螺纹测量中不同设备测量结果不确定度分析

螺纹测量中不同设备测量结果不确定度分析

刘春学  王希 

上海市质量监督检验技术研究院  上海市  201114

摘要：本文根据分析了测长仪三针法与综合螺纹测量仪直接扫描法对于测量螺纹塞规的测量过程、不确定度的数学模型、以及两种设备、测量方法各自不确定度产生的分量源头，通过实际例子对比其不确定度的值。

关键词：螺纹、不确定度、测长仪、综合螺纹测量仪

一、引言：螺纹是工业基石，螺纹检测是工业检测中非常重要的组成部分，其准确程度将很大程度上决定了生产、加工精度。目前最常见的设备有测长仪、综合螺纹测量仪，各大计量检测机构都不同程度的开展了螺纹量规的测量工作，但是这两种设备的测量原理完全不一致，对不确定度的影响也始终困扰着螺纹的计量检测人员，本文就从不同的设备出发，评定不同设备对螺纹测量结果不确定度的影响。

二、测量设备与方法简述

2.1测长仪三针测量法

测长仪为目前普遍应用的几何量计量设备，其测量的数学模型如下【1】

本文选取TRIMOS LABCONCEPT高精度一米测长机上用三针法测量普通外螺纹的实际中径d2:

       d2=D0+（M-M0）+X                   （1）

式中:  D0——被测外螺纹的标称中径，（mm）；

      M-M0——测长仪直接测得值M与外螺纹的理论值M0之差，

      即△M=M-M0（mm）；

      X——修正值（mm），等于牙形半角偏差（使用最佳三针d0时不计）螺距偏差、针直径偏差、三针的斜位上长度和测力的压陷变形5个分项修正值的代数和。

使用测长仪在螺纹中径测量中应用最为广泛。其不确定度点主要来自与三个部分，一是三针直径dD与最佳直三针d0经常存在微小误差。二是在测量小螺距量规时人为误差较大。三是温湿度以及其他误差。

2.2综合螺纹测量仪轮廓扫描法

本文选取的是一台荷兰产的IAC综合螺纹测量仪，其通过探头接触式扫描内外螺纹轮廓的方式进行螺纹范围的拟合和测量【2】，其测量的数学模型y=x 

式中：：y～输出量，被测螺纹规的设备输出值

x～输人量，被测螺纹规的测量结果

测量过程：运用螺纹综合测量机测量螺纹参数，首先打开仪器和测量程序，根据螺纹环塞规的大小选择合适的测针并将测针复位。随后进行标定，首先选择主标定规进行标定，然后根据螺纹塞规的大小选择合适的光面规进行标定。标定结束后，在程序中选择与螺纹规规格一致的标准，点击仪器开始测量，电机驱动测针与被测螺纹接触扫描,并在屏幕上实时显示扫描的螺纹牙型曲线图，由计算机将二维数据进行合成和处理 ,最后由仪器直接显示出所测得的螺纹参数值。

   综合螺纹测量仪在通过计算机拟合出螺纹实际轮廓直接得到螺纹的大径、小径、螺距、牙型半角以及中径。因此弥补了测长仪人员操作误差、三针选型误差等可能对不确定度产生影响的分量，其分量主要来源与温湿度、以及设备本身产生的误差分量。

三、测长仪实例分析

在测长仪和综合螺纹测量仪上同样选取M50-6G的螺纹塞规，各自进行不确定度评定，最后的结果做对比分析

3.1在重复性条件下，测M50-6G通端得到10个数据，计算其标准差为

S=0.56μm，实际测量只测一次作为测量结果。故≈0.56μm

3.2 由测长仪示值误差引起的不确定度

由证书给出的不确定度

U=(0.15+L/2000)μm    k=2

测量M50-6G通端时，U=(0.15+50/2000)=0.18μm故： =0.09μm

3.3 由测长仪对零和估读误差引起的标准不确定度

在对零和估读过程中出现两个相同的均匀分布，合成一个三角分布，本例中测长仪对零和估读误差为±0.6μm，作三角分布，则

3.4 由测长仪置物工作台可靠性估算的标准不确定度

检定时实际定位状态与理想状态不一致而造成投影误差，不确定度分面函数为投影分布；由分析可知，该量的变化半宽。考虑到测量时安装定位不准等因素所引起的变化量一般取，投影分面时，K=10/3≈3.33，则

故以上四项合成为

测量M50-6G通端中径时

3.5由三针直径测量的扩展不确定度

根据JJF1207-2008《针规、三针校准规范》0级三针的扩展不确定度

U=0.12μm,k=2   故

3.6 由螺纹牙形角测量的扩展不确定度计角的标准不确定度分量

被测件牙形角测量的扩展不确定度；

因为不使用实际值，作均匀分布处理则有

当P=0.4mm时 ，则：

当P=6mm时 ，则：

3.7 由被测件螺距测量的扩展不确定度计算的标准不确定度分量

被测件螺距的扩展不确定度，作t分布处理，则        

3.8被测件和测长仪标尺线膨胀系数差引起的标准不确定度

被测螺纹线膨胀系数   

测长仪标尺线膨胀系数 

其最大差值半宽估计为 

考虑到测量温度与标准温度的差值△t=t-20℃，令△t=△ts，

其线膨胀系数差在半宽为3×10-6℃-1的区间内以等概率分布取任一值，得

℃-1

3.9由被测件与测长仪标尺间的温度差，引起的标准不确定度

经过充足时间的等温，两者之间的温度差估计不大于±0.3℃，并以等概率位于此区间内任何处，作均匀分布处理，因此有不确定度分量0.17℃

3.10合成标准不确定度

  考虑以上各项标准不确定度分量是互不相关的，所以合成标准不确定度为：

测量M50-6通端中径时： u(x) 1=1.60μm

四、综合螺纹测量仪实例分析

4.1在综合螺纹测量仪上选取M50-6G的螺纹塞规，各在重复性条件下连续测量10 次，，每组测量列分别计算得到单次实验标准差

螺纹塞规尺寸M50-6G时：S2=0.2μm即u(x1) 2=0.1μm

4.2螺纹综合测量机示值误差引起的标准不确定度u(x2)，用B类标准不确定度评定。根据检定规程要求，螺纹综合测量机示值误差为(2.5+L/200)μm

，在50mm测量范围内比对测量，故示值误差取±2.5μm ，均匀分布，则该分布半宽a 为2.5 μm，包含因子k = ，则：分量值为1.5μm
4.3、光面规进行标定的不确定度分量u(x3)

根据标准塞规校准证书中得到不确定度均为1μm，符合正态分布 ，则

4.4、由环境温度引入的输入量的测量标准不确定度分量u(x4)

测量时环境温度为 20．0℃ ，环境±0.5℃，热膨胀系数℃-1，根据经验公式估计服从正态分布，由于温度引起的不确定度为 0.15μm：

4.5合成标准不确定度

由于各输入项不存在明显的相关性，，，。

由上述公式得：螺纹塞规M50-6G时u(x) 2=1.59μm

五、总结

根据上述实例分析，在M50附近测长仪与综合螺纹测量仪的不确定度参数几乎一致，考虑到设备测量特性，与不确定度来源，测量范围在50mm以内时测长仪的不确定度值可能更小，而大于50mm时综合螺纹测量仪的不确定度分量更小

[1]宋毓琼,代娜,杨军.三针法测量圆柱螺纹塞规中径的测量不确定度评定[J].计量技术,2012,(11)

[2]刘盼.基于螺纹综合扫描仪的螺纹参数测量方法研究[J].航空制造技术,2017,(13):100-104,109.

[3]JJF 1345-2012 圆柱螺纹量规校准规范