CN109855583B - 三坐标测量机测量不确定度的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于计量领域，涉及一种三坐标测量机测量不确定度的确定方法，包括：选取所需使用的量块组以及标准球；在环境温度是20℃以及待测件温度是20℃的条件下，采集获得实验数据以及探测误差；在环境温度是20℃以及待测件温度有变化的条件下，采集获得实验数据以及探测误差；在环境温度有变化以及待测件温度是20℃的条件下，采集获得测量误差；确定示值误差测量不确定度以及探测误差测量不确定度。本发明可针对处理环境温度不满足测试条件时的测量结果的不确定度结果计算以及大大节约在低精度测量任务的恒温等待时间。

Description

三坐标测量机测量不确定度的确定方法

技术领域

本发明属于计量领域，涉及一种不确定度评定方法，尤其涉及一种三坐标测量机测量不确定度的确定方法。

背景技术

坐标测量机的精度校准主要依据的是JJF1064《坐标测量机校准规范》，其主要检测项目有示值误差E和探测误差P两项，其中E反映坐标测量机整个测量范围内的测量准确性，P反应坐标机重复性及测头的异向性。

JJF1064中对检测环境方面的要求为“在校准时有用户规定，在验收检测中按合同规定”。常见的现场型坐标机，环境温度要求通常为20℃±2℃，一些高精度坐标测量机甚至要求20℃±1℃。且通常要求坐标测量机和被测件至少在上述温度环境下保持4个小时以上，使坐标机和待测件内部温度尽可能的与环境温度一致。然而，在实际工作中，经常会出现需要紧急测量的测量任务，此时坐标测量机或待测件的温度或恒温时间难以满足规定要求。若此时进行测量，则测量结果的准确性无法保证达到坐标测量机的标称精度。但具体精度损失一直以来没有办法进行量化，导致测量结果没有任何参考价值。

但实际上，坐标测量机购置时一般会考虑最高精度要求的测量任务。大量的测量任务所需的设备精度要求是低于甚至远低于坐标测量机标称精度的，这样做的目的是为测量精度保留充足冗余量。所以，即使在测量环境不满足实验要求条件时，大量的测量也是可以开展并获得有效结果的，需要的只是一种对当前环境下的测量结果的测量不确定度给出量化值，以便现场检测人员能够根据不确定度评估环境对结果的影响，以决定测量结果的参考价值。

三坐标测量机测量不确定度评定方法较多，但通常建立满足坐标测量机本身规定的测试环境，以及对待测被测件进行充分定温的前提下进行的讨论。但实际工作中，经常出现时间要求比较紧急的测量任务，难以满足坐标测量机环境温度或被测件恒温要求的情况，即使进行的测量，由于没有有效措施评价测量结果的不确定度，结果通常难以提供有效的参考价值。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可针对处理环境温度不满足测试条件时的测量结果的不确定度结果计算以及大大节约在低精度测量任务的恒温等待时间的三坐标测量机测量不确定度的确定方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种三坐标测量机测量不确定度的确定方法，其特征在于：所述三坐标测量机测量不确定度的确定方法包括以下步骤：

1)根据待评定三坐标测量机的测量范围，选取所需使用的量块组以及标准球；

2)按JJF1064中7.2.1.2的要求选取测量方向，在7个测量方向上分别对所选的5块量块进行每块3次合计105次的长度测量，获得35个测量数据的集合U_R；

3)在待评定三坐标测量机所在空间的环境温度是20℃以及待测件温度是20℃的条件下，按照步骤2)采集获得实验数据E₂₀；按照JJF1064中7.4.2的程序采集获得探测误差P₂₀；

4)在待评定三坐标测量机所在空间的环境温度是20℃以及待测件温度从18℃±1℃至28℃±1℃的条件下，按照步骤2)采集获得实验数据E_18a至E_28a以及E_18b至E_28b；按照JJF1064中7.4.2的程序采集获得探测误差P_18a至P_28a以及P_18b至P_28b，其中，下标a表示在关闭待测件修正时的测量数据；下标b表示在开启待测件修正时的测量数据；

5)在待评定三坐标测量机所在空间的环境温度是18℃±2℃至28℃±2℃以及待测件温度是20℃的条件下，按照步骤2)程序采集获得测量误差M_18a至M_28a，M_18b至M_28b，其中，下标a表示在关闭待测件修正时的测量数据；下标b表示在开启待测件修正时的测量数据；

6)根据步骤3)、步骤4)以及步骤5)采集得到的数据分别确定示值误差测量不确定度μ(E)以及探测误差测量不确定度μ(P)。

上述步骤1)中量块组是钢制量块或步距规；所述标准球是待评定坐标机日常校准测头用标准球。

上述步骤4)的具体实现方式是：

4.1)将评定用量块组及标准球移动至18℃±1℃的环境下进行至少4小时的定温；将经过定温的量块组在开启坐标测量机温度修正且关闭被测件件温度修正的条件下按照JJF1064中7.2.1.2的程序采集7个方向上各5个尺寸重复3次测量的105个数据，获得实验数据E_18a，按照JJF1064中7.4.2的程序采集获得探测误差P_18a；在开启坐标测量机温度修正以及被测件温度修正功能的情况下，按照JJF1064中7.2.1.2的程序采集7个方向上各5个尺寸重复3次测量的105个数据，获得实验数据E_18b，按照JJF1064中7.4.2的程序采集获得探测误差P_18b；

4.2)将评定用量块组分别移动至22℃±1℃，24℃±1℃，26℃±1℃以及28℃±1℃的温度环境下，重复步骤4.1)，分别获得实验数据E_22a、E_22b、E_24a、E_24b、E_26a、E_26b、E_28a、E_28b以及探测误差P_22a、P_22b、P_24a、P_24b、P_26a、P_26b、P_28a和P_28b。

上述步骤5)的具体实现方式是：

5.1)将评定用量块及固定装置及标准球置于20℃±1℃环境下定温4小时以上；将待评定三坐标测量机所在空间的环境温度调节为18℃±2℃，定温至少4小时；在开启坐标测量机温度修正和待测件温度修正的条件下按照JJF1064中7.2.1.2的程序采集获得实验数据M_18a；在关闭坐标测量机温度修正且开启待测件温度修正的条件下按照JJF1064中7.2.1.2的程序采集获得实验数据M_18b；

5.2)将环境温度分别设置为22℃±2℃，24℃±2℃，26℃±2℃以及28℃±2℃，重复步骤5.1)，分别获得实验数据M_22a、M_22b、M_24a、M_24b、M_26a、M_26b、M_28a以及M_28b。

上述步骤6)中示值误差测量不确定度μ(E)的确定方式是：

其中：

μ(e_cal)是标准器的校引起的E误差；

μ(e_align)为标准器定向引起的E误差；

μ(e_fixt)为标准器装夹稳定性引起的E误差；

μ(e_R)为测量重复性引起的E误差；

μ(e_E)为标准器温度偏离引起的E误差；

μ(e_M)为三坐标测量机所在空间的环境温度偏离引起的E误差；

μ(e_cal)、μ(e_align)、μ(e_fixt)以及μ(e_R)计算方法参照JJF1064附录C的C.1；

所述μ(e_E)的具体计算方式是：

其中：

k为包含因子，根据置信概率取值；

L_max为三坐标测量机测量范围空间对角线长度，单位mm；

h_t＝(1.189^(4-t)-1)，t为待测件恒温时间，单位h；

n为数据采集阶段采集到数据的温度点个数；

L是所有量块的长度的算术平均值，单位mm；所述L的函数表达式是：

其中：n是测试中使用的量块的数量，L_i量块组中的第i块量块；

T_D是待测件开始测量前的表面温度；

T_max是数据采集阶段的最高温度点中心温度单位℃；

T_min是数据采集阶段的最低温度点中心温度单位℃；

所述μ(e_M)的具体计算方式是：

其中：

k为包含因子，根据置信概率取值；

h_t＝(1.189^(4-t)-1)，t为坐标机恒温时间，单位h；

n为数据采集阶段采集到数据的温度点个数；

其中：T_D为实际测量时的环境温度；

T_max为数据采集阶段的最高温度点中心温度单位℃；

T_min为数据采集阶段的最低温度点中心温度单位℃。

上述步骤6)中探测误差测量不确定度μ(P)的确定方式是：

其中：

F为标准球证书中给出的尺寸误差；

U(F)为标准球证书中给出的尺寸误差的不确定度，k为包含因子；

μ(P_E)为标准球温度偏离引起的P误差，所述μ(P_E)的具体计算方式是：

其中：

k是包含因子，根据置信概率取值；

h_t＝(1.189^(4-t)-1)，t为三坐标测量机恒温时间，单位h；

n是数据采集阶段采集到数据的温度点个数；

T_D是实际测量时的环境温度；

T_max是数据采集阶段的最高温度点中心温度单位℃；

T_min是数据采集阶段的最低温度点中心温度单位℃。

本发明的优点是：

本发明提供了一种三坐标测量机测量不确定度的确定方法，该方法通过前期测试数据的积累和数学计算，将环境温度及被测件温度作为不确定度影响分量计入不确定度结果中，与既有的环境温度引起的不确定度分量的区别是：现有不确定度评估方法将温度作为随机影响量进行估算，给出在实验环境要求内的温度波动导致的测量不确定度增加。本发明通过实验数据获取温度对测量结果的影响量并以量化的方式汇总到计算结果中，且可以处理环境温度不满足测试条件是的测量结果的不确定度结果计算。本发明仅利用现场配备的空调等恒温设备，三等量块等常规检测设备，通过一定的实验和数据收集工作，就可以计算出该坐标测量机在较要求环境温度范围宽2倍以上的温度范围内的测量不确定度，可大大节约低精度测量任务的恒温等待时间，在处理一些紧急测量任务时具有重要意义。

具体实施方式

本方法要求：

1、被评定三坐标测量机要求：

1)被评定的三坐标测量机具有环境温度补偿功能和被测件温度补偿功能；

2)被评定的三坐标测量机的环境温度补偿功能和被测件温度补偿功能能够通过控制端关闭。

3)被评定三坐标测量机所在空间具有控制调节环境温度的条件，包括封闭性的房间和充足的空调设备。

本发明所需设备是：

除三坐标测量机正常周检所需的量块，量块架或步距规外，还需要环境温度计4个，测量被测件温度的接触式温度计一个。一个用于待测件恒温的带有空调设备的额外房间或高低温试验箱。

本发明所提供的三坐标测量机测量不确定度的确定方法是：

1、数据采集阶段

1)根据待评定坐标测量机的测量范围，依据据JJF1064中6.4.1之规定，选取所需使用的量块组，需使用钢制量块或步距规。标准球使用待评定坐标机日常校准测头用标准球。

2)对待评定坐标测量机所在空间进行环境温度控制。将坐标测量机测头XY方向移动至测量空间的Z轴方向投影几何中心位置。将测试用量块组及其支撑装置放置在XY平面几何中心附近。四个环境温度计分别放置于：XY平面几何中心附近，坐标测量机X、Y轴光栅尺的中点附近，Z轴顶端位置。并监控四个温度计温度，通过空调和循环设备保证坐标测量机上四个温度计温度保持20℃±2℃至少4小时。以接触式温度计测量量块组中尺寸最大的量块的中心位置，保证其温度满足20℃±2℃。

3)根据公式(1)计算所有测试中使用到的量块的长度的算术平均值，并选取量块组中标称长度最接近该值的量块进行重复性评定。

L是所有量块的长度的算术平均值，n是测试中使用的量块的数量，L_i是量块组中的第i块量块；

选定量块后，按JJF1064中7.2.1.2的要求选取测量方向，在7个测量方向上分别对所选量块进行5次长度测量，获得35个测量数据的集合U_R。特别的，要求测量过程使用程序自动测量，每次测量均需按照待测量块精确重建坐标系并在精建坐标系中进行测量。测量全过程开启坐标测量机温度补偿功能及被测件温度补偿功能。

4)按照JJF1064中7.2.1.2的程序，采集7个方向上各5个尺寸重复3次测量的105个数据，获得实验数据E₂₀；按照JJF1064中7.4.2的程序，获得探测误差P₂₀。

5)将评定用量块组及标准球移动至18℃±1℃的环境下进行至少4小时的定温，可在高低温试验箱中或带有空调的密闭房间中进行。

6)将经过步骤5)定温的量块组在开启坐标测量机温度修正，关闭被测件件温度修正的条件下进行步骤4)测量，获得实验数据E_18a以及探测误差P_18a；

7)在开启坐标测量机温度修正和被测件温度修正功能的情况下，重复步骤6)，获得实验数据E_18b以及探测误差P_18b；

8)将评定用量块组分别移动至22℃±1℃，24℃±1℃，26℃±1℃，28℃±1℃，的温度环境下，分别进行步骤5)-步骤7)之操作，分别获得实验数据E_22a、E_22b、E_24a、E_24b、E_26a、E_26b、E_28a、E_28b以及探测误差P_22a、P_22b、P_24a、P_24b、P_26a、P_26b、P_28a和P_28b；特别的，步骤8)的采集工作可选取不连贯的时间单独分别进行，但每次采集均需保证实施步骤2)。特别的，若不具备将量块恒温至28℃±1℃的条件，可不进行该温度点的相关测试。这将影响最终评定结果的适用温度范围。

9)将评定用量块及固定装置及标准球置于20℃±1℃环境下定温4小时以上。

10)按步骤2)所述位置放置温度计，并将坐标测量机环境温度调节为18℃±2℃，定温至少4小时。

11)在开启坐标测量机温度修正和待测件温度修正的条件下进行步骤4)，获得实验数据M_18a。

12)在关闭坐标测量机温度修正，开启待测件温度修正的条件下进行步骤4)，获得实验数据M_18b。

13)将环境温度分别设置为22℃±2℃，24℃±2℃，26℃±2℃，28℃±2℃，并重复步骤10)-步骤12)，分别获得实验数据M_22a、M_22b、M_24a、M_24b、M_26a、M_26b、M_28a、M_28b。特别的，M_22a、M_22b、M_24a、M_24b、M_26a、M_26b、M_28a、M_28b的采集工作可选取不连贯的时间单独分别进行，但每次采集均需保证实施步骤9)。

特别的，若不具备将坐标机环境温度恒温至28℃±2℃的条件，可不进行该温度点的相关测试。这将影响最终评定结果的适用温度范围。

2、数据计算阶段：

经过数据采集阶段，可获得环境温度20℃，待测件20℃时，35个测量数据的集合U_R、可获得环境温度20℃，待测件20℃时的测量误差E₂₀和探测误差P₂₀；可获得环境温度20℃，待测件温度18℃±1℃至28℃±1℃时的测量误差和探测误差E_18a至E_28a，P_18a至P_28a，E_18b至E_28b，P_18b至P_28b。其中下标a表示关闭待测件修正时的测量数据，下标b表示开启待测件修正时的测量数据；可获得环境温度18℃±2℃至28℃±2℃，待测件温度20℃时的测量误差M_18a至M_28a，M_18b至M_28b。其中下标a表示关闭坐标机温度修正时的测量数据，下标b表示开启坐标机温度修正时的测量数据。

本方法示值误差测量不确定度的测量模型如下：

其中：

μ(E)为示值误差测量不确定度；

μ(e_cal)为标准器的校引起的E误差；

μ(e_align)为标准器定向引起的E误差；

μ(e_fixt)为标准器装夹稳定性引起的E误差；

μ(e_R)为测量重复性引起的E误差；

μ(e_E)为标准器温度偏离引起的E误差；

μ(e_M)为坐标机环境温度偏离引起的E误差；

μ(e_cal)、μ(e_align)、μ(e_fixt)、μ(e_R)计算方法参照JJF1064附录C之C.1；

μ(e_E)具体计算过程是：

其中：

k为包含因子，根据置信概率取值；

L根据公式1计算，单位mm；

L_max为坐标测量机测量范围空间对角线长度，单位mm；

T_D为待测件开始测量前的表面温度；

T_max为数据采集阶段的最高温度点中心温度单位℃；

T_min为数据采集阶段的最低温度点中心温度单位℃；

h_t＝(1.189^(4-t)-1)，t为待测件恒温时间，单位h；

n为数据采集阶段采集到数据的温度点个数；

特别的，当数据收集阶段无法采集E_18a、E_18b或E_28a，E_28b中一组时，无法采集的数值按0计算，对应的变更公式中n的值，并更改最终计算结果的适用范围。

μ(e_M)的计算过程是：

其中：

k为包含因子，根据置信概率取值；

T_D为实际测量时的环境温度，采用数据采集阶段步骤2)方式取各点平均值；

T_max为数据采集阶段的最高温度点中心温度单位℃；

T_min为数据采集阶段的最低温度点中心温度单位℃；

h_t＝(1.189^(4-t)-1)，t为坐标机恒温时间，单位h；

n为数据采集阶段采集到数据的温度点个数；

特别的，当数据收集阶段无法采集M_18a、M_18b或M_28a，M_28b中一组时，无法采集的数值按0计算，对应的变更公式中n的值，并更改最终计算结果的适用范围。

本方法探测误差测量不确定度的测量方式是：

其中：

F为标准球证书中给出的尺寸误差；

U(F)为标准球证书中给出的尺寸误差的不确定度，k为包含因子；

μ(P_E)为标准球温度偏离引起的P误差计算方式是：

式中

k为包含因子，根据置信概率取值；

T_D为实际测量时的环境温度，采用数据采集阶段步骤2)方式取各点平均值；

T_max为数据采集阶段的最高温度点中心温度单位℃；

T_min为数据采集阶段的最低温度点中心温度单位℃；

h_t＝(1.189^(4-t)-1)，t为坐标机恒温时间，单位h；

n为数据采集阶段采集到数据的温度点个数；

特别的，当数据收集阶段无法采集P_18a、P_18b或P_28a，P_28b中一组时，无法采集的数值按0计算，对应的变更公式中n的值，并更改最终计算结果的适用范围。公式6中的n值应与公式3中的n值一致。

最后根据上述确定方式及测试时的环境温度与被测件表面温度，恒温时间等数据，汇总计算出μ(E)，及μ(P)。本方法计算的不确定度结果，置信概率通过待入不同的k值改变，适用范围为数据采集阶段的最低至最高温度点中心温度。

Claims (4)

1.一种三坐标测量机测量不确定度的确定方法，其特征在于：所述三坐标测量机测量不确定度的确定方法包括以下步骤：

1)根据待评定三坐标测量机的测量范围，选取所需使用的量块组以及标准球；

2)按JJF1064中7.2.1.2的要求选取测量方向，在7个测量方向上分别对所选5个长度量块进行各3次长度测量，获得105个测量数据的集合U_R；

3)在待评定三坐标测量机所在空间的环境温度是20℃以及待测件温度是20℃的条件下，按照JJF1064中7.2.1.2的程序采集获得实验数据E₂₀；按照JJF1064中7.4.2的程序采集获得探测误差P₂₀；

4)在待评定三坐标测量机所在空间的环境温度是20℃以及待测件温度从18℃±1℃至28℃±1℃的条件下，按照步骤2)程序采集获得实验数据E_18a至E_28a以及E_18b至E_28b；按照JJF1064中7.4.2的程序采集获得探测误差P_18a至P_28a以及P_18b至P_28b，其中，下标a表示在关闭待测件修正时的测量数据；下标b表示在开启待测件修正时的测量数据；

5)在待评定三坐标测量机所在空间的环境温度是18℃±2℃至28℃±2℃以及待测件温度是20℃的条件下，按照步骤2)程序采集获得测量误差M_18a至M_28a，M_18b至M_28b，其中，下标a表示在关闭待测件修正时的测量数据；下标b表示在开启待测件修正时的测量数据；

6)根据步骤3)、步骤4)以及步骤5)采集得到的数据分别确定示值误差测量不确定度μ(E)以及探测误差测量不确定度μ(P)；

所述步骤6)中示值误差测量不确定度μ(E)的确定方式是：

其中：

μ(e_cal)是标准器的校准引起的E误差；

μ(e_align)为标准器定向引起的E误差；

μ(e_fixt)为标准器装夹稳定性引起的E误差；

μ(e_R)为测量重复性引起的E误差；

μ(e_E)为标准器温度偏离引起的E误差；

μ(e_M)为三坐标测量机所在空间的环境温度偏离引起的E误差；

μ(e_cal)、μ(e_align)、μ(e_fixt)以及μ(e_R)计算方法参照JJF1064附录C的C.1；

所述μ(e_E)的具体计算方式是：

其中：

k为包含因子，根据置信概率取值；

L_max为三坐标测量机测量范围空间对角线长度，单位mm；

h_t＝(1.189^(4-t)-1)，t为待测件恒温时间，单位h；

n为数据采集阶段采集到数据的温度点个数；

L是所有量块的长度的算术平均值，单位mm；所述L的函数表达式是：

其中：n是测试中使用的量块的数量，L_i量块组中的第i块量块；

TE_D是待测件开始测量前的表面温度；

TE_max是数据采集阶段步骤4)中选取的最高温度点中心温度单位℃；

TE_min是数据采集阶段步骤4)中选取的最低温度点中心温度单位℃；

所述μ(e_M)的具体计算方式是：

其中：

k为包含因子，根据置信概率取值；

h_t＝(1.189^(4-t)-1)，t为坐标机恒温时间，单位h；

n为数据采集阶段采集到数据的温度点个数；

其中：TM_D为实际测量时的环境温度；

TM_max为数据采集阶段的步骤5)选取的最高温度点中心温度单位℃；

TM_min为数据采集阶段的步骤5)选取的最低温度点中心温度单位℃；

所述步骤6)中探测误差测量不确定度μ(P)的确定方式是：

其中：

F为标准球证书中给出的尺寸误差；

U(F)为标准球证书中给出的尺寸误差的不确定度，k为包含因子；

μ(P_E)为标准球温度偏离引起的P误差，所述μ(P_E)的具体计算方式是：

其中：

k是包含因子，根据置信概率取值；

h_t＝(1.189^(4-t)-1)，t为三坐标测量机恒温时间，单位h；

n是数据采集阶段采集到数据的温度点个数；

TP_P是实际测量时的环境温度；

TP_max是数据采集阶段步骤4)中选取的最高温度点中心温度单位℃；

TP_min是数据采集阶段步骤4)中选取的最低温度点中心温度单位℃。

2.根据权利要求1所述的三坐标测量机测量不确定度的确定方法，其特征在于：所述步骤1)中量块组是钢制量块或步距规；所述标准球是待评定坐标机日常校准测头用标准球。

3.根据权利要求2所述的三坐标测量机测量不确定度的确定方法，其特征在于：所述步骤4)的具体实现方式是：

4.1)将评定用量块组及标准球移动至18℃±1℃的环境下进行至少4小时的定温；将经过定温的量块组在开启坐标测量机温度修正且关闭被测件件温度修正的条件下按照JJF1064中7.2.1.2的程序采集7个方向上各5个尺寸重复3次测量的105个数据，获得实验数据E_18a，按照JJF1064中7.4.2的程序采集获得探测误差P_18a；在开启坐标测量机温度修正以及被测件温度修正功能的情况下，按照JJF1064中7.2.1.2的程序采集7个方向上各5个尺寸重复3次测量的105个数据，获得实验数据E_18b，按照JJF1064中7.4.2的程序采集获得探测误差P_18b；

4.2)将评定用量块组分别移动至22℃±1℃，24℃±1℃，26℃±1℃以及28℃±1℃的温度环境下，重复步骤4.1)，分别获得实验数据E_22a、E_22b、E_24a、E_24b、E_26a、E_26b、E_28a、E_28b以及探测误差P_22a、P_22b、P_24a、P_24b、P_26a、P_26b、P_28a和P_28b。

4.根据权利要求3所述的三坐标测量机测量不确定度的确定方法，其特征在于：所述步骤5)的具体实现方式是：

5.1)将评定用量块及固定装置及标准球置于20℃±1℃环境下定温4小时以上；将待评定三坐标测量机所在空间的环境温度调节为18℃±2℃，定温至少4小时；在开启坐标测量机温度修正和待测件温度修正的条件下按照JJF1064中7.2.1.2的程序采集获得实验数据M_18a；在关闭坐标测量机温度修正且开启待测件温度修正的条件下按照JJF1064中7.2.1.2的程序采集获得实验数据M_18b；

5.2)将环境温度分别设置为22℃±2℃，24℃±2℃，26℃±2℃以及28℃±2℃，重复步骤5.1)，分别获得实验数据M_22a、M_22b、M_24a、M_24b、M_26a、M_26b、M_28a以及M_28b。