基于GPS的不确定度评定关键技术及其应用研究

【摘要】：随着CAD/CAM/CAQ的应用和发展,新工艺、新技术、新材料的应用以及加工精度从微米到纳米的提高,以计量学为基础的新一代产品几何技术规范(Dimensional Geometrical Product Specification and Verification,简称GPS)标准体系在国际上已经形成。新一代GPS标准体系利用“不确定度”的量化特性和经济杠杆作用,将产品的功能、规范与测量评定集成一体,实现了过程的规范统一和资源的优化配置,促进产品质量的提高、成本的降低和更新换代速度的加快。因此,不确定度理论是新一代GPS标准体系中最重要的基础理论和关键技术之一,基于GPS的不确定度评定目前也已成为产品数字化设计与检验过程中一项重要的研究内容。 论文围绕基于GPS的不确定度评定关键技术及应用进行了深入而又细致的研究。主要研究内容如下： 研究了新一代GPS的表面模型及数字化描述技术、几何要素的获取工具——操作和算子技术、新一代GPS扩展的不确定度及其应用技术、基于GUM的不确定度评定方法及应用技术以及用于测量不确定度管理的PUMA程序等一系列GPS不确定度应用的理论基础及关键技术,深入剖析了它们的应用规律,导出了它们之间的相互关系。 针对工程实际中小样本的测量不确定度概算问题,论文引入灰色系统理论对测量不确定度进行评定,给出了灰色测量不确定度的评定模型和标准不确定度的计算方法。针对GUM(Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement)法对测量不确定度评定的不足,论文提出了将蒙特卡洛方法应用在GPS不确定度的评定中,给出了基于GPS测量不确定度管理程序的测量不确定度评定步骤。实验结果表明：采用蒙特卡洛方法与采用GUM法的不确定度计算结果接近,而蒙特卡洛方法克服了传统GUM方法求解中的一些缺陷和不足。 针对几何误差的不确定度评定,论文分析了几何误差计量及不确定度的评定模型,并在此基础上指出在实际认证操作算子均采用规范操作算子时,不存在方法不确定度,测量不确定度由执行不确定度在实际认证操作算子中传递而来。基于此,本章在分析了执行不确定度的来源及组成的基础上,研究了其在要素操作中的构成及传递规律,包括滤波操作和拟合操作,推导出测量不确定度的计算公式。以圆柱度仪为例计算了在圆柱度误差计量中的测量不确定度,在此基础上指出了圆柱度误差计量中认证操作算子的选用原则,为不确定度评定与几何误差数字化计量系统的集成奠定了实践基础。 基于前述的研究,研究了GPS不确定度评定与几何误差数字化计量系统的集成,进一步完善了其功能。这对于加快新一代GPS在工程实际中的推广应用具有重要意义。