五等量塊快速測量方法

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0 引言

目前，量塊測量通常采用接觸式干涉儀、立式光學(xué)計等光學(xué)儀器和相同標(biāo)稱長度的標(biāo)準(zhǔn)量塊比較測量方法。因光學(xué)儀器量程范圍小，只能和相同標(biāo)稱長度的標(biāo)準(zhǔn)量塊比較測量[1]，且因人工記錄、數(shù)據(jù)計算，導(dǎo)致測量時間長，效率低。再者傳統(tǒng)光學(xué)儀器設(shè)備智能化程度低，需要檢測人員瞄線、估讀，人為誤差引入較多，隨著對效率、準(zhǔn)確度要求的提高，迫切需要引入全自動測量系統(tǒng)[2][3][4]。

在保證準(zhǔn)確性的前提下，為提高檢測效率，本文通過量塊比較儀實現(xiàn)了不同標(biāo)稱長度量塊比較測量的方法，此方法相比相同標(biāo)稱長度量塊比較測量方法，效率提升50%以上。

1 測量項目

量塊作為一種端面長度標(biāo)準(zhǔn)，量塊的中心長度及長度變動量是判定量塊等級的重要指標(biāo)，其中中心長度是指兩個測量面中心之間的距離，測量面根據(jù)標(biāo)稱長度的不同而改變，如標(biāo)稱長度小于5.5mm的量塊，標(biāo)稱長度刻印的一面為上測量面，與其相背的為下測量面（如圖1）；而標(biāo)稱長度大于5.5mm的量塊，標(biāo)稱長度刻印的一面為側(cè)面，其左邊一面為上測量面，右邊一面為下測量面（如圖2）。

2 測量方法

2.1 測量程序

圖1 標(biāo)稱長度小于5.5mm的量塊

圖2 標(biāo)稱長度大于5.5mm的量塊

清洗標(biāo)準(zhǔn)量塊和被測量塊，在（20±1）℃充分恒溫24h后，分別放在量塊比較儀的量塊定位裝置中，量塊定位裝置如圖3所示，并將溫度補償裝置貼在量塊的表面，來回?fù)軇訋状瘟繅K定位裝置，確保標(biāo)準(zhǔn)量塊、被測量塊和帶筋工作臺充分研合。撥動量塊定位裝置至位置1，讓測頭對準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)量塊中心，點擊測量，計算機顯示示值為零。然后撥動量塊定位裝置至位置2，讓測頭對準(zhǔn)被測量塊中心，點擊測量，計算機顯示被測量塊中心長度偏差值δ。

因標(biāo)準(zhǔn)量塊和被測量塊的材質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)量塊示值的偏差、標(biāo)準(zhǔn)量塊和被測量塊的溫度值已提前錄入計算機，且內(nèi)嵌了修正公式，測量時會自動修正，所以被測量塊的中心長度偏差值δ，即為最終測量結(jié)果，不需再次修正，節(jié)省了人工記錄、數(shù)據(jù)處理的時間。

圖3 量塊定位裝置

為避免測量過程中粗大誤差引入的影響，在測量中至少重復(fù)測量五次，且五次測量結(jié)果的差值不大于0.05μm時，此測量結(jié)果才可被接受，并記錄第一次的校準(zhǔn)結(jié)果。

2.2 不同標(biāo)稱長度量塊比較測量方法

本文以83塊組五等量塊為例，量塊標(biāo)稱長度分布如表1所示。其中標(biāo)稱長度介于0.5～5mm的量塊有64塊，占全部量塊組數(shù)量的77%，采用與標(biāo)稱長度為0.5mm的標(biāo)準(zhǔn)量塊進行比較的測量方法。標(biāo)稱長度介于5.5～10mm的量塊有10塊，占全部量塊組數(shù)量的12%，采用與標(biāo)稱長度為5.5mm的標(biāo)準(zhǔn)量塊進行比較的測量方法。標(biāo)稱長度介于20～100mm的量塊有9塊，占全部量塊組數(shù)量的11%，采用與相同標(biāo)稱長度的標(biāo)準(zhǔn)量塊進行比較的測量方法[5]。

表1 83塊組五等不同標(biāo)稱長度量塊比較測量方法

3 測量效率對比

3.1 測量過程

測量過程中，標(biāo)準(zhǔn)量塊只測量中心點，被測量塊測量5個點，分別為中心點及四角位置的點。

以83塊組五等量塊為例，采用了不同標(biāo)稱長度量塊比較測量方法和相同標(biāo)稱長度量塊比較測量的方法，這兩種測量方法的測量結(jié)果（如表2所示）表明，減少了標(biāo)準(zhǔn)量塊的測量數(shù)量，標(biāo)稱長度0.5～5mm量塊的測量效率提升了20%左右；標(biāo)稱長度5.5～10mm量塊的測量效率提升了18%左右；標(biāo)稱長度20～100mm量塊的測量效率與相同標(biāo)稱長度量塊比較測量的方法持平。

表2 兩種比較測量方法的測量消耗時間

3.2 數(shù)據(jù)處理

相同標(biāo)稱長度量塊比較測量方法，因接觸式干涉儀、立式光學(xué)計屬于傳統(tǒng)機械式儀器，每個量塊的校準(zhǔn)參量需要人工記錄、計算數(shù)據(jù)，每個量塊的校準(zhǔn)參量包括：標(biāo)準(zhǔn)量塊組中心長度偏差、被測量塊組中心長度偏差及四角測量位置的長度偏差、標(biāo)準(zhǔn)量塊和被測量塊的溫度修正量等，83塊組五等量塊需要記錄和計算581個數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)耗時約15s，總的耗時大約2.5h。

量塊比較儀采用不同標(biāo)稱長度量塊比較測量方法在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)顯示出明顯的優(yōu)勢，數(shù)據(jù)自動生成，無需等待。這是由于標(biāo)準(zhǔn)量塊和被測量塊的材質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)量塊中心長度偏差、標(biāo)準(zhǔn)量塊和被測量塊溫度修正量等參量已提前錄入計算機，錄入時間只要0.5h。且標(biāo)準(zhǔn)量塊的信息可以重復(fù)引用，一個周期只需要更新一次數(shù)據(jù)，被測量塊組的信息也只需要第一次錄入，后續(xù)檢定可直接引用，平均到每次，耗時幾乎可以忽略不計。

3.3 數(shù)據(jù)記錄及報告

為了便于追溯，標(biāo)準(zhǔn)量塊、被測量塊、光學(xué)儀器或量塊比較儀、測量溫度等原始信息，都需要在原始記錄及檢定報告中體現(xiàn)。

相同標(biāo)稱長度量塊比較測量方法，83塊組五等量塊人工記錄和報告出具時間大約0.5h。而量塊比較儀自動生成原始記錄和檢定報告，耗時幾乎可以忽略不計。

3.4 測量效率

綜上所述，83塊組五等量塊兩種測量方法相比（表3），不同標(biāo)稱長度量塊比較測量方法相比相同標(biāo)稱長度量塊比較測量方法，測量效率提升53%。

表3 83塊組五等量塊兩種比較測量方法耗時

4 不確定度驗證

查閱JJG146-2011《量塊》檢定規(guī)程[6]中表4，各等量塊長度測量不確定度和長度變動量最大允許值，當(dāng)標(biāo)稱長度小于10mm時，五等量塊的測量不確定度為0.6μm，所以設(shè)定被測量塊和標(biāo)準(zhǔn)量塊的差值標(biāo)準(zhǔn)為0.6μm。由此可得，當(dāng)差值小于0.6μm時，結(jié)果可以接受；當(dāng)差值大于0.6μm時，結(jié)果不可以接受。

選取83塊組五等量塊中的16塊量塊進行比較測量：1.005～10.0mm的被測量塊與1.0mm標(biāo)準(zhǔn)量塊比較；7.0～10.0mm的被測量塊與6.0mm標(biāo)準(zhǔn)量塊比較，比較結(jié)果詳見表4。

通過表4發(fā)現(xiàn)：當(dāng)被測量塊和標(biāo)準(zhǔn)量塊的標(biāo)稱長度相差小于5mm時，兩者之間的差值小于0.6μm，結(jié)果可以接受。當(dāng)被測量塊和標(biāo)準(zhǔn)量塊的標(biāo)稱長度相差大于5mm時，兩者之間的差值大于0.6μm，結(jié)果不可以接受。

表4 被測量塊和標(biāo)準(zhǔn)量塊的差值

綜上所述，不同標(biāo)稱長度量塊比較測量法符合不確定度驗證。

5 結(jié)語

通過實驗發(fā)現(xiàn)，不同標(biāo)稱長度量塊比較測量法用于被測量塊和標(biāo)準(zhǔn)量塊的標(biāo)稱長度相差小于5mm時，測量結(jié)果可以接受；當(dāng)用于被測量塊和標(biāo)準(zhǔn)量塊的標(biāo)稱長度相差大于5mm時，測量結(jié)果不可接受，且隨著量塊長度的增加，示值誤差呈現(xiàn)線性增大。

綜上所述，采用不同標(biāo)稱長度量塊比較測量的方法比相同標(biāo)稱長度量塊比較測量方法的測量效率整體提升50%以上。