接触（触针）式表面轮廓测量仪两种校准方法的比较分析

【摘要】本文对接触（触针）式表面轮廓测量仪的两种校准方法进行比较。两种校准方法的相同点：两种校准方法都对仪器固有参数，如静态测量力、轮廓垂直分量（Z轴）和水平分量（X轴）进行校准。两种校准方法存在的差异：福建地方校准规范规定的方法是在固有参数基础上将轮廓仪软件系统里的直线度、弧度、角度等参数进行校准，系统地反映仪器特性；而京津冀地方校准规范规定的方法是采用量块和平晶作为标准，利用其具有的研合性对轮廓仪软件系统的阶梯参数进行校准。由于轮廓仪软件系统的直线度、弧度、角度、阶梯等参数都是依据Z轴分量和X轴分量进行数据分析计算而来。因此，只要确保Z轴和X轴分量的示值准确，则轮廓仪其他参数示值也就准确。采用这两种方法对同一台轮廓仪进行校准并分析试验数据，印证了两种校准方法的测量结果都可信。

【关键词】接触（触针）式表面轮廓测量仪；校准；比较分析

【DOI编码】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

接触（触针）式表面轮廓测量仪（以下简称“轮廓仪”）广泛应用于机械加工、精密工具制造、轴承生产、光学元件加工及汽车制造等领域，具体用于轴承、滚针、滚子、电机轴、曲轴等零部件的轮廓尺寸控制，具有高精度、高稳定性的特点。近年来，随着科技的进步以及数字化的快速发展，轮廓仪的生产数量日益增加。因此，确保轮廓仪量值的准确性和可靠性变得至关重要。目前，我国尚未有轮廓仪的国家校准规范，仅有福建和河北发布的轮廓仪地方校准规范。在两个地方校准规范中，对于系统参数的校准规定了不同的校准参数，其结论都符合轮廓仪的参数特性要求。

1轮廓仪

1.1概述

轮廓仪是测量各种机械零件的素线形状、截面轮廓形状的常用仪器，主要用于测量各种机械零件的凸出量、曲面曲率半径、直线度、角度、倾斜度、平行度等参数。轮廓仪是以直线导轨为基准，触针沿工件表面来回运动，记录被检表面轮廓曲线，计算并评价被检轮廓的尺寸、圆弧半径、角度等二维形状、位置参数。其主要由驱动箱、传感器、计算机系统、电子信号处理装置等部件组成。

1.2轮廓仪工作原理

仪器的触针在被测部件轮廓表面滑动，传感器通过接触触针感受到被测表面的几何形状变化，从而将模拟信号转换成电信号。该电信号被放大和处理后再转换成数字信号，并存储在计算机系统中。计算机对这些原始轮廓的数字信号进行数字滤波，从而计算出其参数。

2校准项目比较分析

2.1JJF（闽）1043—2011《接触（触针）式表面轮廓测量仪校准规范》

JJF（闽）1043—2011《接触（触针）式表面轮廓测量仪校准规范》规定，对轮廓仪的静态测量力、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、半径测量示值误差及重复性和角度测量示值误差及重复性参数进行校准，从而系统地判定轮廓仪的参数指标。

2.2JJF（冀）3012—2021《触针式表面轮廓测量仪校准规范》

JJF（冀）3012—2021《触针式表面轮廓测量仪校准规范》规定，对轮廓仪的静态测量力、轮廓水平分量（X轴）示值误差、轮廓垂直分量（Z轴）示值误差、轮廓台阶高度示值误差及重复性参数进行校准，综合判定轮廓仪的参数指标。

2.3比较分析

通过对这两个规范中所规定的校准项目进行比较分析可以看出，其都将轮廓仪的静态测量力、轮廓垂直分量（Z轴）示值误差以及轮廓水平分量（X轴）的示值误差列为校准项目。由轮廓仪工作原理及构成可以看出，静态测量力、垂直分量（Z轴）及水平分量（X轴）是轮廓仪的固有特性参数，是轮廓仪处理数字信号计算参数的根本，只有保证它们准确可靠，通过数字信号处理计算的参数才会符合要求。剩下的对半径、角度以及阶梯的校准都是对轮廓仪数字信号处理计算所得参数的校准，可视为对轮廓仪计算软件系统校准锦上添花的行为。

3校准用标准器具分析比较

两个地方校准规范在静态力测量上都选择了中准确度等级，且规定了使用分辨率为0.01 g的电子天平；在轮廓垂直分量（Z轴）示值误差测量上选择使用量块和平晶。不同的是JJF（闽）1043—2011选取4等量块，而JJF（冀）3012—2021选择了3等量块。对于轮廓仪来说，由于其测量精度相对于量块精度低，因而无论是3等量块还是4等量块都满足轮廓仪校准要求。另外，两个地方校准规范在轮廓水平分量（X轴）示值误差的测量上都选择了激光干涉仪作为标准器具，符合轮廓仪校准要求。JJF（闽）1043—2011在半径测量上选择了不同规格型号标准球或标准半球为一组对半径参数进行校准，角度测量上选择了4等棱体进行测量。而JJF（冀）3012—2021则选择了3等量块和2级平晶对轮廓台阶高度进行测量。就两种校准方法选择的不同标准器来看，各有优点。JJF（闽）1043—2011选择的标准器相互都是独立的，在校准轮廓仪参数时人为干扰因素较小，而JJF（冀）3012—2021选择的标准器相对简单，对于现场校准工作更为便捷。

4校准方法分析比较

两个规范在静态测量力、轮廓水平分量（X轴）示值误差测量上选取的校准方法类似。JJF（闽）1043—2011对半径及角度测量和JJF（冀）3012—2021对轮廓台阶高度测量的校准方法由于是对不同参数进行的校准，无法进行比较，所以暂不讨论。

在轮廓垂直分量（Z轴）示值误差测量上，两个规范虽然都选择了量块和2级平晶做标准器，但校准方法上存在一定差异。JJF（闽）1043—2011规定的轮廓垂直分量（Z轴）示值误差校准方法是在传感器位移范围内均匀分布5个测量点，将对应尺寸的量块按由大到小的顺序，依次平行紧密地研合在平面平晶的工作面上，置于轮廓仪工作台上，由大到小测量各量块表面的轮廓。测得值与量块实际值之差为各点示值误差，取最大值作为轮廓垂直分量（Z轴）的示值误差。

JJF（冀）3012—2021规定的轮廓垂直分量（Z轴）示值误差的校准方法是在传感器测针移动范围内均匀选取5个测量点，然后选取对应尺寸的量块，调整工作台面与驱动箱平行后将平面平晶置于工作台面上，调整驱动箱高度使测针接触平面平晶且轮廓仪Z轴示值清零，抬起测针将量块轻放在刚才测针所在位置，轻放测针使其接触量块，读取此时Z轴读数，重复抬放3次测针，取其平均值与量块实际值之差作为该点示值误差，取各测量点示值误差绝对值最大值作为Z轴的示值误差。

两种方法虽在操作方法上不同，但都是以平晶作为基准测量量块的高度值，以测量值与量块实际值之差作为垂直分量的示值误差，符合轮廓仪垂直分量示值误差校准要求。

5试验数据验证

采用两种校准方法对同一台规格型号为MMD-R220A的广州威尔信精密仪器有限公司生产的轮廓测量仪的垂直分量（Z轴）示值误差进行校准，标准器选择为3等量块，2级平面平晶，选取20 mm、10 mm、5 mm、3 mm和1 mm点为本次测量点。校准方法1是采用JJF（闽）1043—2011规定的校准方法，校准方法2是采用JJF（冀）3012—2021规定的校准方法，所得试验数据如表1所示。通过以上试验数据可知，两种校准方法对Z轴示值误差测量都在轮廓测量仪技术指标中Z轴最大允许误差要求的范围内，故两种测量方法均有效。

6结束语

接触（触针）式表面轮廓测量仪的校准，可为新设备的验收以及日常质控管理提供技术支持。本文通过对两种校准规范中关于接触（触针）式表面轮廓测量仪的校准方法进行分析比较，不仅进一步规范了各级计量技术机构接触（触针）式表面轮廓测量仪的检校行为，也为此类设备的校准提供了可靠的技术依据。

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[9]接触（触针）式表面轮廓测量仪校准规范：JJF（闽）1043—2011[S].

[10]触针式表面轮廓测量仪校准规范：JJF（冀）3012—2021[S].

【作者简介】

田华，女，1984年出生，工程师，学士，研究方向为长度测量、工程测量、影像光学测量。

（编辑：李加鹏）