一種坐標測量機測量不確定度評定方法

一種坐標測量機測量不確定度評定方法
【專利摘要】本發明公開了一種坐標測量機的測量不確定度標定方法，采取回避坐標測量機的各種誤差源之間的復雜關系以及相互間未知的傳遞規律的方法，通過對坐標測量機進行測量系統特性指標分析的方法，說明驗證或獲取該測量系統相應的系統特性指標值的方法和途徑，并設計了獲得坐標測量機的穩定性指標和復現性指標完整的標定方法以及詳細的實驗方案，考慮溫度補償中的實際溫度以及標準光柵尺、被測工件的線膨脹系數對測量結果的影響程度，最終通過方和根法合成獲得相對完整的坐標測量機的測量不確定度。
【專利說明】一種坐標測量機測量不確定度評定方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及坐標測量機不確定度評定領域，具體是一種坐標測量機測量不確定度 評定方法。

【背景技術】
[0002] 坐標測量機（Coordinate Measuring Machine,CMM)是集機械學、光學、電學、計算 機技術以及控制理論于一體的高效、多功能的精密型測量儀器，可以檢測尺寸、角度、形狀 和位置等幾何量。與常規的幾何量測量儀器相比，坐標測量機所具備的優越性能體現在：測 量對象多種多樣，即通用性強；測量精度較高，數據準確可靠；可以進行復雜測量，自動化 程度高，測量效率很高。目前的坐標測量技術已發展得較為成熟，坐標測量機廣泛地應用于 電子加工、汽車行業和航天科技等眾多機械加工制造領域，成為產品幾何量檢測中最重要 的手段。隨著坐標測量技術的發展，以及其應用越來越廣泛的同時，坐標測量機測量結果的 不確定度評價技術也逐漸受到業內專家的關注和重視。國際標準化組織ISO發布的《測量 不石角定度表不指南》（Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, GUM) 指出，測量不確定度是評定測量系統的重要指標，表示了測量結果的可靠程度，是測量結果 中包含的一個重要參數，包含了測量不確定度的測量結果才是完整、可靠的、具有實用價值 的。
[0003] 坐標測量機是極其復雜的幾何量測量系統，與一般的單一對象測量的比較型測量 儀器相比，想要進行坐標測量機面向任務的測量不確定度評價是很困難的。其一，坐標測量 機是萬能的幾何量測量儀器，測量條件和方法也具有很多的選擇余地，這就使得多種測量 任務具有多種測量不確定度。此外，影響其測量結果的不確定度的誤差來源諸多，且這些誤 差源與測量結果的傳遞關系一般很難確定，這就使得這些誤差源對測量結果的影響難以量 化表達。正是由于坐標測量機的誤差復雜性和其多功能性，對于沒有受過專業培訓的測量 者而言，想要評定坐標測量機的測量結果的不確定度并不現實。目前，不管是企業還是專業 的計量技術機構在使用坐標測量機時，通常只能給出一個被測量的估計值，而沒有該估計 值的測量不確定度。科學、準確、便捷地評定坐標測量機的測量結果不確定度，成為精密測 量與計量【技術領域】亟待解決的重要難題。
[0004] 近年來，隨著對坐標測量技術的研究日趨完善，評價三坐標測量機不確定度 的理論和方法不斷被提出，并逐漸形成了產品幾何技術規范（Geometrical Product Specificati〇nS，GPS)IS015530系列的坐標測量機面向任務的測量不確定度評價體系，該標 準提供了為評估坐標測量機測量不確定度的名詞、技術和指南，推薦了四種面向任務的評 價不確定度的方法。國外的學者和計量研究機構對此非常重視，德國PTB、英國NPL都在按 照IS015530標準體系進行坐標測量機的測量不確定度評定的相關研究。
[0005] 線性和偏移在坐標測量機的檢定規范中有明確的定義和規定，一般以示值誤差 Ae的形式來反映。示值誤差一般來源于儀器自身，綜合體現在坐標測量機的機械結構的探 測誤差、幾何誤差和軟件誤差等在測量結果中的影響程度。IS010360標準規定示值誤差在 坐標測量機的驗收檢測或復檢時進行評估，常規以坐標測量機對標準量塊（或步距規）檢 測時得出的最大允許示值誤差來進行量化；測量系統的分辨力是指測量系統識別并反映被 測量最微小變化的能力。由于讀數最末尾值的舍去與進位，將引入不確定度。且不確定度 屬于矩形分布（均勻分布）。測量系統的重復性是指在測量條件不變的情況下，對被測參量 進行連續多次的測量所得結果之間的一致性。坐標測量機的測量結果的重復性實質上反映 的是示值的隨機誤差，其測量結果的重復性所引起的不確定度分量一般用以一組等精度測 量結果的標準差定量反映。
[0006] 測量復現性是指改變測量條件的情況下對同一被測參量進行測量，可改變的測量 條件有測量原理、測量方法、測量者、參考標準以及測量時間等，只要有任一種或多種條件 發生改變導致的分散性就稱為復現性，簡而言之，就是條件變化引起的測量結果的不一致 性。在產品幾何技術規范IS015530系列中盡管考慮到了測量復現性是面向任務測量不確 定度的一個分量，但是由于沒有給出其具體的評價方法，因此操作起來難度非常大，從而導 致測量結果的質量得不到保障。
[0007] 坐標測量機的測量不確定度評定常見的方法是靈敏系數解析法。解析方法通常先 計算原始誤差源的數值，再考慮誤差源到測量結果的傳遞關系，根據不同誤差源的相互關 系進行合成，最終得到測量結果的不確定度。然而坐標測量機的誤差來源較多，且不同誤差 源之間的關系和傳遞規律較為復雜，因而，只是通過解析法去對坐標測量機的測量不確定 度進行評定異常困難，實用性不強。


【發明內容】

[0008] 本發明的目的是提供一種坐標測量機測量不確定度評定方法，以解決現有技術坐 標測量機測量不確定度評定存在的問題。
[0009] 為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：
[0010] 一種坐標測量機測量不確定度評定方法，其特征在于：包括坐標測量機測量穩定 性標定及測量復現性標定兩個部分，其中：
[0011] 坐標測量機的測量穩定性標定過程如下：
[0012] (1)、由同一名測量人員對工件的同一被測參數進行單次測量；
[0013] (2)、保持測量環境不變，將坐標測量機保持工作狀態，被測工件保持同樣的位置 及裝夾，保持時間> 1小時后，由同一測量人員采用相同的測量方法再次對步驟（1)中的工 件的同一被測參數進行單次測量；
[0014] (3)、保持相同的時間間隔，且保持條件不變依次進行多組上述的獨立測量
[0015] (4)、各組測量的平均值按大小順序排列成順序統計量x(i)，即有：
[0016] X⑴彡X⑵彡…彡x(a);
[0017] (5)、各組測量為等精度測量，服從均勻分布，選擇其中的最大值x(a)減去最小值 x(1)，所得到的極差即反映了系統測量的穩定性；
[0018] ￠)、根據極差的分布函數可求得系統穩定性所引起的不確定度分量為： 「 ， " -⑷ （1)
[qq 19] I V 3 °
[0020] 坐標測量機的測量復現性的標定過程如下：
[0021] (a)、由m名有一定的實際測量經驗的且在一定程度上具備相近的測量水準測量 人員，進行獨立的b次連續測量，m彡5, b彡10 ;
[0022] (b)、每位測量人員測得一組數據后，間隔較短的時間5min)后，另一位測量人 員重新開始測量測量過程，不同測量人員之間的操作時間不宜過長，一般不超過5min，主要 是考慮減少時間因素在測量復現性中影響程度，因為時間因素在系統穩定性中已作考慮；
[0023] (c)、各測量人員因測量習慣、實際測量經驗的不同其所選擇的測量方案也不盡完 全相同，但每個測量人員在進行單次重復測量時的測量條件不準隨意改變，并應盡快完成 單組的重復性測量；
[0024] (d)、計算各測量列的平均值，第i位測量人員的測量列的算術平均值記為$ ;
[0025] (e)、測量人員和測量方案的改變，容易導致上述的m組測量列的平均值之間出現 異常值，發現異常值應及時剔除，采用t檢驗準則剔除可疑的異常值，具體步驟如下：
[0026] (e. 1)、若認為€為測量組中的異常值，將其剔除后計算m組測量列的平均值， f 即：
[0027]

【權利要求】
1. 一種坐標測量機測量不確定度評定方法，其特征在于：包括坐標測量機測量穩定性 標定及測量復現性標定兩個部分，其中： 坐標測量機的測量穩定性標定過程如下： (1) 、由同一名測量人員對工件的同一被測參數進行單次測量； (2) 、保持測量環境不變，將坐標測量機保持工作狀態，被測工件保持同樣的位置及裝 夾，保持時間> 1小時后，由同一測量人員采用相同的測量方法再次對步驟（1)中的工件的 同一被測參數進行單次測量； (3) 、保持相同的時間間隔，且保持條件不變依次進行多組上述的獨立測量； (4) 、各組測量的平均值按大小順序排列成順序統計量χω，即有： X⑴彡X⑵彡· --彡χω ; (5) 、各組測量為等精度測量，服從均勻分布，選擇其中的最大值X(a)減去最小值Χ(1)，所 得到的極差即反映了系統測量的穩定性； (6) 、根據極差的分布函數可求得系統穩定性所引起的不確定度分量為：
坐標測量機的測量復現性的標定過程如下： (a) 、由m名有一定的實際測量經驗的且在一定程度上具備相近的測量水準測量人員， 進行獨立的b次連續測量，m彡5, b彡10 ; (b) 、每位測量人員測得一組數據后，間隔較短的時間5min)后，另一位測量人員重 新開始測量測量過程，不同測量人員之間的操作時間不宜過長，一般不超過5min，主要是考 慮減少時間因素在測量復現性中影響程度，因為時間因素在系統穩定性中已作考慮； (c) 、各測量人員因測量習慣、實際測量經驗的不同其所選擇的測量方案也不盡完全相 同，但每個測量人員在進行單次重復測量時的測量條件不準隨意改變，并應盡快完成單組 的重復性測量； (d) 、計算各測量列的平均值，第i位測量人員的測量列的算術平均值記為 (e) 、測量人員和測量方案的改變，容易導致上述的m組測量列的平均值之間出現異常 值，發現異常值應及時剔除，采用t檢驗準則剔除可疑的異常值，具體步驟如下： (e. 1)、若認為g為測量組中的異常值，將其剔除后計算m組測量列的平均值，即：
(e. 2)、計算不包括=Jf9 - I在內的測量組的標準差：
(e. 3)、根據測量次數m以及選定的顯著度α，通過查詢t分布的檢驗系數表得到K值； (e. 4)、若I' - ? I >/C * σ，則認定5為異常值，否則予以保留； (f)、各組測量之間的測量條件稍有不同，即非等精度測量，因此不能直接用貝塞爾公 式計算實驗標準差，而是通過計算其合并樣本標準差SP(X)來確定測量復現性引起的不確 定度分量，過程如下： (f. 1)、分別計算出m組測量結果的各組實驗標準差s (Xi):
(f.2)、m組測量所包含的測量次數相同，合并樣本標準差Sp(X)為：
(f. 3)、測量復現性是不同測量條件下所得測量值的實驗標準差，因此復現性所引起的 不確定度分量為：
2.根據權利要求1所述的一種坐標測量機測量不確定度評定方法，其特征在于：運用 測量系統的特性指標對坐標測量機的測量不確定度進行評定，具體操作步驟如下： (1) 、進行測量系統的穩定性標定實驗，計算穩定性所引起的不確定度分量uST :
(2) 、進行測量系統的復現性標定實驗，計算復現性誤差所引起的不確定度分量uKD :
(3) 、進行重復性實驗，多次測量后通過貝塞爾公式計算單次測量的標準差后計算出系 統重復性引入的測量不確定度分量uKT :
(4) 、測量系統的線性和偏移特性所引起的不確定度分量，通過示值誤差Ae來反 映，取均勻分布，即測量系統的線性和偏移特性所引起的不確定度分量為：
(5) 、測量系統的分辨率特性所引起的不確定度分量Uks，分辨率特性所引起的不確定度 分量uKS是由于讀數的末尾數值的舍入引入的，定義坐標測量機的分辨率為e，取均勻分布， 則測量系統的分辨率特性所引起的不確定度分量U ks為：
(6) 、依據坐標測量機的溫度補償的誤差模型，計算環境溫度所引起的不確定度分量 Ut，過程如下： (6. 1)、建立溫度補償的誤差數學模型： δχ = Χ* ( αs- α χ) * Δ Τ+χ · α s . Δ ts-x · α χ . Δ tx, 式中，χ表示被測參數的數值大小，Cis表示坐標測量機光柵尺的線膨脹系數，αχ表示 工件的線膨脹系數，Λ T表示測量環境的實際環境溫度與標準溫度20°C的差值，Ats表示 坐標測量機光柵尺的溫度相對于實際環境溫度的偏差，Λ tx表示被測工件的溫度相對于實 際環境溫度的偏差，根據該誤差數學模型，分析溫度修正的各項不確定度分量； (6. 2)、將溫度補償的誤差數學模型展開后得到： δχ = χ· as· Δ Τ-χ · α χ · Δ Τ+χ · a s · Δ ts_x · α χ · Δ tx, 令 δ χ = δ「δ 2+ δ 3- δ 4， 其中，S1 = X* as· ΔΤ;δ2 = χ· αχ· ΔΤ ;δ3 = χ· as· Ats;34 = x· αχ· Atx; 針對定義的S i、δ 2、δ 3、δ 4四個分量分別進行測量不確定度評定； (6.3)、Si = x· as· ΛΤ中包含了數學期望為0的變量ΛΤ，所以其不確定度u(Si) 的數學表達式為： u(5j) = χ· as*u(AT)； (6. 4)、δ 2 = χ · a χ · Λ T中也包含了數學期望為O的變量Λ T，所以其不確定度u ( δ 2) 的數學表達式為： u(52) = χ· ax*u(AT)； 在步驟（6.3)和（6.4)中，Λ T為實驗室環境溫度與標準參考溫度20°C的偏差，假設其 服從反正弦分布（U形分布），則：
(6. 5)、S 3 = χ · a s · Λ ts中包含了數學期望為〇的變量Λ ts，所以其不確定度u ( S 3) 的數學表達式為： u ( δ 3) = χ · a s · u ( Δ ts)， 式中，Λ ts表示坐標測量機光柵尺的溫度相對于實際環境溫度的偏差，一般情況下坐 標測量機光柵尺溫度與實驗室環境溫度的偏差較小，即u ( Λ ts)?(TC，因此該分量可忽略 不計； (6. 6)、δ 4 = χ · α χ · Λ tx中包含了數學期望為O的變量Λ tx，所以其不確定度u ( δ 4) 的數學表達式為： U ( δ 4) = X · α χ · U ( Δ tx)， 式中，Atx表示被測工件的溫度相對于實際環境溫度的偏差，假設其服從反正弦分布 (U形分布），則：
(6. 7)、合成環境溫度所引起的不確定度：
(7) 、上述的系統特性指標和環境溫度的標準不確定度分量均要考慮，計算各分量數值 后按照方和根法進行標準不確定度合成：
(8) 、按置信概率P = 95%，取包含因子k = 2,得到擴展不確定度： U95 = k · uc，k = 2。
【文檔編號】G06F19/00GK104376211SQ201410654418
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月14日 優先權日:2014年11月14日
【發明者】陳曉懷, 程銀寶, 王漢斌, 徐磊, 姜瑞 申請人:合肥工業大學