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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2025-04-14 12:44
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMMs)會(huì)定期采用幾何標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行測(cè)試,以確保其符合自身的規(guī)格要求。在合適的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)球形標(biāo)準(zhǔn)件上對(duì)觸覺(jué)式接觸探測(cè)頭系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)的相關(guān)規(guī)定見(jiàn):“DINENISO10360-5:2020”標(biāo)準(zhǔn)。(在這里,根據(jù)具體情況而定,這些三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)球形標(biāo)準(zhǔn)件被稱(chēng)為測(cè)試球或參考球)。典型的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)球形標(biāo)準(zhǔn)件由氧化鋁陶瓷制成,直徑為30毫米,安裝在實(shí)心軸上(見(jiàn)圖1)。兩個(gè)基本測(cè)試參數(shù)是尺寸偏差PSize和形狀偏差PForm,無(wú)論是在單點(diǎn)模式還是掃描模式下,對(duì)于單探頭還是多探頭都是如此。尺寸誤差PSize是CMM球形標(biāo)準(zhǔn)件的測(cè)量直徑與校準(zhǔn)直徑之間的差值,形狀誤差PForm是測(cè)量的形狀。若要借助此類(lèi)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)球形標(biāo)準(zhǔn)件驗(yàn)證這些參數(shù)在1/10微米范圍內(nèi)的最大允許誤差(MPE),則校準(zhǔn)直徑和形狀偏差的測(cè)量不確定度必須足夠低。理想情況下,測(cè)量不確定度與待驗(yàn)證公差的比率應(yīng)為1/5至1/10。
目前為止,PTB的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)球形標(biāo)準(zhǔn)件的兩點(diǎn)直徑校準(zhǔn)不確定度為0.1µm (k=2)。這一直徑是用改進(jìn)型MFU8圓柱形測(cè)量?jī)x測(cè)定的,這臺(tái)儀器配有一個(gè)采用激光作為長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)的觸發(fā)式探測(cè)系統(tǒng)。“赤道”圓度偏差RONt的校準(zhǔn)不確定度也是0.1微米。與需要驗(yàn)證的1/10微米范圍內(nèi)的MPE極限值相比,這兩個(gè)測(cè)量不確定度相對(duì)較大。
為了減少球體和圓柱體等幾何標(biāo)準(zhǔn)件的測(cè)量不確定性,PTB與Mahr公司合作開(kāi)發(fā)并制造了長(zhǎng)度和直徑比對(duì)儀 (KOLD)[1]。KOLD有兩個(gè)觸覺(jué)探測(cè)系統(tǒng),其位移由激光干涉儀測(cè)量。由于設(shè)計(jì)上的原因,該結(jié)構(gòu)并非基于“阿貝原理”,因此有必要對(duì)包括一階偏差在內(nèi)的系統(tǒng)偏差進(jìn)行修正。確定這些修正是一個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)程,目前正在進(jìn)行中。
第一步,使用KOLD校準(zhǔn)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的球形標(biāo)準(zhǔn)件。該校準(zhǔn)采用替代法,比對(duì)直徑為30毫米的高精度校準(zhǔn)硅球進(jìn)行(見(jiàn)圖 2)。PTB的球面干涉儀1使用光學(xué)探測(cè)對(duì)硅球的整個(gè)表面進(jìn)行了校準(zhǔn),并將其作為使用KOLD進(jìn)行測(cè)量的參考標(biāo)準(zhǔn)。球面干涉儀的基本測(cè)量程序在[2]中進(jìn)行了描述,并通過(guò)新開(kāi)發(fā)的小球面支架進(jìn)行了調(diào)整,以校準(zhǔn)硅球面。硅球上任意相對(duì)輪廓點(diǎn)距離的測(cè)量不確定度為0.005µm (k=2)。
由于三個(gè)主要原因,無(wú)法使用球面干涉儀直接校準(zhǔn)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)球形標(biāo)準(zhǔn)件:
在真空中進(jìn)行光學(xué)測(cè)量非常耗時(shí);
硅的光學(xué)探測(cè)材料參數(shù)眾所周知,但三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)球形標(biāo)準(zhǔn)件的氧化鋁陶瓷材料參數(shù)卻鮮為人知;
最后,還有一項(xiàng)排除標(biāo)準(zhǔn):球面干涉儀不能測(cè)量有軸的球面。
在KOLD替代程序開(kāi)始時(shí),用兩個(gè)探針中的一個(gè)在硅球上測(cè)量“赤道”處的圓度偏差。首先用兩個(gè)探針?lè)謩e觸碰硅球的兩側(cè)(見(jiàn)圖1),然后在硅球上方相互觸碰(見(jiàn)圖2),從而確定硅球在0°和90°方向上的兩點(diǎn)直徑。然后利用測(cè)得的位移和探頭偏轉(zhuǎn)計(jì)算直徑。然后在完全相同的位置,使用相同的程序測(cè)量待校準(zhǔn)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)球形標(biāo)準(zhǔn)件。最后,在硅球上重復(fù)測(cè)量。整個(gè)測(cè)量過(guò)程,包括調(diào)溫時(shí)間,大約需要一天。硅球上KOLD的系統(tǒng)直徑偏差小于15納米,用于校正三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)球形標(biāo)準(zhǔn)件的測(cè)量結(jié)果。用KOLD在硅球“赤道”上測(cè)量的圓度曲線與球面干涉儀測(cè)量的圓度曲線進(jìn)行了比對(duì)。參數(shù)圓度偏差RONt(濾波器50upr,采用最小二乘法評(píng)估)的一致性?xún)?yōu)于5納米,輪廓點(diǎn)本身的一致性?xún)?yōu)于15納米。
使用KOLD對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)球形面標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)確定的不確定度為:兩點(diǎn)直徑0.025微米,圓度偏差RONt0.03微米(每種情況下k=2)。重要的影響因素包括KOLD測(cè)量的
可重復(fù)性、探測(cè)球在最高點(diǎn)的各自對(duì)齊情況(見(jiàn)圖2)以及KOLD旋轉(zhuǎn)臺(tái)的導(dǎo)向偏差。
圖1:直徑30毫米的CMM球形標(biāo)準(zhǔn)件置于KOLD旋轉(zhuǎn)臺(tái)上。兩個(gè)探測(cè)球在CMM球形標(biāo)準(zhǔn)件的“赤道”相對(duì)兩側(cè)接觸。
圖2:直徑30毫米的硅球置于KOLD轉(zhuǎn)臺(tái)上。兩個(gè)探測(cè)球在硅球上方相互接觸。
Reference
[1]"First results of a pseudo-Abbe comparator for precision length and diameter measurements", C. Hesse et al 2021 Meas. Sci. Technol. 32 094013[2] "Volume determination of two spheres of the new 28Si crystal of PTB", A. Nicolaus et al 2017 Metrologia 54 512
來(lái)源:PTB新聞