基于PC-DMIS的三坐标测量机测量距离评价的探讨

陈晓伟，陈立贵，刘 鲲，夏礼平

（国家机床产品质量监督检验中心（安徽），安徽 马鞍山 243000）

基于PC-DMIS的三坐标测量机测量距离评价的探讨

陈晓伟，陈立贵，刘 鲲，夏礼平

（国家机床产品质量监督检验中心（安徽），安徽 马鞍山 243000）

介绍了PC-DMIS软件中常用的三种距离评价方式以及实际测量中的选用原则，结合实例，简述了三坐标测量距离的不确定度评定。

PC-DMIS；距离评价；不确定度；三坐标测量机

三坐标测量机是一种高精度、高效率的测量仪器，堪称万能测量设备，广泛应用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中[1-2]。其工作原理就是将被测物体置于三坐标测量机的测量空间，将各被测几何元素的测量，转化为对这些几何元素上一些点的坐标位置的测量，再根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出其尺寸和形位误差[3]。而PC-DMIS作为数值处理软件，是整个测量环节中一个重要的部分，它是将三坐标测量机采集到的点的空间坐标值，通过特定的算法，计算出我们需要的测量量。

日常检测中，常常会遇到长度、厚度、中心距等几何尺寸的测量，而这些几何尺寸的测量，在三坐标检测中，都可以归结为距离问题，即通过三坐标对几何特征测量，得到测量点的空间坐标值，再通过PC-DMIS软件中的距离评价，得到我们所需要知道的测量值。

1 PC-DMIS中距离评价方式

在PC-DMIS中，对于距离的测量，一般有六种方式：点至点的距离、点至线的距离、点至面的距离、线至线的距离、线至面的距离以及面至面的距离。这六种方式中最常用的是点至点、点至面以及面至面三种。

点至点的距离：评价时分为2D和3D评价两种。2D评价实际评价的是投影距离，可以是单独的测量点，也可以是几何特征的质心点，因此在评价2D距离时，需要先修改工作平面，软件会先将特征的质心点投影到工作平面，在投影平面上评价质心点的距离。3D评价时，软件评价的是两测量点的空间距离。该方式需要采集的点数相对较少，效率相对较高。

点至面的距离：点至面的距离有意义的评价只有3D评价，第一个特征可以是单独的测量点，也可以是几何特征的质心点，软件评价的是第一个特征的质心点到第二个特征的垂直距离。

面至面的距离：面至面的距离评价也只有3D评价一种类型，PC-DMIS中计算的是第一个平面的质心点到第二个平面的最短距离，第二个平面是基准，因此在评价时，特征的顺序一定不能弄反。该方式较前两种往往需要采集更多的点数，需要的时间相对也较长。

理论上来说，对于同一被测工件的同一个尺寸测量，三种方式所得到的结果是一样的，但是实际测量过程中，三种方式所得到的结果，往往是不一致的。这是因为，在实际生产过程中，被测量的两个面不可能绝对平行，被测面自身也不可能是绝对平面。在被测件加工精度很高的情况下，三种方式得到的结果没有太大的区别。但是，对于加工精度不太理想的被测工件，三种方式得到的测量结果会有很大的差别，此时仅仅评价点至点的距离或者点到面的距离并不能反映被测件的真实情况。在这种情况下，通常采用面至面的3D评价，因为在进行面至面的3D距离计算时，PC-DMIS软件计算的并不只是第一个平面的质心点到第二个平面之间的距离，而且还可以根据需要给出一个平面到另一个平面之间距离的最大值与最小值，这样，工艺人员就很容易根据测量结果对加工程序进行调整了。

2 三坐标测量距离的不确定度评定

三坐标测量距离的不确定度来源主要为随机误差引起的不确定度（A类）以及系统误差引起的不确定度（B类）。系统误差引起的不确定度主要来源于以下几个方面：三坐标测量机的示值误差引起的不确定度、工件线膨胀系数的变化引起的不确定度、三坐标测量机线膨胀系数的变化引入的不确定度、温度变化引起的不确定度、工件测量面之间的平行度误差引入的不确定度以及三坐标测量机测头直径误差引起的不确定度[4]。下面以测量长度为100mm的量块为例，简述其不确定度评定过程，测试条件如下：

（1）三坐标测量机精度：4.6+L/250μm；

（2）环境温度：20±2℃；

（3）量块的线膨胀系数：11.7±1μm/m℃，三坐标测量机测头的线膨胀系数：6.8±1μm/m℃；

（4）三坐标测量机测头直径误差：0.2μm。

2.1 A类不确定度评定

A类不确定度评定方法主要有：贝塞尔法、合并样本标准差法、极差法以及最小二乘法，其中以贝塞尔法最常用。贝塞尔公式为：

对量块进行10次重复性测量，得到的结果分别为（单位 mm）：100.0013、100.0008、100.0010、100.0015、100.0007、100.0012、100.0005、100.0015、100.0014、100.0016。带入贝塞尔公式，可得到标准不确定度：

则，由随机误差带来的不确定度分量

2.2 B类不确定度评定

2.2.1 三坐标测量机的示值误差引起的不确定度

三坐标测量机精度为4.6+L/250μm，按照矩形分布计算，则三坐标测量机的示值误差引起的不确定度分量

2.2.2 量块线膨胀系数的变化引起的不确定度

量块的线膨胀系数为11.7±1μm/m℃，按照矩形分布计算，则量块线膨胀系数的变化引起的不确定度分量

2.2.3 三坐标测量机线膨胀系数的变化引入的不确定度

三坐标测量机测头的线膨胀系数为6.8±1μm/m℃，按照矩形分布计算，则三坐标测量机线膨胀系数的变化引入的不确定度分量

2.2.4 温度变化引起的不确定度

假设测量时的环境温度变化范围为±0.5℃，按照矩形分布计算，则温度变化引起的不确定度分量

2.2.5 工件测量面之间的平行度误差引入的不确定度

通过测量，得到量块两被测面的平行度误差为1μm，按照矩形分布计算，工件测量面之间的平行度误差引入的不确定度分量

2.2.6 三坐标测量机测头直径误差引起的不确定度

三坐标测量机测头直径误差为0.2μm，按照矩形分布计算，三坐标测量机测头直径误差引起的不确定度分量

2.3 不确定度的合成

上述7个不确定度分量彼此之间相互独立，因此无相关性，则合成不确定度

按照GUM 的规定，合成因子k=2，测量量块两平面的距离的扩展不确定度

3 结语

本文从评价方式入手，探讨了距离评价的不同方式，并结合实例简述了三坐标测量距离的不确定度评定。但是，并未涉及不同测量点数以及测点的分布情况等因素对测量结果的影响，影响最终测量结果的因素是多方面的。虽然三坐标测量机是一种高精度的测量工具，但是要想充分发挥它的优点，只有正确地使用它，才能经济、快速、准确地得到测量结果，为产品质量控制提供及时准确的测量数据。

[1]宋文斌.三坐标测量机软件（PC-DMIS）应用技巧[J].汽车工艺师，2016，（9）：28.

[2]吴 强，李晓娟，李 逸.检测多个面间相对位置度方法的探讨[J].锻压装备与制造技术，2015，50（12）：114-116.

[3]陆宇峰，张德意.三坐标测量机在数控机床配件检测中的应用[J].化学工程与装备，2015，（12）：231.

[4]崔柏慧，席 岷，贺 健.坐标测量机面向任务的测量不确定度分析[J].计测技术，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

陈晓伟（1987-），男，硕士，工程师，从事机床类产品检验检测。E-mail：344451303@qq.com