CMM测量性能检测的不确定度
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坐标测量机(CMM)的性能检定是质保证体系的一项关健任务。检测结果受到具有各自不确定度的多种误差源的影响。因此,正确地确定并量化这些误差源,是正确评估检测不确定度的一项重要任务。本文讨论了在评估CMM的检测不确定度时,如何确定CMM的三个重要子系统(回转工作台、接触式扫描测头和视频测头)检测不确定度的大小。

1 引言

坐标测量机(CMM)的性能检定一般是通过按相关国际标准对其进行检测来实现的,这是现代制造企业质量保证体系的一项重要工作。为了确定仪器的误差特性,人们开发了各种不同的技术,其中包括反求技术和自标定程序。已有一些文献对CMM的标定和测量性能检测专用程序进行过讨论,也有人研究了CMM标定的可靠性。
目前,市场上用于检测CMM的全球性依据是ISO 10360系列标准。这些标准可被视为在行业水平上对测量溯源性的基础性、通用性要求。人们也清楚地认识到,测量设备符合ISO 10360 系列标准对于满足CMM测量现行的溯源性要求是不够的,这种溯源性要求只有通过专门的不确定度评估才能达到。ISO 10360系列标准中规定的仪器验收检测和验证检测仅仅反映了与坐标测量有关的部分不确定度因素,这是在信息的完整性与检测成本之间权衡妥协的结果。不过,这些局部信息通常都相当真实,按照概率论的观点,它们可以成为一台CMM在规定测量条件下实际总体测量性能的一种很好的指标。

2 在检测中预估不确定度的方法

CMM性能的不断提高以及CMM制造商之间、标定服务提供商之间日益加剧的竞争,对检测程序的改进提出了要求。尤其有必要对与检测程序相关的不确定度概念有更深人的一致理解。
检测结果会受到引起检测不确定度的误差源的影响。因此,为了正确得出被检测的测量设备规定的最大容许误差(MPE)的符合性或不符合性结论,有必要对检测不确定度进行预估。由于涉及到经济利益,这项工作至关重要。
在ISO 10360系列标准的一部分内容中,也明确表明了正确评价与检测过程相关的不确定度的要求,在将检测结果与对应的最大容许误差进行比较时,必须根据ISO 14253-1标准的规定考虑检测的不确定度。
然而,为了预估检测的不确定度,正确地确定影响不确定度的因素并不是一件无足轻重的工作。在坐标测量中有各种不同的误差源,可以按照不同的方法对它们进行预估。但是必须牢记,我们的测量任务是在严格规定的测量条件下评价CMM的测量性能。这些测量条件部分由适用标准规定,部分则由CMM用户在CMM制造商申明的额定指标范围内自行决定。
实际上,在一次典型的CMM测量任务中,大多数误差源(如CMM的几何误差、重复性误差、探测误差等)均未作为CMM检测中的不确定度因素加以考虑,因为这些误差是与对应的最大容许误差(MPE)进行比较的检测结果本身(如指示误差)的一部分。对CMM检测过程的测量与对加工零件的检测过程是完全不同的。这种不同之处直接反映在被测量的定义上,该被测量是由在规定的检测中被评价的CMM误差来表示的。
在CMM检侧中预估不确定度的方法也取决于检测程序所要达到的目的。在ISO 10360系列标准中所描述的检测,是用于评价在完成指定测量任务时CMM的总体性能,而不仅仅是评价一个特定部件(如标尺、探测系统、回转工作台等)的性能。实际上,对于用户而言,将一个特定的CMM子系统引起的误差从其他误差中分离出来并无多大用处(当然,对于CMM的制造、维修和标定,情况就完全不同了)。按照这一思路,在CMM的检测过程中,任何由CMM部件引起的误差将不作为不确定度的影响因素而加以考虑,即使在检侧中被评价的误差是一种不同的误差(如在回转工作台检测中的探测误差)。
为了正确辨别因环境因素产生的误差源,说明预估不确定度的方法尤为重要。热效应对CMM的总体性能及检测结果都准限大影响。由温度和规定范围内的温度变化引起的CMM误差是该坐标侧量机在实施仁婀测量时都会产生的典型误差;这些误差包含在检侧结果中,通过采取针对温度变化的适当测量策略,就能减小这些误差的幅值。作为不确定度来考虑的热效应仅仅是指那些与检恻设备直接相关的热效应(如被标定基准的热膨胀),以及与检测程序有关的热蜘立。
上述方法已被用于制订一个新的ISO文件(ISO TS 23165“坐标测量机检测不确定度的评价指南”)。该文件用于处理在ISO 10360-2标准(用于尺寸测量的CMM)中描述的CMM最重要的检测程序的不确定度。为了与所述方法保持一致,这里推荐的用于确定在检测不确定度时需要考虑的误差源的标准是基于“检测方”的责任。这就意味着,只有那些由检测设备和实施检测的“检测方”的决定所引起的误差才应该予以考虑。
本文重点讨论在检测3个重要的、未被近期的标准化工作所涵盖的CMM子系统(回转工作合、接触式扫描测头和视频测头)时,如何确定不确定度的影响因素。这些CMM部件对于现代制造测量技术的重要性显而易见。

图1 ISO 10360-3标准中规定的回转工作台检测装置

3 回转工作台的检测不确定度

用于CMM第四轴的回转工作台是用于检测回转对称工件(如齿轮、螺旋压缩机转子等)极有价值的工具。根据用户的不同要求,回转工作台既可以集成到CMM的工作台中,也可以作为一个独立硬件在需要时使用。
在带有回转工作台的CMM上进行测量时,其质量保证依赖于ISO 10360-3标准中规定的专门检测。在回转工作台的不同的高度上安装二个检测标准球,在不同的角度位置对其进行28次系列测量。图1所示为检测装置的安装情况。
每个标准球的中心由工件坐标系中的径向、切向和轴向3个方向来确定。计算出3个方向上的指示误差(FR、FT和FA) ,作为每个方向上最大与最小测量值的区间。根据ISO 14253-1标准考虑不确定度时,如果指示误差均不大于对应的最大容许误差(MPE),则CMM的测量性能即可得到验证。
按照前面章节提出的方法,下面给出一些潜在的误差源,并重点讨论它们对检测结果的影响。

(1)回转工作台的安装和检定

回转工作台必须按照质量保证文件的规定并考虑制造商的推荐意见来安装调试。其位置和承载条件必须在制造商规定的允许范围之内。校准的检定程序应与带回转工作台的典型CMM测量的检定程序相同。这些操作过程的影响将以指示误差的形式包含在检测结果中,而检测不确定度则不必进行计算。

(2)实物基准的变形

所用检测装置(标准球和支撑夹具)可能会因夹紧力和测头探测力的作用而变形。夹紧力可能改变2个标准球之间的距离,但这并不是尺寸的实物基准,因为这种检测不需要经过标定的距离数据。我们希望夹紧力在短时间内能保持恒定,对检测结果不产生明显影响,从而使由夹紧力引起的测量不确定度可以忽略不计。
测头的探测力可能引起检测装置弯曲变形,其影响大小取决于实物基准的刚性和探测策略。合理设计检测装置和探测策略可使探测力的影响减小到可忽略不计的水平。

(3)热效应

温度及温度变化对使用回转工作台的CMM测量性能的影响通过指示误差反映出来,因此,无需预估与CMM有关的热效应的不确定度。对于检测装置而言,只有当检测方输入了温度和热胀系数(CTE)的数据并将其用于修正检测结果时,才必须将相关的热效应作为检测不确定度而加以考虑。这就意味着,对于一台没有温度修正的CMM而言,热效应的所有影响都包括在指示误差中。对于一台具有温度修正功能、可借助仪器上的温度传感器测量工件温度的CMM,检测不确定度由热胀系数的不确定度来决定,因为它是由检测方来负责的。
表1 在典型的回转工作台检测中,热效应对检测不确定度的影响
各方向的指示误差FRFTFA
在径向、切向和轴向上基准球之间的距离(mm)4000200
热效应引起的检测不确定度(钢;检测中温度变化0.1K时;标准不确定度;µm)0.230.000.12
众所周知,热效应可能是不确定度的最大影响因素。表1所示为在检测方输入温度和热胀系数数据的情况下,对检测不确定度的预估值。

(4)标准球的形状

该误差源是检测不确定度的明确影响因素,其影响取决于测量策略:一种可能性是在工件坐标系中探测标准球上相同的点;另一种可能性是在平行于测量机轴线的方向探测标准球。在前一种情况下,对不确定度影响很小;但在两种可能性同时出现的情况下,如利用下述公式进行计算,可能会高估它对检测不确定度的影响:
u(εform)=
F2+u2(F)
表2 回转工作台检测不确定度影响因素汇总
误差源在检测不确定度中是否考虑
回转工作台误差(包括安装调试和检定、位置和承载条件的影响)
其他CMM误差(包括测头误差、热效应、重复性等)
实物基准的变形误差
实物基准的热效应误差当由检测者输入数据时
标准球的形状误差
探针测尖的形状误差当由检测者提供探针时
其他显著影响因素当由检测者引入时

图2 接触式扫描测头的检测
表3 接触式扫描测头检测不确定度影响因素汇总
误差源在检测不确定度中是否考虑
接触式扫描的探测误差(包括测头检定、标准球的位置和方位的影响)
其他CMM误差(包括热效应、重复性等)
扫描速度
实物基准的变形误差
实物基准的热效应误差当由检测者输入数据时
标准球的直径误差
标准球的形状误差
探针测尖的形状误差当由检测者提供探针时
测量软件当由检测者使用不同的软件时
其他显著影响因素当由检测者引入时

图4 测量窗口尺寸对装有视频测头的商业化CMM在XY对角线上距离测量的影响(测量孔板上2个宣径5mm孔的距离。图中的误差条表示标准偏整)
式中,F是经过标定的标准球的形状误差。

(5)探针测尖的形状

在回转工作台的检测中,探针测尖与标准球的形状偏差因工作台相对转动而产生的相互几何作用可能会影响检测结果。根据前述方法,只有在探针由检测方提供的情况下,才会考虑将探针测尖的形状偏差作为检测不确定度的影响因素。
表2给出了以上所讨论的回转工作台检测不确定度影响因素的汇总。

4 接触式扫描测头的检测不确定度

如今,越来越多的CMM都配置了接触式扫描测头,并采用了ISO 10360-4标准规定的专门检测方法。该检测是基于采用不同的测量条件、以4种目标扫描路径(见图2) 对一个经过标定的球面进行测量。检测结果用扫描探测误差Tij(被测中心与所有扫描点之间的半径范围)来表示,并与各自对应的最大容许误差(MPETij)进行比较。
对检测不确定度影响因素的确定归纳于表3 ,并对其中一些影响因素说明如下:
  1. 扫描速度:其影响包括在扫描探测误差中,因此无需考虑其对检测不确定度的影响。
  2. 测量软件:接触式扫描测头常用于特定的测量任务(如自由表面几何体的检测、形状测量等),它采用一种专用软件模块。有时会将该专用软件从检测时通常使用的CMM基本测量软件中分离出来。为了更真实地掌握采用扫描测头的CMM的测量性能,CMM用户应在尽可能接近其日常实际使用情况的条件下来实施检测。否则,就必须考虑附加的不确定度,因为采用不同的软件可能会导致CMM性能的变化。作为一个实例,图3表示在一台商业化CMM上,采用两种不同的测量软件(其他所有条件均相同)在DIMEG获得的不同测量结果。

图3 采用不同测量软件时接触式扫描测头的检测结果(5次重复测量平均值)

5 视频测头的检测不确定度

自从视颇测头对经过正确定义的几何体的测量精度达到接触式测头的精度以后,越来越多的CMM用户对选用视频测头感兴趣。
众所周知,在用光学测头探测时,会产生许多附加误差源(如照明类型、光强水平、透镜特性、与被测工件的相互作用等)。测量策略也相当重要。作为一个实例,图4显示了在距离测量中,不同测量窗口尺寸的影响。
因此,光学测头的检测不确定度有较多影响因素。为了将检例不确定度减小到最小程度,用于检测光学铡头的标准(正在制定之中)将严格规定测量条件(包括测量策略)。

6 小结

本文讨论了在检测CMM的重要子系统(回转工作台、接触式扫描测头和视频测头)时,如何确定影响检铡不确定度的误差源。在厘清确定不确定度影响因素的方法后,通过合理的方式,可以对不确定度进行预估。
计算公式的一致性应通过实验室认证获得认可并实现标准化,并在CMM检定与检测服务机构之间进行充分的比对。
本文作者:谢华锟(译)
原载:《工具展望》2008年第5期
上载于:2011-1-20 15:34:04

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