触针式表面轮廓测量仪量值溯源方法研究

1、触针式表面轮廓测量仪量值溯源方法研究2011年第3期(总第l5期)质量技术监督研究qualityandtechnicalsupervisionresearchno.3.2ol1generalno.15触针式表面轮廓测量仪量值溯源方法研究张建群,陈晓燕,王朝阳,林景星(福建省计量科学研究院,福建福州350003)摘要:目前国内尚无开展检定或校准接触(触针)式表面轮廓仪的计量检定规程或校准技术规范,致使无法对接触(触针)式表面轮廓仪测量的二维形状,位置等参数的量值进行溯源,福建省大,中型机械加工企业和检验机构的机械加工,产品检验领域又需要对接触(触针)式表面轮廓仪量值溯源.为确保开展接触(触针)式

2、表面轮廓仪量值溯源与检测数据准确可靠,根据接触(触针)式表面轮廓仪工作原理与计量技术特性,研究提出接触(触针)式表面轮廓仪计量性能的校准方法及其校准结果的不确定度评定方法,作为福建省在开展校准接触(触针)式表面轮廓仪的技术依据.关键词:表面轮廓测量仪;几何量;误差;校准;不确定度;评定一,概述接触(触针)式表面轮廓测量仪(以下简称轮廓仪)一般由传感器,驱动器,电子信号处理装置,计算机,打印机等组成.其工作原理是:通过仪器的触针与被测表面的滑移进行测量,传感器通过锐利触针感受被测表面的几何形状变化,并转换成电信号.该信号经放大和处理,再转换成数字信号贮存在计算机系统的存贮器中.计算机对此原始轮廓

3、进行数字滤波,并计算其参数.主要用于测量各种机械零件素线形状和截面轮廓形状.如:凸出量,曲面曲率半径,直线度,平行度,倾斜度,角度.特别对轮廓仪静态测量力,基准导轨直线度,轮廓垂直分量(z轴)示值误差,轮廓水平分量(x轴)示值误差,半径测量示值误差,半径测量重复性,角度测量示值误差,角度测量重复性等计量性能的校准.因此,本文将对轮廓仪静态测量力,基准导轨直线度,轮廓垂直分量示值(z轴)误差,轮廓水平分量(x轴)示值误差,半径测量示值误差,半径测量重复性,角度测量示值误差,角度测量重复陛等如何进行校准而给出校准方法研究与说明,并对其轮廓仪示值误差(轮廓垂直分量(z轴),轮廓水平分量(x轴),半径

4、,角度)的校准结果不确定度进行评定分析.二,轮廓仪的校准(一)校准项目与校准用标准设备收穑日期:20il一04一i8作者简介:张建群,女,福建省计量科学研究院长度室,高级工程师陈晓蒸,女,福建省计量科学研究院长度室,工程师王朝阳,男,福建省计量科学研究院长度室,高级工程师林景星,男,福建省计量科学研究院闽量校准中心,高级工程师?12?针对轮廓仪校准技术要求提出,校准项目和标准器及其它设备如下表.j事号权蛹目标准嚣及翼玄设鲁l静态潮重力中准确麈等缵电子夭平?其舟辨力0.0lg2薹准孽孰童缱匪1缀平面平量3轮婀罄寡分量示德漾差4等量块.2癜平面平晶鸲冰平分量lx轴)看毫淑浅干仪?(睡n3+1.5上

5、)瞄僵.虞鳖5芈诬嘲纛暴芈径翔形状经捩准的标准罐或椽准半鞲6半径灏ti|鬟矬(ri妇椭矗砷弧和矗7nn9豫m备一个)7角度热髓两神ei关差四警饿傩3角度嬲重量雅(二)校准方法检查轮廓仪各部分相互作用,确定没有影响校准计量特性的因素后校准.1,静态测量力将触针针尖轻轻地压在电子天平上,调整传感器的高低位置,使传感器触针位移显示指向零位.读出电子天平的示值,再乘以重力加速度g(g=9.8m/s2),即为触针静态测量力.2,基准导轨直线度将工作面长度大于轮廓仪x轴测量范围的1级平晶水平放置在轮廓仪工作台面上,调整轮廓仪垂直分辨力为最小值,轮廓仪滤波器选择高斯滤波器,且截止波长不大于0.5mm.按规定

6、的长度在x轴测量范围内至少取三段测量平晶表面轮廓,用最小二乘法分别计算各段表面轮廓的直线度,取各段直线度中的最大值作为基准导轨规定长度的直线度.以全行程表面轮廓的直线度作为全行程基准导轨的直线度.3,轮廓垂直分量(z轴)示值误差在传感器触针位移范围内选择5个大致均匀分布的测量点,分别选取对应尺寸的4等量块.先把量块按尺寸由大到小平行并紧密接触地研合在平面平晶工作面上,然后将其置于轮廓仪工作台上.由大到小测量各量块表面轮廓.测量值与量块实际值之差为各点示值误差,取其最大值为轮廓垂直分量(z轴)示值误差.4,轮廓水平分量(x轴)示值误差把激光干涉仪的靶镜固定在轮廓仪驱动箱与传感器连接件上,调整激光

7、干涉仪的激光光束与轮廓仪基准导轨平行.在轮廓仪x轴测量范围内选取大致均匀分布的5个测量点,读取各点轮廓仪示值与激光干涉仪示值,轮廓仪示值与激光干涉仪示值之差为各点轮廓水平分量(x轴)示值误差.取其最大值为轮廓水平分量(x轴)示值误差.5,半径测量示值误差将标准球或标准半球放置于轮廓仪工作台上,先调整标准球(标准半球)的位置,使触针滑行轨迹通过标准球(标准半球)的最高点,然后测量标准球表面轮廓半径.重复以上步骤,连续三次测量标准球表面轮廓半径,三次测量平均值与标准球(标准半球)半径的实际值之差为半径测量示值误差.6,半径测量重复性将标准球或标准半球放置于轮廓仪工作台上,调整触针滑行轨迹通过标准球

8、(标准半球)的最高点,重复三次测量表面轮廓半径,按极差法计算实验标准差作为半径测量重复性.7,角度测量示值误差将四等棱体放置于轮廓仪工作台上,先调整棱体的侧边平行于触针滑行方向,然后测量棱体各相邻工作面的角值.重复以上步骤,连续三次测量棱体各相邻工作面的角值,三次测量平均角值与棱体工作角标称角值之差为各角度测量示值误差,取其最大值为角度测量示值误差.8,角度测量重复性将四等棱体放置于轮廓仪工作台上,调整棱体的侧边平行于触针滑行方向,对四等棱体任一工作角重复测量三次,按极差法计算实验标准差作为角度测量重复性.三,轮廓仅示值误差的校准结果不确定度评定(一)轮廓垂直分量(z轴)示值误差校准结果的不确

9、定度评定1,概述在环境温度(203),采用4等量块(u=0.20岬+210一)测量轮廓垂直分量(z轴)10mm示值,测得值与量块实际值之差为测量结果.?l3?2,数学模型lils式中:将评定的标准不确定度分量与灵敏系数计算(1.1)列表如下:轮廓垂汾量(磷由)各隹点示隹误差,iiiil;轮廓垂直分量(z轴)示值,mill;.量块实际值,mm.式(1.1)中,之间互为独立,其灵敏系数与方差分别为:1,:-1(1.2).,3.(?2矗():.(+c.(三s)(1.3)3,标准不确定度分量的来源与评定(1)轮廓垂直分量(z轴)示值(三)引入的标准不确定度u()轮廓垂直分量(z轴)示值产生的不确定度主

10、要是测量重复性引起的标准不确定度分量.对轮廓仪垂直分量1omm示值点,用10mm量块重复测量10次,测量结果为(单位:mm):9.9972,9.9968,9.9974,9.9967,9.9972,9.9980,9.9972,9.9973,9.9966,9.9975.根据测量数据可得单次测量实验标准差:u()=0.41un.(2)标准器引入的标准不确定度4等标准量块,其中心长度扩展不确定度为0.201am+2106,置信概率p=o.99,包含因子:2.63,当=lomm时,u】()(o.20+2ls)/2.630.08vim由于量块材料为钢质,其线膨胀系数应为(11.51)lff60c一1.假定

11、标准量块的线膨胀系数在(11.51)10一-6.c一1范围内等概率分布.若被测量块温度t与标准温度20c的偏差不超过3,则对于10ram量块:,()=(f一20)?,43=0.20n标准布瑰定标准不确定度bi)废,量)(m)不璃定度来t艨(i)(】轮廓篷童努叠041l04l0(二标准器贽量o22.1o22()镡檬准量块中心长度o08()量墒蠛眵滕系数020()2缎平面平晶的平酸00584,合成标准不确定度的计算由于li,ls之间彼此独立不相关,因此合成标准不确定度为=.(厶)+c知()(1.4)按式(1.4)计算合成标准不确定度为:uc=0.47um5,扩展不确定度的确定取包含因子k=2,则扩

12、展不确定度按式(1.5)计算为:u=k.(1.5)=20.47=0.941xm1.0um6,轮斑直分量(自)示鸶不嗨民告轮廓垂直分量lomm时,u=1.0um,k=2(二)轮廓水平分量(x轴)示值误差校准结果的不确定度评定1,概述在环境温度(203),采用激光干涉仪(ape:(0.03+1.5l)m)测量轮廓水平分量(x轴)20mm处示值,计算轮廓仪示值与激光干涉仪示值之差作为测量结果.一级平面平晶的平面度为0?1m,假定其等差,概率分布.u()=0.1/=o.058m综合以上,标准器引入的标准不确定度为u()=0.22jm?14?2,数学模型一(2.1)式中:轮廓水平分量(x轴)各校准点示值

13、误mm;轮廓水平分量(x轴)示值,mm;激光干涉仪示值,film.式(2.1)中,之间互为独立,其灵敏系数与方差分别为-.,乞詈一2()=iu.)+霹?.)(2.3)3,标准不确定度分量的来源与评定(1)轮廓水平分量(x轴)示值(li)引入的标准不确定度轮廓水平分量(x轴)示值产生的不确定度主要是测量重复性引起的标准不确定度分量.对轮廓水平分量(x轴)20mm示值点,采用激光干涉仪重复测量10次,测量结果(单位:mm)为:19.9995,19.9996,19.9993,19.9992,19.9992,19.999l,19.999l,19.9987,19.9989,19.9997.根据测量数据可

14、得单次测量实验标准差:()=0.31pan(2)激光干涉仪示值误差()引入的标准不确定度激光干涉仪使用空气参数补偿单元的位移测量最大允许示值误差为:(0.03+1.5)m(式中.以m为单位),按均匀分布估计.当.=loomm时,u1()=(0.03+1.5)/4=o.1ogm4,合成标准不确定度的计算(1)标准不确定度分量一览表将(二)3条款评定的标准不确定度分量与灵敏系数计算列表如下:标准不确定度布确定度来滁标准布确定度h)/tlu)()(zo轮廓水平箭量(x袖)示德o1031(镦光干移使矛值鬟差o.10-1o.1o(2)合成标准不确定度计算由于,之间彼此独立不相关,因此合成标准不确定度为.

15、)+.()(2.4)按式(2.4)计算合成标准不确定度为:i?=0.33gm5,扩展不确定度的确定取包含因子k=2,则扩展不确定度按式(2.5)计算为:y=k?(2.5)20.330.66gmo.71am6,轮廓水平分量(x轴)示值误差校准结果及不确定度报告轮廓仪垂直分量(x轴)loomm时,u0.7gin,k=2(三)轮廓仅半径测量示值误差校准结果的不确定度评定1,概述在环境温度(203),采用r8omm的标准半球(=l岬,=2)在轮廓仪上测量圆弧半径,连续三次,三次测量的平均值与标准半球半径值之差作为测量结果.2,数学模型al/一式中:(3.1)轮廓仪测量圆弧半径各校准点示值误差,film

16、;轮廓仪半径测量示值的平均值,mm;.标准半球半径值,mm.式(3.1)中,之间互为独立,其灵敏系数与方差分别为q1,堕(3.2)q,一3?2()=lu(五)+?(s)(3.3)3,标准不确定度分量的来源与评定(1)轮廓仪半径测量示值()引入的标准不确定度t/(l)轮廓仪半径测量示值产生的不确定度主要是测量重复性引起的标准不确定度分量.对半径r8omm标准半球,重复测量10次,测量结果为(单位:m):79.5055,79.5044,79.5040,79.5030,79.5035,79.5050,79.5041,79.5036,79.5040,79.5050.根据测量结果可得单次测量实验标准差:

17、()=0.77pm实际测量以三次测量的平均值作为测量结果,平均值的实验标准偏差为:一l/()0?770?44pm?15?(2)标准半球半径测量不确定度()引入的标准不确定度u()标准半球半径测量不确定度为1uin,k=2.则u()=1/2=0.5pm标准半球材料为玻璃,其线膨胀系数应为(5.50.2)107c一1.假定标准量块的线膨胀系数在(5.50.2)107一l范围内等概率分布.若被测量块温度t与标准温度20的偏差不超过3,则对于r8omm玻璃半球:2()=20)?,30.08m综合以上,量块示值引入的标准不确定度为u()=0.51pm4,合成标准不确定度的计算(1)标准不确定度分量一览表

18、将第(三)3条款评定的标准不确定度分量与灵敏系数计算列表如下:标准j旁窟废标准不确定度(xd不确定度来睬c|分量)(岬)(五)半径舅!撮的平蚜懂0441044c)标准半球拳柽值0511o51()标准半球半径050()标准半球线膨胀系数008(2)合成标准不确定度计算由于,之间彼此独立不相关,因此合成标准不确定度为:擂镰)+()(3.4)按式(3.4)计算合成标准不确定度为:%:0.67dm5,扩展不确定度的确定取包含因子七=2,则扩展不确定度按式(3.5)计算为:u=k?%(3.5)=20.67=1.34p,m1.4pm6,轮廓仪半径示值误差校准结果及不确定度报告轮廓仪测量半径r8omm时,u

19、1.4um,k2(四)轮廓仅角度测量示值误差校准结果的不确定度评定?16?1,概述在环境温度(203),调整棱体的侧边平行于触针滑行方向,轮廓仪测量三等多面棱体(工作角偏差mpe:5)卜2i作面表面轮廓的角度值,连续三次,以三次测量的平均值与棱体工作角角值之差为测量结果.2,数学模型=式中:(4.1)一一轮廓仪角度测量各校准点示值误差,(.):棱体工作角角值,(.).式(4.1)中,之问互为独立,其灵敏系数与方差分别为c】.1,竺一1(4.2)c1.,2一4?2.()=?(五)+霹?(五s)(4.3)3,标准不确定度分量的来源与评定(i)轮廓仪角度示值(,)引入的标准不确定度11(li)轮廓仪

20、角度示值产生的不确定度主要是测量重复性引起的标准不确定度分量.调整棱体的侧边平行于触针滑行方向,用轮廓仪测量棱体12工作面表面轮廓的角度值,重复测量10次,示值误差测量结果为:+65,+2,+37,+16,-48,+43,-32,+13,+36,一6计算可得单次测量实验标准差:s(,l:)=34.实际测量中以三次测量的平均值作为测量结果,平均值的实验标准偏差为:一1/(l)-34.7.=20.0(2)三等棱体角度值()引入的标准不确定度u()四等棱体工作角偏差最大允许值为5,估计其均匀分布.则u()=5/=2.894,合成标准不确定度的计算(1)标准不确定度分量一览表将第(四).3条款评定的标

21、准不确定度分量与灵敏系数计算列表如下:标准布确定度确定度来源标猛希礴定废l(分蠢瓴)()()(五)角度测量的平均德20012o0)四等棱链骏角角懂289.1289(2)合成标准不确定度计算由于,之间彼此独立不相关,因此合成标准不确定度为:擂.(五)+c()(4.4)按式(4.4)计算合成标准不确定度为:uc:2o.25,扩展不确定度的确定取包含因子k=2,则扩展不确定度按式(4.5)计算为:y=k?uc(4.5)u:220.2=40.4416,轮廓仪角度示值误差校准结果及不确定度报告轮廓仪测量角度164.2052时,y=41,k=2四,结束语本文通过对轮廓仪几何量参数的校准所采用的校准设备,校

22、准项目,校准方法及校准结果不确定度评定等分析探讨,提出对轮廓仪几何量参数的静态测量力,基准导轨直线度,基准导轨直线度,轮廓垂直分量z轴示值误差,轮廓水平分量(x轴)示值误差,半径测量示值误差,半径测量重复性,角度测量(z轴)示值误差,角度测量重复性等校准方法与说明,并提供实际校准轮廓仪几何量参数的校准结果不确定度评定分析.解决了福建省在开展轮廓仪几何量参的校准方法与校准结果不确定度评定,也解决了福建省内技术机构开展轮廓仪几何量参数校准所采用的依据.以便作为福建省技术人员校准接触(触针)式表面轮廓测量仪技术依据.参考文献:1gb/t35052009产品几何技术规范(gps)表面结构轮廓法表面结构

23、的术语,定义及参数.2gb/t60622009产品几何技术规范(gps)表面结构轮廓法接触(触针)式仪器的标称特性.3gb/t106102009产品几何技术规范(gps)表面结构轮廓法评定表面结构的规则和方法.43gb/t17163-2008几何量测量器具术语基本术语.5gb/t19067.卜2003产品几何量技术规范(gps)表面结构轮廓法测量标准第1部分实物测量标准.6gb/t196002004产品几何量技术规范(gps)表面结构轮廓法接触(触针)式仪器的校准.7jjf10591999测量不确定度评定与表示.researchonthemeasurementvaluestraceabilityofthestylusinstrumentsforthemeasurementofsurfaceprofilezhangjianqun,chenxiaoyan,wangchaoyang,linjingxing(fujianmetrologyinstitute,fuzhou350003,fujian,china)abstract:nowadays