林永強(qiáng)，李 艷，趙榮庭，周 菁，張曉磊

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266109；2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100095）

車軸是承載鐵路機(jī)車載荷的重要部件，所處的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，在列車高速運(yùn)行過程中會(huì)飛速旋轉(zhuǎn)，如果車軸制造精度不足，車軸尺寸引起的裝配誤差會(huì)導(dǎo)致車軸載荷分布不均衡，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)車車體的振動(dòng)和車輪、車軸本身的磨損，甚至?xí)l(fā)安全事故。因此，車軸尺寸的測量精度直接關(guān)系到動(dòng)車運(yùn)行的安全[1-2]。

車軸檢測的主要內(nèi)容為車軸工作配合面的尺寸及其形位公差。傳統(tǒng)檢測方法采用專用檢測工具進(jìn)行接觸式測量，例如徑向尺寸采用外徑千分尺測量，軸向尺寸采用專用測尺測量，圓弧部位采用圓弧半徑規(guī)測量，由檢測人員在平臺(tái)或?qū)Ｓ弥Ъ苌线M(jìn)行。人工測量使得檢測人員工作強(qiáng)度大、效率不高，測量結(jié)果容易受到檢測人員技術(shù)水平的影響，測量數(shù)據(jù)也難以實(shí)現(xiàn)信息化管理。

隨著軌道交通的高速發(fā)展以及智能制造2025和工業(yè)4.0的推進(jìn)，軌道交通轉(zhuǎn)向架車軸的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率要求不斷提高。為了滿足日益增長的生產(chǎn)需求，車軸生產(chǎn)線不斷引入新的測量設(shè)備和信息管理系統(tǒng)，由傳統(tǒng)檢測方式逐漸轉(zhuǎn)變到數(shù)字化、半自動(dòng)化及自動(dòng)化，測量工具由通用量具發(fā)展為自動(dòng)檢測設(shè)備，生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)信息化管理。數(shù)字化信息系統(tǒng)將測量過程中的測量設(shè)備、機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)器人外圍系統(tǒng)、料架系統(tǒng)、零件標(biāo)識(shí)系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等有效串聯(lián)起來，形成測量單元，有效管理測量信息，為加工、裝配過程提供數(shù)據(jù)反饋，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率[3]。

基于信息化管理系統(tǒng)，本文介紹了車軸自動(dòng)化檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全過程的信息化管理，檢測得到的車軸測量值可為其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供依據(jù)。然而，針對(duì)自動(dòng)檢測設(shè)備，其校準(zhǔn)方法不同于傳統(tǒng)檢測工具，需要在現(xiàn)場環(huán)境下實(shí)現(xiàn)在線校準(zhǔn)，要考慮到環(huán)境誤差、安裝誤差、阿貝誤差等因素對(duì)設(shè)備的影響，單獨(dú)校準(zhǔn)此類設(shè)備上安裝的傳感器并不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其檢測產(chǎn)品特征參數(shù)的能力。因此，為了保證車軸自動(dòng)化檢測設(shè)備能夠發(fā)揮其重要作用，保障測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，對(duì)車軸自動(dòng)化檢測系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法進(jìn)行研究是很有必要的。

本文對(duì)軌道交通車軸自動(dòng)檢測設(shè)備的組成、測量原理及校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究，分析了測量結(jié)果的誤差來源，給出了適合該自動(dòng)檢測設(shè)備的現(xiàn)場校準(zhǔn)解決方法，并根據(jù)給出的校準(zhǔn)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 軌道交通車軸自動(dòng)檢測設(shè)備原理及結(jié)構(gòu)

車軸是構(gòu)成車軸的基準(zhǔn)部件，車軸檢測需要在實(shí)現(xiàn)適應(yīng)車軸生產(chǎn)線多品種、批量化生產(chǎn)需求得同時(shí)，準(zhǔn)確、高效地實(shí)現(xiàn)車軸的全尺寸檢測，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的信息共享。

1.1 車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

車軸主要包括軸徑、軸身、輪座、齒輪箱座等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)主要用于安裝軸承、車輪、制動(dòng)盤、齒輪箱、驅(qū)動(dòng)單元等零部件[4]。車軸具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)特征參數(shù)精度要求高的特點(diǎn)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車軸基本結(jié)構(gòu)示例（單位：mm）

車軸軸體上包含大量的裝配定位基準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)特征參數(shù)包括臺(tái)階軸的軸向尺寸、直徑、圓度（徑向跳動(dòng)）、圓柱度，臺(tái)階端面跳動(dòng)，端面平行度以及過渡段的圓弧半徑等。其中，各個(gè)階梯軸的直徑檢測是檢測和記錄的關(guān)鍵點(diǎn)，屬于高精度檢測，圓弧和軸向尺寸的檢測同樣是難點(diǎn)。

1.2 車軸自動(dòng)檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)組成及原理

采用車軸檢測設(shè)備用于對(duì)車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)（尺寸和幾何結(jié)構(gòu)）進(jìn)行在線自動(dòng)測量，采用高精度直線位移定位單元結(jié)合雙向接觸式測量頭與激光掃描測量頭，實(shí)現(xiàn)車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的準(zhǔn)確測量。設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，主要包括基座、車軸夾持及旋轉(zhuǎn)單元、4個(gè)橫向測量臂、2個(gè)光學(xué)測微計(jì)（激光掃描測量頭）、測量頭軸向直線位移單元、標(biāo)準(zhǔn)塊、運(yùn)動(dòng)控制及測量軟件。

圖2 軌道交通車軸自動(dòng)檢測設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

1.2.1 測量臂及直線定位單元

測量臂結(jié)構(gòu)如圖3所示，4個(gè)橫向測量臂可分為2個(gè)外臂和2個(gè)內(nèi)臂。每個(gè)外臂上一側(cè)安裝有一對(duì)雙向接觸測量頭，如圖3（a）所示，另一側(cè)安裝有一對(duì)激光掃描測量頭，如圖3（b）所示。每個(gè)內(nèi)壁上僅一側(cè)安裝有一對(duì)雙向接觸測量頭，另一側(cè)為空。雙向接觸測量頭能夠測量軸向及徑向尺寸，激光掃描測量頭能夠測量過渡段圓弧半徑和長度。

圖3 測量臂結(jié)構(gòu)示意圖

測量臂固定在滑塊上，其在縱軸上的定位由直線定位單元實(shí)現(xiàn)。測量臂底座為U形框架，2個(gè)徑向定位和測量直線位移單元固定在框架上，可將接觸測量頭從徑向方向移動(dòng)到被測部位。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)塊

標(biāo)準(zhǔn)塊對(duì)測量傳感器校準(zhǔn)示意圖如圖4所示。標(biāo)準(zhǔn)塊位于檢測設(shè)備中部，用于接觸測量頭和光學(xué)測微計(jì)的自校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)將測量頭移至標(biāo)準(zhǔn)塊，測量標(biāo)準(zhǔn)塊的直徑（徑向）及縱向長度，采用光學(xué)測微計(jì)測量標(biāo)準(zhǔn)塊的直徑。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)塊對(duì)測量傳感器校準(zhǔn)示意圖

2 測量數(shù)學(xué)模型

車軸自動(dòng)檢測設(shè)備在經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)塊校準(zhǔn)后，測量時(shí)采用相對(duì)測量法得到直徑和位置尺寸，如圖5所示。

圖5 軸向及徑向尺寸測量示意圖

對(duì)于車軸直徑，有D=D0+d1+d2。

對(duì)于車軸端面位置，有L=L0+l。

記車軸特征參數(shù)為M，將測量方程統(tǒng)一寫為：

式（1）中：M為車軸特征參數(shù)測量值；M0為標(biāo)準(zhǔn)塊參考值；m為測量值的變化量。

在現(xiàn)場環(huán)境條件下，標(biāo)準(zhǔn)塊檢定、檢測設(shè)備自校準(zhǔn)環(huán)節(jié)、車軸測量環(huán)節(jié)所處的環(huán)境溫度不能保持一致，需考慮環(huán)境溫度變化對(duì)測量結(jié)果造成的影響。車軸檢測設(shè)備為高精度設(shè)備，溫度的影響會(huì)比較顯著[5]。

另外，由上述測量模型可知，標(biāo)準(zhǔn)塊參數(shù)越接近被測車軸特征參數(shù)的值，測量結(jié)果的準(zhǔn)確度越高。然而，設(shè)備內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)塊尺寸單一，不能保證檢測設(shè)備對(duì)車軸全部特征參數(shù)測量的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行端面位置測量時(shí)，測量頭所在的位置由直線位移單元決定。在車軸檢測過程中，測量臂通過軸向直線位移單元移動(dòng)到指定位置處進(jìn)行檢測，直線位移單元的定位精度直接決定了測量臂能否對(duì)規(guī)定的位置進(jìn)行正確測量。

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)塊尺寸受溫度變化的影響產(chǎn)生的變化量為ΔM0，被測車軸特征參數(shù)受溫度影響的變化量為ΔM，測量頭受溫度變化的影響量為Δm，受直線位移單元定位不準(zhǔn)確的影響量為Δl，則式（1）可表示為：

式（2）中：ΔM為被測車軸特征參數(shù)受溫度影響的變化量，是測量環(huán)境溫度變化量ΔT2和車軸線膨脹系數(shù)αs的函數(shù)；ΔT2為測量環(huán)境溫度T2與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度T0之間的變化量；ΔM0為標(biāo)準(zhǔn)塊尺寸受溫度變化的影響產(chǎn)生的變化量，是自校準(zhǔn)溫度變化量ΔT1和標(biāo)準(zhǔn)塊線膨脹系數(shù)αs的函數(shù)；ΔT1為自校準(zhǔn)時(shí)的環(huán)境溫度T1與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度T0之間的變化量。

從上述測量模型可以看出，影響測量結(jié)果的因素主要包括測量環(huán)境溫度的變化、直線位移單元定位精度、標(biāo)準(zhǔn)塊及被測車軸的線膨脹系數(shù)等。如果標(biāo)準(zhǔn)塊和被測車軸的線膨脹系數(shù)相近、尺寸相近，且測量環(huán)境溫度與零位校準(zhǔn)時(shí)的溫度變化不大，則才可認(rèn)為ΔM0與ΔM相近。由于傳感器測量的是相對(duì)值，環(huán)境溫度變化對(duì)其測量尺寸變化的影響量Δm可認(rèn)為是微小量。當(dāng)直線位移單元的重復(fù)定位精度較高時(shí)，直線位移單元定位不準(zhǔn)確的影響量為Δl也可以忽略。因此，為了準(zhǔn)確獲得標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)M的值，需要保證以下條件：①自校準(zhǔn)溫度與測量溫度一致；②標(biāo)準(zhǔn)塊的材質(zhì)與典型車軸的材質(zhì)一致；③標(biāo)準(zhǔn)塊的尺寸與被測車軸特征參數(shù)相近；④測量頭直線位移單元有較高的重復(fù)定位精度，重復(fù)定位誤差對(duì)車軸軸向測量結(jié)果造成的影響可以忽略。

然而，由于環(huán)境溫度在現(xiàn)場條件下難以保持一致，需要考慮環(huán)境溫度變化對(duì)測量結(jié)果的影響。除內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)塊以外，檢測設(shè)備應(yīng)引入外部標(biāo)準(zhǔn)軸進(jìn)行自校準(zhǔn)，外部標(biāo)準(zhǔn)軸與被測軸尺寸大致相同，可用于校正與被測軸的實(shí)際類型尺寸相對(duì)應(yīng)的直徑及距離值。如果車軸軸向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測量結(jié)果不合格，還應(yīng)考慮測量頭直線位移單元的定位誤差是否對(duì)測量結(jié)果造成了影響。在對(duì)車軸自動(dòng)檢測設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)對(duì)其在現(xiàn)場環(huán)境下的綜合測量能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 計(jì)量特性

車軸自動(dòng)化檢測設(shè)備的計(jì)量特性包括車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測量誤差、測量重復(fù)性，必要時(shí)，還應(yīng)對(duì)設(shè)備測量頭直線位移單元的定位精度、重復(fù)定位精度進(jìn)行校準(zhǔn)。具體定義如下。

車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)測量誤差：車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測量結(jié)果與實(shí)際值之間的誤差。

車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)測量重復(fù)性：使用相同測量方法、相同觀測者、相同的測量儀器、相同場所、相同工作條件在短時(shí)期內(nèi)，對(duì)同一車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)連續(xù)測量所得結(jié)果之間的一致程度。

測量頭的定位精度：測量頭沿車軸方向直線移動(dòng)的實(shí)際位置與標(biāo)準(zhǔn)位置之間的誤差。

測量頭的重復(fù)定位精度：在相同條件下，測量頭沿車軸方向直線移動(dòng)到同一目標(biāo)位置的一致程度。

4 軌道交通車軸自動(dòng)檢測設(shè)備的校準(zhǔn)方法

軌道交通車軸自動(dòng)檢測設(shè)備的檢測對(duì)象包含不同位置臺(tái)階軸的軸向尺寸、直徑、圓度（徑向跳動(dòng)）、圓柱度，臺(tái)階端面跳動(dòng)、端面平行度以及過渡段的圓弧半徑等多種參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的檢測要求較高。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)設(shè)備準(zhǔn)確測量這些參數(shù)的能力，必須考慮裝夾定位、測量環(huán)境對(duì)測量結(jié)果的影響，測量系統(tǒng)自身修正及補(bǔ)償?shù)挠绊懙?。本文采用?shí)物標(biāo)準(zhǔn)器法對(duì)車軸自動(dòng)檢測設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器上包含檢測設(shè)備被測對(duì)象的所有參數(shù)，作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，將設(shè)備測量值與標(biāo)準(zhǔn)件參考值進(jìn)行比較，驗(yàn)證檢測設(shè)備的準(zhǔn)確性。實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)件校準(zhǔn)方法可以很好地解決多參數(shù)量值傳遞問題，改變傳統(tǒng)校準(zhǔn)模式，關(guān)注被測對(duì)象和測量過程的各種影響因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)專用自動(dòng)檢測設(shè)備的現(xiàn)場準(zhǔn)確校準(zhǔn)。

本文中的車軸自動(dòng)檢測設(shè)備的車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測量誤差和測量重復(fù)性要求如表1所示。

表1 車軸自動(dòng)檢測設(shè)備測量精度指標(biāo)

4.1 車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件

本文采用的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器為車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件如圖6所示。車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件的材質(zhì)與典型的機(jī)車車軸一致，具有多個(gè)階梯軸，階梯軸能夠反映現(xiàn)有車軸的尺寸范圍和結(jié)構(gòu)特征，能夠給出所有車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，如表2所示。車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件的所有車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)經(jīng)由三坐標(biāo)測量機(jī)給出參考值，需經(jīng)過第三方計(jì)量機(jī)構(gòu)的檢定，并配有檢定證書，測量不確定度U=0.003 mm（k=2）。

圖6 車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件

表2 車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件的特征參數(shù)及其標(biāo)稱值（單位：mm）

表2（續(xù)）

4.2 校準(zhǔn)方法及流程

4.2.1 校準(zhǔn)程序

考慮環(huán)境溫度變化對(duì)測量結(jié)果的影響，執(zhí)行校準(zhǔn)過程需要在3個(gè)不同的溫度段下進(jìn)行。3個(gè)溫度段下的溫度都應(yīng)在（20±5）℃范圍內(nèi)。測量前，將車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件在現(xiàn)場進(jìn)行定溫，時(shí)間不少于8 h。測量期間標(biāo)準(zhǔn)塊與車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件的溫度偏差不超過1.5℃。

每個(gè)時(shí)段下的校準(zhǔn)程序如下：①控制現(xiàn)場環(huán)境溫度為T1，建議T1的溫度為（20±0.5）℃，開始進(jìn)行T1溫度時(shí)段測試；②車軸自動(dòng)檢測設(shè)備經(jīng)開機(jī)預(yù)熱、自校準(zhǔn)后，將車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件放置在夾持旋轉(zhuǎn)單元上，確定旋轉(zhuǎn)過程中樣件運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無振動(dòng)、無卡澀現(xiàn)象后，可以實(shí)施校準(zhǔn)；③按照設(shè)定的檢測程序，控制雙向接觸式測量頭中的軸向測量頭分別與表2中所列出的某一階梯軸Ai的端面位置接觸，記錄下軸向測量頭的軸向位置，旋轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)樣件一周，得到一組軸向位置AiXj，取平均值，作為該階梯軸Ai的端面位置，其AiX、AiX的標(biāo)準(zhǔn)偏差σAiX可視為該端面的端面跳動(dòng)；④按照設(shè)定的檢測程序，控制雙向接觸式測量頭中的徑向測量頭分別與表2中所列出的某一階梯軸Ai的圓弧面接觸，記錄下徑向測量頭的徑向位置，旋轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)樣件一周，得到一組徑向位置AiDj，取平均值，作為該階梯軸Ai的直徑，其AiD、AiD的標(biāo)準(zhǔn)偏差σAiD可視為該軸的徑向跳動(dòng)（圓度）；測量階梯軸直徑時(shí)，軸向截面位置按三坐標(biāo)給出的位置確定；⑤重新對(duì)車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行裝卡，重復(fù)步驟③④，共進(jìn)行6次測量，完成T1溫度時(shí)段的測量；⑥控制現(xiàn)場環(huán)境溫度為T2，建議T2的溫度為（T1+3）℃，重復(fù)步驟②～⑤，完成T2溫度時(shí)段的測量；⑦控制現(xiàn)場環(huán)境溫度為T3，建議T3的溫度為（T1-3）℃，重復(fù)步驟②～⑤，完成T3溫度時(shí)段的測量。

4.2.2 測量結(jié)果的處理

每個(gè)時(shí)段下，車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件上某階梯軸Ai的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的6次測量結(jié)果的平均值為該結(jié)構(gòu)特征參數(shù)在該時(shí)段的測量結(jié)果，測量結(jié)果與參考值之差即為車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測量誤差，即：

式（3）（4）中：T為測量時(shí)段，T=1，2，3；為第T個(gè)時(shí)段中，車軸自動(dòng)化測量系統(tǒng)對(duì)第Ai個(gè)階梯軸上的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)M的第k次測量結(jié)果，結(jié)構(gòu)特征參數(shù)包括端面位置、端面跳動(dòng)、軸徑和軸向跳動(dòng)；為第T個(gè)時(shí)段中，第Ai個(gè)階梯軸上的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)M的測量誤差；AiM為第Ai個(gè)階梯軸上的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)M的參考值。

按照公式（3）（4）計(jì)算測量誤差并記錄3個(gè)時(shí)段的測量誤差。各個(gè)車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測量誤差為3個(gè)時(shí)段每個(gè)參數(shù)的測量誤差的平均值，并采用極差法計(jì)算測量重復(fù)性[6]，即：

4.2.3 測量頭移動(dòng)單元的定位精度和定位重復(fù)性

參照J(rèn)JF 1251—2010《坐標(biāo)定位測量系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》[7]，利用激光干涉儀對(duì)每個(gè)位移單元在全測量行程均勻選擇6個(gè)以上的目標(biāo)位置，進(jìn)行往復(fù)6次測量，計(jì)算往復(fù)雙向測量的定位精度和重復(fù)定位精度。

5 測量不確定度分析

5.1 測量誤差模型

使用車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件對(duì)車軸自動(dòng)化測量系統(tǒng)測量車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的能力進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，測量系統(tǒng)的測量值與校準(zhǔn)用車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件的參考值的差值為測量誤差。

式（7）中：e為車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測量誤差；為車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測量結(jié)果的平均值；M為車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的參考值。

由測量原理和測量方法，得到車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)測量誤差模型：

式（8）中：αw為被測車軸的線膨脹系數(shù)；ΔT2為測量溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃的差值；αs為標(biāo)準(zhǔn)塊的線膨脹系數(shù)；ΔT1為零位校準(zhǔn)溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃的差值；Δl為直線位移單元定位誤差；Δα為被測車軸與標(biāo)準(zhǔn)塊之間的膨脹系數(shù)差；ΔT為測量溫度與自校準(zhǔn)溫度的差值。

由于各輸入量之間不相關(guān)，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算公式為：

由于Δα、ΔT較小，所以c2≈-1，c4、c5約為0。

5.2 測量不確定度來源

由測量原理可分析得到測量不確定度來源于表3所示的幾個(gè)方面。

表3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表

5.3 測量不確定度評(píng)定

5.3.1 測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

在重復(fù)性條件下，車軸自動(dòng)化測量系統(tǒng)得到3組6次車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測量數(shù)據(jù)，并使用極差法計(jì)算測量重復(fù)性。

采用A類方法進(jìn)行評(píng)定。例如，車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)A1D的測量結(jié)果如表4所示。

表4 A1D的測量誤差與測量重復(fù)性

使用極差法計(jì)算測量重復(fù)性：

測量重復(fù)性為sAD1=0.7 μm。即u1=0.7 μm。

5.3.2 車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

所用車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件的測量不確定度為U=0.003 mm（k=2），則引入的不確定度分量為：

5.3.3 線膨脹系數(shù)差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

校準(zhǔn)環(huán)境中溫度要求為（20±5）℃，取其半寬ΔT2=5℃，標(biāo)準(zhǔn)塊的線膨脹系數(shù)為αs=11.5×10-6/℃，車軸的線膨脹系數(shù)為αw=12.0×10-6/℃，則：

5.3.4 溫度差引入的不確定度分量

校準(zhǔn)環(huán)境中溫度漂移要求不超過1℃/h，測量溫度與自校準(zhǔn)溫度的差值ΔT不超過1.5℃，則：

5.3.5 測量頭直線位移單元引入的不確定度分量

對(duì)于徑向尺寸，測量頭直線位移單元引入的測量誤差可以忽略，u7=0。

對(duì)于軸向尺寸，測量頭直線位移單元定位誤差0.010 mm，重復(fù)定位精度0.004 mm，則u7=4 μm。

5.3.6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

本例中徑向尺寸合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

5.3.7 擴(kuò)展不確定度U

取包含因子k=2，則本例中徑向尺寸的擴(kuò)展不確定度為：

U=kuc=3.4 μm

對(duì)于車軸軸向特征參數(shù)，進(jìn)行不確定度評(píng)定時(shí)應(yīng)加入直線位移單元定位誤差的影響量。

6 設(shè)備綜合測量能力校準(zhǔn)試驗(yàn)

6.1 校準(zhǔn)結(jié)果

根據(jù)前文所述的校準(zhǔn)方法和測量不確定度分析，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件，選取了3個(gè)不同的時(shí)間段，使用車軸自動(dòng)檢測設(shè)備對(duì)車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行重復(fù)測量。3個(gè)時(shí)間段的環(huán)境條件溫度如表5所示。3個(gè)時(shí)段下的車軸直徑測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表6所示。

表5 測量溫度統(tǒng)計(jì)表（單位：℃）

表6 車軸直徑測量結(jié)果（單位：mm）

6.2 校準(zhǔn)結(jié)果分析

根據(jù)表1中的車軸結(jié)構(gòu)特征參數(shù)測量精度指標(biāo)，此次校準(zhǔn)反映了檢測設(shè)備的部分不合格項(xiàng)，如圖7所示。

圖7 3個(gè)時(shí)間段的軸徑自動(dòng)測量結(jié)果

從表6及圖7可得到以下結(jié)論：①車軸自動(dòng)測量系統(tǒng)的測量重復(fù)性不超過0.000 5mm，說明在溫度變化不大的情況下，測量重復(fù)性較好。②同一車軸在各個(gè)時(shí)段內(nèi)因車軸溫度與標(biāo)準(zhǔn)塊溫度之間的溫差不同，其測量結(jié)果也不同。測量偏差與溫差有關(guān)，溫差增大時(shí)，軸徑的相對(duì)偏差也增大。

7 結(jié)論

通過應(yīng)用，本文提出的在線校準(zhǔn)方法能夠有效解決傳感器單獨(dú)校準(zhǔn)引起的二次安裝、定位問題，實(shí)現(xiàn)了使用現(xiàn)場校準(zhǔn)的功能，節(jié)省了校準(zhǔn)時(shí)間；對(duì)于檢測設(shè)備測量結(jié)果的不確定度評(píng)定，分析了可能對(duì)測量結(jié)果帶來影響的不確定度來源，包括系統(tǒng)測量重復(fù)性、車軸標(biāo)準(zhǔn)樣件、線膨脹系數(shù)之差、環(huán)境溫度的變化等，校準(zhǔn)結(jié)果具有較高的可信賴度。

采用標(biāo)準(zhǔn)樣件對(duì)專用檢測設(shè)備進(jìn)行在線校準(zhǔn)能夠評(píng)價(jià)車軸自動(dòng)檢測設(shè)備的真實(shí)及全面的測量能力，同時(shí)具有易操作性等優(yōu)點(diǎn)，在同類型自動(dòng)化測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)中值得推廣應(yīng)用。