本文介绍的三种测量轮廓仪测针形状的方法各有特点，应根据具体的测量条件来选择。由于目前国内标准样板的加工水平低，B类样板完全依靠进口，因此在测量实践中，刀刃法是在现有条件下测量轮廓仪测针针尖尺寸最经济实用的方法。

触针式轮廓仪是机械加工企业和计量检定单位应用针描法测量工件表面粗糙程度的一种常用仪器。触针式轮廓仪的工作原理是：当驱动器带动传感器沿工件被测表面作匀速运动时，传感器的测针随工件表面的微观起伏作上下运动，测针的运动经传感器转换为电信号的变化，电信号的变化量再经后期电路的处理和计算，得到工件表面粗糙度参数值。

1 测针针尖形状对测量结果的影响

由触针式轮廓仪的工作原理可以看出，触针式轮廓仪传感器上的测针是仪器直接接触工件表面、采集工件轮廓信息的重要部件，测针的形状和尺寸将直接影响到工件表面粗糙度的测量结果。轮廓仪的测针针尖通常用金刚石制成，针尖形状为圆锥形或棱锥形。对测量结果产生影响的主要参数是测针针尖角度α和针尖圆弧半径R，这两个尺寸表征了针尖的尖锐程度：α越小，R越小，则针尖越尖锐。

在测量中，尖锐程度不同的针尖描出的轮廓轨迹是不相同的。测针针尖角度α越大，测针落入窄谷越浅，测针描出的轮廓轨迹越平滑，据此计算出来的粗糙度R
_{a值偏小；反之，测针针尖角度。越小，测针落入窄谷越深，测得的轮廓轨迹起伏越大，使算出的粗糙度R_{a值偏大。测针针尖圆弧半径R越小，仪器对微观轮廓的分辨力越高。
2 测针针尖角度α和针尖圆弧半径R的检定}}

由于测针形状对仪器测量结果影响很大，因此在装配和检定轮廓仪时必须测量测针的针尖角度α和针尖圆弧半径R。本文介绍三种有效的检定方法。

(1)投影仪测量法

将测针放在400×或200×的投影仪或显微镜下，将针尖轮廓放大后作比较测量。这种方法仅适用于传感器装配前或修理传感器时对测针部件进行测量。

(2)样板测量法

如果我们定量地知道测针的几何尺寸对某一已知轮廓测量结果的影响，就可以利用这一关系来校准测针的几何尺寸。在ISO5436-1:2000《产品几何量技术规范(GPS)表面结构：轮廓法测量标准》中规定的B类样板，即针尖测量标准样板，就是基于这个原理来校准测针针尖几何特性的。该类样板上有一些标准刻线，刻线的形状和尺寸是已知的标准轮廓，如等腰三角形、底部为圆弧的窄沟槽等。通过设置刻线的水平平均间距、刻线轮廓的夹角及圆弧半径等，可使不同针尖几何尺寸的测针的测量结果成比例变化。

B1型样板上有一个或多个底部为圆弧形的窄刻线，刻线底部的圆弧半径比较小，当触针针尖角度和针尖圆弧半径不同时，会产生不同的测量结果。当设计样板刻线的半径和深度使测量结果的误差与测针针尖尺寸成比例时，这种样板就可以用来校准测针的几何尺寸。

B2型样板的表面同时有两种形状的刻线，一种为敏感刻线，另一种为非敏感刻线。使测针针尖角度和圆弧半径与测得的凡值相关的刻线称为敏感刻线，这种刻线一般采用有尖锐峰谷的等腰三角形刻线，刻线的水平平均间距R
_{Sm和每条刻线的顶角都足够小，使不同尺寸的测针测得的R_{a值不相同；非敏感刻线通常采用正弦或弓形刻线，这种刻线形状使测量结果不受测针尺寸的影响。用一台轮廓仪分别、多次测量B2样板上的两种刻线，得到测量两种刻线的两个平均值。以测量非敏感刻线的测量结果为基准，根据测量敏感刻线的测量结果来校准测针的几何尺寸。}}

B3型样板上有突出的尖锐刀刃，刀刃的刃口半径远小于测针的针尖圆弧半径，刃口角度远小于测针针尖角度。用轮廓仪测量此样板，使测针垂直滑过刀刃，此时测得的轮廓半径为测针针尖圆弧半径与刀刃刃口半径之和。由于样板上的刃口半径远小于测针针尖圆弧半径，因此可忽略刃口半径，将测得的轮廓半径近似地视作针尖圆弧半径(该方法与刀刃法测量原理完全相同)。

(3)刀刃法

用标准样板评定轮廓仪的测针针尖几何尺寸，只能评价针尖角度和针尖圆弧半径两个因素对测量结果的综合影响，而无法确切地测出其具体尺寸。要明确地得到测针针尖角度和针尖圆弧半径的具体数值，需要描出测针针尖的几何轮廓，即用比测针针尖还要尖锐的触针在测针针尖表面滑行，这就是刀刃法的测量原理。如图4所示，当刀刃与测针作相对运动、测针滑过一个刃口半径远小于测针针尖圆弧半径的刀刃时，所测得的轮廓半径为测针针尖圆弧半径与刀刃刃口半径之和。由于刃口半径远小于针尖圆弧半径，因此可忽略刃口半径，将轮廓半径近似地视作针尖圆弧半径。

根据这个原理，我们设计了一个测量检具：用两块高度相同的量块夹持一个刀刃刃口半径不大于0.5µm的刀片，刀片刃口向上，垂直于测量面；刀刃突出测量面以上部分的高度不大于轮廓仪测量范围的80%，且在测量区域内刀刃突出测量面的最大高度差不大于整个高度的5%。使轮廓仪以不大于0.02mm/s的滑行速度在垂直于刀片的方向进行测量，得到被测轮廓曲线。分析所测轮廓曲线，测得的圆弧半径即为测针针尖圆弧半径，测得的轮廓夹角召即为测针的针尖角度。

应用刀刃法测量测针针尖几何尺寸时应注意以下问题：

作为检具的刀片刃口必须足够尖锐，刃口半径不大于0.5µm，刃口角度小于30°。
用轮廓仪测量刀片时，驱动箱的滑行速度应极低，滑行运动应平稳、均匀。
如果轮廓仪的采样为数字式采样，则其采样间隔不能大于测针针尖圆弧半径的10%。

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触针式轮廓仪的测针形状及其检定

1 测针针尖形状对测量结果的影响

2 测针针尖角度α和针尖圆弧半径R的检定

(1)投影仪测量法

(2)样板测量法

(3)刀刃法

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