè)計、工藝和生產(chǎn)制造提供修正和改進的信息反饋，實現(xiàn)設(shè)計質(zhì)

量和工藝安排的持續(xù)優(yōu)化、生產(chǎn)制造過程異常問題的及時處理。

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附錄A

（資料性附錄）

三坐標(biāo)接觸式測量檢驗方法應(yīng)用實例

針對應(yīng)用PC-DIMS軟件實施三坐標(biāo)接觸式測量的步驟與要求基本如下：

A.1測量規(guī)劃

工序檢驗以工藝模型為依據(jù)，成品檢驗以設(shè)計模型為依據(jù)。應(yīng)用三坐標(biāo)自動編程軟件進行基于模

型的三維數(shù)字化產(chǎn)品的測量規(guī)劃,對數(shù)模中的幾何尺寸、單一要素、關(guān)聯(lián)要素、技術(shù)要求等測量特征

進行識別、提取、添加，按照測量軟件制定的規(guī)則形成產(chǎn)品的測量程序。

打開編程軟件PC-DIMS，導(dǎo)入三維模型，在模型上建立坐標(biāo)系，原則上測量坐標(biāo)系與設(shè)計模型（工

藝模型）的坐標(biāo)系一致。

將程序模式切換成DDC模式，進入自動測量模式。

點擊自動測量元素（自動點，自動圓，自動圓柱，自動圓槽，自動方槽等）對話框，在對話框中

進行元素參數(shù)設(shè)置，點擊創(chuàng)建，即生成相關(guān)測量程序。

對生成的程序進行模擬測量，檢測測量程序的安全性。

A.2固定零件

遵守安全操作規(guī)程，將零件安放在方便檢測，阿貝誤差最小的位置用壓板或?qū)Ｓ霉ぱb固定牢固。

A.3測頭校驗

按照測量程序中定義的測頭文件，在標(biāo)準(zhǔn)球上進行測針直徑和位置的校驗。

A.4建立坐標(biāo)系

建立坐標(biāo)系應(yīng)按以下要求進行：

一般位置坐標(biāo)測量可建立直角坐標(biāo)系，角度、極值測量時可建立極坐標(biāo)系。

根據(jù)坐標(biāo)系的建立方法及零件的特征，規(guī)則的產(chǎn)品使用常規(guī)坐標(biāo)系（即3-2-1坐標(biāo)系），非規(guī)則

的零件可使用迭代法建坐標(biāo)系。

設(shè)計文件有明確標(biāo)注基準(zhǔn)的前提下，坐標(biāo)系建立必須遵循基準(zhǔn)重合原則，即測量基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)

保持重合。

建立坐標(biāo)系一般需要手動粗建坐標(biāo)系和自動精建坐標(biāo)系兩次。

A.5測量

執(zhí)行測量程序，自動采集元素進行測量。

測量過程中需仔細觀察，防止測頭與被測件碰撞。

A.6評估報告

按照設(shè)計要求對測量要素逐項評價后形成三坐標(biāo)測量報告。

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附錄B

（資料性附錄）

三坐標(biāo)非接觸式測量檢驗方法應(yīng)用實例

基于模型的三維數(shù)字化產(chǎn)品的非接觸式測量，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、比對評價三個步驟。

首先通過利用具備激光掃描功能的三坐標(biāo)測量設(shè)備，快速、準(zhǔn)確、有效地獲取制造對象表面離散點的

空間幾何數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)點云；數(shù)據(jù)點云經(jīng)過稀釋、分層、刪除誤差點等基本處理后，快速重構(gòu)檢驗

對象的三維實體數(shù)據(jù)；最終通過應(yīng)用比對軟件進行三維實體模型與三維設(shè)計模型的快速比對，從而對

制造對象進行質(zhì)量評估。

針對應(yīng)用Carmo測量軟件實施三坐標(biāo)非接觸式測量的步驟與要求基本如下：

B.1導(dǎo)入設(shè)計模型

導(dǎo)入設(shè)計模型的格式應(yīng)為通用的STEP、PRO/E、IGES等格式。

導(dǎo)入后的設(shè)計模型擺放的位置矢量應(yīng)與零件在三坐標(biāo)平臺上的擺放位置矢量一致。

B.2選擇測頭角度

測頭角度的選擇應(yīng)按照零件擺放的方位進行選擇：

掃描外表面時，按被測面的法向方向選擇測頭角度。當(dāng)被測表面材料有反射時，按被測表面的法

向方向偏置±7.5?～±15?選擇測頭角度。

掃描內(nèi)側(cè)面時，測頭角度以能采集到被測量表面以及測頭運動安全的原則進行選擇。

B.3激光配置

激光輪廓是在掃描一個組件時激光使用的參數(shù)的集合。這些參數(shù)包括能源、曝光時間、信號閾值

和幾個過濾選項。當(dāng)檢測元素時，根據(jù)被測件的材料和顏色屬性通過驅(qū)動配置對話框并且使用屬性窗

口或者激光2D預(yù)覽窗口創(chuàng)建多重激光輪廓。

B.4光束參數(shù)設(shè)置

當(dāng)掃描被測表面曲率變化小時，增加光束移動時線與線之間、點與點之間的距離參數(shù)。

當(dāng)掃描被測表面曲率變化大時，減少光束移動時線與線之間、點與點之間的距離參數(shù)。

B.5掃描模式的選擇

掃描模式的選擇應(yīng)按以下要求進行:

規(guī)則的產(chǎn)品根據(jù)零件擺放位置，可按照零件的正面到側(cè)面的順序選擇逐個面掃描。

曲面的產(chǎn)品可按照從左到右，從上到下的順序進行掃描。

B.6執(zhí)行掃描

根據(jù)掃描模式，建立掃描路徑，激光三坐標(biāo)自動執(zhí)行掃描步驟。

測量過程中仔細觀察，防止被掃描零件與激光測頭碰撞。

B.7模型數(shù)據(jù)比對

將激光掃描后形成的數(shù)據(jù)點云進行處理，刪除誤差點后與設(shè)計模型一同在專用比對軟件中進行比

對。按照公差要求設(shè)置色帶數(shù)值，將數(shù)據(jù)點云與設(shè)計模型進行全局比對或者截面比對，形成色譜圖測

量報告。

6

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參考文獻

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ICS03.120.10

A00

中國質(zhì)量協(xié)會團體標(biāo)準(zhǔn)

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基于三維模型的數(shù)字化檢驗

GuidelineofDigitalInspectionBasedon3DMode

（征求意見稿）

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實施

中國質(zhì)量協(xié)會發(fā)布

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基于三維模型的數(shù)字化檢驗實施指南

1范圍

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了基于三維模型的數(shù)字化檢驗實施的要求、流程與方法。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于數(shù)字化環(huán)境下基于三維模型制造的機械零部件幾何尺寸的檢驗。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的條款通過本標(biāo)準(zhǔn)的引用而成為本標(biāo)準(zhǔn)的條款。凡是注日期的引用文件，其隨后所有

的修改單（不包含勘誤的內(nèi)容）或修訂版均不適用于本標(biāo)準(zhǔn)，然而，鼓勵根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)達成協(xié)議的各方

研究是否可使用這些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T19000質(zhì)量管理體系基礎(chǔ)和術(shù)語

GB/T1804一般公差未注公差的線性和角度尺寸的公差

SJ21304電子裝備數(shù)字化工藝基本術(shù)語

3術(shù)語和定義

GB/T19000界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1三維模型

應(yīng)用三維軟件，在計算機中反映產(chǎn)品幾何要素、約束要素和工程要素信息的集合。

3.2數(shù)字化檢驗

采用數(shù)字化手段，對產(chǎn)品的一個或多個特性進行測量、檢查、試驗或度量，并將結(jié)果與三維數(shù)字

模型規(guī)定的要求進行比較以確定每項合格情況的活動，稱為數(shù)字化質(zhì)量檢驗，簡稱數(shù)字化檢驗。

3.3接觸式測量

接觸式測量是通過測頭與被測工件接觸，采集被測表面的輪廓點，進行數(shù)據(jù)處理后，從而獲得被

測工件的表面輪廓信息。

3.4非接觸式測量

非接觸式測量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參

數(shù)信息的測量方法。

4一般要求

4.1人員要求

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