【摘要】本文對接觸（觸針）式表面輪廓測量儀的兩種校準(zhǔn)方法進(jìn)行比較。兩種校準(zhǔn)方法的相同點：兩種校準(zhǔn)方法都對儀器固有參數(shù)，如靜態(tài)測量力、輪廓垂直分量（Z軸）和水平分量（X軸）進(jìn)行校準(zhǔn)。兩種校準(zhǔn)方法存在的差異：福建地方校準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的方法是在固有參數(shù)基礎(chǔ)上將輪廓儀軟件系統(tǒng)里的直線度、弧度、角度等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，系統(tǒng)地反映儀器特性；而京津冀地方校準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的方法是采用量塊和平晶作為標(biāo)準(zhǔn)，利用其具有的研合性對輪廓儀軟件系統(tǒng)的階梯參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。由于輪廓儀軟件系統(tǒng)的直線度、弧度、角度、階梯等參數(shù)都是依據(jù)Z軸分量和X軸分量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計算而來。因此，只要確保Z軸和X軸分量的示值準(zhǔn)確，則輪廓儀其他參數(shù)示值也就準(zhǔn)確。采用這兩種方法對同一臺輪廓儀進(jìn)行校準(zhǔn)并分析試驗數(shù)據(jù)，印證了兩種校準(zhǔn)方法的測量結(jié)果都可信。

【關(guān)鍵詞】接觸（觸針）式表面輪廓測量儀；校準(zhǔn)；比較分析

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.04.072

Comparison and Analysis of Two Calibration Methods for Contact （Stylus） Surface Contour Tester

TIAN Hua

（Ningxia Metrology Quality Inspection and Testing Institute， Yinchuan 750200， China）

Abstract： This article compares two calibration methods for contact （stylus） type surface contour tester. The commonality between the two methods is that both calibrate the instrument’s intrinsic parameters， such as static measuring force， the vertical component of the profile （Z-axis）， and the horizontal component （X-axis）. The differences between the two methods lie in the following： the Fujian local calibration standard specifies a method that calibrates parameters within the profilometer’s software system， such as straightness， curvature， and angles， on the basis of the intrinsic parameters to systematically reflect the instrument’s characteristics. On the other hand， the calibration standard for the Jing-Jin-Ji （Beijing-Tianjin-Hebei） region involves using gauge blocks and a plane-parallel glass as standards， leveraging their fitting property to calibrate the step parameters of the profilometer’s software system. Since the parameters of the profilometer’s software system， including straightness， curvature， angles， and steps， are all derived from data analysis and calculation based on the Z-axis and X-axis components， ensuring the accuracy of the indications of the Z-axis and X-axis components will also ensure the accuracy of other parameter indications of the profilometer. By calibrating the same profilometer using these two methods and analyzing the experimental data， it is confirmed that the measurement results from both calibration methods are reliable.

Keywords： contact （stylus） surface contour tester； calibration； comparative analysis

接觸（觸針）式表面輪廓測量儀（以下簡稱“輪廓儀”）廣泛應(yīng)用于機械加工、精密工具制造、軸承生產(chǎn)、光學(xué)元件加工及汽車制造等領(lǐng)域，具體用于軸承、滾針、滾子、電機軸、曲軸等零部件的輪廓尺寸控制，具有高精度、高穩(wěn)定性的特點。近年來，隨著科技的進(jìn)步以及數(shù)字化的快速發(fā)展，輪廓儀的生產(chǎn)數(shù)量日益增加。因此，確保輪廓儀量值的準(zhǔn)確性和可靠性變得至關(guān)重要。目前，我國尚未有輪廓儀的國家校準(zhǔn)規(guī)范，僅有福建和河北發(fā)布的輪廓儀地方校準(zhǔn)規(guī)范。在兩個地方校準(zhǔn)規(guī)范中，對于系統(tǒng)參數(shù)的校準(zhǔn)規(guī)定了不同的校準(zhǔn)參數(shù)，其結(jié)論都符合輪廓儀的參數(shù)特性要求。

1輪廓儀

1.1概述

輪廓儀是測量各種機械零件的素線形狀、截面輪廓形狀的常用儀器，主要用于測量各種機械零件的凸出量、曲面曲率半徑、直線度、角度、傾斜度、平行度等參數(shù)。輪廓儀是以直線導(dǎo)軌為基準(zhǔn)，觸針沿工件表面來回運動，記錄被檢表面輪廓曲線，計算并評價被檢輪廓的尺寸、圓弧半徑、角度等二維形狀、位置參數(shù)。其主要由驅(qū)動箱、傳感器、計算機系統(tǒng)、電子信號處理裝置等部件組成。

1.2輪廓儀工作原理

儀器的觸針在被測部件輪廓表面滑動，傳感器通過接觸觸針感受到被測表面的幾何形狀變化，從而將模擬信號轉(zhuǎn)換成電信號。該電信號被放大和處理后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并存儲在計算機系統(tǒng)中。計算機對這些原始輪廓的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字濾波，從而計算出其參數(shù)。

2校準(zhǔn)項目比較分析

2.1JJF（閩）1043—2011《接觸（觸針）式表面輪廓測量儀校準(zhǔn)規(guī)范》

JJF（閩）1043—2011《接觸（觸針）式表面輪廓測量儀校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定，對輪廓儀的靜態(tài)測量力、基準(zhǔn)導(dǎo)軌直線度、輪廓垂直分量（Z軸）示值誤差、輪廓水平分量（X軸）示值誤差、半徑測量示值誤差及重復(fù)性和角度測量示值誤差及重復(fù)性參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，從而系統(tǒng)地判定輪廓儀的參數(shù)指標(biāo)。

2.2JJF（冀）3012—2021《觸針式表面輪廓測量儀校準(zhǔn)規(guī)范》

JJF（冀）3012—2021《觸針式表面輪廓測量儀校準(zhǔn)規(guī)范》規(guī)定，對輪廓儀的靜態(tài)測量力、輪廓水平分量（X軸）示值誤差、輪廓垂直分量（Z軸）示值誤差、輪廓臺階高度示值誤差及重復(fù)性參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，綜合判定輪廓儀的參數(shù)指標(biāo)。

2.3比較分析

通過對這兩個規(guī)范中所規(guī)定的校準(zhǔn)項目進(jìn)行比較分析可以看出，其都將輪廓儀的靜態(tài)測量力、輪廓垂直分量（Z軸）示值誤差以及輪廓水平分量（X軸）的示值誤差列為校準(zhǔn)項目。由輪廓儀工作原理及構(gòu)成可以看出，靜態(tài)測量力、垂直分量（Z軸）及水平分量（X軸）是輪廓儀的固有特性參數(shù)，是輪廓儀處理數(shù)字信號計算參數(shù)的根本，只有保證它們準(zhǔn)確可靠，通過數(shù)字信號處理計算的參數(shù)才會符合要求。剩下的對半徑、角度以及階梯的校準(zhǔn)都是對輪廓儀數(shù)字信號處理計算所得參數(shù)的校準(zhǔn)，可視為對輪廓儀計算軟件系統(tǒng)校準(zhǔn)錦上添花的行為。

3校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)器具分析比較

兩個地方校準(zhǔn)規(guī)范在靜態(tài)力測量上都選擇了中準(zhǔn)確度等級，且規(guī)定了使用分辨率為0.01 g的電子天平；在輪廓垂直分量（Z軸）示值誤差測量上選擇使用量塊和平晶。不同的是JJF（閩）1043—2011選取4等量塊，而JJF（冀）3012—2021選擇了3等量塊。對于輪廓儀來說，由于其測量精度相對于量塊精度低，因而無論是3等量塊還是4等量塊都滿足輪廓儀校準(zhǔn)要求。另外，兩個地方校準(zhǔn)規(guī)范在輪廓水平分量（X軸）示值誤差的測量上都選擇了激光干涉儀作為標(biāo)準(zhǔn)器具，符合輪廓儀校準(zhǔn)要求。JJF（閩）1043—2011在半徑測量上選擇了不同規(guī)格型號標(biāo)準(zhǔn)球或標(biāo)準(zhǔn)半球為一組對半徑參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，角度測量上選擇了4等棱體進(jìn)行測量。而JJF（冀）3012—2021則選擇了3等量塊和2級平晶對輪廓臺階高度進(jìn)行測量。就兩種校準(zhǔn)方法選擇的不同標(biāo)準(zhǔn)器來看，各有優(yōu)點。JJF（閩）1043—2011選擇的標(biāo)準(zhǔn)器相互都是獨立的，在校準(zhǔn)輪廓儀參數(shù)時人為干擾因素較小，而JJF（冀）3012—2021選擇的標(biāo)準(zhǔn)器相對簡單，對于現(xiàn)場校準(zhǔn)工作更為便捷。

4校準(zhǔn)方法分析比較

兩個規(guī)范在靜態(tài)測量力、輪廓水平分量（X軸）示值誤差測量上選取的校準(zhǔn)方法類似。JJF（閩）1043—2011對半徑及角度測量和JJF（冀）3012—2021對輪廓臺階高度測量的校準(zhǔn)方法由于是對不同參數(shù)進(jìn)行的校準(zhǔn)，無法進(jìn)行比較，所以暫不討論。

在輪廓垂直分量（Z軸）示值誤差測量上，兩個規(guī)范雖然都選擇了量塊和2級平晶做標(biāo)準(zhǔn)器，但校準(zhǔn)方法上存在一定差異。JJF（閩）1043—2011規(guī)定的輪廓垂直分量（Z軸）示值誤差校準(zhǔn)方法是在傳感器位移范圍內(nèi)均勻分布5個測量點，將對應(yīng)尺寸的量塊按由大到小的順序，依次平行緊密地研合在平面平晶的工作面上，置于輪廓儀工作臺上，由大到小測量各量塊表面的輪廓。測得值與量塊實際值之差為各點示值誤差，取最大值作為輪廓垂直分量（Z軸）的示值誤差。

JJF（冀）3012—2021規(guī)定的輪廓垂直分量（Z軸）示值誤差的校準(zhǔn)方法是在傳感器測針移動范圍內(nèi)均勻選取5個測量點，然后選取對應(yīng)尺寸的量塊，調(diào)整工作臺面與驅(qū)動箱平行后將平面平晶置于工作臺面上，調(diào)整驅(qū)動箱高度使測針接觸平面平晶且輪廓儀Z軸示值清零，抬起測針將量塊輕放在剛才測針?biāo)谖恢?，輕放測針使其接觸量塊，讀取此時Z軸讀數(shù)，重復(fù)抬放3次測針，取其平均值與量塊實際值之差作為該點示值誤差，取各測量點示值誤差絕對值最大值作為Z軸的示值誤差。

兩種方法雖在操作方法上不同，但都是以平晶作為基準(zhǔn)測量量塊的高度值，以測量值與量塊實際值之差作為垂直分量的示值誤差，符合輪廓儀垂直分量示值誤差校準(zhǔn)要求。

5試驗數(shù)據(jù)驗證

采用兩種校準(zhǔn)方法對同一臺規(guī)格型號為MMD-R220A的廣州威爾信精密儀器有限公司生產(chǎn)的輪廓測量儀的垂直分量（Z軸）示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)器選擇為3等量塊，2級平面平晶，選取20 mm、10 mm、5 mm、3 mm和1 mm點為本次測量點。校準(zhǔn)方法1是采用JJF（閩）1043—2011規(guī)定的校準(zhǔn)方法，校準(zhǔn)方法2是采用JJF（冀）3012—2021規(guī)定的校準(zhǔn)方法，所得試驗數(shù)據(jù)如表1所示。通過以上試驗數(shù)據(jù)可知，兩種校準(zhǔn)方法對Z軸示值誤差測量都在輪廓測量儀技術(shù)指標(biāo)中Z軸最大允許誤差要求的范圍內(nèi)，故兩種測量方法均有效。

6結(jié)束語

接觸（觸針）式表面輪廓測量儀的校準(zhǔn)，可為新設(shè)備的驗收以及日常質(zhì)控管理提供技術(shù)支持。本文通過對兩種校準(zhǔn)規(guī)范中關(guān)于接觸（觸針）式表面輪廓測量儀的校準(zhǔn)方法進(jìn)行分析比較，不僅進(jìn)一步規(guī)范了各級計量技術(shù)機構(gòu)接觸（觸針）式表面輪廓測量儀的檢校行為，也為此類設(shè)備的校準(zhǔn)提供了可靠的技術(shù)依據(jù)。

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【作者簡介】

田華，女，1984年出生，工程師，學(xué)士，研究方向為長度測量、工程測量、影像光學(xué)測量。

（編輯：李加鵬）