基于尺寸精度的通用計(jì)量器具選用方法

2018-05-21 09:05:44鄔振華

裝備制造技術(shù) 2018年3期

徐君，陳康，鄔振華

（1.臺(tái)州技師學(xué)院，浙江臺(tái)州 318000；2.臺(tái)州市計(jì)量技術(shù)研究院，浙江臺(tái)州 318000）

0 引言

長(zhǎng)度類通用計(jì)量器具（以下簡(jiǎn)稱計(jì)量器具）主要指游標(biāo)卡尺、千分尺及車間使用的比較儀、投影儀等量具量?jī)x。生產(chǎn)中選用這類計(jì)量器具具有較大主觀隨意性，往往是就近選用而不是依據(jù)待測(cè)尺寸公差選用，無(wú)形中埋下一定的產(chǎn)品質(zhì)量隱患。針對(duì)這種現(xiàn)狀，依據(jù)相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和檢定校準(zhǔn)規(guī)程，制定了一套基于尺寸精度的通用計(jì)量器具選用方法。

1 分辨力、示值誤差與最大允許測(cè)量誤差

生產(chǎn)中計(jì)量器具的選用，實(shí)質(zhì)上是依據(jù)給定測(cè)量任務(wù)（如測(cè)量生產(chǎn)末端某一零件的某一尺寸，判斷其是否符合圖紙要求）來(lái)選用合適的計(jì)量器具來(lái)測(cè)量。選用時(shí)常出現(xiàn)的問題是只考慮計(jì)量器具的分辨力，而忽視另外兩個(gè)重要指標(biāo)——示值誤差和最大允許測(cè)量誤差。究其原因是分辨力是直觀、易獲得的指標(biāo)，而后兩者就需要通過(guò)其他途徑獲得。因此制定選用方法前，先區(qū)分生產(chǎn)人員選用計(jì)量器具時(shí)易混淆的這三個(gè)概念——分辨力、示值誤差和最大允許測(cè)量誤差。

（1）分辨力d是指能有效辨別的顯示示值間的最小差值，也稱為分度值[1]。分辨力在計(jì)量器具制造時(shí)就已設(shè)定，同規(guī)格計(jì)量器具的分辨力是相同的。給定測(cè)量任務(wù)而未選定計(jì)量器具時(shí)，可依據(jù)待測(cè)尺寸精度設(shè)定分辨力，限定可選計(jì)量器具范圍，也可在現(xiàn)有待選計(jì)量器具中選定。

（2）示值誤差Δ是指測(cè)量?jī)x器示值與對(duì)應(yīng)輸入量的參考量值之差[1]。不同計(jì)量器具（即便同批次計(jì)量器具）間或同一計(jì)量器具不同狀態(tài)（如環(huán)境、磨損、壽命）下都存在示值誤差差異。要獲得某一計(jì)量器具某一狀態(tài)下的示值誤差，就要送有資質(zhì)的計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)。

（3）最大允許測(cè)量誤差MPE是指對(duì)給定的測(cè)量、測(cè)量?jī)x器或測(cè)量系統(tǒng)，由規(guī)范或規(guī)程所允許的，相對(duì)于已知參考量值的測(cè)量誤差的極限值，簡(jiǎn)稱最大允許誤差[1]。最大允許誤差有兩層含義：1）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定某一規(guī)格計(jì)量器具示值誤差的極限（記為MPEs），用來(lái)判斷計(jì)量器具計(jì)量性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；2）某一給定測(cè)量任務(wù)要求待選計(jì)量器具示值誤差的極限（記為MPEm），用來(lái)判斷計(jì)量器具計(jì)量性能是否滿足給定測(cè)量任務(wù)要求。以量程0～150 mm游標(biāo)卡尺為例，若單純判斷當(dāng)前卡尺是否符合器具標(biāo)準(zhǔn)要求，用當(dāng)前卡尺示值誤差與MPEs作比較即可，但若測(cè)量任務(wù)已給定MPEm，就用當(dāng)前卡尺示值誤差與MPEs作比較。因此計(jì)量器具計(jì)量性能可能出現(xiàn)四種情況：a）同時(shí)滿足 MPEs和 MPEm；b）滿足 MPEs，不滿足MPEm；c）不滿足 MPEs，滿足 MPEm；d）同時(shí)不滿足MPEs和MPEm.

2 待選計(jì)量器具最大允許誤差計(jì)算

檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定按照計(jì)量器具允許測(cè)量不確定度u選擇計(jì)量器具，而器具標(biāo)準(zhǔn)和檢定/校準(zhǔn)證書給出的是計(jì)量器具分辨力、示值誤差和最大允許誤差。為便于計(jì)量器具選用，就須建立檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與器具標(biāo)準(zhǔn)和檢定/校準(zhǔn)證書間的聯(lián)系。

計(jì)量器具允許測(cè)量不確定度u與待測(cè)尺寸公差T的關(guān)系，可用公式表示為：

式中a為比例系數(shù)。IT6～I(xiàn)T18、公稱尺寸至500 mm的光滑工件尺寸測(cè)量時(shí)，系數(shù)a取值見表1.a優(yōu)先選用Ⅰ檔，其次選用Ⅱ檔、Ⅲ檔。測(cè)量范圍不滿足表1要求或測(cè)量結(jié)果有爭(zhēng)議時(shí)，a也可按事先雙方商定的方法選用。

表1 IT6～I(xiàn)T18、公稱尺寸至500mm時(shí)系數(shù)a的取值

計(jì)量器具允許測(cè)量不確定度分量來(lái)源有分辨力d和最大允許誤差MPEm，采用B類評(píng)定[3]。

分辨力d引入的不確定度分量u1為：

u1≈0.3×d

最大允許誤差MPEm引入的不確定度分量u2為：

u2=MPEm×b

式中b不同分布類型對(duì)應(yīng)的系數(shù)，高斯分布為0.5，矩形分布為0.6，U形分布為0.7.常采用矩形分布，即b=0.6.

待選計(jì)量器具允許測(cè)量不確定度u為：

由式（1）和（2）可得，

若（aT）2-0.09d2＜ 0，在選定系數(shù) a時(shí)，則分辨力d不滿足要求，應(yīng)選較高分辨力的計(jì)量器具；在選定分辨力d時(shí)，則系數(shù)a不滿足要求，應(yīng)選較低檔位的a值。

3 計(jì)量器具選用規(guī)則

按未檢定或未校準(zhǔn)、已檢定和已校準(zhǔn)三種狀態(tài)將計(jì)量器具分為三類。在計(jì)量器具特性評(píng)定要求[4，5]的基礎(chǔ)上，依據(jù)最大允許誤差MPEm制定計(jì)量器具選用規(guī)則，如表2所示。

表2 給定測(cè)量任務(wù)計(jì)量器具選用規(guī)則

待選計(jì)量器具未檢定或未校準(zhǔn)，其真實(shí)的計(jì)量性能無(wú)法確定，若|MPEs|≤|MPEm|，可認(rèn)為其滿足要求。但此處制定的選用規(guī)則只適用一般測(cè)量，存在測(cè)量精度誤判的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)計(jì)量機(jī)構(gòu)給出的是校準(zhǔn)證書，應(yīng)根據(jù)證書中給出的 U95（或 U，k=2）與給定測(cè)量任務(wù)要求的|MPEm|之比來(lái)劃分，一般情況下兩者比值取1∶3，特定場(chǎng)合時(shí)可取1∶5.示值誤差Δ由校準(zhǔn)證書給出。若待選計(jì)量器具處在不能做出符合性判定（即待定）時(shí)，可送上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)，采用準(zhǔn)確度更高的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、改善環(huán)境條件、增加測(cè)量次數(shù)和改變測(cè)量方法等措施以降低U95，使其滿足與|MPEm|之比小于或等于1∶3的要求，然后再評(píng)價(jià)該計(jì)量器具是否滿足給定測(cè)量任務(wù)要求。

由表2可選出符合給定測(cè)量任務(wù)要求的計(jì)量器具，但這并不意味著所選計(jì)量器具在使用過(guò)程中都能滿足使用要求。在日常生產(chǎn)中還應(yīng)對(duì)部分計(jì)量器具實(shí)施期間核查[6]，保持其校準(zhǔn)狀態(tài)的可信度。需要期間核查的設(shè)備僅限于，設(shè)備性能不太穩(wěn)定，容易產(chǎn)生漂移，或使用頻度高，新購(gòu)的、經(jīng)常帶到現(xiàn)場(chǎng)的，或使用環(huán)境惡劣，或因出現(xiàn)過(guò)載可能導(dǎo)致設(shè)備損壞或缺陷，或顯示結(jié)果可疑。常用核查方法有以下三種[7]：a）采用高一級(jí)精度等級(jí)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行核查；b）采用同等精度的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量設(shè)備進(jìn)行比對(duì)；c）采用核查標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或測(cè)量設(shè)備實(shí)施過(guò)程控制等。

4 示例說(shuō)明

某車間生產(chǎn)了一批軸類零件，其中一個(gè)外徑尺寸為 φ55h7（0-0.03）mm，現(xiàn)有 0 ～ 150 mm 游標(biāo)卡尺、0～150 mm數(shù)顯卡尺、50～75 mm外徑千分尺和50～75 mm數(shù)顯外徑千分尺。不考慮檢定或校準(zhǔn)的情況下，選出滿足外徑尺寸測(cè)量要求的計(jì)量器具。

由表1可知測(cè)量公差等級(jí)IT7的外徑尺寸，a有三檔可供選擇，即1/10、1/6和1/4.由器具標(biāo)準(zhǔn)可知，上述四種計(jì)量器具[8，9，10]的分辨力 d 依次是 0.02 mm、0.01 mm、0.01 mm和0.001 mm；由于公稱直徑φ55 mm在0～70 mm范圍內(nèi)，最大允許誤差MPEs依次是±0.02 mm、±0.02 mm、±0.005 mm 和±0.003 mm，并取b為0.6.

由式（3）可得不同a和d對(duì)應(yīng)的MPEm值，見表3.

表3 不同a和d對(duì)應(yīng)的MPEm值（公差等級(jí)IT7）（單位：mm）

選用表2中計(jì)量器具處于未檢定或未校準(zhǔn)狀態(tài)加以評(píng)定。由表2和表3可知，游標(biāo)卡尺和數(shù)顯卡尺不滿足，外徑千分尺滿足Ⅱ檔和Ⅲ檔，數(shù)顯外徑千分尺滿足Ⅰ檔、Ⅱ檔和Ⅲ檔。

若考慮計(jì)量器具檢定校準(zhǔn)狀態(tài)，則只需依據(jù)表2相應(yīng)條款做出判斷即可。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述計(jì)量器具選用方法的制定，在給定測(cè)量任務(wù)、器具標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及檢定/校準(zhǔn)證書之間建立起了聯(lián)系，便于一線生產(chǎn)和檢測(cè)人員從眾多計(jì)量器具中選出符合給定測(cè)量任務(wù)要求的計(jì)量器具，為提升產(chǎn)品質(zhì)量提供保障。

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