CMM校准测量的不确定度研究

黎艳霞

深圳天溯计量检测股份有限公司       广东省深圳市      518100

摘要：为解决CMM校准测量的不确定问题，本文基于对测量原理与应用注意问题的分析，进一步以尺寸校准测量为切入点，选择从常规测量与替代测量两类方法下，讨论测量程序以及形成不确定度条件，归纳出CMM测量中把控不确定度的着手点，如温度、重复性、待测目标和已校准工件差异等。以期为相关人员降低测量误差提供参考。

关键词：CMM；校准测量；不确定度

引言：CMM属于精密测量仪器，将光电子、计算机、仪器仪表与精密机械等集于一身，能够在许多技术形貌复杂的工件测量任务中发挥作用。和常规长度类规格测量装置相较，CMM支持自动化、高精度测量，可以应对大规格复杂任务。而在CMM得到推广使用的过程中，测量不确定度也备受关注。

1 CMM测量原理

CMM测量的量块尺寸基于空间坐标系中，量块端面距离确认，被测对象的范围标准根据仪器本身确定。通常单轴在1m以内，而分辨率则有1μm与0.1μm两类。测量精度约是2μm，对于尺寸测量不确定问题，通过量块校准。个别测量机的可工作范围较大，甚至能超出10m，而分辨率处于1μm级别，精度通常是10μm，应当借助激光干涉仪实施补充校准。在测量操作中，光栅尺属于基准，因为其自身基本上无热膨胀的问题，加之其为悬浮安装，能确保测量精度与温度。

测量作业时运用原理中，需考虑几个问题：选用CMM的几何量长度功能中，蓝宝石侧头应实行校准测量，同时要保证探测误差值处于允许范围内，并且在采集“面”上的“点”中，尽可能使采集结果和量块当前面积基本相当。待平面采点结束后，检验平面度，保证其符合测量条件[1]。另外，测量软件编程时需注重平面高度，避免对仪器、工件造成损伤。

2 CMM尺寸测量的不确定度

测量体系下，误差分成“粗大”、“随机”、“系统”几类。粗大误差是测量操作失误造成的，能借助有效举措彻底预防、清除。随机误差则是众多细小随机效应导致的，存在抵偿性特征，由此产生不确定度能借助重复性测量降低。系统误差是因为规律性条件导致，存在显著潜伏性，而且其也是造成不确定度的关键来源。

2.1常规测量

常规测量便是利用CMM仪器测出具体数值，或是在一样的条件中进行数次测量，最终结果取平均值。此测量方法比较简易，而且也不必进行修正。在常规测量模式下，针对不确定度因素加以分析，应当采取复现性量值实施检测。在相同类型的测量工作中，倘若短期内CMM特征参数无显著调整，也不必实行此项检测操作，能直接使用先前测出的数值。

测量实验中会用到温度计、CMM与装夹工具。基本准备工作任务为：实验前至少四个小时，将温度调节装置开启，使机房温度保持在设定区间内；按照测量工作，挑选适宜探针系统；清理导轨和作业台面，以及CMM针头与标准球；清洁测量目标工件，把其放于实验环境内实现热平衡；使用CMM温度与测头补偿系统，针对实验空间各项环境参数进行记录，特别是温度；测量实验期间保证对结果有影响的环境因素都处于限制标准内。常规测量方法下，基本作业程序为：第一，测量动作需重复数次。以单次测量为例，实验人员需装夹、固定目标工件，仔细校准测头，构建坐标系，制定、落实采样方案，调整设置仪器参数等。环境条件不变的前提下，至少开展10次测量。第二，检验复现性量值特性。n1位操作者使用一个CMM开展同一测量工作，所以操作者均会实施n2次测量动作，依据所得结果计算出平均值。所有操作者都是独立进行测量，并且在满足规范的基础上各自挑选实验环境与时间，而各项测量条件确认后，不可调整改变，支持在短期内实施连续测试。结果数据由“yij”代表，其中“i”是指操作者，“j”为测量次数。

测量的不确定度可借助量值特性研究，而该类测量操作中引发不确定度的因素包含：首先，示值误差。其是CMM自身机构误差造成的，具体涵盖探测系统与测量程序、光栅尺等。常规测量下，考虑到简化评定环节的问题，不会对长度与直径结果误差补偿在尺寸测量中的影响实施量化处理，而是按照允许示值误差的最大值（MPEE）评估整体的误差影响。建立测量不确定模型中，CMM示值误差导致的不确定度用“uE”代表。其次，测量重复性。其体现在一样实验条件中，某个目标被进行若干次测量后，所得结果一致性。其中重复性要素有：操作程序、仪器、地点等。因此，重复性是针对测量条件与可能会影响到结果的要素实施管控，体现出测量实验时随机效应的干扰，通常会当成不确定度的主要原因。在该项建模中，由于测量重复性导致的不确定度用“urp”代表。再次，测量复现性。其表现在实验条件发生变化后，操作目标结果实际的一致性。其中能调整的条件有仪器、原理、使用条件与方法等。复现性和环境、操作者、设备、方法之间均有联系，属于关键的误差形成原因。进行建模中，由此造成的不确定度用“urd”代表。最后，温度条件。该项实验条件对结果有着巨大影响，这是由于温度改变会令工件与光栅尺规格随之调整，即便在CMM测量中均配以温度补偿方法，但还是会有一些误差未能完全解决

[2]。

2.2替代测量

该种测量方法为了能修正CMM程序误差，同时测量目标与已校准工件，这样有利于优化测量精度。操作基本过程是：先对已校准工件进行固定与测量，随后运用相同的方式安装和测量目标工件，此处应当强调的是，已校准工件需和待测目标之间保持高度近似，如此才具备对比校准的必要性。测量实践中，先要通过专业检测，确认所选已校准工件的可用性，随后安排数次测量，得出测量目标和已校准工件的差值。

对于不确定度的判断依据，应该准备充足的测量数据样本，对于测量目标应当至少进行10次操作，而已校准工件则要实施20次以上的测量。同时为确保结果可信度，也能合理规划测量循环，并将已校准工件的测量动作安排在待测目标前后开展，最终按照所得平均值判断不确定度。

在替代测量方式下，根据量值特性面临的不确定度来源包括：首先，已校准工件，其本身标准可能有误差。系统建模中，对于该类原因引发的不确定用“ucal”代表。其次，测量操作中的标准。该项不确定度评估涵盖测量期间所有随机误差，具体有CMM几何误差与测量重复性，以及测量条件、方案等因素造成误差。在建模分析中，该类不确定用“up”代表。最后，待测目标和已校准工件之间的差别。已校准工件一般是待测目标中的某个，和其他待测目标会有区别，对不确定度会有干扰。比如说，批量产出工件，和当成标准的工件比较，无论是表面特征与材料都可能有不同，继而反映在热膨胀、弹性、形状等方面上，这些对于不确定度均有影响。实际建模中，以“uw”代表待测目标和已校准工件区别造成的不确定度。

结束语：生产实践中，CMM能测量机械加工、模具冲压等产品。目前，在尺寸测量任务中，可以选择不同测量方法，由于篇幅限制，本文仅讨论了常规方法与替代测量。除此之外，还有补偿测量方式。而各种CMM测量方案下，实际对不确定度有显著干扰的因素，侧重会有不同。借助量值特性，可对CMM的测量不确定度问题进行有效分析。

参考文献：

[1]王勇鑫.拉线位移传感器校准大变形引伸计及其测量结果不确定度分析[J].中国计量,2022,(07):103-105.

[2]李梦雪,李静.锚杆质量检测仪的校准方法及测量结果不确定度评定[J].中国计量,2022,(07):116-118+140.