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[发动机] 发动机自制件高精度孔径测量误差分析

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发表于 2016-3-19 09:02:48 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本文以目前发动机现场常用的两种高精度孔径检测方式:三坐标(CMM)测量和电子塞规测量为基础,通过分析两种测量设备在测量缸体定位销孔时的不确定度,对高精度孔径测量所存在的误差进行分析。
        作为汽车心脏的发动机,其质量控制的意义不言而喻;对于发动机自制件,孔径的测量是最常见的测量内容,测量的方式也有很多种,如游标卡尺测量、内径千分尺测量、通止规测量、三坐标测量和电子塞规测量等。对于高精度孔径的测量,一般情况下,我们会选择精度比较高的设备进行测量,包括三坐标测量和电子塞规测量。那么在进行高精度孔径测量的时候,究竟是三坐标测量更准确,还是电子塞规测量更准确呢?本文将通过不确定度的计算来解释该问题。
        计量设备的不确定度
        不确定度是测量结果质量的指标,其含义是指由于测量误差的存在,对被测量值的不能肯定程度;反之也表明该结果的可信赖程度。不确定度越小,所述结果与被测量的真值越接近,质量越高,水平越高,其使用价值越高;不确定度越大,测量结果的质量越低,水平越低,其使用价值也越低。这里所指的不确定度是扩展不确定度,确定测量结果区间的量。合理赋予被测量之值分布的大部分可包含于此区间。
       

发动机自制件高精度孔径测量误差分析

发动机自制件高精度孔径测量误差分析

        图1  三坐标测量机

        1. A类标准不确定度评定
        用对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度,称为不确定度A类评定;所得到的相应标准不确定度称为A类不确定度分量,用ua表示,它是用实验标准偏差来表征。
        2. B类标准不确定度评定
        用不同于对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度,称为不确定度B类评定。所得到的相应标准不确定度称为B类不确定度分量,用符号ub表示。它是用实验或其他信息来评估,含有主观鉴别的成分。对于某一项不确定度分量究竟用A类方法评定,还是用B类方法评定,需测量人员根据具体情况选择。
        3. 合成标准不确定度
        当测量结果由若干个其他量的值求得时,按其他各量的方差和协方差算得的标准不确定度,它是测量结果标准偏差的估计值,用符号uc表示。
        方差是标准偏差的平方,协方差是相关性导致的方差。计算协方差会扩大合成标准不确定度。合成标准不确定度仍然是标准偏差,它表征了测量结果分散性。
       

发动机自制件高精度孔径测量误差分析

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        图2  三坐标测量机测量的定位销孔直径分布曲线

        4. 扩展不确定度
        扩展不确定度是确定测量结果区间的量,合理赋予被测量之值分布的大部分可望含于此区间。它有时也被称为范围不确定度。扩展不确定度是由合成标准不确定度的倍数表示的测量不确定度,通常用符号U表示。
        这里的倍数一般为2或3,取决于被测量的重要性、效益和风险。扩展不确定度是测量结果的取值区间的半宽度,可期望该区间包含了被测量之值分布的大部分。而测量结果的取值区间在被测量值概率分布中所包含的百分数,被称为该区间的置信概率、置信水准或置信水平。这时扩展不确定度用符号U表示,它给出了区间能包含被测量的可能值的大部分(如95%或99%)。
        CMM测量
        我们所选用的三坐标为Leitz Reference Xi 15.9.7机型(见图1),该机型测量最大允许示值误差为:(1.2+L/350)um;测量分辨率为0.02um;测量间的温度为(20±2)℃。
        1. A类标准不确定度评定
        对某一缸体定位销孔进行10次重复测量,对测量数据进行分析得出,A类不确定度ua=0.7mm,定位销孔直径分布曲线如图2所示。
       

发动机自制件高精度孔径测量误差分析

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        图3  电子塞规

        2. B类不确定度评定
        (1)CMM标定时,高一级量块带入的不确定度为0.9um(参考GB各等级量块测量不确定度),则高一级量块带入的不确定度为:ub1=0.45um;
        (2)CMM的最大允许示值误差为(1.2+L/350)um,该误差所带来的不确定度在均匀分布时,标准不确定度ub2=0.709um;
        (3)CMM的分辨率为0.02um,远远小于仪器的最大允许示值误差,所以分辨率对不确定度的影响可忽略不计;
        (4)零件圆度对直径尺寸测量结果的不确定度为ub3,因圆度是属于该半径尺寸的差值,所以圆度对直径尺寸影响的不确定度为圆度误差的2倍,则该不确定度为1.8um;
        (5)精密测量间变化不大,和其他不确定度分量相比很小,可以忽略不计。
        经计算,合成标准不确定度uc=1.96um;扩展不确定度U= 3.92um。
       

发动机自制件高精度孔径测量误差分析

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        图4  电子塞规测量的定位销孔孔径数据分布曲线

        电子塞规测量
        我们所使用的电子塞规为爱锡量仪配备的电子塞规(见图3),放置在现场使用。
        1. A类不确定度评定
        对上述缸体定位销孔用电子塞规进行10次测量,定位销孔孔径数据分布如图4所示,可以得到A类不确定度ua=0.000132um。
       

发动机自制件高精度孔径测量误差分析

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        2.B类不确定度评定
        (1)电子塞规校准用标准件所带来的测量不确定度为1.0um(k=2),则标准不确定度ub1=0.5um;
        (2)仪器分辨率为1mm,正好等于测量重复性误差1mm,所以分辨率和重复性对不确定度的影响可以只算一个;
        (3)因电子塞规使用两点法测量直径尺寸,所以零件圆度对直径尺寸测量结果的不确定度的影响可以忽略不计;
        (4)因电子塞规测量直径是使用校准件校准后再进行直径尺寸测量的,属于比对测量,所以温度对不确定度的影响可以忽略不计;
        (5)电子塞规测量系统的最大允许示值误差引入的不确定度为ub2,当均匀分布时,k=

发动机自制件高精度孔径测量误差分析

发动机自制件高精度孔径测量误差分析
,则标准不确定度为0.580um;
        经计算,合成标准不确定度uc=0.765um;扩展不确定度U= 1.530um。
        结语
        通过上述分析,我们可以清楚地看到,在测量高精度孔径方面,电子塞规比CMM测量具有更大的优势,值得大力的推广;其对比优势如表所示。
        任何的计量设备,在使用方面都具有局限性,因此我们要正确的认识CMM在发动机质量控制方面发挥的作用。
        CMM在测量高精度孔径方面没有优势。CMM测量孔径,是通过最小二成圆拟合测量的,这就决定了测量的质量受到了孔圆度的影响,而电子塞规是两点法测量,测量的结果不受圆度影响。在选取测量设备时,不能单纯地相信所谓的权威,我们要根据具体的实际情况来选取合适的测量设备。在进行机床验收,做N1/N5/CMK检测时,可以用电子塞规代替CMM进行孔径测量。
        综上所述,利用两点法直接测量出孔径,是一种精度很高、效率也很高的方法。在日常的检测过程以及设备的验收过程中,都可以用电子塞规来测量高精度孔径。这样既可以保证测量数据的准确性,也可以保证测量数据的高效率。
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