基于坐標(biāo)測量機(jī)的圓度誤差測量不確定度分析

【摘要】測量圓度的儀器眾多，如指示表、測微計、圓度儀、影像儀、坐標(biāo)測量機(jī)等。坐標(biāo)測量機(jī)因測量圓度精度高、效率高的特點而得到了廣泛應(yīng)用。測量不確定度作為評價測量結(jié)果質(zhì)量的重要指標(biāo)，其來源非常復(fù)雜，不僅與坐標(biāo)測量機(jī)本身的精度有關(guān)，還與采樣策略、被測工件、環(huán)境條件及數(shù)據(jù)處理方法等因素有關(guān)。本文主要針對坐標(biāo)測量機(jī)的圓度誤差進(jìn)行測量不確定度分析。

【關(guān)鍵詞】坐標(biāo)測量機(jī)；圓度誤差；測量不確定度

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.01.077

Measurement Uncertainty Analysis of Roundness Errors Based on Coordinate Measuring Machines

CHEN Pengyu

（Dalian Institute of Metrological Inspection and Testing Co.， Ltd.， Dalian 116033， China）

Abstract： There are many instruments used for measuring roundness， such as dial indicators， micrometers， roundness testers， vision systems， and coordinate measuring machines （CMMs）. CMMs are widely used due to their high precision and efficiency in measuring roundness. Measurement uncertainty is an important indicator for evaluating the quality of measurement results. It is influenced by various factors， including the accuracy of the CMM itself， sampling strategies， the measured workpiece， environmental conditions， and data processing methods. This article focuses on the measurement uncertainty analysis of roundness errors in CMMs.

Keywords： coordinate measuring machine； roundness error； measurement uncertainty

近年來，圓度誤差作為回轉(zhuǎn)體軸類重要的指標(biāo)，影響零件的性能。測量圓度誤差的方法眾多，比如用指示表法、測微計法、圓度儀法、影像儀法、坐標(biāo)測量機(jī)法等。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，坐標(biāo)測量機(jī)作為測量圓度精度高和效率高的特點而得到了廣泛的應(yīng)用。CMM是測量和獲得尺寸數(shù)據(jù)的最有效的方法之一，因為此方法可以代替多種測量工具及復(fù)雜的組合量規(guī)，并把復(fù)雜煩瑣的測量過程所需時間大大減少，這是其他測量儀器所達(dá)不到的效果。而不確定度作評價測量結(jié)果質(zhì)量的重要指標(biāo)，此方法的來源非常復(fù)雜，不僅與測量機(jī)本身的精度有關(guān)，還與采樣策略、被測工件、環(huán)境條件及數(shù)據(jù)處理方法等眾多因素相關(guān)聯(lián)。

1.1檢測方法

依據(jù)GB/T 1958—2017《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）幾何公差檢測與驗證》。

1.2檢測條件

1）檢測條件應(yīng)在檢測規(guī)范中規(guī)定。實際操作中，所有偏離規(guī)定條件并可能影響測量結(jié)果的因素均應(yīng)在測量不確定度評估時考慮。

2）缺省檢測條件。標(biāo)準(zhǔn)溫度為20℃；標(biāo)準(zhǔn)測量力為0 N。

3）如果測量環(huán)境的潔凈度、濕度、被測件的重力等因素影響測量結(jié)果，應(yīng)在測量不確定度評估時考慮。

4）幾何誤差檢測時，除非另有規(guī)定，表面粗糙度、劃痕、擦傷、塌邊等外觀缺陷的影響應(yīng)排除在外。

1.3檢測用標(biāo)準(zhǔn)

1.4檢測對象

圓度標(biāo)稱值為8μm圓柱棒體。

1.5檢測方法

幾何誤差的檢驗操作主要體現(xiàn)在被測要素的獲取過程和基準(zhǔn)要素的體現(xiàn)過程。在被測要素和基準(zhǔn)要素的獲取過程中需要采用分離、提取、濾波、擬合、組合、構(gòu)建等操作。

用坐標(biāo)測量機(jī)測量幾何誤差時，主要分為兩種情況。一種是類似于常規(guī)的尺寸測量，屬于絕對量測量。該類測量關(guān)注具體尺寸的偏差，即測量范圍內(nèi)的線性變化，以及包括溫度補償?shù)挠绊憽Ａ硪环N是屬于微小量、相對變化量的測量。該類測量只關(guān)注形狀的偏差，可基本忽略尺寸線性的影響，以及溫度補償?shù)挠绊?，卻對被測零件表面質(zhì)量及本身形狀比較敏感。因此，對用坐標(biāo)測量機(jī)測量幾何誤差時的圓度測量不確定度進(jìn)行評估，其他幾何誤差測量的不確定度評估可以此進(jìn)行參考。

圓度測量屬于微小量、相對變化量的測量。

3.1評定模型

3.2.2測量重復(fù)性、測量復(fù)現(xiàn)性引入的不確定度分量

由至少3名測量人員在覆蓋日常檢測的時間段內(nèi)，對被測工件進(jìn)行多組獨立、重復(fù)測量，包括工件的定位、安裝、測頭校驗。建立工件坐標(biāo)系等工作在新的測量循環(huán)中均要重新進(jìn)行，每組測量要重復(fù)10次。通過使用CMM測量軟件對測量結(jié)果進(jìn)行圓度評定，試驗數(shù)據(jù)見表1。

3.2.3采樣策略引入的不確定度分量

為了反映采樣策略與被測工件的相互作用對測量結(jié)果的影響，需要進(jìn)行附加試驗，可在實際測量中采樣點數(shù)的最大變化范圍內(nèi)進(jìn)行圓度測量，評定測量結(jié)果可能變化區(qū)間的半寬。分別取8個、16個、24個和32個采樣點進(jìn)行圓度測量，為避免特定采樣起始角度對測量結(jié)果的影響，實驗中需變換測量起始角度，且起始角度盡可能不被360整除。記錄每種測量條件下5次重復(fù)測量值的均值，數(shù)據(jù)見表2。

3.2.4測頭配置引入的不確定度分量

為了反映測頭配置與被測工件的相互作用對測量結(jié)果的影響，進(jìn)行附加試驗。測頭配置引入的不確定度分量主要體現(xiàn)在不同測球的濾波效果不同對測量結(jié)果的影響，因此在實際測量中，分別采用不同測針進(jìn)行圓度測量，評定測量結(jié)果變化區(qū)間半寬。

為避免特定采樣起始角度對測量結(jié)果的影響，實驗中需變換測量起始角度，且起始角度盡可能不被360整除。記錄每種測量條件下5次重復(fù)測量均值，數(shù)據(jù)見表3。

通過坐標(biāo)測量機(jī)測量圓度誤差的測量不確定分析實例分析，影響因素主要包含坐標(biāo)測量機(jī)本身儀器的精度誤差、測量重復(fù)性（人員的操作習(xí)慣、夾裝定位、坐標(biāo)系的建立方法等）、采樣策略引入的不確定度分量、測頭配置引入的不確定度分量。

【參考文獻(xiàn)】

[1]產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）幾何公差檢測與驗證：GB/T 1958—2017[S].

[2]方沁林.圓度誤差評定的算法研究與軟件設(shè)計[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[3]溫秀蘭，張鵬.進(jìn)化策略實現(xiàn)圓度誤差的統(tǒng)一評定研究[J].計量學(xué)報，2008（2）：106-109.

【作者簡介】

陳鵬宇，男，1987年出生，工程師，碩士，研究方向為長度計量。

（編輯：李加鵬）