大尺寸二维网格标准板的开发与溯源性

秦洁 陈君 王晓飞 / 江苏省计量科学研究院

0 引言

机器视觉技术快速发展，因其具有高准确度、高效率、连续性等特点，能完成对零件高效化、无损化、批量化的测量，因此，该项技术已在制造业，如航空航天、汽车、电子等行业中得到了广泛应用。应运而生的各类标准或定制的各类应用机器视觉技术的测量仪器成为了大专院校、研究院所、检测机构以及企业常用的精密测量仪器，而影像测量仪为典型设备之一。

随着该类设备的生产、应用规模愈来愈大、准确度愈来愈高，为了全面、真实、准确地校准和评价该类测量仪器，保证其量值的准确可靠， JJF 1318-2011《影像仪校准规范》规定了该类设备的校准方法和校准参数。根据规范要求，二维掩模板（即本文所指网格板）是一项重要的标准器，用于校准“测量平面内的尺寸测量误差”和“影像测头尺寸测量误差”。

二维掩模板是一种光学标准器，是利用先进的光刻制造技术制作的，带有各种点、线、圆斑等几何图案的新型二维标准器，它的二维量值除了包含X、Y轴方向坐标点示值误差，还包含X、Y轴间的夹角信息，可以比一维线纹尺更方便地应用于二维坐标的评价和修正，因此，大量应用于影像测量仪、光刻机、带视觉测头的坐标测量机等坐标设备的修正补偿和评价。然而，目前网格板多为300 mm以下，大尺寸影像仪测量往往只能通过分段测量等方式，既不便利，也影响了量值传递的准确可靠。

因此，为填补我国高端装备制造中二维几何参量的准确量值传递需求，本文基于典型应用中的影响因素，设计并开发了一种大尺寸二维网格计量标准器；并针对开发的大尺寸二维网格计量标准器的准确性、稳定性、便捷性等关键参数进行测试分析；结合典型用户进行现场大尺寸光学测量设备的量值传递应用实验，验证大尺寸二维网格标准板的量值传递特性。

1 大尺寸二维网格计量标准器

通过调研相关生产企业和典型用户企业，收集各类大尺寸影像设备的校准需求，完成了对大尺寸二维网格计量标准器的研发工作，包括尺寸设计、基材选择、技术要求的确定等。为满足高端装备制造现场量值传递应用，网格板需准确度高、性能稳定、便于携带。

1.1 二维网格板坐标分布

如图1所示，二维网格板以25 mm为间隔距离，整体设计480个坐标测量点（24×20），每个测量点为圆心刻有外径2 mm、内径1 mm的圆环，尺寸和最大允许误差见表1。

图1 二维网格板

表1 二维网格板技术要求

1.2 二维网格板的基材选择

制造二维网格板的基材主要有：苏打基材、石英基材以及大理石基材。根据二维网格板的尺寸，计算三种不同基材的质量，结果如表2所示。可以看出，苏打基材与石英基材质量相当，而大理石略重。三种基材中，石英玻璃是二氧化硅单一成分的玻璃，莫氏七级硬度，透光性好，具有良好的化学稳定性与电绝缘性，并且较苏打玻璃与大理石更耐高温，膨胀系数更低（三者的膨胀系数见表2）；用石英玻璃制成的网格板，其误差受环境温度变化的影响最小。

表2 基材参数比较

综上所述，选择石英材料作为二维网格板的基材。

2 大尺寸二维网格计量标准器的测试与分析

为了验证大尺寸二维网格计量标准器的关键参数与适用性，通过第三方测试等方式对大尺寸二维网格计量标准器的准确性、稳定性、异地可靠性等性能进行了测试与分析。

2.1 准确度测试

二维网格板由中国计量科学研究院进行了全坐标点的标定工作。中国计量科学研究院出具的报告（图2）表明，二维网格板上坐标点的各项参数都能达到设计要求。由此说明，目前我国的制造企业和检测机构，有能力完成上述大尺寸二维网格板的制造和检测工作，设计的准确度是可行的。

图2 校准证书封面

2.2 稳定性测试

完成标准器的制作和测试后，为验证其量传的准确性和可靠性，需要对其进行稳定性的考核，并参考JJF 1318-2011用二维网格板对大尺寸影像仪进行校准实验，主要校准影像测量仪（测量平面内的）尺寸测量误差EXY。

委托某计量技术机构对二维网格板的稳定性进行考察。考察点为二维网格板上均匀分布的9个点，考察时间为4个月，每个点各考察5次。布点如图3所示，考察数据见表3。

图3 稳定性考察布点

表3 稳定性数据 单位：mm

通过表3数据可以看出，考察的9个点的坐标，在4个月内的最大差值为0.001 9 mm，小于设计要求的最大允许误差0.002 mm，可见该二维网格板的稳定性符合计量标准的考察要求，可作为标准器使用。

2.3 异地可靠性测试

网格板制作完成后，在深圳、北京、南京、无锡等多地，通过物流、人工携带等方式，历时4个月，进行了异地可靠性测试。在测试周期内，测试结果表明：通过多个异地测试，大尺寸二维网格计量标准器本体无损，具有较好的可靠性。同时，该标准器轻便、可携带，具有广泛的适用性。

3 典型的示范应用

3.1 试验方法

1）将二维网格板放置于影像测量仪工作台面上，调整影像探测系统，使成像清晰，依次测量平行于X轴、Y轴方向，以及对角线方向，共3个方向上各5个点。以3次测量的平均值作为该点的测量值。具体试验布点见图4。

图4 校准试验布点

2）坐标系的建立规则：以平行于点（0，225）和点（575，225）的连线作为X轴方向，X或Y轴零点为原点（0，0）建立坐标系。

本次用户试验共4家企事业单位参与，涉及3种机型，试验数据如表4，参考值为中国计量科学研究院提供。

表4 试验数据 单位：mm

对测量数据做总体分析，使用二维网格板测量大尺寸的影像测量仪，可以较好地发现机器存在的问题，如X或Y轴的坐标点示值误差、X轴与Y轴的垂直度、温度的影响等。尤其是X轴与Y轴的垂直度，传统的线纹尺、激光干涉仪等无法测量，因此，使用二维网格板测量影像测量仪是一种更为全面、科学的测量方法，达到了本次研究的基本目的。

3.2 测量结果的不确定度评定

测量不确定度的评定中，主要考虑测量二维标准网格板X轴、Y轴坐标点示值误差、重复性测量、仪器数显分辨力、影像测量仪光栅尺与标准器线膨胀系数差、温度差等因素引入的不确定度分量，需要注意的是在全量程上选择典型测量点，经综合评定，其扩展不确定度U= （0.7+L/500）μm，能够满足大部分大尺寸影像仪的校准需求，不确定度分量见表5。

表5 不确定度分量

4 结语

本文基于相关生产和典型用户企业的迫切需求，通过关键几何参量与结构开发，完成了一种大尺寸参考网格计量标准器总体设计；通过材料选型分析，标准器试制，拟定测量程序，完成性能指标测量试验；结合典型用户进行现场大尺寸光学测量设备的量值传递应用，利用大尺寸参考网格计量标准器对测量设备的尺寸测量误差进行了校准；研究测量误差传递与分配模型，完成大尺寸参考网格计量标准器测量不确定度结果分析与评定。量传应用研究证明，开发的大尺寸二维网格标准板，可将高准确度光学测量仪器溯源至国家工作基准装置，保证了量值溯源的统一。