ISO 10360-132021 产品几何技术规范（GPS）.坐标测量系统（CMS）的验收和再验证试验.第13部分光学3D CMS标准立项发展报告

产品几何技术规范（GPS）——坐标测量系统（CMS）的验收和再验证试验——第13部分：光学3DCMS标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:GeometricalProductSpecifications(GPS)—AcceptanceandReverificationTestsforCoordinateMeasuringSystems(CMS)—Part13:Optical3DCMS摘要随着航空航天、汽车制造、医疗器械及消费电子等高端制造领域对复杂自由曲面零件和精密结构件测量需求的持续增长，传统接触式坐标测量技术已难以满足高效率、高密度、非接触式测量的实际需求。光学三维坐标测量系统（Optical3DCMS）作为新一代数字化测量装备，以其非接触、全场扫描、快速数据采集等显著技术优势，正逐步成为智能制造质量保证体系中的核心基础设施。然而，由于光学测量原理与接触式测量存在本质差异，传统坐标测量机的验收与再验证标准难以直接适用，亟需建立专门针对光学3DCMS的计量性能评定技术规范。ISO10360-13:2021《产品几何技术规范（GPS）——坐标测量系统（CMS）的验收和再验证试验——第13部分：光学3DCMS》由国际标准化组织（ISO）于2021年9月正式发布。该标准建立了光学三维坐标测量系统性能评定与周期再验证的通用技术框架，系统规定了最大允许误差（MPE）的评定方法、测量策略的标准化要求、环境条件的控制指标以及验收与再验证试验的程序性规范，填补了光学3DCMS国际计量校准领域的技术标准空白。本报告对该标准的编制背景、适用范围、关键技术内容及其行业应用价值进行系统分析，并结合我国在该领域标准化工作的现状，提出推进国内相关标准建设和技术应用的建议。关键词：产品几何技术规范；坐标测量系统；光学三维测量；验收试验；再验证试验；计量性能评定；国际标准Keywords:GeometricalProductSpecifications(GPS);CoordinateMeasuringSystems(CMS);Optical3DMeasurement;AcceptanceTest;ReverificationTest;MetrologicalPerformanceEvaluation;InternationalStandard一、引言1.1标准立项背景坐标测量技术是现代制造业质量控制与逆向工程的核心技术手段。自20世纪70年代以来，以三坐标测量机为代表的接触式坐标测量系统（CMS）在机械制造领域得到广泛应用，其相关的国际标准——ISO10360系列，已成为全球公认的坐标测量设备验收与再验证的技术依据。随着光学传感技术、数字图像处理技术和计算机视觉技术的飞速发展，基于结构光投影、激光三角法、条纹投影、摄影测量等原理的光学三维坐标测量系统在测量效率、数据密度和非接触适应性等方面展现出显著优势，在航空叶片检测、汽车白车身尺寸分析、3D打印质量评估、文物保护数字化等应用场景中发挥着不可替代的作用。然而，光学3DCMS的测量原理和应用特性与传统接触式测量系统存在本质区别：其测量过程涉及光路传播、表面反射特性、环境光照干扰等多种复杂因素，测量结果易受被测物体表面材质、颜色、粗糙度及环境条件等因素的影响。因此，直接套用ISO10360系列中针对接触式坐标测量机所制定的验收和再验证规则，既不科学也不可行，迫切需要制定专门性的国际标准来规范光学3DCMS的性能评定方法和验收程序。1.2标准制定历程与意义ISO/TC213（产品几何技术规范与验证技术委员会）作为国际标准化组织下属负责GPS体系标准制修订的专门技术委员会，长期致力于构建统一的几何产品技术规范与验证标准体系。针对光学3DCMS标准化需求，ISO/TC213启动了ISO10360-13的制定工作。经过多轮专家论证、实验室比对研究和国际范围内的意见征求，该标准最终于2021年9月9日正式发布。ISO10360-13:2021的发布具有多方面的重要意义：-填补标准空白：该标准是全球首个专门针对光学三维坐标测量系统验收和再验证的国际标准，弥补了ISO10360系列在光学非接触测量领域的缺失。-统一技术基准：为光学3DCMS的制造商、用户和第三方检测机构提供了统一的技术语言和评定准则，有助于消除贸易技术壁垒，促进全球范围内的设备性能互认。-支撑质量提升：为使用光学3DCMS的企业提供了规范化的设备性能验收和周期性核查依据，有助于保障测量数据的准确性和可靠性，进而提升产品质量控制水平。二、标准适用范围与核心技术内容2.1适用范围ISO10360-13:2021适用于采用光学原理进行三维几何测量的坐标测量系统，涵盖多种常见的光学测量技术类型，包括但不限于：-结构光投影测量系统：基于相位测量轮廓术或格雷码加相移技术的面结构光三维测量设备；-激光三角法测量系统：采用点激光或线激光扫描方式，基于激光三角测距原理的坐标测量设备；-条纹投影系统：利用正弦光栅条纹投影与相移算法实现全场三维形貌测量的系统；-摄影测量系统：基于多视角图像特征匹配重建三维坐标的测量系统。该标准规定的性能评定内容主要涉及系统的尺寸测量能力，即系统在给定测量条件下对几何尺寸（如长度、直径、角度等）的测量准确性，不涉及表面粗糙度测量、光泽度测量等非坐标测量功能。2.2关键技术术语与定义ISO10360-13:2021系统定义了光学3DCMS性能评定所涉及的关键术语，主要包括：-光学3DCMS（Optical3DCMS）：采用光学非接触测量原理，能对物体表面进行三维坐标数据采集和几何尺寸测量的坐标测量系统。-最大允许误差（MPE，MaximumPermissibleError）：标准规定的测量误差极限值，是判定系统是否满足验收/再验证要求的关键指标。-球体间距误差（SphereSpacingError）：测量标准球体之间中心距与标称值的偏差，用于评定系统的长度测量准确性。-形态误差（FormError）：对标准球体或其他标准几何形体进行测量后，由测量点云拟合得到几何要素与理想形状之间的偏差。-尺寸误差（SizeError）：标准球体拟合直径与标称直径的偏差。-探测误差（ProbingError）：对标准几何要素进行单点或区域探测时，因测量系统自身性能引入的测量偏差。2.3评定方法与测量标准器ISO10360-13:2021规定了光学3DCMS性能评定中使用的核心方法，核心测量标准器为标准球板（BallPlate）或标准球体组（SphereSet）。标准球通常采用高精度陶瓷材料制造，其球度误差控制在微米级以下，球心坐标经过高精度计量仪器标定，具有极佳的形状稳定性和热稳定性。标准中要求在规定的工作容积内，按照指定的方向和位置布置标准球体，覆盖测量空间的不同区域和不同方向，以评价系统在整个测量空间内的综合性能。2.4验收试验与再验证试验的规定该标准同时规定了两种类型的性能评定程序：-验收试验（AcceptanceTest）：在新设备安装调试完成后、正式投入使用前进行，用以验证设备制造商声明的性能指标是否得到满足，试验结果作为用户接收设备与否的判定依据。-再验证试验（ReverificationTest）：在设备使用过程中按照规定的周期（通常为每12个月）或设备经过重大维修、搬迁后进行，用以验证设备在一段时间使用后是否仍然保持制造商标称的性能水平。对于上述两类试验，标准均明确规定了测量策略、测量次数、数据评价方法和合格判定准则。验收试验通常需要更严格的MPE要求和更大的测量样本量，再验证试验的MPE可适当放宽。2.5环境条件与测量策略要求考虑到光学测量过程对环境条件的敏感性，ISO10360-13:2021对试验过程中的环境条件进行了严格规定，包括温度范围及温度变化率、振动条件、环境光照条件等。标准的附录提供了环境条件记录的推荐格式和控制方法。与此同时，标准对测量策略也做出了规范要求，要求在试验中规定合理的曝光时间、扫描速度、测量方向、数据密度等参数，并对被测表面的反射特性进行控制，以减小测量条件差异引起的性能评定偏差。三、标准的技术特点与应用价值3.1与ISO10360系列标准的协调关系ISO10360-13:2021是ISO10360系列标准的重要组成部分，与系列内其他部分形成了良好的互补关系。具体而言，ISO10360-1规定了坐标测量机验收和再验证试验的通用要求和术语定义；ISO10360-2针对接触式坐标测量机的尺寸测量性能进行了规范；ISO10360-3针对扫描型坐标测量机进行了规定；ISO10360-7针对配备影像探测系统的坐标测量机进行了规定。ISO10360-13则针对采用光学3D测量原理的坐标测量系统制定了专门的规范，使其与接触式、影像式测量系统形成了从测量原理到性能评定方法全覆盖的标准体系格局。此外，该标准也遵循ISO17450（GPS通用标准）系列确立的规范与验证的一般原则，保持了与GPS体系内其他标准的一致性。3.2标准的技术特色与创新点ISO10360-13:2021相比传统的接触式坐标测量机验收标准，具有以下技术特色和创新点：1.测量原理适配性设计：针对光学测量的非接触特性，该标准中的测试程序充分考虑了对物体表面材质、光学反射特性、环境照明等因素的敏感性。标准对标准球体表面的处理方式（如是否需要喷涂消光处理）给出了明确建议，减少了表面特性对测量结果的影响。2.评价维度全面性：该标准不仅评价长度测量误差，还将形态误差、尺寸误差、球体间距误差以及多方向测量一致性等纳入评定范围，形成了多维度的性能评价体系，更加全面地反映光学3DCMS在实际测量应用中的综合表现。3.测量不确定度框架的引入：该标准强调了测量不确定度评定在验收和再验证过程中的重要作用，要求在使用MPE进行合格判定时，结合测量不确定度进行综合考量，避免因测量不确定度过大导致错误的风险。3.3典型应用场景与行业影响ISO10360-13:2021的发布产生了广泛的行业影响，其典型应用场景包括：-航空制造业：航空发动机叶片、整体叶盘等复杂曲面零件的型面检测，需要高密度、高精度的光学三维测量手段，该标准为相关检测设备的性能验收提供了依据；-汽车制造业：白车身、覆盖件、动力总成等大尺寸零部件的尺寸工程分析，光学3DCMS可实现整车级零部件的高效扫描与数字化比对；-医疗器械行业：人工关节、齿科修复体等个性化医疗植入物的逆向工程和精度验证；-增材制造（3D打印）：打印件尺寸精度和几何形状的逐层过程监控与终检；-文化保护与考古：文物遗迹的三维数字化存档和复原。上述领域中，ISO10360-13:2021为企业间的技术交流提供了统一的语言，帮助用户根据不同应用需求选择合适的光学3DCMS设备，并对设备性能进行合理预期和有效监控。四、主要修订企事业单位简介ISO10360-13:2021作为国际标准，其制定过程由ISO/TC213统筹组织，各成员国通过本国标准化技术委员会（如中国的全国产品几何技术规范标准化技术委员会，SAC/TC240）推荐专家参与。在该标准的制定过程中，德国联邦物理技术研究院（PTB）、英国国家物理实验室（NPL）等国家级计量机构，以及蔡司（ZEISS）、海克斯康（Hexagon）、雷尼绍（Renishaw）等国际知名坐标测量设备制造商均深度参与了标准草案的技术讨论和实验室验证工作。在中国，全国产品几何技术规范标准化技术委员会（SAC/TC240）是负责对接ISO/TC213的国内技术归口单位，其主要依托单位为中国机械科学研究总院集团有限公司（以下简称“中国机械总院”）。中国机械总院是国务院国资委监管的中央企业，是我国装备制造领域基础性、共性技术研究的重要力量，拥有国家级技术创新平台和一批高水平的计量测试实验室。在ISO10360-13的制定过程中，中国机械总院组织国内光学测量骨干企业和科研院所，对标准草案进行了深入研讨，开展了多轮验证试验和意见反馈，推动了该标准中涉及光学测量特定问题的解决方案的完善。此外，中国机械总院长期承担GPS领域多项国家标准和行业标准的制修订任务，主导制定了多项坐标测量相关的国家标准，对我国在光学3DCMS标准领域的技术储备和人才培养发挥了重要作用。五、结论与展望ISO10360-13:2021的正式发布，是国际坐标测量标准化领域具有里程碑意义的重要事件。该标准首次为光学三维坐标测量系统提供了系统化、标准化的性能验收与再验证技术框架，有效填补了ISO10360系列在非接触光学测量领域的空白。通过规定统一的术语定义、测量程序、评定方法和判定准则，该标准不仅增强了不同制造商生产的光学3DCMS设备之间的性能可比性，也为最终用户提供了选择和验收设备的可靠依据，从而在更广泛的层面上推动了光学三维测量技术的规范化应用。展望未来，随着光学测量技术在工业场景中的进一步推广，ISO10360-13:2021也将面临持续修订和完善的需求。一方面，随着测量传感器分辨率和数据处理算法能力的不断提升，对更高精度、更快速度的测量性能评定方法的需求将日益迫切，后续修订中可能加入更多针对复杂测量任务（如多传感器融合测量、在位测量等）的评定规范。另一方面，随着全球各主要经济体对智能制造和数字化转型的深入推进，基于ISO10360-13:2021的校准服务、认证认可和质量保障体系也将进一步健全。对于我国而言，应在积极跟踪和采用ISO10360-13:2021的基础上，结合国内光学三维测量技术和产业发展的实际需求，加快推动该标准转化为国家标准（GB/T）的进程，同步建立完善的光学3DCMS计量测试服务平台和验证评价体系，加强行业应用指导，以满足我国制造业转型升级对先进测量技术标准的迫切需求。参考文献[1]ISO10360-13:2021,Geometricalproductspecifications(GPS)—Acceptanceandreverificationtestsforcoordinatemeasuringsystems(CMS)—Part13:Optical3DCMS[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2021.[2]ISO10360-1:2000,GeometricalProductSpecifications(GPS)—Acceptanceandreverificationtestsforcoordinatemeasuringmachines(CMM)—Part1:Vocabulary[S].Geneva:International