万能测量机校准步距规示值的测量不确定度分析

　　0　引言

　　步距规是近几年使用渐广的计量标准器,具有便携、易安装、多尺寸等特点,是坐标机和加工中心校准中使用比较方便的标准器。

　　由于步距规的结构特点及高准确度尺寸示值,普通的测量设备无法对其进行准确测量。通常在校准步距规时,需要一台价格昂贵的计量型坐标测量机,或制造一套专门的测量系统,并配合激光干涉仪进行测量。

　　我们实验室配备一台60年代德国产的Leitz机械式万能测量机(以下简称测量机),其长轴测量范围达1000mm,配备多种附件,具有多种测量能力。我们将其与Renishaw激光干涉仪配合使用,替代原光学刻度尺进行读数,组成了一套高准确度的测量系统,可以方便地对步距规进行测量[1]。

　　1　测量方法

　　通过该测量机的光学灵敏杠杆(以下简称灵敏杠杆)对步距规的工作面依次进行瞄准,在激光干涉仪上读出其位移。

　　由于这种方法采用激光干涉仪进行位移量的读数,因而可以达到较高的准确度,其不确定度来源主要有灵敏杠杆的瞄准误差、测量机导轨移动的直线度和角摆、激光干涉仪的测长不确定度、温度传感器的精度、环境条件等因素[1]。

　　为减小测量误差,在使用该系统时需注意以下几个方面:

　　1)死程误差的影响。在激光器定标时,尽量使固定和移动镜组彼此间隔最小。当干涉镜和反射镜距离10mm内时,则死程误差可以忽略。

　　2)波长补偿的影响。激光干涉仪的激光波长受空气压力、温度、湿度的影响,要正确放置各传感器,必要时可使用更高准确度的环境传感器进行激光波长的补偿。

　　3)余弦误差的影响。激光测量系统与运动轴未准直时,则会产生余弦误差,要使余弦误差达到最小,测量激光束必须准直,并与运动轴平行。

　　4)阿贝误差的影响。导轨移动会受直线度和角摆影响而产生俯仰或偏转时,不在同一测量轴线的激光束可能造成阿贝测量误差,测量时要尽可能使测量轴线和激光束重合(或尽量靠近)。

　　2　测量不确定度评定

　　为说明该测量系统的测量准确度,我们进行一次实际测量来评估其测量准确度。

　　此次测量对象为钢制600mm步距规,测量的目标不确定度在600mm时小于U=1μm,k=2。

　　环境条件:(20±0.5)℃

　　2.1　数学模型:

　　l=ls-d(1)

　　式中:l为步距规的实际尺寸,单位mm;ls为激光干涉仪的读数,单位mm;d为灵敏杠杆的测头直径,单位mm。

　　2.2　输入量ls的标准不确定度

　　输入量ls的不确定度主要来源于瞄准及测量重复性引入的不确定度u1、激光频率误差引入的不确定度u2、激光波长补偿误差引入的不确定度u3、步距规线膨胀系数误差引入的不确定度u4、步距规线膨胀系数的修正引入的不确定度u5、余弦误差引入的不确定度u6、阿贝误差引入的不确定度u7。