螺纹量规扫描测量仪径向测量示值误差不确定度分析论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要：螺纹量规扫描测量仪作为螺纹测量的一种检测仪器，因其突出的检测速度和多参数检测能力，正逐渐占据着主要螺纹检测市场。以瑞士丹青的MSXP10060机型为研究对象，致力于螺纹扫描测量仪径向测量示值误差的校准问题，依据JJF 1950－2021《螺纹量规扫描测量仪校准规范》中的校准方法，采用6种不同规格光面圆柱量规对其径向测量示值误差进行校准，建立测量模型，分析其主要不确定度来源，并对其不确定度进行评定。经过与其他院所的校准结果进行比对验证，这种评定过程科学合理，结果有效，在今后的计量工作中，可依据该结果，采取必要措施，减少误差，提高准确度。


　　Abstract：As a testing instrument for thread measurement，the thread gauge scannersis gradually occupying the main thread testing market due to its outstanding detection speed and multi－parameter detection capability.Taking the MSXP10060 model of Switzerland Danqing as the research object，it was committed to the calibration of the radial measurement indication error of the thread scanning measuring instrument.According to the calibration method in JJF 1950－2021 calibration specification for thread gage scanning measuring instrument，six different specifications of smooth cylindrical gauges were used to calibrate its radial measurement indication error，a measurement model was established，its main sources of uncertainty was analyzed，and its uncertainty was evaluated.Through comparison and verification with the calibration results of other institutes，the evaluation process was scientific and reasonable，and the results were effective.In the future measurement work，necessarymeasures can be taken based on the results to reduce errors and improve accuracy.

　　Key words：thread gauge scanners；radial measurement indication error；uncertainty

　　0 引言

　　螺纹由于其易装配、易拆卸的特性，广泛应用于航天、化工、汽车等领域[1]。它是一个复杂的空间曲面体，由许多的几何参数如中径(包括中径、作用中径、单一中径)、小径、大径、螺距、牙型角、牙侧角等组成[2]。螺纹量规是检验螺纹的计量器具，因其效率高而广泛应用于螺纹的质量检验。螺纹量规易磨损需要定期进行校准，目前传统的螺纹量规测量方法分为接触式测量法和非接触式测量法两类。非接触式测量主要指影像法[3]，即万能工具显微镜或影像测量仪上进行，接触式测量法包括三坐标测量机、测长机和螺纹量规扫描测量仪[4]。螺纹量规扫描测量仪因其只需一次装夹就能测量螺纹的多种参数如单一中径、大径、作用中径、中径、小径螺距等等，而越来越受到企事业单位的青睐，逐渐成为量规检测领域研究的热点。刘盼[5]通过误差分析和建模，对比了上述几种测量方法，分析得出螺纹量规扫描测量仪是目前最高效的螺纹量规检测方法的结论。刘力岩[6]介绍了用触针式轮廓测量仪实现螺纹测量和自动评定的方法，阐述了螺纹测量原理及评定方法。朱贺贺[7]系统研究了螺纹量规扫描测量仪的误差分析与补偿方法。鲁力维、欧协锋等[8－9]对螺纹机与测长机检测圆柱螺纹的进行了比较分析。丁逸伦[10]通过测量实例阐述了螺纹量规扫描测量仪的测量优势。同时研究人员对螺纹量规扫描测量仪校准螺纹量规的测量不确定度进行了大量研究[11－14]。

　　随着螺纹量规扫描测量仪的广泛应用，人们对螺纹量规扫描测量仪的量值溯源问题逐渐重视起来。2022年6月28日，JJF 1950－2021《螺纹量规扫描测量仪校准规范》[15]正式实施，该校准规范给出了螺纹量规扫描测量仪需要校准的计量特性参数包括径向测量示值误差、探测误差、锥度测量示值误差、圆锥直径测量示值误差和螺纹参数示值误差以及所采用校准方法与使用的标准器，但是对于校准用标准器的计量特性没有具体的说明和规定，以及对于各计量参数的测量不确定度没有详尽的介绍，这对开展螺纹量规扫描测量仪的校准工作造成一定困难，目前也没有这方面的公开的研究报道。径向测量示值误差是螺纹量规扫描仪在被测螺纹量规直径方向测量的示值误差，是螺纹量规扫描测量仪的关键计量参数，本文依据校准规范的校准方法采用高等级标准圆柱量规对螺纹量规扫描测量仪的径向测量示值误差进行校准，按照GUM法的测量不确定度评定步骤，给出测量结果的不确定度评定的具体示例，最后通过比对验证所采用的的标准器、校准结果及不确定度评定的有效性，为使用螺纹量规扫描测量仪校准规范的实验室提供重要的参考价值，具有重大的研究价值。

　　1 测量系统概述

　　根据螺纹量规扫描测量仪的仪器说明书，确定仪器的外尺寸测量范围为(1.0~90)mm，内尺寸测量范围为(2.5~100)mm。根据校准用标准器尺寸应覆盖不小于60％的被校准仪器的测量范围要求，分别选用3个不同直径的光面圆柱环规和光面圆柱塞规校准径向测量示值误差。

　　1.1 测量方法

　　依据JJF 1950－2021《螺纹量规扫描测量仪校准规范》，首先按照仪器说明书的要求对螺纹量规扫描测量仪进行校准前的准备程序，确保环境温度、湿度、震动、灰尘、磁场、气流等实验室环境及气源压力符合设备使用的要求，启动螺纹扫描仪进行预热，执行探针和标定标准器的清洁程序，组装合适的探针系统并校准探针，进行系统标定等，然后根据仪器的测量范围选择合适的光面圆柱环规和塞规以及与之配套的夹具，使用手动选择扫描位置，选择量规的中部2 mm范围内划线方向进行扫描测量，最后由计算机自动计算得到中径值。

　　1.2 测量条件

　　环境温度：(20±1℃)；相对湿度：(45±5)％；气源压力：0.4 MPa以上；平衡温度时间：2 h以上。

　　1.3 测量标准

　　本次校准采用的标准器为光面圆柱量规，规格分别为：小20 mm、小35 mm、小50 mm光面圆柱环规和小4 mm、小9 mm、小65 mm光面圆柱塞规。各量规经上级计量机构校准溯源给出实际值及测量不确定度，如表1所示。


　　1.4 被测对象

　　螺纹量规扫描测量仪，规格型号为MSXP10060，生以内的不确定度为(1.5＋L／200)μm，最大扫描范围为60 mm，最小螺距为0.1 mm。

　　1.5 测量模型

　　根据上述测量方法，该系统的测量不确定度评估模型如下：Y＝D式中：Y为螺纹量规扫描测量仪的测量示值，mm；D2为校准用光面塞规的中径(光面环规的中径用d2表示)，mm。

　　2 标准不确定度的评定

　　2.1 不确定度传播率

　　根据方差计算公式：u2(y)＝∑[]2μ2(xi)代入得：(Y)＝c2(D2)·u2(D2)灵敏系数ci：c(D2)＝1。

　　2.2 测量不确定度分量来源分析

　　测量不确定度分量来源：(1)测量重复性或仪器分辨力引入的标准不确定度分量[2]μ1；(2)校准用量规中径校准结果引入的标准不确定度分量μ2；(3)校准用量规的直径变动量引入的标准不确定度分量μ3；(4)热膨胀引入的标准不确定度分量[2]μ4；(5)温度差引入的标准不确定度分量[3]μ5；(6)校准用量规安装时弹性变形引入的标准不确定度分量μ6。

　　2.3 计算标准不确定度分量

　　2.3.1 测量重复性或仪器分辨力引入的标准不确定度μ1

　　(1) 测量重复性引入的标准不确定度分量μ11

　　对每一个校准用光面圆柱量规进行独立重复测量10次，采用贝塞尔公式计算实验标准差s，如表2所示。实际测量时，测量2个位置取2次测量值的算术平均值作为结果，则测量重复性引入的标准不确定度分量μ11＝s。


　　(2) 仪器分辨力引入的标准不确定度分量螺纹量规扫描测量仪的分辨力为0.1μm，则其半高宽为0.05μm，估计其为均匀分布，k＝^3，则：取测量重复性标准不确定度μ11和分辨力引入的标准不确定度μ12的较大值作为μ1，则：μ1＝μ11。

　　2.3.2 校准用量规中径校准结果引入的标准不确定度分量由于在计算中使用量规的实际长度，而不是标称长度，故根据量规的校准证书给出光面圆柱量规的扩展不确定度U＝0.4μm(k＝2)，则量规中径校准结果引入的标准不确定度分量为：μ2＝0.4μm／2＝0.2μm

　　2.3.3 校准用量规的直径变动量引入的标准不确定度分量μ3根据量规的校准结果校准证书给出的直径变动量为0.3μm，又根据校准规范的要求，轴向行程不大于60 mm时，扫描长度为2mm，于是在2mm的范围内，其最大变动量应不超过0.2μm，估计其为均匀分布，则：μ3＝＝0.115μm螺纹量规扫描测量仪的测针与校准用量规的材料热膨胀系数界限均为：(11.5±1×10－6℃－1)，两者差值δa在(0~2×10－6℃－1)范围内波动，估计其为三角分布。

　　2.3.4 温度差引入的标准不确定度分量μ5由于测量前已充分等温，校准用量规与螺纹量规扫描测量仪的温度差不超过±0.5℃，估计其服从半宽为0.5℃的均匀分布，膨胀系数a＝11.5×10－6℃－1，则：μ5＝(0.5／^3)·D2a在校准过程中未对量规的弹性变形进行修正，根据过去的经验弹性变形对测量结果的影响应在±0.03μm范围内，估计其为均匀分布，于是其标准不确定度为：μ6＝＝0.017 3μm

　　2.4 合成标准不确定度

　　各标准不确定度分量汇总如表3所示。


　　以上各不确定度分量互不相关，彼此独立，不确定度传递系数均为1，因此合成标准不确定度为：(Y)＝c2(D2)·u2(D2)μc＝^μ1＋μ2＋μ3＋μ4＋μ5＋μ6

　　2.5 扩展不确定度

　　扩展不确定度汇总如表4所示。取k＝2，则：U＝k×μc，即：U＝(0.6~0.8)μm，k＝2。


　　3 校准结果验证

　　为了对给出的校准结果的可信程度进行确认，采用两台对比法进行校准结果及不确定评定的验证，将本实验室校准仪器的径向测量示值误差校准点20 mm和35 mm的校准结果及不确定度与其他院所对本次校准的螺纹量规扫描测量仪的结果进行对比，结果如表5所示。


　　计算可知，以上结果均满足公式要求，证明校准方法及不确定度评定是科学合理的。

　　4 结束语

　　螺纹量规扫描测量仪是螺纹测量的新兴技术仪器，具有精度高、速度快、多参数、自动化程度高、人员影响小等优点，是测量螺纹综合参数的优选方案[2]。螺纹量规扫描测量仪的准确性和量值溯源是目前面临的研究难题。本文根据JJF 1950－2021《螺纹量规扫描测量仪校准规范》的校准方法，通过分析测量系统的误差来源，建立了系统的测量模型，并利用光面量规以瑞士丹青的MSXP10060为例的对其径向测量示值误差进行校准，最后进行测量不确定度的评定和比对结果的验证。结果表明，该校准方法测量准确有效，不确定度评定科学合理。本文的研究内容为后续使用螺纹量规扫描测量仪校准规范的实验室提供了重要的参考价值。

　　参考文献：

　　[1]丁逸伦.基于螺纹综合测量机螺纹塞规的中径测量及其不确定度评定[J].计量与测试技术，2017，44(3)：73－76.
　　[2]张和君，欧协锋，马俊杰.螺纹综合测量机的扫描原理与误差分析[J].计测技术，2020，40(3)：24－29.
　　[3]陆建华，鲁周迅，黄毅.改进的形态学检测算子在螺纹检测中的应用[J].计算机工程与设计，2009，30(7)：1793－1794.
　　[4]杨慧敏，武军.螺纹量规的多参数测量方法研究[J].现代计量，2011(3)：53－55.
　　[5]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.
　　[6]刘力岩，郎岩梅，刘琦，等.基于轮廓扫描法的螺纹测量功能的实现[J].机械工程师，2009(8)：142－143.
　　[7]朱贺贺.高精度接触式螺纹测量仪的误差分析与补偿方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2014.
　　[8]鲁力维.螺纹环规中径不同测量方法的比较[J].机电技术，2016(2)：132－134.
　　[9]欧协锋.螺纹机与测长机检测圆柱螺纹的分析比较[J].中国计量，2018，274(9)：100－103.
　　[10]丁逸伦.SJ5200型螺纹综合测量机测量圆柱螺纹环规中径原理的应用[J].价值工程，2017(6)：150－151.
　　[11]马琳.接触扫描法测量圆柱螺纹量规中径的测量不确定度评定[J].计量与测试技术，2020，47(3)：111－114.
　　[12]水清波.螺纹量规中径或光滑量规直径的不确定度讨论[J].计量与测试技术，2020，38(3)：80－84.
　　[13]陈洁，郑中民，马艺清，等.螺纹扫描仪测量螺纹中径结果的不确定度评估[J].国外电子测量技术，2018，37(3)：26－29.
　　[14]孟令川，朱泽熙.圆柱螺纹塞规中径不确定度评估的蒙特卡洛模拟[J].计量学报，2017，38(6A)：98－103.
　　[15]JJF 1950－2021，螺纹量规扫描测量仪校准规范[S].

关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！

文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/57967.html