形状测量：了解常见问题

在最简单的情况下，形状测量包括测针和带有测针元件的测杆。将它沿着理想的圆形或线性路径移动，以收集针尖相对于此理想几何形状移动的数据。分析的管理通常相当容易：对测量的数据点进行滤波，并对它们进行数学运算以得出结果。虽然它是支持众多制造工艺的最基本的测量之一，但有些步骤常常执行得不正确。在选择滤波器和测针元件时会出现特别常见的错误。

使用错误的滤波器
以往将 50 upr 用作圆度测量的默认值。尽管此滤波器可能适用于许多应用，但并不适用于所有应用。新发布的 DIN EN ISO 1101:2017-09 允许直接使用图纸中的每个形状公差指定合适的滤波器设置。尽管如此，仍然必须根据测量任务进行选择滤波器。设计、工作规划和质量管理有责任定义与需求相关的滤波器设置，将这些设置记录在内部标准中，并规定所有内部和外部供应商必须使用这些设置。

实际上，形状测量是测量形状偏差的过程。以往，它是由高素质的专家在有空调的实验室中进行的，但如今它通常是由被委派执行多种任务的员工直接在生产中进行的。无论是形状测量还是粗糙度测量：程序都基本相同。对于任何表面测量，通常都使用许多采样点来表示整个表面。然后对这些点进行过滤，只获取所需的数据。例如，在表面粗糙度测试中，保留较短波长的数据用于分析，而丢弃与形状相关的数据，因为不需要这些信息。相反，在形状测量中，会过滤掉短波长数据以测量表示形状的长波长数据。这是许多用户犯的第一个错误：滤波的细微差别并不总是容易理解，因此往往选择了错误的滤波器。

对于许多计量学家来说，形状测量滤波器令人困惑。因此，在谈到表面粗糙度测量时，使用毫米或英寸。如果将滤波器设置为 0.8 mm，一般理解为小于 0.8 mm 的表面偏差将被视为表面粗糙度，而大于 0.8 mm 的元素将视为表面形状误差。

但用于圆度测量的形状滤波器通常指定为角度大小而不是长度或距离。更让人困惑的是，规范中的数据不是直接用度数表示的，而是使用名为“每转波动数”(upr) 的单位。许多用户选择 50 upr 作为典型默认值。这意味着滤波器的长度是圆的 1/50，即 7.2 度。

选择滤波器时考虑工件直径
但这个在圆形物体表面相当于 7.2 度的弧长会随物体直径 (d) 的变化而变化。圆柱体周长的简单公式为：π * d。因此，直径为 4mm 的圆柱体周长为 12.57mm—因此，7.2 度将沿表面切割掉 0.25 mm 的弧长。如果是另一种情况，需要测量直径为 20 mm 的圆柱体，其周长将是 62.83 mm，7.2 度将相当于 1.26 mm 的弧长。因此，如果在仪表上保留相同的 50 upr 滤波器设置，对于大型零件，会导致表面偏差比形状和表面粗糙度特征之间的边界大五倍。对于几乎所有量规，您只需单击软件中的一个按钮，即可更改滤波器设置—但由于许多人不理解 upr 的含义，因此未更改默认设置。

有时情况正好相反：如果不了解过滤器设置对过滤掉或保留用于分析的内容有重大影响，计量学家可能会倾向于选择不同的设置。但不同的值会改变结果，从而导致结果看似“更理想”，但对于样品的大小来说，这个结果实际上并不准确。关键在于，应该为相应的测量对象正确设置滤波器。

错误的测针元件大小
第二个很常见的错误是，用户不考虑试样的大小，依靠单一测针大小来测量所有零件。实际上，测针球本身是一个机械滤波器，应该根据工件的大小和最大可测量每转波动数进行选择。

以直径为 4 mm 的小组件为例，可以清楚地说明这个问题：如果用过大的测针元件扫描测量表面，它不能很好地沿表面移动并精确地跟随尖谷起伏。如果针尖元件接近工件直径的大小，会很难获得有效的表面评估。在这种情况下，使用此测针元件会引发机械滤波—甚至是在任何数学滤波发生之前。VDI/VDE 2631 第 3 页为用户提供了根据 upr 设置、最大预期单个波深和工件直径来选择正确测针元件的指南。

结论
尽管形状测量是支持众多制造流程的基本任务之一，但许多用户在执行它的某些环节时经常会犯错误。这对测量的质量和最终产品的整体质量可能都有影响。通过遵循几个基本步骤，如正确地应用最适合每种情况的滤波器和确定适合特定应用的正确数据，我们可以确保得到准确的结果。使用最合适的附件（如尺寸适合应用的接触式测针）也会对用户提高测量数据质量大有帮助，并最终提高零件质量。