无缺陷的探测头可降低测量误差

【编者按】测量是按照某种规律，用数据来描述观察到的现象，即对事物作出量化描述。测量是对非量化实物的量化过程。在机械工程里面，测量指讲被测量与具有计量单位的标准量在数值上进行比较，从而确定二者比值的实验认识过程。

对于高精和灵活测量场合，往往采用坐标测量仪器(KMG)。通过测量探头对部件进行逐点探测，从而获得所需的部件外形特征信息。通常采用滚珠探测头进行探测。对于表面测量点的亚微米精度计算来说，所设想的探测滚珠应该是一个曲率半径已知的理想球体。为了确保这一点，必须对珠体的圆度进行监视或对珠体形状进行校准，因为探头圆度上的误差会加大测量的不确定性。制造厂商对测量珠体的质量进行分级。质量等级为5的珠体的直径精度为0.13 μm，而质量等级为10的珠体的精度则变差到0.25 μm。

标准检测会忽视误差

ISO 10360标准对“坐标测量仪的设定检测和确认检测”作出了定义。该标准也对坐标测量仪的检测进行了定义，以便排除探头珠体变形而造成的误差。例如针对扫描模式下的KMG进行规定(ISO 10360-4)，在一个直径为25 mm的参照性珠体上必须对四个确定轨迹进行测量。有两个轨迹在珠体的直径处接受测量，两个轨迹为相互垂直，另两个轨迹则在处于平面上，两者与直径面错开8 mm并行。通过这种方法，在不同的点位上以不同的介入角度对探测珠体进行检验。如果探测珠体在某个部位上受损，而该部位恰巧不在所定义的检测方法检测范围之内的话，则该受损部位就无法被识别。

通过ISO 10360标准所描述的方法，可以对测量探头珠体的大面积偏差进行可靠的确定。但是，测量误差并非只是因为珠体的错误形状，同时也可能是因为测量探头局部受损而产生。产生测量误差的方式有多种多样：制造测量探头是造成损伤;测量物体对测量探头的磨损;不专业的使用或安装时的不良操作而造成的损伤。

此类损伤可以出现在探测珠体的任何部位上，并呈扁平、切口、刮痕或凸起状。当珠体精度低于1 μm时，很小的缺陷也可导致KMG测量可靠性的变差。

为了对缺陷进行可靠的识别，需要对珠体表面进行全面的探测。唯有如此，方可确保识别缺陷，即使缺陷恰好不在测量轨迹上。在进行类似于ISO 10360-4所描述的检测流程时，可以通过采用触觉方法来达到对表面的细微扫描，从而达到识别缺陷的目的。对此，检测轨迹必须更加紧密，方可尽可能达到对表面的无缝探测。也可选择采用光学探测方法，对探测头珠体表面进行3D平面测量。

例如，当一个直径为6.3 mm的探测头珠体需要接受全面的缺陷探测时，则可以采用触觉测量方法，以10 mm/s的测量速度和5 μm的测量轨迹间距进行检测，用时大约45min。如果采用光学平面测量方法，则测量时间可以缩短为不足20min。

针对平面检测的光学测量方法

为了在测量探头上实现经济性的缺陷识别并使费用和时间透明化，Twip Optical Solutions GmbH公司在Consigno 3D光学测量仪器的基础上实现了一种测量站。20x Consigno 3D光学测量仪特别适用于这种用途。该系统的实际深度分辨率为大约30 nm，测量区域为1.0 mm x 0.8 mm，最大可测量边角为30o以上。根据珠体的不同曲率半径，必须对不同规格的Z区域进行扫描。由于Consigno系统可以达到20 mm测量容量，因此它有足够的灵活性对各种不同的探头进行测量。

基于可靠的共焦测量原理，通过多个耦合的定位轴和旋转轴可实现对测量探头的平面测定。根据所使用的不同测量探头，既可以对珠体的截面进行测定，也可以对几乎整个珠体进行测定。即使在特定的介入角度下只能测量珠体截面，在任何时候也都有平面测量数据可供采用。

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