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      補充JJG 117-91標準000級鑄鐵平板
      作者:精達河北機床制造有限公司 編輯:Admin 發布日期:2012/7/10 9:31:40
      中等尺寸以上平面的高準確度平面度測量,是目前幾何量測量中的一個難點。鑄鐵平板及大理石平板國家標準(GB 4986-85 和 GB 4987-85)均規定有000級準確度等級的平板,但平板國家檢定規程目前只有00級準確度等級以下的(JJG 117-91),而沒有000級平板的。...
        高準確度平面度測量方法的研究
        1引言
        中等尺寸以上平面的高準確度平面度測量,是目前幾何量測量中的一個難點。鑄鐵平板大理石平板國家標準(GB 4986-85 和 GB 4987-85)均規定有000級準確度等級的平板,但平板國家檢定規程目前只有00級準確度等級以下的(JJG 117-91),而沒有000級平板的。此外,國內也未見有關于000級平板的測量方法及其測量不確定度等問題的報導,為此本文進行了這方面的討論研究。
        2平面度測量方法的評價指標
        國內某些研究以直線度測量的技術指標作為評價平面度測量的指標,如給出某平面度測量方法的不確定度為2.5×106L(μm),顯然, 這是不恰當的,因為平面度測量的誤差傳遞及其綜合遠較直線度測量復雜。
        平板檢定規程(JJG 117-91)給出了兩項比較確切反映平面度測量方法的評價指標:首先根據被測平板的準確度等級及其平面度公差值,規定了平面度檢定方法的不確定度值;其次根據目前多數平面度測量方法的特點,又規定了被測截面重復檢定點偏差值的重合度,該兩項指標的允許值如表1所示,表中T為被檢平板平面度公差值。
        表1檢定方法不確定度和重復檢定點偏差值重合度的允許值
        平板準確度等級 00 0 1 2 3
        檢定方法的不確定度Δf > ≤T/3 ≤T/4 ≤T/5 ≤T6 ≤T/8
        重復檢定點偏差值的重合度Δc T/6 T/8 T/10 T/12 T/16
        對于000級平板,因目前尚無檢定規程,故其檢定方法的Δf及Δc值沒有統一規定,根據表1的數值作者建議采用如表2所示的允許值。
        表2000級平板Δf、Δc允許值(建議值)
        檢定方法的不確定度Δf ≤T/2
        重復檢定點偏差值的重合度Δc T/4
        3.1研究對象及技術要求
        本文以400mm×400mm~1000mm×1000mm的中等尺寸000級平板為研究對象,該尺寸段000級平板的平面度公差值國家標準規定如表3所示:
        表3中等尺寸000級平板平面度公差值單位: μm
        平板尺寸 400mm×400mm 630mm×630mm 800mm×800mm 1000mm×630mm
        000級 2.0 2.0 2.0 2.5
        若實際測量以000級平板700mm×700mm為例,則由表3及表2,其檢定方法應滿足:
        3.2測量原理及方法
        分度值為0.2″或0.001mm/m的電子水平儀或自準直儀是目前生產實際中應用最普遍的高準確度平面度測量器具,同時它們也是檢定規程規定的檢定00級平板的檢定工具,F采用 HP 5528A雙頻激光測量系統的直線度測量部件進行平面度測量。
        如圖1所示。1為雙頻激光器,偏振面相互垂直的兩偏振光f1f2經渥拉斯頓棱鏡2后,f1f2光分開成夾角θ垂直射向雙面反射鏡3的兩個反射面,并由兩個反射面返回接收器,其中兩反射面的夾角α與θ互補。測量時,雙面反射鏡3固定不動,當棱鏡2隨底座4沿被測表面移動,因各采樣點高低不平而使棱鏡2有上下位移時,f1光和f2光之間光程差發生變化,由顯示器便可測得被測表面各采樣點高低不平的數值。測量在1500mm×3000mm巖石平板的700mm×700mm區域內進行。按檢定規程規定,取封閉米字線布線,測8個截面(Ⅰ、Ⅱ、…、Ⅷ),如圖2所示,對每一個測量截面,渥拉斯頓棱鏡沿直尺R導向移動,每個截面測5個點,共檢25點(a1…a5、…、e1…e5),然后通過數據處理,最后得到該平面的平面度誤差值。
        圖1測量原理
        3.3測量方法誤差計算
        誤差計算分三步進行。
        3.3.1各采樣點讀數值的測量不確定度Δa
        按圖1測量原理,圖2中各采樣點彼此獨立讀數,可取各采樣點讀數值的測量不確定度相等,Δa由以下幾項組成:
        圖2測點分布
        (1) 測量部件光學基準誤差Δ1,由 HP 5528A使用說明書可知Δ1=0.15μm。
        (2) 測量部件測量誤差Δ2,由 HP 5528A 使用說明書可知Δ2為讀數值的3.5%,通過調試各被測截面首尾兩點,每一截面各采樣點實際讀數值不大于4μm,故得Δ2=4×3.5%=0.14μm。
        (3) 測量底板與被測表面的接觸誤差Δ3,測量底板與被測表面在同一位置多次重復接觸時,其示值有分散,實測結果為:Δ3=0.2μm。
        (4) 圖1中L段光路激光束漂移引起的誤差Δ4,該項誤差隨L的加大而加大,當環境較穩定時,實測表明,在L=1000mm時為0.3μm,取Δ4=0.3μm。
        除上述誤差外,文獻[1]分析計算表明,圖1所示測量原理,原理上不受圖中l段光路激光束平行漂移的影響,同時l段光路激光束角漂移以及渥拉斯頓棱鏡擺角β引起的影響均微小,故可忽略不計。
        由上可得各采樣點讀數值的測量不確定度Δa為:
        3.3.2各采樣點偏差值的測量不確定度Δδi
        為求平面度誤差,各采樣點的讀數值需歸一處理為各采樣點的偏差值,當按對角線法歸一時,根據數據歸一時的運算傳遞關系,可求得各采樣點偏差值的測量不確定度Δδi,不同的采樣點有不同的Δδi值,其分布如圖3所示(推導過程從略)。
        圖3采樣點偏差值測量不確定度分布
        3.3.3平面度誤差的測量不確定度Δf
        文獻[2]給出了按最小區域法在三種判別準則條件下求得的平面度誤差的測量不確定度的計算公式。
        交叉準則條件下時,平面度誤差的測量不確定度為:
        中(x1,y1)、(x2,y2)為交叉準則中兩個高點的位置,(x3,y3)、(x4,y4)為兩個低點的位置,Δδz1、Δδz2、Δδz3、Δδz4為這四個點的偏差值的測量不確定度,當已知兩個高點和兩個低點的位置后,由公式(4)就可求得k1、k2、k3、k4值,再由圖3就可知道Δδz1、Δδz2、Δδz3、Δδz4值,代入公式(3)就可求出平面度誤差的測量不確定度Δf。
        關于三角形準則及直線準則的平面度誤差測量不確定度的類似表達式此處從略,可參見文獻[2]。
        由公式(3)可見,Δf隨ki和Δδi而變,而ki和Δδi又隨評定平面度誤差時所取的高點低點的位置而變,由于Δδi值大的高點低點位置,其ki值不一定大,反之亦然。因此,采用試算法算得在三種判別準則條件下各種高點低點組合時,得到的平面度誤差的測量不確定度的最大值約為:
        由此可見,圖1圖2所示的測量原理及方法,其平面度誤差的測量不確定度Δf可滿足公式(1)的要求,即可滿足對700mm×700mm 000級平板的檢定要求。
        4測試結果
        測試在1500mm×3000mm巖石平板的700mm×700mm區域內進行。按圖2布線,測8個截面,每個截面測5點,分別在上午、下午和晚上連續數天,測得7組數據,各采樣點讀數值按對角線法歸一后,各采樣點的偏差值列于表4
        根據表4數據,采用平面度最小區域新算法[3],算得7次測回的平面度誤差值f,同時,由此求得的測量方法標準差均列于表5。
        表4中,c3,c′3,c″3為分別按e1a5,a3e3,c1c5三個截面得到的采樣點c3點的偏差值,由此得到的重復檢定點c3點偏差值的重合度Δc見表6。
        表6重復檢定點c3點偏差值的重合度Δc單位: μm
        測回 1 2 3 4 5 6 7
        Δc=c3-c3′ 0.046 0.439 -0.163 0.566 0.083 0.133 0.308
        Δc=c3-c3″ 0.098 0.441 0.012 0.474 0.258 0.208 0.417
        表6中重合度Δc除一個值為0.566μm略大于0.5μm外,其余均小于0.5μm?梢,測試結果的Δf及Δc值均滿足式(1)的要求,即Δf=3σ<1μm,Δc≤0.5μm。
        5結論
        (1) 實際測試及誤差計算表明,該測量方法可以滿足對700mm×700mm 000級平板的測量要求。
        2) 限于條件,本文只在700mm×700mm區域上進行了測量(對角線長為1000mm),若檢測1000mm×1000mm平板,此時對角線長為1400mm,圖1中L段光路的激光束漂移引起的誤差將增大,在誤差計算中可取Δ4=0.45μm,而其它各項誤差均與前者相同沒有變動,但平板尺寸加大后,其平面度公差值T也加大,故經誤差分析計算,本方法仍然可以滿足對1000mm×1000mm 000級平板的測量要求。
        (3) 影響本方法測量不確定度的主要因素是圖1中L段光路的激光束漂移,本文實驗是在實驗室空間較大、無對流通道、測試現場無人員流動、且沒有采取其它措施的情況下進行的,對于更大尺寸的平板,除保持現場環境穩定外,試驗表明,采取對同一采樣點多次采樣平均,對激光束L段光路加罩等措施均有利于減小激光束漂移的影響,這方面工作有待于進一步研究。

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