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。

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。

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。

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。

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。

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= ，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。