基于PC-DMIS的三坐標測量機測量距離評價的探討

陳曉偉，陳立貴，劉 鯤，夏禮平

（國家機床產品質量監督檢驗中心（安徽），安徽 馬鞍山 243000）

基于PC-DMIS的三坐標測量機測量距離評價的探討

陳曉偉，陳立貴，劉 鯤，夏禮平

（國家機床產品質量監督檢驗中心（安徽），安徽 馬鞍山 243000）

介紹了PC-DMIS軟件中常用的三種距離評價方式以及實際測量中的選用原則，結合實例，簡述了三坐標測量距離的不確定度評定。

PC-DMIS；距離評價；不確定度；三坐標測量機

三坐標測量機是一種高精度、高效率的測量儀器，堪稱萬能測量設備，廣泛應用于機械制造、電子、汽車和航空航天等工業中[1-2]。其工作原理就是將被測物體置于三坐標測量機的測量空間，將各被測幾何元素的測量，轉化為對這些幾何元素上一些點的坐標位置的測量，再根據這些點的空間坐標值，經過數學運算求出其尺寸和形位誤差[3]。而PC-DMIS作為數值處理軟件，是整個測量環節中一個重要的部分，它是將三坐標測量機采集到的點的空間坐標值，通過特定的算法，計算出我們需要的測量量。

日常檢測中，常常會遇到長度、厚度、中心距等幾何尺寸的測量，而這些幾何尺寸的測量，在三坐標檢測中，都可以歸結為距離問題，即通過三坐標對幾何特征測量，得到測量點的空間坐標值，再通過PC-DMIS軟件中的距離評價，得到我們所需要知道的測量值。

1 PC-DMIS中距離評價方式

在PC-DMIS中，對于距離的測量，一般有六種方式：點至點的距離、點至線的距離、點至面的距離、線至線的距離、線至面的距離以及面至面的距離。這六種方式中最常用的是點至點、點至面以及面至面三種。

點至點的距離：評價時分為2D和3D評價兩種。2D評價實際評價的是投影距離，可以是單獨的測量點，也可以是幾何特征的質心點，因此在評價2D距離時，需要先修改工作平面，軟件會先將特征的質心點投影到工作平面，在投影平面上評價質心點的距離。3D評價時，軟件評價的是兩測量點的空間距離。該方式需要采集的點數相對較少，效率相對較高。

點至面的距離：點至面的距離有意義的評價只有3D評價，第一個特征可以是單獨的測量點，也可以是幾何特征的質心點，軟件評價的是第一個特征的質心點到第二個特征的垂直距離。

面至面的距離：面至面的距離評價也只有3D評價一種類型，PC-DMIS中計算的是第一個平面的質心點到第二個平面的最短距離，第二個平面是基準，因此在評價時，特征的順序一定不能弄反。該方式較前兩種往往需要采集更多的點數，需要的時間相對也較長。

理論上來說，對于同一被測工件的同一個尺寸測量，三種方式所得到的結果是一樣的，但是實際測量過程中，三種方式所得到的結果，往往是不一致的。這是因為，在實際生產過程中，被測量的兩個面不可能絕對平行，被測面自身也不可能是絕對平面。在被測件加工精度很高的情況下，三種方式得到的結果沒有太大的區別。但是，對于加工精度不太理想的被測工件，三種方式得到的測量結果會有很大的差別，此時僅僅評價點至點的距離或者點到面的距離并不能反映被測件的真實情況。在這種情況下，通常采用面至面的3D評價，因為在進行面至面的3D距離計算時，PC-DMIS軟件計算的并不只是第一個平面的質心點到第二個平面之間的距離，而且還可以根據需要給出一個平面到另一個平面之間距離的最大值與最小值，這樣，工藝人員就很容易根據測量結果對加工程序進行調整了。

2 三坐標測量距離的不確定度評定

三坐標測量距離的不確定度來源主要為隨機誤差引起的不確定度（A類）以及系統誤差引起的不確定度（B類）。系統誤差引起的不確定度主要來源于以下幾個方面：三坐標測量機的示值誤差引起的不確定度、工件線膨脹系數的變化引起的不確定度、三坐標測量機線膨脹系數的變化引入的不確定度、溫度變化引起的不確定度、工件測量面之間的平行度誤差引入的不確定度以及三坐標測量機測頭直徑誤差引起的不確定度[4]。下面以測量長度為100mm的量塊為例，簡述其不確定度評定過程，測試條件如下：

（1）三坐標測量機精度：4.6+L/250μm；

（2）環境溫度：20±2℃；

（3）量塊的線膨脹系數：11.7±1μm/m℃，三坐標測量機測頭的線膨脹系數：6.8±1μm/m℃；

（4）三坐標測量機測頭直徑誤差：0.2μm。

2.1 A類不確定度評定

A類不確定度評定方法主要有：貝塞爾法、合并樣本標準差法、極差法以及最小二乘法，其中以貝塞爾法最常用。貝塞爾公式為：

對量塊進行10次重復性測量，得到的結果分別為（單位 mm）：100.0013、100.0008、100.0010、100.0015、100.0007、100.0012、100.0005、100.0015、100.0014、100.0016。帶入貝塞爾公式，可得到標準不確定度：

則，由隨機誤差帶來的不確定度分量

2.2 B類不確定度評定

2.2.1 三坐標測量機的示值誤差引起的不確定度

三坐標測量機精度為4.6+L/250μm，按照矩形分布計算，則三坐標測量機的示值誤差引起的不確定度分量

2.2.2 量塊線膨脹系數的變化引起的不確定度

量塊的線膨脹系數為11.7±1μm/m℃，按照矩形分布計算，則量塊線膨脹系數的變化引起的不確定度分量

2.2.3 三坐標測量機線膨脹系數的變化引入的不確定度

三坐標測量機測頭的線膨脹系數為6.8±1μm/m℃，按照矩形分布計算，則三坐標測量機線膨脹系數的變化引入的不確定度分量

2.2.4 溫度變化引起的不確定度

假設測量時的環境溫度變化范圍為±0.5℃，按照矩形分布計算，則溫度變化引起的不確定度分量

2.2.5 工件測量面之間的平行度誤差引入的不確定度

通過測量，得到量塊兩被測面的平行度誤差為1μm，按照矩形分布計算，工件測量面之間的平行度誤差引入的不確定度分量

2.2.6 三坐標測量機測頭直徑誤差引起的不確定度

三坐標測量機測頭直徑誤差為0.2μm，按照矩形分布計算，三坐標測量機測頭直徑誤差引起的不確定度分量

2.3 不確定度的合成

上述7個不確定度分量彼此之間相互獨立，因此無相關性，則合成不確定度

按照GUM 的規定，合成因子k=2，測量量塊兩平面的距離的擴展不確定度

3 結語

本文從評價方式入手，探討了距離評價的不同方式，并結合實例簡述了三坐標測量距離的不確定度評定。但是，并未涉及不同測量點數以及測點的分布情況等因素對測量結果的影響，影響最終測量結果的因素是多方面的。雖然三坐標測量機是一種高精度的測量工具，但是要想充分發揮它的優點，只有正確地使用它，才能經濟、快速、準確地得到測量結果，為產品質量控制提供及時準確的測量數據。

[1]宋文斌.三坐標測量機軟件（PC-DMIS）應用技巧[J].汽車工藝師，2016，（9）：28.

[2]吳 強，李曉娟，李 逸.檢測多個面間相對位置度方法的探討[J].鍛壓裝備與制造技術，2015，50（12）：114-116.

[3]陸宇峰，張德意.三坐標測量機在數控機床配件檢測中的應用[J].化學工程與裝備，2015，（12）：231.

[4]崔柏慧，席 岷，賀 健.坐標測量機面向任務的測量不確定度分析[J].計測技術，2011，（11）：37-40.

The uncertainty evaluation of measuring distance with coordinate measuring machine based on PC-DMIS

CHEN Xiaowei,CHEN Ligui,LIU Kun,XIA Liping
（National Machine Tool Quality Supervision and Inspection Center（Anhui）,Maanshan 243000,Anhui China）

Three different distance evaluation method which is commonly used in PC-DMIS and how to choose in practice are introduced.Uncertainty evaluation of measuring distance with coordinate measuring machine is briefly described with examples.

PC-DMIS;Distance evaluation;Uncertainty;Coordinate measuring machine

TH72；TP274

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.012

1672-0121（2017）04-0041-03

2017-03-08；

2017-05-14

陳曉偉（1987-），男，碩士，工程師，從事機床類產品檢驗檢測。E-mail：344451303@qq.com