影響量塊準(zhǔn)確測量的幾種因素

李　昕　張海霞

(中國飛行試驗研究院計量中心，西安 710089)

0　引言

量塊是由兩個互相平行的測量面之間的距離來確定其工作長度的一種高精度的端面長度標(biāo)準(zhǔn)，量塊常被用作長度計量的標(biāo)準(zhǔn)，通過量塊對計量儀器、器具等示值誤差的檢定，對精密機(jī)械零件尺寸的測量和精密機(jī)床、夾具在加工中定位尺寸的調(diào)整等測量方式，把加工過程中各種制成品的長度與國家以至國際的復(fù)現(xiàn)米定義的基準(zhǔn)器的長度聯(lián)系起來，以達(dá)到長度量值在國內(nèi)和國際的統(tǒng)一。中國飛行試驗研究院校準(zhǔn)/檢測實驗室建立了三等量塊檢定裝置，為院內(nèi)科研試飛任務(wù)所需要的長度計量參數(shù)提供測量基準(zhǔn)，量塊測量偏差值是否準(zhǔn)確直接影響試飛產(chǎn)品及計量儀器的質(zhì)量，所以保證量塊量值的準(zhǔn)確可靠非常重要。

1　電腦量塊測量儀的工作原理

中國飛行試驗研究院校準(zhǔn)/檢測實驗室主要使用DL-3電腦量塊測量儀對量塊進(jìn)行檢定，該設(shè)備全套配置包括：頻率式位移傳感器、計算機(jī)、打印機(jī)、專用接口電路板、儀器底座、測量軟件，其中將接觸式干涉儀的干涉鏡管部分改換為位移傳感器及球面測帽，保留支架部分(底座、立臂和橫臂)和工作臺(主工作臺和輔助工作臺)如圖1所示。該系統(tǒng)采用比較測量，通過撥叉接觸方式將傳感器的輸出信號傳送到電腦并處理，具有精度高、使用便捷的特點。

圖1　電腦量塊測量儀結(jié)構(gòu)圖

2　影響量塊準(zhǔn)確測量的幾種因素

日常檢定過程中，中心長度測量數(shù)值的準(zhǔn)確性對不確定度評定影響較大，為得到準(zhǔn)確可靠的測量數(shù)據(jù)，必須將檢定過程中影響長度準(zhǔn)確測量的因素考慮周全，下面就幾種常見因素進(jìn)行討論并提出解決辦法。

2.1　量塊彎曲變形影響測量值

檢定量塊中心長度，先要用平晶檢其研合性，具體操作如下：對上工作面研合，如果看到量塊的干涉條紋從兩端向內(nèi)彎曲，說明量塊中間接觸平晶，當(dāng)研合下工作面時，則產(chǎn)生相反的情況，即兩端接觸平晶(所有情況只能是微量變形，其研合性必須符合該等量塊的研合性要求)，則說明該量塊整體呈凸形，出現(xiàn)彎曲變形。正常檢定量塊時，量塊上工作面接觸測頭，下工作面接觸工作臺，而量塊彎曲變形呈凸形時需要把下工作面接觸測頭，進(jìn)行檢定，如圖2所示?？傊?dāng)檢定量塊時，反轉(zhuǎn)兩次測量數(shù)據(jù)相差較大時，在研合性合格的前提下，取其較小的測量數(shù)據(jù)作為實際數(shù)據(jù)。

圖2彎曲變形

2.2　量塊或工作臺表面不符合測量條件

在測量時，發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)很不穩(wěn)定，變化大，可能是由于量塊或工作臺表面不符合測量條件導(dǎo)致，這時先用干凈的綢布擦拭工作臺與量塊，仔細(xì)檢查工作臺的表面質(zhì)量，其上應(yīng)沒有凸起的碰傷、劃痕和銹跡；將刀口尺分別與工作臺、量塊研合，如果發(fā)現(xiàn)小毛刺，如測量面邊緣起翹形成的毛刺，可以用油石磨削，如果毛刺大，應(yīng)該進(jìn)行壓光。完成磨削工作后，再次檢查是否將毛刺消除，將量塊放置在工作臺上定溫，重新檢定。檢定時避免用手直接接觸量塊，以免影響恒溫時間。

2.3　受力不平衡影響重復(fù)性

檢定量塊時，需要在工作臺上使用移動框或?qū)Ｓ脢A子推移標(biāo)準(zhǔn)與被測量塊，撥動撥叉使測頭與量塊接觸，然后按照程序采集數(shù)據(jù)。經(jīng)常發(fā)現(xiàn)最初得到的數(shù)據(jù)與后面的數(shù)據(jù)相差較大，以50mm四等量塊為例，10次的數(shù)據(jù)分別為： +0.23，+0.25，+0.22，+0.20，+0.18，+0.17，+0.15，+0.15，+0.18，+0.17μm，這是受力不平衡導(dǎo)致量塊傾斜，如圖3所示，OA為推力和壓力的合力。

圖3　量塊受力圖

被測量塊應(yīng)是靜止?fàn)顟B(tài)，這時要松開撥叉將量塊擺正，來回微量拉動量塊，感覺測頭已接觸量塊表面，撥動撥叉3～5次，使示值趨于穩(wěn)定，靜置數(shù)秒，再開始測量。注意移動大尺寸量塊時，受力點在量塊中下部。

2.4　工作臺狀態(tài)影響測量值

為適應(yīng)各種形狀工件測量的需要，立式接觸式干涉儀配備了測量面呈多種形狀的主工作臺，有瑪瑙、筋型、平面三種工作臺。在量塊檢定中，為避免經(jīng)常更換工作臺的麻煩，大都使用帶筋工作臺，實驗室現(xiàn)選用五筋工作臺，在檢定過程中測量數(shù)據(jù)有時會出現(xiàn)不規(guī)律的變動，經(jīng)推斷與工作臺的狀態(tài)有關(guān)。對工作臺進(jìn)行檢定后發(fā)現(xiàn)工作臺中間筋與兩側(cè)筋高度差Δl小于JJG 101—2004《接觸式干涉儀檢定規(guī)程》中要求，規(guī)程說明筋型工作臺中間的那一條筋平面的中間部位，相對于其本身平面不應(yīng)出現(xiàn)凹形，應(yīng)比兩側(cè)各筋組成的平面高出0.3～0.6μm，左右兩邊等高差應(yīng)不大于0.1μm，工作臺比輔助工作臺高出0.0 1～0.05mm。被測量塊在工作臺上放置，如圖4所示，中間筋與兩側(cè)筋高度差Δl小，減弱測頭壓力作用，導(dǎo)致測頭不能準(zhǔn)確對準(zhǔn)量塊中心，因而量塊放置位置會發(fā)生輕微傾斜，每次傾斜角θ隨著測點位置的不同發(fā)生變化，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，重復(fù)性較大，造成這一現(xiàn)象的原因是工作臺長期使用與量塊在檢定過程中相互摩擦，造成磨損，要對工作臺筋進(jìn)行磨削修理。

圖4　量塊發(fā)生傾斜

有時中心長度的數(shù)據(jù)無明顯異常，而量塊長度變動量很大，即四個角的測量數(shù)值相差很大，如對長度為2.0mm的四等量塊進(jìn)行長度變動量的測量，1、2、3、4角的數(shù)據(jù)分別為-0.01、-0.08、+0.32、+0.35(μm),該量塊長度變動量為0.43μm，超出規(guī)程0.30μm要求，可以利用圖5方法簡單診斷：任選5～10mm中的任意一塊量塊，對準(zhǔn)圖5圓心位置多次測量讀數(shù)，得平均值a1為+0.36μm，將量塊旋轉(zhuǎn)180°在同一位置多次測量取平均值a2為-0.06μm，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)變化量a1-a2較大，這是由于工作臺面與測量軸線不垂直引起的，如上述值表示工作臺左低右高，根據(jù)差值大小與方向來調(diào)整工作臺下部的四個螺釘，直到a1-a2趨向于零。調(diào)整之后，再次對量塊進(jìn)行檢定，才能得到準(zhǔn)確的中心長度和長度變動量測量值。

圖5　診斷方法

3　測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性對不確定度的影響

下面舉例說明中心長度測量值的準(zhǔn)確性對不確定度評定的影響，具體方法：用電腦量塊測量儀以3等量塊作標(biāo)準(zhǔn)檢定4等量塊。數(shù)學(xué)模型如下：

l=ls+r-lsasΔt-lsΔa(t-20)-δs(ΔPs)+

δ(ΔP)

(1)

式中：l為被測量塊在20℃時的中心長度，mm；ls為標(biāo)準(zhǔn)量塊中心長度，mm；r為測量數(shù)據(jù)，μm；t為被檢量塊的溫度，℃；a為線膨脹系數(shù)，℃-1；Δt即t-ts，為被檢量塊與標(biāo)準(zhǔn)量塊的溫度差，℃；Δa即a-as，為被檢量塊與標(biāo)準(zhǔn)量塊的線膨脹系數(shù)差，℃-1；δs(ΔPs)為測點偏離標(biāo)準(zhǔn)量塊中心所產(chǎn)生的誤差，μm；δ(ΔP)為測點偏離被檢量塊中心所產(chǎn)生的誤差，μm。

對式中各影響量求偏導(dǎo)數(shù)，可得對應(yīng)于各影響量的靈敏系數(shù)：

c1=|?l/?ls|=1c2=|?l/?r|=1c3=|?l/?as|=lsΔt

c4=|?l/?Δt|=lsasc5=|?l/?Δa|=ls(t-20)

3.1　標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評定

對應(yīng)上述影響量，不確定度來源由8個不確定度分量構(gòu)成，下面以100mm四等量塊為例，表1說明每個不確定度分量數(shù)值。

表1　100mm量塊不確定度分量表

3.2　測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性對擴(kuò)展不確定度的影響

由于電腦量塊測量儀是自動讀數(shù)，所以測量數(shù)據(jù)的不確定度u2與讀數(shù)誤差無關(guān)，僅與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和量塊狀態(tài)有關(guān)。對量塊進(jìn)行20次獨立的重復(fù)測量，測量值(單位μm)為 +0.61，+0.11，+0.28，+0.24，+0.25，+0.15，+0.58，+0.28，+0.14，+0.22， +0.45，+0.28，+0.24，+0.14， +0.15，+0.58，+0.28，+0.28，+0.15，+0.11。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度：u(r)=δ(r)=0.160μm

得到對應(yīng)的不確定度分量和自由度為：

u2=c2u(r)=0.160μm

(2)

ν2=19

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(l)的評定：

= 0.19μm

(3)

有效自由度：

(4)

擴(kuò)展不確定度U99的評定：取置信概率0.99，可得kp=2.72。擴(kuò)展不確定度：

U99=0.19×2.72=0.50μm

(5)

根據(jù)量塊檢定規(guī)程要求，四等量塊的長度不確定度允許值為0.20+2×10-6=0.40μm，而我們估算的擴(kuò)展不確定度0.50μm超過規(guī)程要求的0.40μm,該量塊必須降級使用。對其測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)u2在擴(kuò)展不確定度評定過程中所占比例為32％，重復(fù)性較大，影響標(biāo)準(zhǔn)偏差。對影響因素逐條排除發(fā)現(xiàn)五筋工作臺的筋高度差僅有0.2μm，不滿足(0.3～0.6)μm的檢定要求，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，對五筋工作臺進(jìn)行修理，對該量塊重新測量20次，數(shù)據(jù)如下(單位μm)：+0.11，+0.15，+0.12，+0.14，+0.18，+0.11，+0.12，+0.16，+0.11，+0.13，+0.18，+0.17，+0.17，+0.17，+0.20，+0.19，+0.17，+0.18，+0.15，+0.18。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度：u(r)=δ(r)=0.029μm

對應(yīng)的不確定度分量和自由度為：

u2=c2u(r)=0.029μm

(6)

ν2=19

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：uc(l)=0.09μm有效自由度：νeff(l)=108

取置信概率0.99，可得kp=2.62，擴(kuò)展不確定度：U99=0.09×2.62=0.26(μm)<0.40μm,該100mm量塊符合四等要求。由此可知，測量數(shù)值的準(zhǔn)確性對不確定度評定的影響很大。

3　結(jié)束語

量塊作為長度量值基本的實物標(biāo)準(zhǔn)，所傳遞的長度量值在科研、生產(chǎn)過程中起到了重要的作用，所以獲取準(zhǔn)確可靠的測量數(shù)據(jù)至關(guān)重要，在量塊檢定過程中，這幾類影響準(zhǔn)確測量的因素是比較常見的，可以做到防患于未然，發(fā)現(xiàn)問題能認(rèn)真分析，對癥下藥，如此才能保證長度量值傳遞的順利進(jìn)行，確?？蒲性囷w任務(wù)的有效開展。

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[2]李樹波.量塊檢定中存在的問題.計量技術(shù)，2001(6).

[3]JJG 146—2011量塊檢定規(guī)程.

[4]JJF 1059.1—2012測量不確定度評定與表示技術(shù)規(guī)范.

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