精密机床振动检测试验系统测量结果的不确定度评定与分析*

朱　岩，王天琪，付　巍

(1. 中国航空工业集团公司 北京长城计量测试技术研究所，北京 100095；2. 中北大学 计算机与控制工程学院，山西 太原 030051)



精密机床振动检测试验系统测量结果的不确定度评定与分析*

朱岩1，王天琪2，付巍2

(1. 中国航空工业集团公司 北京长城计量测试技术研究所，北京 100095；2. 中北大学 计算机与控制工程学院，山西 太原 030051)

摘要:获取准确、可靠的振动信号是保证振动主动控制系统正常工作的一个重要条件. 根据精密航空零件加工机床的振动主动控制系统的设计指标要求，设计了机床振动检测试验系统. 为了保证该系统的频率测量结果准确、可靠且符合设计指标要求，从系统试验结果的偏差性、压电加速度计、标准电荷放大器、动态信号分析仪、装置年稳定性、环境温度、交流声和噪声、横向振动和人员读数分散性等9个方面评定了系统测得的振动信号频率的各类不确定度及其分量，形成了机床振动检测试验系统频率测量结果的不确定度报告，并对两类不确定度的评定结果进行了对比分析，结果表明： 机床振动检测试验系统的设计是合理的，重复测量结果准确、可靠，符合设计指标要求； 采用引入不确定度的方法描述系统测得的振动信号，提高了测量结果的准确度和可信度； 同时，为今后进一步提高此类检测系统测量结果的准确性与可靠性，提供了合理、有效的方法.

关键词:振动检测试验系统； 振动信号频率； 不确定度评定

0引言

振动现象普遍存在于人们的工程实践当中，特别是在航空航天、精密机加以及土木、桥梁建筑等领域. 多数情况下，振动在工程实践中是不利的，需要加以抑制[1,2]. 例如，飞行运载体在飞行过程中产生的振动，会影响其内部导航系统的导航精度； 精密航空零件的机加设备运行时，机床产生的振动会影响零件的加工精度[3]. 目前，常采用振动主动控制系统对结构的振动进行有效地抑制. 与传统的被动隔振方式不同，振动主动控制系统需要实时获取被控对象较为精确的振动信号，因此，合理、准确地测得被控对象的振动信号变得十分重要，振动信号测量的精确程度，将直接影响振动主动控制系统的减振效果，这就对振动检测系统测量结果的准确度与可信度提出了要求.

不确定度是目前常用于表征测量结果真值在某个量值范围波动的估计的概念[4]，其一方面体现了系统测量结果的估计值与分散性[5]，从而反映测量结果的准确度与可信度； 另一方面，为了保证系统的测量精度，可由系统的不确定度对系统进行误差分配，达到改进系统的目的； 故不确定度可以用于分析和评价振动检测系统测量结果的准确度与可信度.

因此，本文根据精密航空零件加工机床的振动主动控制系统的设计指标要求，对构建的振动检测试验系统的测量结果进行不确定度评定与分析，保证该系统的测量精度符合要求(<2%)，测量结果合理可靠，能够用于精密航空零件加工机床的振动主动控制系统的设计中.

1机床振动检测试验系统

机床振动检测试验系统的结构如图1 所示. 机床振动检测试验系统主要由激振源、功率放大器、振动台、压电加速度传感器、标准电荷放大器和动态信号分析仪构成. 激振源配合功率放大器用于驱动振动台按照激振源信号的规律产生振动； 压电加速度传感器配合标准电荷放大器用于检测振动信号； 动态信号分析仪用于显示所测得的振动信号的频率等参数.

图1　机床振动检测试验系统结构框图Fig.1　The structure diagram of machine tool vibration test system

图1 中，将压电加速度传感器紧密地粘贴在振动台的表面，振动台按照激振源信号的规律产生振动，压电加速度传感器检测振动台的振动信号，并经由标准电荷放大器输出到动态信号分析仪，动态信号分析仪对所获取的振动信号进行分析，并显示出振动信号的频率等参数.

2测量结果的不确定度评定

测量系统的不确定度主要来源于测量人员、测量装置、测量方法和外部环境[4,6]，分为A类不确定度和B类不确定度，其中A类不确定度主要着眼于重复试验下的测量结果，常通过分析一系列观测数据的统计规律来评定； B类不确定度主要考虑测量系统本身以及外部环境等因素，常基于经验或相关标准认定的概率分布来评定； 故在分析测量系统结果的不确定度时，首先应当找出可能影响测量结果不确定度的分量因素，将其分类后，按照相应的评定方法进行评定，得到各不确定度分量，最后将各不确定度分量按照一定的方法进行合成，得到系统测量结果的合成不确定度以及扩展不确定度，由此即可评价系统测量结果的准确性与可靠性.

因此，针对本文构建的机床振动检测试验系统，主要从系统重复性试验结果的偏差性[7]、压电加速度计等测量装置自身、温度等外部环境以及测量人员读数等9个方面，评定系统测得的振动信号频率的不确定度.

2.1振动信号频率A类不确定度评定

采用动态信号分析仪对振动信号的频率示值进行检定，属于直接型测量，故不需要另外建立数学模型. 试验时，检测系统在相同的振动情况下，对振动信号的频率进行了10次相互独立的测量，测量结果见表1.

表1　频率测量试验结果

根据测量结果不确定度的分类和评定方法，系统重复性测量产生的不确定度属于A类不确定度，故可以采用贝塞尔法[7]估计试验测试结果的标准偏差，从而得到振动信号频率的A类不确定度，记为μA.

10次频率测量值的最佳估值(算术平均值)

(1)

由贝塞尔法估计标准偏差

(2)

故振动信号频率的A类不确定度

(3)

2.2振动信号频率B类不确定度评定

2.2.1压电加速度计引入的不确定度

压电加速度计是该检测系统的一部分，其装置本身存在的不确定度也会引入到检测系统测量结果的不确定度中，这种不确定度属于B类不确定度. 压电加速度计自身的不确定度为1.0%，置信系数k=2，按照B类不确定度的评定方法，压电加速度计对测量结果引入的不确定度

(4)

2.2.2标准电荷放大器引入的不确定度

(5)

2.2.3动态信号分析仪引入的不确定度

(6)

2.2.4压电加速度计年稳定性带来的不确定度

(7)

2.2.5环境温度变化引起的不确定度

(8)

2.2.6交流声和噪声引起的不确定度

(9)

2.2.7横向振动引起的不确定度

(10)

2.2.8人员读数分散性引起的不确定度

(11)

2.2.9振动信号频率的B类不确定度

根据上述B类不确定度分量的评定，且各影响因素之间相互独立，可以求得振动信号频率的B类不确定度

(12)

2.3振动信号频率合成不确定度评定

在上述A、B类不确定度的评定的基础上，由不确定度的合成方法可以得到用该系统测量振动信号频率的合成不确定度

(13)

2.4振动信号频率扩展不确定度评定

当置信水平为0.95时，上述9个因素向测量结果引入的总误差服从t分布，所对应的置信因子kc=2，故系统测量振动信号频率的扩展不确定度

(14)

3测量结果不确定度报告及分析

3.1测量结果不确定度报告

经上述分析，本文主要从系统的重复性试验结果的偏差性、压电加速度计、标准电荷放大器、动态信号分析仪、装置年稳定性、环境温度、交流声和噪声、横向振动和人员读数分散性这9个方面，评定了系统测得的振动信号频率的各类不确定度及其分量，形成了机床振动检测试验系统频率测量结果的不确定度报告，具体内容见表2.

表2　测量结果不确定度报告

3.2测量结果不确定度分析

从上述系统测量结果的不确定度可以看出，测量结果的不确定度来源有很多，并且不同种类的来源对测量结果产生的不确定度也有差异. 具体分析如下：

1) 本系统测量结果的不确定度主要集中在B类不确定度，相比之下，A类不确定度较小，这说明本系统的设计与搭建是合理、有效的，在使用过程中，重复测量获得的数据也是准确、可靠的；

2) 为了使测量结果更加准确，应当尽量降低B类不确定度，如选择精度更高、年稳定性更好的压电加速度计，在使用时尽量保证环境温度的恒定，增加屏蔽或封装等措施来防止交流、噪声干扰等，这样才能进一步提高测量结果的准确度；

3) 由于B类不确定度在评定过程中，多数凭借经验和工程实际中的规律，为了提高测量结果的可靠性，应当不断改进和完善B类不确定度的评定方法，使评定结果更加符合工程实际，从而提高测量结果的可信度.

4结论

根据精密航空零件加工机床的振动主动控制系统的设计指标要求，搭建了机床振动检测试验系统. 为了保证该系统的频率测量结果准确、可靠且符合设计指标要求，本文从系统的重复性试验结果的偏差性、压电加速度计、标准电荷放大器、动态信号分析仪、装置年稳定性、环境温度、交流声和噪声、横向振动和人员读数分散性这9个方面，评定了系统测得的振动信号频率的各类不确定度及其分量，形成了机床振动检测试验系统频率测量结果的不确定度报告，并对两类不确定度的评定结果进行了对比分析，结果表明机床振动检测试验系统的设计与搭建是合理、有效的，重复测量结果是准确、可靠的，符合设计指标要求； 采用引入不确定度的方法描述系统测得的振动信号，提高了测量结果的准确度和可信度； 此外，为了进一步提高测量结果的准确性与可靠性，可以在改进检测系统时，选用精度更高、年稳定性更好的压电加速度计，尽量保证工作环境温度的恒定以及增加屏蔽或封装等措施来防止噪声干扰，不断改进和完善B类不确定度的评定方法.

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The Evaluation and Analysis on Indeterminacy of Measurement Results of Vibration Testing System for Precision Machine Tools

ZHU Yan1, WANG Tianqi2, FU Wei2

(1.Aviation Industry Corporation of China, Changcheng Institute of Metrology & Measurement, Beijing 100095, China;2. School of Computer and Control Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:Obtaining accurate and reliable vibration signals is an important condition to ensure the normal operation of the active vibration control system.A vibration test system for the machine tool is designedaccording to the design requirements of vibration active control system for machine tool of precise aviation parts. In order to ensure that the frequency results of the system are both accurate and reliable, which can meet the design requirements,the indeterminacy and its components of the frequency measurement results are evaluatedfrom the nine aspects of deviation of repetitive test results, piezoelectric accelerometer, standard charge amplifier, dynamic signal analyzer, device stability, environmental temperature, hum and noise, transverse vibration and the dispersion of personnel reading. A report on the indeterminacy of the frequency measurement results is developed, the evaluation results of the two kinds of indeterminacy are compared and analyzedand the results show that the design and construction of the machine tool vibration test system are reasonable and effective, repeated measurement results are accurate, reliable and meet the design requirements, indeterminacy is introduced to describe measured vibration signal, which improves the accuracy and reliability of the measurement results. A new reasonable and effective methods are provided to improve the accuracy and reliability of the measurement results of this kind of testing system in the same time.

Key words:vibration test system; vibration signal frequency; the evaluation of the indeterminacy

文章编号:1671-7449(2016)04-0347-06

收稿日期：2016-03-20

基金项目：国防基础科研计划资助项目(A102012003)

作者简介：朱岩(1965-)，男，研究员，硕士，主要从事机电一体化及测控技术等研究.

中图分类号:TB936

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.04.011