接触式三坐标NADCAP 测量与检验技术要点

文/肖挺，张静，姚彦军·陕西宏远航空锻造有限责任公司

通过对NADCAP M&I 测量与检验相关标准的解析，重点介绍了供应商在进行NADCAP M&I 测量与检验项目中第一部分接触式三坐标认证时应注意的技术要点，以助于供应商顺利通过接触式三坐标NADCAP 认证，同时规范了接触式三坐标日常测量、维护、校准等方面的操作流程，提高了供应商测量与检验管理水平和技术水平。

NADCAP 即“国家航空航天和国防合同方授信项目(National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program)”的简称，是全球知名航空企业合作管理的特种工艺认证项目。NADCAP以其独一无二的运作模式，吸引了全球航空企业所有的主要承包商参与，也为航空特种工艺供应链的质量提升和持续改进起到了至关重要的作用。其宗旨是以通用的第三方认证解决方案代替各自对供应商进行重复的特种工艺审查认证，以有效地降低其供应商发展成本和潜在风险。

NADCAP 测量与检验(M&I)是2014 年国际发布的认证项目，2017 年国内开始启动。认证项目包含三坐标、激光追踪仪、关节臂、3D 结构光扫描、空气流检测以及手持式量具常规检验。其中三坐标测量是以信息传递、处理为基础实现的精密测量，三坐标测量机(Coordinate Measuring Machines，简称 CMM)是20 世纪60 年代发展起来的一种新型、高效、多功能的精密测量仪器，现代三坐标测量机不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量，并且还可以根据测量的数据实现逆向工程。主要认证标准为AC7130 以及相应项目的子检查单，这些审核标准都是基于行业和客户标准的。通过对这些标准及检查表的学习及现场受审经验，重点阐述了三坐标认证准备和检验过程中应注意的技术要点，为初次申请该项目的国内供应商顺利通过认证提供帮助。

NADCAP 测量与检验(M&I)项目认证中对三坐标的总体要求

NADCAP 测量与检验(M&I)项目认证中的三坐标主要指的是用于设计特征检验的手动或者数控接触式探针的三坐标，带有扫描装置和扫描探头的三坐标不在本文范围内。三坐标认证的总体要求与其他测量检验项目的要求基本相同，包括测量检验项目应在质量管理体系下进行，与该项目有关的设备清洁维护、设备校准验证、测量软件控制、测量系统分析、人员能力和培训等方面的工作应符合质量体系和标准要求。

NADCAP 三坐标认证时应注意的技术要点

三坐标认证是NADCAP 测量与检验(M&I)项目的第一部分，虽然总体要求基本一致，但在进行NADCAP 测量与检验(M&I)三坐标认证时有许多需要注意的技术要点和特殊要求，以下以依据AC7130/1标准进行的接触式三坐标认证为例进行简要叙述。

依据最新标准要求编制作业指导书

NADCAP 测量与检验(M&I)认证有明确要求：必须具备作业指导书，中英对照版为宜。并且应依据最新的标准进行编制的作业指导书应足够详细并完全符合标准要求，同时明确所源自的标准。作业指导书还要经过验证证明其是有效的。对测量标准的管理及作业指导书的编制审批等应符合质量体系文件中文件控制程序的要求。

人员必须经过培训并经确认能力符合三坐标检验要求

必须对三坐标编程人员和操作员进行相关培训。由设备制造商具有资质的人员进行的培训应该包含在岗操作培训(OJT)和正规的课堂理论培训，人员培训内容包含机械知识、测量软件操作，手动自动测量程序编程及检测等。如果测量和检验人员参加了考试，应记录存档考试分数或等级，考试结果合格与否；且需要记录技能考试中涉及的零件编号，材料等，以及培训老师打分情况等信息。同时还需进行GD&T 培训保证人员熟知ASME Y14.5 尺寸和公差标准要求。并妥善保存培训记录。

培训合格人员应经过授权为编程或者测量人员，授权证明为证书，批准函或邮件等，且必须可以追溯到公司以及获得公司授权的个人。

三坐标设备的日常定期维护

三坐标测量仪以及相关配件都需要日常保养、定期维护。配件包括CMM 的测量操作平台的表面(导轨)、空气过滤器(如果有空气轴承)探头和探头卡爪，以及步进式夹具。要按照设备维护计划对空气过滤系统进行维护。日常维护记录见表1。

不允许导轨里有异物，探头表面脏污，台面、探头转换接头划痕，校准球头磨损，工具散乱随意摆放等情况，做好日常点检和维护记录。如果发生了可能会损坏设备部件测量状态的事故以后，需要对测量系统进行评估。建议检验员用模拟件检验系统每天检查CMM 的可重复性，这样可以在进行测量前就发现设备故障避免浪费时间。

测量探头的标定

审核员会验证测量探头的标定球头是否经过校验，每一个标定球头都有唯一标识号，在测量程序里可以追溯到标准球的信息。且每次使用前都应标定所有测量探头的尖端，因为测头触发有一定的延迟，以及测针会有一定的变形。测量时测头有效直径会小于该测针宝石球的理论直径，所以需要通过校验得到测量时的有效直径，对测量进行测头补偿。校验通过在标准球测点来得到测头的真实直径和位置关系，如图1 所示，测头在经过校准的标准球上校验时，测量软件首先根据测量系统传送的测点坐标(宝石球中心点坐标)拟合计算一个球，计算出拟合球的直径和标准球球心点坐标。这个拟合球的直径减去标准球的直径，就是被校验的测头的等效直径。增加校验测头的测点数，有效测针的直径越准确，接触式测头推荐点数9点3 层或12 点3 层。校验测头和测量工件的速度保持一致，也可以用量环和块规进行测头校验，但是标准球是首选，因为它考虑了所有方向。校验测头的目的就是确保测针的真实直径以及不同测头角度之间的位置关系。

图1 探头校验

校验测针前应保证测头测针各个连接件安装紧固，不能有松动；标准球底座必须紧固于测量机平台上；用无纺布轻轻擦拭红宝石球及标准球，保证表面清洁无污渍。校验结束后查看校验结果窗口，保存记录作为审核证据；校验测针合格后，在程序中加载测头，调用测尖。

三坐标设备应按标准要求进行校准

组成测量设备的所有设施，包括三坐标、标准球、转台(如果有)，都必须校准，并都需要标签标明当前的校验状态、下一次检验的日期。分别指定各个构件的验收精度范围，供应商的记录能证明设备的每个构件能满足该精度。

标准球不仅必须校准而且应唯一识别，通常标准球顺序号或者规格应列在三坐标程序中。标准球头也用于测量前探头的标定，确定三坐标探头的尺寸和位置。标准球的规格、外形、状态会影响测量结果的精度，如果改变三坐标校验精度范围，必须重新计算测量精度比率(TAR)，这是为了确保设备仍然能够满足待测零件的测量精度要求(确保设备有能力用于产品验收)。

校验精度范围示例： MPEE=3.0+3.0×L/1000

其中：MPEE——尺寸测量显示值允许的误差，单位是微米；

L——测量长度，单位是毫米。

三坐标校准报告上应明确追溯到国际标准ISO 10360-3 或国家标准JJF 1064-2010，坐标测量球校准应按照标准JJF 1422-2013 进行。

尤其需要注意的是如果三坐标测量机在校准过程工作正常，没有进行示值调整、维修的情况，即使原始精度没有更改，也需要在校准证书上说明调整前的校准As found，经过调整后的校准As left 的状态，审核员将会检查是否有证据表明设备校准As found超差均得到改善且在设备维修/调试后重新校验，重新校验的状态就是As left。

在收到外部或者内部校准证书后，应进行技术确认评价，确认校准精度结果是否满足使用产品测量要求。

三坐标测量的环境要求

三坐标测量仪由3 个主要部分构成：设备主体、测量探针、配置有测量软件的计算机控制系统。观察每部分的工作环境是很重要的，保证环境是受控的。

⑴环境温度。

影响三坐标附近的环境温度包括工作间门的位置、冷风/热风出口的位置，空气通风排气管道，以及可能分热辐射源(光源)等。必须实时监控环境温湿度，如果没有实时监控，则这个环境控制系统不合格。温度波动会影响测量的不确定度。

MPEE=3.0+3.0×L/1000(18 ～22℃)

MPEE=3.3+4.2×L/1000(16 ～26℃)

MPEE=3.5+5.0×L/1000(15 ～30℃)

其中：MPEE——尺寸测量显示值允许的误差，单位是微米；

L——测量长度，单位是毫米。

温湿度仪在三坐标测量间的放置位置很重要。行业标准三坐标环境温度为20℃，湿度75%。

振动：如果厂房位于铁路轨道附近，则三坐标的测量精度会受到影响。如果厂房内有大型压力机，也会影响三坐标的正常运行。需要用一些防振动装置。

总之，三坐标测量的不确定度很大程度上受制于所处的环境条件，还应考虑其他环境因素，如光源、气流排气、残余磁性、清洁度等。三坐标制造商会规定获得测量仪的标准测量结果应满足的使用环境条件，例如：温度范围、每小时的温度波动、每天的温度波动和每一米位置上的温度波动等。

⑵待测零件的温度。

待测零件的温度是需要受控和受到管理的。如果零件温度和测量区域的环境温度有明显差异，要分析导致温度差异的原因。如果温度的影响微不足道，则应注明“不考虑温度的影响”。如果补偿了零件温度值，必须有证据证明供应商所使用的温度补偿方法是正确的。可以使用已知尺寸的模拟零件来验证温度补偿方法是否正确。验证温度补偿的有效性。确保零件温度符合要求也可以将零件放置在测量工作间一定的时间，根据零件的尺寸、材料以及测量区域室温的变化确定零件的放置时间，并做好记录有据可查。手持式测温仪是常用的测量零件温度的工具。

三坐标建立坐标系要求

三坐标通常都是在建好基准系统基础上进行测量的，所以必须要按照工程图或者客户要求建立正确的坐标系统。用于建立坐标系的基准应包含在产品定义中或者与首件检验中的基准保持一致。当利用三坐标和夹具共同建立数据参考框架，则可以参照行业标准ASMEY14.5 尺寸和公差。最佳拟合法不能用于产品检验中，因为最佳拟合缩小了图纸公差，除非有客户批准并且将证据附在最终检验报告中。可以利用基准模拟件创建模拟基准数据，应限制零件6 个维度的自由度。利用“建立数据参考框架”进行数据修正以后，零件的旋转和平移按照特定的优先顺序受到所使用的特征数据模拟件的约束。

三坐标检验报告应该能够提供证据证明利用线性特征建立了正确的坐标系统，建立坐标系后，再检查用于建立该坐标系的每一个线性特征的精度以验证该坐标系，或者定版前通过一个独立的测量系统验证三坐标程序。例如：坐标系建好以后，如果检查数据特征模拟件在Z 轴的基准，或检查零件特征在Z 轴的基准数据，所有Z 轴读数都应是零。

对于用基准点建立的坐标系，如图2 所示。给定理论坐标值信息的6 个基准点建立的原点不在工件本身的ABC 迭代法坐标系。

图2 基准点示意

测量前应先评价基准点的实测结果，公差选择应按照工程定义，如图3 所示，波音产品基准公差按BSS7015，主轴公差是0.005 英寸，其余2 轴是0.03英寸，所有用于建立坐标系的基准点评价合格并应在报告中显示结果后方可进行产品测量。

图3 基准点评价结果

对于点—线—面或面—面—面等3-2-1 法建立的坐标系，根据工程图纸定义，如有平面度的，评价平面度，如果没有形位公差的，在平面上采点，采点数量根据平面大小确定，评价所采系列点的位置，如没有特定标准规定，评价公差按加工精度最高的特征的最小公差比例定义。

如果供应商建立工具参照系统(TRS)，可以使用校验过的坐标系来确定初始值。使用TRS 进行最佳拟合时应包含采用合格的配合公差和校验标尺。审查最佳拟合结果以及适用的公差，加权最佳拟合以及标尺校验准确度。

原始的通过操纵杆控制测量机运动，使宝石球接近坐标系原点，观察软件中的坐标值变化判断坐标系的建立正确与否的方法不适用于测量与检验的认证。

三坐标验证检查

三坐标操作和精度需要验证检查，就是确认三坐标测量的精度不确定值在允许的要求范围内。可以用模拟零件定期检查(并在控制表上绘制出测试结果曲线)或使用验证测量区域范围的标定量规，见表2。如果验证检查不满足要求，三坐标的操作员应该知道如何处理。

提供证据证明检验人员会评估三坐标的测量方法并决定其是否能满足产品测量要求，为了确定三坐标测量系统的精度(capability)，需要将测量设备的测量不确定度和被测产品的公差做对比。每个零件的测量值都用自己的测量精度比率(Test accuracy ratio)。

TAR=产品公差/三坐标测量设备的不确定度，供应商必须建立一个最小TAR 值，以便决定测量设备的精度能力，行业标准的最小TAR 值是4:1, 供应商可以决定自己的最小TAR 比率值。

还需要掌握测量系统分析Gage R&R，一致性分析或者其他证明设备符合使用要求的方法。

结束语

随着生产规模日益扩大，产品种类增多，加工精度要求更高，三坐标测量技术和管理水平也需要不断进步；NADCAP 作为一套系统、科学的过程认证评价体系，理解并实施三坐标NADCAP 认证标准要求的过程，研究其中需要注意的技术要点，对供应商内部测量与检验系统进行全面的梳理；识别出从体系文件到操作流程方法以及设备硬件软件等的差异性和瓶颈，逐步完善提高精密测量检验技术，加强对产品加工过程的严格把控，这对有效促进产品质量提升，增加供应商市场竞争力具有重大深远的意义。另一方面，受疫情时期影响，目前审核认证频次提高到每3 月一次的视频认证，要求供应商提供记录证据的准确性和有效性并定期保持更新，更加要求供应商认真梳理测量检验流程，掌握测量检验技术要点。