三坐标测量机(CMMs)会定期采用几何标准件进行测试，以确保其符合自身的规格要求。在合适的三坐标测量机球形标准件上对触觉式接触探测头系统进行检测的相关规定见：“DINENISO10360-5:2020”标准。(在这里，根据具体情况而定，这些三坐标测量机球形标准件被称为测试球或参考球）。典型的三坐标测量机球形标准件由氧化铝陶瓷制成，直径为30毫米，安装在实心轴上（见图1）。两个基本测试参数是尺寸偏差PSize和形状偏差PForm，无论是在单点模式还是扫描模式下，对于单探头还是多探头都是如此。尺寸误差PSize是CMM球形标准件的测量直径与校准直径之间的差值，形状误差PForm是测量的形状。若要借助此类三坐标测量机球形标准件验证这些参数在1/10微米范围内的最大允许误差(MPE)，则校准直径和形状偏差的测量不确定度必须足够低。理想情况下，测量不确定度与待验证公差的比率应为1/5至1/10。

目前为止，PTB的三坐标测量机球形标准件的两点直径校准不确定度为0.1µm (k=2)。这一直径是用改进型MFU8圆柱形测量仪测定的，这台仪器配有一个采用激光作为长度标准的触发式探测系统。“赤道”圆度偏差RONt的校准不确定度也是0.1微米。与需要验证的1/10微米范围内的MPE极限值相比，这两个测量不确定度相对较大。

为了减少球体和圆柱体等几何标准件的测量不确定性，PTB与Mahr公司合作开发并制造了长度和直径比对仪 (KOLD)[1]。KOLD有两个触觉探测系统，其位移由激光干涉仪测量。由于设计上的原因，该结构并非基于“阿贝原理”，因此有必要对包括一阶偏差在内的系统偏差进行修正。确定这些修正是一个非常耗时的过程，目前正在进行中。

第一步，使用KOLD校准三坐标测量机的球形标准件。该校准采用替代法，比对直径为30毫米的高精度校准硅球进行（见图 2）。PTB的球面干涉仪1使用光学探测对硅球的整个表面进行了校准，并将其作为使用KOLD进行测量的参考标准。球面干涉仪的基本测量程序在[2]中进行了描述，并通过新开发的小球面支架进行了调整，以校准硅球面。硅球上任意相对轮廓点距离的测量不确定度为0.005µm (k=2)。

由于三个主要原因，无法使用球面干涉仪直接校准三坐标测量机球形标准件：

在真空中进行光学测量非常耗时；

硅的光学探测材料参数众所周知，但三坐标测量机球形标准件的氧化铝陶瓷材料参数却鲜为人知；

最后，还有一项排除标准：球面干涉仪不能测量有轴的球面。

在KOLD替代程序开始时，用两个探针中的一个在硅球上测量“赤道”处的圆度偏差。首先用两个探针分别触碰硅球的两侧（见图1），然后在硅球上方相互触碰（见图2），从而确定硅球在0°和90°方向上的两点直径。然后利用测得的位移和探头偏转计算直径。然后在完全相同的位置，使用相同的程序测量待校准的三坐标测量机球形标准件。最后，在硅球上重复测量。整个测量过程，包括调温时间，大约需要一天。硅球上KOLD的系统直径偏差小于15纳米，用于校正三坐标测量机球形标准件的测量结果。用KOLD在硅球“赤道”上测量的圆度曲线与球面干涉仪测量的圆度曲线进行了比对。参数圆度偏差RONt（滤波器50upr，采用最小二乘法评估）的一致性优于5纳米，轮廓点本身的一致性优于15纳米。

使用KOLD对三坐标测量机球形面标准进行校准时确定的不确定度为：两点直径0.025微米，圆度偏差RONt0.03微米（每种情况下k=2）。重要的影响因素包括KOLD测量的

可重复性、探测球在最高点的各自对齐情况（见图2）以及KOLD旋转台的导向偏差。

 

图1：直径30毫米的CMM球形标准件置于KOLD旋转台上。两个探测球在CMM球形标准件的“赤道”相对两侧接触。

 

图2：直径30毫米的硅球置于KOLD转台上。两个探测球在硅球上方相互接触。

 

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

 

 

来源：PTB新闻

关键词： 三坐标