测量知新 | 平面度测量：方法、数据采样与分析案例

在上期的测量知新专栏中，我们探讨了平面度的定义、计算方法和四项主要的指标。本期测量知新专栏我们将延续上期的话题，从操作层面进一步讲解平面度的测量和数据采样方法，并利用一个小案例来解析最终的分析步骤。
 

1.测量方法

平面度是一项非常重要的产品几何规范参数。早在1830年，十九世纪最优秀的机械工程师和发明家之一 ——约瑟夫·惠特沃斯利用三平面法制作出非常精密的标准平面。

三平面法是利用三块平面板互相研磨，用钢制的刮刀刮出凸出的部分。如果只采用两块平面板的话，则可能会出现一凸一凹的情况，而如果加上第三块平面板和前两块平面板研合，那么三块板的面就是平面了。在当时，测量平面状况还主要是应用标准平面进行比对。

测量技术的进步和标准的建立使得平面度的测量更加简单、精确和规范。目前，探针式和光学式是主流的平面度测量方法。探针式方法以三坐标测量机为代表，利用探针对平面的采样点进行接触，获得有限数量的坐标数据，再根据计算规范得到平面度的值。

光学式的测量方法包括结构光、激光三角、光谱共焦和干涉式等技术，分别应用于不同表面、测量范围和精度水平的测量场景。与探针式方法相比，光学测量方法对表面的采样率高，可以获得更加丰富的采样数据，从统计角度而言，使用该方法测量平面度的误差将会降低。

2.六大数据采样方法

由于受到计算能力的限制和效率的要求，从表面采集到的测量数据将不能全部用于计算。而且，从统计的角度而言，如果对数据进行合理的抽样，所获得计算结果将非常接近于完全数据计算所得到的平面度值。根据最新的ISO 12781-2011国际标准，主要有六大数据采样方法。

矩形栅格采样。该方法由两个相互正交方向的等距直线度轮廓组成，形成一个栅格。举行栅格采样在两个正交方向都能获得较高密度的采样和谐波成分，因此该采样方法被推荐为评定整个平面度要素的方案。

极坐标栅格采样。该方法由规定中心的等距同心圆环轮廓和通过该中心的等角径向直线度轮廓组成，形成一个极栅格。该方法沿径向轮廓和圆环轮廓的采样点高，适用于评价圆盘形零件平面度要素。

三角形栅格采样。该方法由三个方向互成60°的等距直线度轮廓组成，形成一个三角形栅格。该方法有利于获取三角形方向的谐波成分，因此也被推荐替代矩形栅格和极坐标采样方法作为评价整个平面度要素的方案。

 米字型栅格采样。该方法由在每个方向上由一系列具有三个直线度轮廓的栅格和通过其主对角线的两条直线度轮廓组成，形成一个米字型栅格。该方法可能存在对大表面采样点不足的问题。

平行线采样。该方法由在一指定方向上由多条等间距的直线度轮廓组成，形成一系列平行线轮廓。该方向对轮廓方向的采样频率要大于与之正交的方向，因此只有某一方向的高次谐波信息比与之正交方向的信息更加重要时，才推荐此方案。

布点采样。该方法由在平面度轮廓上以随机或按一定图案形式获得的采样点组成。该方法的采样密度低于上述其他的方案，具有速度快的特点，适用于近似评估平面度的场景。

3.分析案例

在数据分析环节，采样过程都由分析软件在后台完成，不同的数据可能采用相应的采样方法，从而达到效果和计算效率的平衡。测量数据完成采样后，经降噪、校平等预处理后，选择ISO 12781平面度评价工具，选择最小二乘法或者最小区域法，并设置滤波参数，即可获得四项平面度结果。