[發明專利]一種坐標測量機測量不確定度評定方法

在審

• 申請號: 201410654418.4
• 申請日: 2014-11-14
• 公開（公告）號: CN104376211A
• 公開（公告）日: 2015-02-25
• 發明（設計）人: 陳曉懷;程銀寶;王漢斌;徐磊;姜瑞
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

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x_(i)，即有：

x₍₁₎≤x₍₂₎≤···≤x_(a)；

(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；

(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：

uST=x(a)-x(1)3.]]>

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≥5，b≥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：

x‾=1m-1Σi=1i≠qmxi‾;]]>

(e.2)、計算不包括在內的測量組的標準差：

σ=Σvi2m-2;]]>

(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|xq-x‾|>K·σ,]]>則認定為異常值，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(x_i)：

s(xi)=Σj=1b(xij-xi‾)2b-1;]]>

(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：

sp(x)=Σi=1ms(xi)2m=Σi=1mΣj=1b(xij-xi‾)2m·(b-1);]]>

(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：

uRD=sp(x)=Σi=1mΣj=1b(xij-xi‾)2m·(b-1).]]>

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u_ST：

uST=x(a)-x(1)3;]]>

(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u_RD：

uRD=Σi=1mΣj=1b(xij-xi‾)2m·(b-1);]]>

(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u_RT：

uRT=1N·(n-1)Σi=1n(xi-x‾)2;]]>

(4)、測量系統的線性和偏移特性所引起的不確定度分量u_LB，通過示值誤差Δ_E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u_LB為：

uLB=ΔE3;]]>

(5)、測量系統的分辨率特性所引起的不確定度分量u_RS，分辨率特性所引起的不確定度分量u_RS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_RS為：

uRS=e23;]]>

(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u_T，過程如下：

(6.1)、建立溫度補償的誤差數學模型：

δ_x＝x·(α_s-α_x)·ΔT+x·α_s·Δt_s-x·α_x·Δt_x，

式中，x表示被測參數的數值大小，α_s表示坐標測量機光柵尺的線膨脹系數，α_x表示工件的線膨脹系數，ΔT表示測量環境的實際環境溫度與標準溫度20℃的差值，Δt_s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，Δt_x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：

δ_x＝x·α_s·ΔT-x·α_x·ΔT+x·α_s·Δt_s-x·α_x·Δt_x，

令

δ_x＝δ₁-δ₂+δ₃-δ₄，

其中，δ₁＝x·α_s·ΔT；δ₂＝x·α_x·ΔT；δ₃＝x·α_s·Δt_s；δ₄＝x·α_x·Δt_x；

針對定義的δ₁、δ₂、δ₃、δ₄四個分量分別進行測量不確定度評定；

(6.3)、δ₁＝x·α_s·ΔT中包含了數學期望為0的變量ΔT，所以其不確定度u(δ₁)的數學表達式為：

u(δ₁)＝x·α_s·u(ΔT)；

(6.4)、δ₂＝x·α_x·ΔT中也包含了數學期望為0的變量ΔT，所以其不確定度u(δ₂)的數學表達式為：

u(δ₂)＝x·α_x·u(ΔT)；

在步驟(6.3)和(6.4)中，ΔT為實驗室環境溫度與標準參考溫度20℃的偏差，假設其服從反正弦分布(U形分布)，則：

u(ΔT)=ΔT2;]]>

(6.5)、δ₃＝x·α_s·Δt_s中包含了數學期望為0的變量Δt_s，所以其不確定度u(δ₃)的數學表達式為：

u(δ₃)＝x·α_s·u(Δt_s)，

式中，Δt_s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(Δt_s)≈0℃，因此該分量可忽略不計；

(6.6)、δ₄＝x·α_x·Δt_x中包含了數學期望為0的變量Δt_x，所以其不確定度u(δ₄)的數學表達式為：

u(δ₄)＝x·α_x·u(Δt_x)，

式中，Δt_x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：

u(Δtx)=Δtx2;]]>

(6.7)、合成環境溫度所引起的不確定度：

uT=[u(δ1)]2+[u(δ2)]2+[u(δ3)]2+[u(δ4)]2;]]>

(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：

uC=uST2+uRD2+uRT2+uLB2+uRS2+uT2]]>

(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·u_C,k＝2。