形位误差测量不确定度研究状况

    1 引言

    形状和位置误差(简称形位误差)是机械零件及一切工业制品上的几何要素的形状(直线度、平面度、图度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度)及其相对位置(平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度、位置度、圆跳动和全跳动等)的宏观误差。国家颁布的5产品几何量技术规范(GPS)形状和位置公差检测规定6(GB/T 1958-2004)标准规定:形位误差是指被测提取要素对其拟合要素的变动量。它将影响零件的使用性能和装配质量等功能。对形位误差的研究,我国是从上世纪70年代末至80年代初开始一直到现在。自/形状和位置公差0的国家标准颁布以来,有关形位误差的测量和评定理论得到迅速发展。总的来说,国内对形位误差的研究在短短的二十多年里取得了可喜的成绩,但仍有许多重要理论问题尚待研究,关于形位误差测量结果的不确定度评定就是需要解决的重要问题之一。

    到目前为止,国内外对形位误差的测量结果,绝大多数是没有给出其不确定度的。在生产实际中是如此,在大量的形位误差测量研究文献中也是如此。随着现代精密和超精密加工技术以及纳米技术的迅速发展,机械工业产品的制造精度也不断提高,对形位误差测量结果不确定度进行分析显得尤为重要,若不进一步解决零件和制品的形状和位置公差及其检测中的这个重大问题,将严重影响和制约产品的质量评定和质量保证。因此,深入研究形位误差测量结不确定度不仅对计量学和测量误差理论的深化具有重要科学价值,而且对工程实际中形状和位置公差标准的贯彻、保证产品的制造质量、研究开发高精度的形位误差测量仪器仪表等方面,都有重要的实用价值和社会经济效益。

    2 国内外研究动态

    国内外学者对形位误差测量不确定度问题十分关注,汪恺[1]院士等指出/形位误差的测量误差是一个非常重要的概念,它是客观存在的,它的大小表征着测量结果的可靠与否和可信程度。但由于形位误差测量误差的分析过程很复杂(甚至有时分析不出来),且存在不少技术难点,所以在日常检测工作中,往往将该问题简化或回避。形位误差的测量误差分析一直是本领域的一个薄弱环节,但却是十分重要的环节,尤其对产品上的主要件和关键件的形位误差测量更是如此,望在实际中予以重视。0自从不确定度理论提出以来,国内外对形位误差测量结果不确定度的研究十分重视,逐步开展了研究工作。

    2.1 国内研究动态

    由于形位误差测量的重要性和复杂性,需要研究的问题比较多,有关的研究文献也很多,但大体上可以分为以下三个方面:(1)有关形位误差的测量方法、测量系统或仪器的设计研制等。(2)有关数据处理及评定方法的研究。(3)有关形位误差测量结果的不确定度分析估计方面的研究。目前,对于前两个方面的研究成果比较多,国家标准亦有此方面的详细说明,而对于形位误差测量结果不确定度方面的研究却很少。文献[2]探讨了测量点数对圆度测量不确定度的影响,提出了测点选择的一些建议,但没有就测量点对测量结果不确定度的影响问题进行定量的研究。文献[3]通过实例给出用节距法测量平面度误差时,测量结果不确定度的相关计算方法,改进了通常按独立测量计算方法存在的问题,并给出了基于矩阵法的相关算法。文献[4]用最小二乘法推导出三点法和多点法采样策略(测量点数、测量点数的分布)和圆参数(圆心坐标、半径)测量不确定度的关系。文献[5]根据平面度最小二乘检验的基本原理和ISO/TS 14253-2给出的不确定度传递公式,提出了一种平面度坐标测量不确定度的计算方法。文献[6]根据空间直线度坐标测量的基本原理和新一代GPS(Geometrical Product Specification)标准的不确定度理论,提出了一种空间直线度坐标测量的不确定度的计算方法,从而保证了空间直线度坐标测量结果的完整性和有效性。文献[7]介绍了关于直线拟合参数的不确定度的评定方法,并将用图解法的求解结果与用最小二乘法的求解结果进行比较,得出用最小二乘法处理的结果比用图解法处理的结果精度要高。文献[8]简要介绍了用Taly-rond 265型圆度仪测量零件圆柱度的方法及其误差来源,通过分析,找出了对圆柱度测量不确定度起主要作的误差分量,并举例说明了不同高度零件圆柱度测量不确定度的计算与评定方法。