本發(fā)明屬于測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種降低測(cè)量數(shù)據(jù)不確定度的數(shù)據(jù)處理方法。

背景技術(shù)：

數(shù)字化測(cè)量是面向精密裝配的幾何誤差建模的第一階段，高效率和高精度的數(shù)據(jù)采集是后期數(shù)據(jù)處理和模型重建的基礎(chǔ)。因此采用合適的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備與測(cè)量方法，獲得精確的測(cè)量數(shù)據(jù)是幾何誤差建模中最基本、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，高精度測(cè)量?jī)x器的測(cè)量成本較高，通過(guò)對(duì)低精度測(cè)量?jī)x器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析并對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)低精度設(shè)備實(shí)現(xiàn)等效高精度測(cè)量的功能，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值，例如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。而測(cè)量不確定度用來(lái)表征測(cè)量的可信程度，是測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)。不確定度越小，所屬結(jié)果與被測(cè)量的真值越接近，表明測(cè)量結(jié)果越可靠、其使用價(jià)值越高；不確定度越大，測(cè)量結(jié)果的可靠性越差，其使用價(jià)值也越低。所有測(cè)量都會(huì)受到不確定度的影響，可能來(lái)自測(cè)量?jī)x器、被測(cè)物、測(cè)量人員或測(cè)量環(huán)境等，其中測(cè)量?jī)x器是導(dǎo)致測(cè)量不確定度的重要因素，不確定的程度及來(lái)源因測(cè)量?jī)x器與測(cè)量方法的不同而異，無(wú)論測(cè)量不確定度是由何種因素造成，最終都會(huì)體現(xiàn)在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度和確定度的影響。所以要找到一種普適性的數(shù)據(jù)處理方法，使數(shù)據(jù)更逼近真實(shí)情況，降低數(shù)據(jù)的不確定度。

以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為例，因其測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大、能方便的進(jìn)行空間三維尺寸的測(cè)量，所以一般選取接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)精密結(jié)構(gòu)體的表面形貌進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。目前對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果更逼近真實(shí)值，大多數(shù)是提高三坐標(biāo)測(cè)量精度方面，即尋找三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的各項(xiàng)誤差源，并提出誤差修正方法，主要有兩種基本方法：誤差預(yù)防法和誤差補(bǔ)償法。誤差預(yù)防法是通過(guò)設(shè)計(jì)和制造途徑來(lái)消除或減少可能的誤差源，依靠提高三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)制作精度來(lái)滿足測(cè)量精度要求，如江漢大學(xué)通過(guò)對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)更換測(cè)量系統(tǒng)，并改進(jìn)和設(shè)計(jì)與測(cè)量系統(tǒng)相配的機(jī)械部分，提高了測(cè)量機(jī)的精度，但是誤差預(yù)防方法有很大的局限性、而且經(jīng)濟(jì)成本高；而誤差補(bǔ)償法是使用軟件技術(shù)，人為產(chǎn)生一種新的誤差去抵消當(dāng)前的原始誤差，該方法經(jīng)濟(jì)成本低，如天津大學(xué)提出的基于21項(xiàng)幾何誤差的準(zhǔn)剛體誤差修正模型，測(cè)量和控制這21項(xiàng)誤差，并進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，但該方法過(guò)程復(fù)雜，不太適合工程應(yīng)用，并且主要修正的是各項(xiàng)系統(tǒng)誤差的影響，未充分考慮各種影響因素，對(duì)隨機(jī)成分的處理較少。

隨著測(cè)量?jī)x器、測(cè)量方法、測(cè)量環(huán)境等的不同，測(cè)量結(jié)果的不確定度都會(huì)有所不同，所以目前研究大多停留在對(duì)不確定度進(jìn)行理論的分析與評(píng)定，僅針對(duì)某種測(cè)量?jī)x器減小測(cè)量數(shù)據(jù)的不確定度，沒(méi)有一種具有普適性的方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種降低測(cè)量數(shù)據(jù)不確定度的數(shù)據(jù)處理方法，該方法不僅能夠達(dá)到利用低精度設(shè)備實(shí)現(xiàn)等效高精度測(cè)量的功能，同時(shí)數(shù)據(jù)處理過(guò)程簡(jiǎn)單，還是一種普適性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理方法。

實(shí)施本發(fā)明的具有方案如下：

一種降低測(cè)量數(shù)據(jù)不確定度的數(shù)據(jù)處理方法，該方法包括：

步驟一：制備平面度低于設(shè)定平面度s的平面作為標(biāo)準(zhǔn)平面；

步驟二：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)平面和待補(bǔ)償?shù)膶?shí)際加工平面設(shè)置采樣頻率和采樣長(zhǎng)度；

步驟三：按照步驟二中的采樣頻率和采樣長(zhǎng)度，以標(biāo)準(zhǔn)平面的任一角點(diǎn)為原點(diǎn)，z軸指向標(biāo)準(zhǔn)平面的法線方向，建立直角坐標(biāo)系，利用測(cè)量?jī)x器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)平面進(jìn)行采樣，獲得測(cè)量?jī)x器的z軸的測(cè)量數(shù)據(jù)x1，標(biāo)準(zhǔn)平面的測(cè)量數(shù)據(jù)即為測(cè)量誤差；

步驟四：對(duì)獲得的測(cè)量?jī)x器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳擬合定位，去除坐標(biāo)系的定位誤差，獲得去除坐標(biāo)系的定位誤差的測(cè)量數(shù)據(jù)x2；

步驟五：按照步驟三的測(cè)量方式，在同一所述直角坐標(biāo)系下多次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)平面，針對(duì)步驟三獲得的測(cè)量誤差按照步驟四的去除定位誤差方式進(jìn)行處理，獲得多組去除坐標(biāo)系的定位誤差的測(cè)量數(shù)據(jù)x2，分析所述測(cè)量數(shù)據(jù)x2，如果所述測(cè)量數(shù)據(jù)x2具有相同的變化規(guī)律，則對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)x2取均值，該均值記為系統(tǒng)誤差x3，并對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，獲得補(bǔ)償后的測(cè)量數(shù)據(jù)x4，即x4＝x2-x3；如果測(cè)量數(shù)據(jù)x2沒(méi)有規(guī)律，則忽略系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；

步驟六：利用可選濾波方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)x4進(jìn)行濾波，選定濾波效果最好的濾波方法；

步驟七：對(duì)實(shí)際加工平面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，采用步驟二中確定的采樣頻率和采樣長(zhǎng)度，在實(shí)際加工平面上，建立與步驟三所述直角坐標(biāo)系相同的坐標(biāo)系，利用步驟三使用的測(cè)量?jī)x器對(duì)實(shí)際加工平面進(jìn)行采樣，獲得實(shí)際加工平面的測(cè)量數(shù)據(jù)y1；對(duì)實(shí)際加工平面的測(cè)量數(shù)據(jù)y1按照步驟四的去除定位誤差的方式進(jìn)行處理，獲得去除定位誤差的測(cè)量數(shù)據(jù)y2，利用步驟五獲得的系統(tǒng)誤差x3對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)y2進(jìn)行補(bǔ)償，獲得補(bǔ)償后的測(cè)量數(shù)據(jù)y3，利用步驟六選定的濾波方法，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)y3中的隨機(jī)誤差進(jìn)行濾除，獲得濾除后的測(cè)量數(shù)據(jù)y4。

進(jìn)一步地，對(duì)步驟六選定的濾波方法，采用頻譜分析濾波效果，如果濾波效果符合設(shè)定要求，則完成濾波方法的確定，否則，重新選定濾波方法。

進(jìn)一步地，s＝0.3μm。

有益效果：

本發(fā)明從對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)后期處理的角度入手，提出一種降低測(cè)量數(shù)據(jù)不確定度的數(shù)據(jù)處理方法，充分考慮到了測(cè)量數(shù)據(jù)是受各種因素影響的結(jié)果，所以對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)規(guī)律的分析和補(bǔ)償，對(duì)系統(tǒng)誤差采用多次測(cè)量取平均的方法進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)于系統(tǒng)誤差補(bǔ)償后殘留的隨機(jī)誤差用小波濾波方法進(jìn)行了濾除，進(jìn)行組合補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)更逼近真實(shí)數(shù)據(jù)，降低了測(cè)量數(shù)據(jù)的不確定度，處理過(guò)程簡(jiǎn)潔有效；實(shí)現(xiàn)了低精度設(shè)備進(jìn)行高精度測(cè)量的功能，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為“三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差補(bǔ)償”方法步驟圖；

圖2為幾何形狀誤差示意圖；

圖3為系統(tǒng)誤差分布圖；

圖4為隨機(jī)誤差概率分布圖；

圖5為標(biāo)準(zhǔn)平面濾波前二維幅頻圖；

圖6為標(biāo)準(zhǔn)平面濾波后二維幅頻圖；

圖7為加工表面濾波前二維幅頻圖；

圖8為加工表面濾波后二維幅頻圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

本申請(qǐng)文件從對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)后期處理的角度入手，提出一種降低三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)不確定度的數(shù)據(jù)處理方法，本方法充分考慮到了各種影響因素最終是綜合體現(xiàn)在測(cè)量數(shù)據(jù)上的，所以對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)規(guī)律的分析和補(bǔ)償，對(duì)系統(tǒng)誤差采用了多次測(cè)量取平均的方法進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)于系統(tǒng)誤差補(bǔ)償后殘留的隨機(jī)誤差用小波濾波方法進(jìn)行了濾除，進(jìn)行組合補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)更逼近真實(shí)數(shù)據(jù)，降低了測(cè)量數(shù)據(jù)的不確定度，處理過(guò)程簡(jiǎn)潔有效，本申請(qǐng)文件以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)處理為例，但不限于三坐標(biāo)的數(shù)據(jù)處理，是一種普適性的數(shù)據(jù)處理方法，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明將測(cè)量精度為3-5μm的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)視為低精度三坐標(biāo)測(cè)量；測(cè)量精度為1μm以下的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)視為高精度三坐標(biāo)測(cè)量；將隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差分離，對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)隨機(jī)誤差進(jìn)行濾波，最終提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度，如圖1所示，具體方案如下：

步驟一：制備平面度低于設(shè)定平面度s的平面作為標(biāo)準(zhǔn)平面；

步驟二：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)平面和待補(bǔ)償?shù)膶?shí)際加工平面設(shè)置采樣頻率和采樣長(zhǎng)度；設(shè)置采樣頻率和采樣長(zhǎng)度具體為：依據(jù)采樣原理即采樣頻率至少大于信號(hào)中最高頻率的兩倍，本實(shí)施例中以控制宏觀形狀誤差尺度的數(shù)據(jù)精確度為目的選取采樣頻率和采樣長(zhǎng)度，例如，若宏觀形狀誤差波距為λ＝15mm，采樣長(zhǎng)度至少小于7.5mm，采樣頻率為至少每間隔7.5mm進(jìn)行采樣一次。

其中，圖2為幾何形狀誤差示意圖；形狀誤差的三種尺度標(biāo)準(zhǔn)如下：表面粗糙度的波距λ：λ≤1mm；表面波紋度波距：1mm<λ≤10mm；宏觀形狀誤差波距：λ>10mm。

步驟三：按照步驟二中的采樣頻率和采樣長(zhǎng)度，以標(biāo)準(zhǔn)平面的任一角點(diǎn)為原點(diǎn)，z軸指向標(biāo)準(zhǔn)平面的法線方向，建立直角坐標(biāo)系，利用低精度的測(cè)量?jī)x器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)平面進(jìn)行采樣，獲得測(cè)量?jī)x器的z軸的測(cè)量數(shù)據(jù)x1，標(biāo)準(zhǔn)平面的測(cè)量數(shù)據(jù)即為測(cè)量數(shù)據(jù)；

步驟四：對(duì)獲得的測(cè)量?jī)x器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳擬合定位，去除坐標(biāo)系的定位誤差，獲得去除坐標(biāo)系的定位誤差的測(cè)量數(shù)據(jù)x2；

由于測(cè)量原點(diǎn)定位及測(cè)量坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系不重合產(chǎn)生的定位誤差，用最優(yōu)化算法反求測(cè)量數(shù)據(jù)中的位姿誤差參數(shù)，例如利用lm算法進(jìn)行迭代可以求出位姿誤差中的偏置距離和偏轉(zhuǎn)角度，最終使測(cè)量坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系重合，本申請(qǐng)文件中直接在imageware中輸入測(cè)量坐標(biāo)系即所述直角坐標(biāo)系，利用imageware的定位擬合功能便可實(shí)現(xiàn)測(cè)量坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系的最佳擬合定位。

步驟五：按照步驟三的測(cè)量方式，在同一所述直角坐標(biāo)系下多次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)平面，針對(duì)步驟三獲得的測(cè)量誤差按照步驟四的去除定位誤差方式進(jìn)行處理，獲得多組去除坐標(biāo)系的定位誤差的測(cè)量數(shù)據(jù)x2，分析所述測(cè)量數(shù)據(jù)x2，如果所述測(cè)量數(shù)據(jù)x2具有相同的變化規(guī)律，所謂相同的變化規(guī)律是指多組測(cè)量數(shù)據(jù)的變化呈現(xiàn)的規(guī)律相同或相似，如多次重復(fù)測(cè)量對(duì)應(yīng)的多組數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)出階梯狀；則對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)x2取均值，該均值記為系統(tǒng)誤差x3，并對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，獲得補(bǔ)償后的測(cè)量數(shù)據(jù)x4，即x4＝x2-x3；如果測(cè)量數(shù)據(jù)x2沒(méi)有規(guī)律，則忽略系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；

步驟六：利用可選濾波方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)x4進(jìn)行濾波，選定濾波效果最好的濾波方法；

對(duì)步驟五獲得的系統(tǒng)誤差補(bǔ)償后的測(cè)量數(shù)據(jù)x4可選用均值濾波、中值濾波、高斯濾波或小波濾波等進(jìn)行處理，通過(guò)matlab對(duì)各方法獲得的濾波效果進(jìn)行分析，采用頻譜分析濾波效果，如果濾波效果符合設(shè)定要求，則完成濾波方法的確定，否則，重新選定濾波方法。本發(fā)明確定的濾波方法為小波濾波，通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)x4進(jìn)行概率密度分析，獲知測(cè)量數(shù)據(jù)x4服從正態(tài)分布規(guī)律，利用小波濾波對(duì)服從正態(tài)分布的信號(hào)進(jìn)行濾除，然后對(duì)濾波前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行二維傅里葉變換，得到二維幅頻圖，幅頻圖中心對(duì)應(yīng)低頻信號(hào)，四周對(duì)應(yīng)高頻信號(hào)，低頻信號(hào)對(duì)應(yīng)有用信號(hào)，所以通過(guò)二維幅頻圖可得到數(shù)據(jù)的有用頻段，根據(jù)有用頻段設(shè)置小波濾波的層數(shù)，其中，小波濾波的重要參數(shù)為基函數(shù)和濾波的層數(shù)。

步驟七：對(duì)實(shí)際加工平面進(jìn)行測(cè)量，采用步驟二中確定的采樣頻率和采樣長(zhǎng)度，在實(shí)際加工平面上，建立與步驟三所述直角坐標(biāo)系相同的坐標(biāo)系，利用測(cè)量?jī)x器對(duì)實(shí)際加工平面進(jìn)行采樣，獲得實(shí)際加工平面的測(cè)量數(shù)據(jù)y1；對(duì)實(shí)際加工平面的測(cè)量數(shù)據(jù)y1按照步驟四的去除定位誤差的方式進(jìn)行處理，獲得去除定位誤差的測(cè)量數(shù)據(jù)y2，利用步驟五獲得的系統(tǒng)誤差x3對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)y2進(jìn)行補(bǔ)償，獲得補(bǔ)償后的測(cè)量數(shù)據(jù)y3，利用步驟六選定的濾波方法，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)y3中的隨機(jī)誤差進(jìn)行濾除，獲得濾除后的測(cè)量數(shù)據(jù)y4。

步驟八：利用高精度測(cè)量?jī)x器對(duì)實(shí)際加工平面進(jìn)行測(cè)量，獲得測(cè)量數(shù)據(jù)y5；

步驟九：分別計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)y1、濾除后的測(cè)量數(shù)據(jù)y4和測(cè)量數(shù)據(jù)y5的平面度，將測(cè)量數(shù)據(jù)y1的平面度、濾除后的測(cè)量數(shù)據(jù)y4的平面度均與測(cè)量數(shù)據(jù)y5的平面度對(duì)比，獲得濾除后的測(cè)量數(shù)據(jù)y4的平面度更加逼近測(cè)量數(shù)據(jù)y5的平面度，降低了測(cè)量數(shù)據(jù)的不確定度。

實(shí)施例：實(shí)施例的具體過(guò)程如下：

根據(jù)圖2所示的幾何形狀誤差示意圖，選擇一塊尺寸為80×60×10mm的平面鏡作為標(biāo)準(zhǔn)平面，用測(cè)量精度為60nm左右的激光干涉儀對(duì)平面進(jìn)行測(cè)量，用測(cè)量不確定度為3.5um的三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行測(cè)量，采樣步長(zhǎng)為2.5mm，重復(fù)測(cè)量4次，每次采集441個(gè)樣本點(diǎn)，獲得具有拓?fù)渚匦尉W(wǎng)格特征的測(cè)量誤差離散點(diǎn)云。

在逆向工程軟件中，將測(cè)量點(diǎn)與同一坐標(biāo)系下的理想平面進(jìn)行最佳擬合，去除坐標(biāo)系定位誤差，取四次測(cè)量數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值為系統(tǒng)誤差，圖3為系統(tǒng)誤差分布圖。

將原始測(cè)量數(shù)據(jù)減去系統(tǒng)誤差，得到隨機(jī)誤差，對(duì)隨機(jī)誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析，如圖4所示，隨機(jī)誤差服從正態(tài)分布。如圖5所示，對(duì)隨機(jī)誤差進(jìn)行二維頻域分析，隨機(jī)噪聲是一種具有較高頻率分量的信號(hào)，選擇小波濾波的方法對(duì)隨機(jī)誤差進(jìn)行濾除。圖5、6為標(biāo)準(zhǔn)平面濾波前后二維幅頻圖。表1列出了高精度激光干涉儀的測(cè)量結(jié)果和低精度三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差處理前后的對(duì)比結(jié)果。

表1為高精度激光干涉儀的測(cè)量結(jié)果和低精度三坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理前后的對(duì)比結(jié)果

從表1結(jié)果中可以看出：數(shù)據(jù)處理效果顯著，對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)處理前，低精度三坐標(biāo)的測(cè)量不確定度在3.5um，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將測(cè)量不確定度由3.5um降低到1um以下，大大提高了測(cè)量數(shù)據(jù)精確度，使測(cè)量數(shù)據(jù)更逼近真實(shí)值。

選擇10塊60×60×10mm的銑削平面進(jìn)行驗(yàn)證，分別在測(cè)量不確定度為0.6um和3.5um的三坐標(biāo)機(jī)下進(jìn)行測(cè)量。對(duì)測(cè)量不確定度為3.5um的三坐標(biāo)機(jī)下的測(cè)量結(jié)果采用相同的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行處理，系統(tǒng)誤差與上述標(biāo)準(zhǔn)平面標(biāo)定好的系統(tǒng)誤差相同，選擇相同的小波濾波閾值對(duì)隨機(jī)誤差進(jìn)行濾除，結(jié)果如表2所示。

表2為實(shí)際平面的高精度三坐標(biāo)機(jī)與低精度三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)處理前后的對(duì)比結(jié)果

從表2結(jié)果中可以看出：通過(guò)本發(fā)明提出的一種降低測(cè)量數(shù)據(jù)不確定度的數(shù)據(jù)處理方法，使測(cè)量數(shù)據(jù)更逼近真實(shí)值，降低了測(cè)量數(shù)據(jù)不確定度；如圖7-8所示，加工表面濾波前后二維幅頻圖。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。