一种触针式轮廓参数校准器具、轮廓测量仪及校准方法与流程

1.本发明涉及轮廓参数校准技术领域，特别是涉及一种触针式轮廓参数校准器具、轮廓测量仪及校准方法。


背景技术：

2.目前，触针式轮廓测量仪广泛应用于高精度机械加工领域，用以定量检测精密加工件的轮廓面型偏差及表面特征参数。触针式轮廓测量仪校准参数主要为垂直高度测量、测针针尖缺陷、空间测量、轮廓坐标测量，根据不同的参数校准要求，采用不同的实物标准器具，量值溯源也由不同实物标准分别由上级标准进行量值传递。现行的触针轮廓仪校准器具虽然可以查询到，但器具种类繁多，且不同标准产量的器具之间的作用有重叠，可以进行有效整合。
3.触针式轮廓测量仪属于较为成熟的测量设备，该种设备在仪器进口品牌中也较为常见，如英国泰勒公司的pgi系列产品、日本三丰、德国马尔等，不同厂家设备也都采用不同的测量原理，如衍射光路干涉测量、角锥镜双光路干涉测量、电感式测量、光栅尺测量等，但最终测量仪校准指标均大致相同。然而现有技术中缺少可以针对相同的指标提出统一的校准方法，不同器具的面型特征无法在同一实物标准中体现，标准器数量较多，计量成本较高。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种触针式轮廓参数校准器具、轮廓测量仪及校准方法，能够将不同器具的面型特征在同一实物标准中体现，减少了标准器数量，优化特征种类，将具有相同功能的特征进行删减，保留可溯源特征。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种触针式轮廓参数校准器具，包括：第一基底材料，其上铣削加工出高度不同的台阶块组；第二基底材料，其上铣削加工出四种特征，四种所述特征依次分别包括标准球、锐角等腰三角形刃尖、等直径的贯通圆柱凹槽组、梯形台阶；所述第一基底材料上设置有至少一个第一螺纹孔，所述第二基底材料上设置有与所述第一螺纹孔相对应的第二螺纹孔；所述第一基底材料通过所述第一螺纹孔和第二螺纹孔装配于所述第二基底材料的侧面。
6.在本发明的一实施例中，所述台阶块组中的台阶为圆角式台阶，且所述台阶块组为轴对称结构，所述台阶块组的中间台阶最高，沿着所述中间台阶的两侧依次变低。
7.在本发明的一实施例中，所述第二基底材料上设置有与所述标准球相匹配的圆孔，所述标准球固定于所述圆孔中，且所述标准球的三分之二的球冠特征置于所述第二基底材料的表面。
8.在本发明的一实施例中，所述锐角等腰三角形刃尖的锐角刃边为40
°
。
9.在本发明的一实施例中，所述等直径的贯通圆柱凹槽组中的每个圆柱凹槽的直径为15毫米~20毫米。
10.本发明还包括一种轮廓测量仪，包括上述的触针式轮廓参数校准器具，所述轮廓测量仪还包括：工作平台，其上固定有所述触针式轮廓参数校准器具，所述工作平台安装于所述仪器平台上；轮廓测量仪本体，其固定于所述仪器平台上；测针，其固定于所述轮廓测量仪本体上，且所述测针对准所述触针式轮廓参数校准器具。
11.本发明还包括一种触针式轮廓参数校准方法，包括上述的触针式轮廓参数校准器具，所述触针式轮廓参数校准方法还包括：s1、将所述触针式轮廓参数校准器具固定于轮廓测量仪的工作平台上；s2、选定初始台阶高度，将测针与选定的初始台阶高度的初始台阶表面相接触，并调整所述测针的垂直高度为最低高度数值；s3、移动工作平台，且所述测针不移动，所述测针沿着所述台阶块组相对运动，所述测针由低到高相对运动至最高的中间台阶，再由最高的中间台阶相对移动至与初始台阶高度同等高度的对称台阶上；s4、将台阶高度差绝对值的极大值作为轮廓测量仪的垂直高度校准示值误差，计算垂直高度校准示值误差：，其中，δ为垂直高度校准示值误差，为编号为i的标准台阶高度差，为编号为i的由低到高的台阶高度，为编号为i的由高到低的台阶高度。
12.在本发明的一实施例中，所述触针式轮廓参数校准方法还包括：s5、将球冠特征代替标准球，计算轮廓测量仪的球冠测量偏差值
△
r，
△
r=r测-r标，其中，r测为对轮廓数据采用最小二乘法拟合圆，r标为球冠标定值。
13.在本发明的一实施例中，所述触针式轮廓参数校准方法还包括：s6、利用锐角等腰三角形刃尖代替针尖测量标准b3型标准器；s7、利用等直径的贯通圆柱凹槽组代替c类空间测量标准器；s8、利用梯形台阶代替棱体标准器。
14.如上所述，本发明的一种触针式轮廓参数校准器具、轮廓测量仪及校准方法，具有以下有益效果：本发明的触针式轮廓参数校准器具能够将不同器具的面型特征在同一实物标准中体现，减少了标准器数量，优化特征种类，将具有相同功能的特征进行删减，保留可溯源特征。
15.本发明的触针式轮廓参数校准器具可以对触针式轮廓测量仪的参数进行校准，并适用于计量市场上现行的多数仪器，具有溯源功能，同时节约了计量成本。
16.本发明的触针式轮廓参数校准器具中的台阶块特征可以替代量块和平晶研合的
方案，提供连续标准台阶来校准仪器垂直高度方向的测量能力，第二基底材料上的四类特征可以分别替代独立的深度测量标准、空间测量标准、轮廓坐标测量标准和测针针尖缺陷判断标准器。
附图说明
17.图1为本技术实施例提供的一种触针式轮廓参数校准器具的结构图；图2为本技术实施例提供的一种轮廓测量仪的结构图；图3为本技术实施例提供的一种触针式轮廓参数校准器具的等直径的贯通圆柱凹槽组的剖视图；图4为本技术实施例提供的一种触针式轮廓参数校准器具的梯形台阶的测量示意图。
18.元件标号说明1
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标准球2
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锐角等腰三角形刃尖3
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贯通圆柱凹槽组4
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梯形台阶5
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台阶块组6
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第一螺纹孔11
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轮廓测量仪本体12
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仪器平台13
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测针14
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工作平台。
具体实施方式
19.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
20.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
21.请参阅图1，图1为本技术实施例提供的一种触针式轮廓参数校准器具的结构图。本发明提供一种触针式轮廓参数校准器具，能够将不同器具的面型特征在同一实物标准中体现，减少了标准器数量，优化特征种类，将具有相同功能的特征进行删减，保留可溯源特征。所述触针式轮廓参数校准器具包括但不限于第一基底材料、第二基底材料，所述第一基底材料上铣削加工出高度不同的台阶块组5，所述第二基底材料上铣削加工出四种特征，四种所述特征依次分别包括标准球1、锐角等腰三角形刃尖2、等直径的贯通圆柱凹槽组3、梯
形台阶4。具体的，所述第一基底材料、第二基底材料使用线膨胀系数小、加工特性较优的铟钢作为基底材料，分别在两块坯料表面上进行切割加工。
22.具体的，所述台阶块组5中的台阶为圆角式台阶，且所述台阶块组5为轴对称结构，所述台阶块组5的中间台阶最高，沿着所述中间台阶的两侧依次变低。在第一基底材料上铣出一种特征，为不等高度的台阶块组，所述台阶块组5主要作为轮廓垂直高度校准特征，为防止测针13在台阶块组5扫描时跨越台阶发生阶跃撞击，采用过渡圆角形式可将测针13缓慢沿圆角过渡到下一个台阶上，并将上述特征沿坯料中分面对称加工，最终形成中间最高，沿两侧依次走低的台阶块组5，整体台阶块呈由低到高，再由高到低的形式，可以模拟触针轮廓仪高、底往复一个周期的校准需求。
23.具体的，在第二个基底材料上做出四种特征，第一种特征为标准球特征、第二种特征为锐角等腰三角形刃尖特征、第三种特征为等直径的贯通圆柱凹槽组特征、第四种特征为梯形台阶特征。所述第二基底材料上设置有与所述标准球1相匹配的圆孔，所述标准球1固定于所述圆孔中，且所述标准球1的三分之二的球冠特征置于所述第二基底材料的表面。在相同平面的一端通过工艺孔，将一标准陶瓷球粘接到孔边缘处，留出三分之二的球冠特征置于平面表面，触针式轮廓测量仪沿着标准球1的表面从一侧扫描，越过球冠高点后沿着标准球1的表面另一侧下移，记录原始轮廓，只测量原始轮廓拟合圆直径及轮廓线的pt值，球冠测量是对轮廓坐标测量延伸，即模拟测针13的针尖受横向侧力影响的条件下，轮廓坐标测量的准确性。
24.具体的，所述锐角等腰三角形刃尖2的锐角刃边为40
°
。为锐角的等腰三角型刃尖特征，本专利中采用40
°
的锐角刃边，可满足针尖角度为60
°
或90
°
的测针定性检测具体的，所述等直径的贯通圆柱凹槽组3中的每个圆柱凹槽的直径为15毫米~20毫米。针对测针13的针尖的半径尺寸为5微米或10微米的测针，该表面特征具有对针尖半径δr不敏感的特性，可忽略针尖δr对测量原始轮廓的影响。
25.具体的，对于梯形台阶特征的台阶两斜面平面度要求较高，但对于两斜面的倾斜角一致性要求不高，可将角度值由上级标准标定给出，触针式轮廓测量仪在梯形台阶块上扫描时，只测量相邻两面夹角和原始轮廓线的pt值，表征轮廓坐标测量的准确性。
26.具体的，所述第一基底材料上设置有至少一个第一螺纹孔6，所述第二基底材料上设置有与所述第一螺纹孔6相对应的第二螺纹孔，所述第一基底材料通过所述第一螺纹孔6和第二螺纹孔装配于所述第二基底材料的侧面。将分别做好的两个独立的第一基底材料、第二基底材料通过横向螺纹孔连接，使所述台阶块组5放置在第二基底材料的侧面，可以避免同向布置使整体标准器尺寸过大，也避免了测量台阶块组5的低点台阶时，测杆与其他特征表面干涉的情况。装配体即为第一基底材料和第二基底材料的公共底面进行精研，底面作为标准块使用时的装配基准。
27.请参阅图2，图2为本技术实施例提供的一种轮廓测量仪的结构图。本发明还提供一种轮廓测量仪，包括上述的触针式轮廓参数校准器具，所述轮廓测量仪还包括但不限于轮廓测量仪本体11、仪器平台12、测针13、工作平台14。所述工作平台14上固定有所述触针式轮廓参数校准器具，所述工作平台14安装于所述仪器平台12上，所述轮廓测量仪本体11固定于所述仪器平台12上，所述测针13固定于所述轮廓测量仪本体11上，且所述测针13对准所述触针式轮廓参数校准器具。
28.与本发明的触针式轮廓参数校准器具原理相似的是，本发明还提供一种触针式轮廓参数校准方法，包括上述的触针式轮廓参数校准器具，所述触针式轮廓参数校准方法还包括：步骤s1、将所述触针式轮廓参数校准器具固定于轮廓测量仪的工作平台14上。
29.步骤s2、选定初始台阶高度，将测针13与选定的初始台阶高度的初始台阶表面相接触，并调整所述测针13的垂直高度为最低高度数值。具体的，在步骤s2中，根据轮廓测量仪的量程范围，选择初始台阶高度，将测针13与选定的初始台阶面接触，调整测针13的垂直高度为最低度数值。
30.步骤s3、移动工作平台14，且所述测针13不移动，所述测针13沿着所述台阶块组5相对运动，所述测针13由低到高相对运动至最高的中间台阶，再由最高的中间台阶相对移动至与初始台阶高度同等高度的对称台阶上。具体的，在步骤s3中，校准时，确保测针13所在的测量模块在横向和垂直方向均不移动，缓慢移动工作平台14，使测针13沿着台阶块组5相对运动，由低到高相对运动至最高的中间台阶，再由最高的中间台阶相对移动至与初始台阶高度同等高度的对称台阶上。
31.所述测针13在初始台阶上读取轮廓测量仪的示数记为h1，相邻台阶高度依次为h2、h3...，至最高台阶为h高，再分别记录下落的台阶高度....h3`、h2`、h1`，取台阶高度差绝对值的极大值作为仪器垂直高度校准示值误差。
32.步骤s4、将台阶高度差绝对值的极大值作为轮廓测量仪的垂直高度校准示值误差，计算垂直高度校准示值误差：，其中，δ为垂直高度校准示值误差，单位为毫米，为编号为i的标准台阶高度差，单位为毫米，为编号为i的由低到高的台阶高度，为编号为i的由高到低的台阶高度。
33.上电使轮廓测量仪本体11的测量模块带动测针13沿着一侧扫描，扫描区域包括标准球1的球冠、锐角等腰三角形刃尖2的刃尖、等直径的贯通圆柱凹槽组3、梯形台阶4四类表面特征，提取原始轮廓对仪器校准项目所需的轮廓参量分别处理。
34.步骤s5、将球冠特征代替标准球，计算轮廓测量仪的球冠测量偏差值
△
r，
△
r=r测-r标，其中，r测为对轮廓数据采用最小二乘法拟合圆，r标为球冠标定值。拾取原始轮廓即为通过λs轮廓滤波器后的总轮廓（可参阅gb/t3505-2009）中球冠区域，在长波领域，对轮廓数据采用最小二乘法拟合圆，记为r测。
△
r为球冠测量偏差值，单位为mm。在短波领域，评价仪器静态噪声、机械震动和外部干扰对本次校准引入的影响量。通过评价原始轮廓pt（峰峰值）定性判断本次测量仪校准的有效性。
35.步骤s6、利用锐角等腰三角形刃尖2代替针尖测量标准b3型标准器。针尖测量标准b3型标准器是一种检测针尖的标准器，可参阅gb/t19067.1-2003，提取原始轮廓中刃尖区域，刃尖尺寸远小于测针13的半径值，扫描轮廓可近似作为测针13针尖的实际轮廓，用轮廓曲线直接判断针尖是否有缺陷。
36.步骤s7、利用等直径的贯通圆柱凹槽组3代替c类空间测量标准器。具体的，在步骤s7中，本发明中的等直径的贯通圆柱形槽阵列具有类正弦轮廓特征，拾取原始轮廓中阵列
区域，请参阅图3，图3为本技术实施例提供的一种触针式轮廓参数校准器具的等直径的贯通圆柱凹槽组的剖视图，定义标准线为垂向方向距离上基准面r/3处，且平行于上基准面的横向线，横向线与轮廓线的相邻交点间距离的均方根记rms，作为评价空间测量校准参数。，其中，为交点横向距离值均值，单位为毫米，i为圆柱凹槽编号，n为参与计算的圆柱凹槽数量。
37.步骤s8、利用梯形台阶4代替棱体标准器。具体的，在步骤s8中，梯形台阶特征代替精密棱体标准器。请参阅图4，图4为本技术实施例提供的一种触针式轮廓参数校准器具的梯形台阶的测量示意图。提取若干次原始轮廓中梯形台阶轮廓区域，组成在该区域的多组轮廓线，将在同一面扫描的轮廓线拟合成平面，求相邻面s1与s2、s2与s3面面间夹角，并根据l1、l2、l3在该区域的轮廓线pt值，判断原始轮廓拾取的有效性。
38.综上所述，本发明的触针式轮廓参数校准器具能够将不同器具的面型特征在同一实物标准中体现，减少了标准器数量，优化特征种类，将具有相同功能的特征进行删减，保留可溯源特征。本发明可以对触针式轮廓测量仪的参数进行校准，并适用于计量市场上现行的多数仪器，具有溯源功能，同时节约了计量成本。
39.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。