關(guān)節(jié)臂式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范

11范圍本規(guī)范適用于關(guān)節(jié)臂式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的校準(zhǔn)。本規(guī)范引用了下列文件JJF1071—2010國(guó)家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范編寫規(guī)則ASMEB89.4.22關(guān)節(jié)臂式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)性能評(píng)估方法(MethodsforPerformanceEvaluationofArticulatedArmCoordinateMeasuringMachines)凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本規(guī)范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)范。3.1球桿standardbar,ballbar由一個(gè)剛性桿連接的兩個(gè)或多個(gè)直徑相同的標(biāo)準(zhǔn)球組成的量規(guī)。關(guān)節(jié)臂式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)也稱便攜式三維測(cè)量臂、曲臂式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(以下簡(jiǎn)稱測(cè)量臂)。測(cè)量臂是一種基于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)臂的坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)每個(gè)關(guān)節(jié)處的角度編碼器測(cè)量得到的轉(zhuǎn)角信息，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到測(cè)頭在儀器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。測(cè)量臂一般由3個(gè)關(guān)節(jié)組成，即肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié)應(yīng)包括A和B轉(zhuǎn)軸，肘關(guān)節(jié)包括D轉(zhuǎn)軸，而腕關(guān)節(jié)包括E和F轉(zhuǎn)軸。測(cè)頭安裝在最后一個(gè)轉(zhuǎn)軸上，通過(guò)手動(dòng)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。常見的測(cè)量臂有5軸、6軸、7軸幾種構(gòu)造，如圖1～圖42圖32-1-3構(gòu)造按A-B-D-E-F-G旋轉(zhuǎn)軸單軸坐標(biāo)測(cè)量一致性是用于評(píng)估測(cè)量臂通過(guò)最大可能的運(yùn)動(dòng)范圍給出某個(gè)固定點(diǎn)的測(cè)量臂在有效測(cè)量范圍內(nèi)關(guān)節(jié)不同姿態(tài)的空間長(zhǎng)度最大示值誤6.1.1溫度條件：溫度條件應(yīng)根據(jù)受校測(cè)量臂的測(cè)量不確定度或用戶約定要求確定。推薦的最低要求為：溫度變化不應(yīng)超過(guò)1.0℃/h,被校儀器在同一溫度場(chǎng)內(nèi)的時(shí)間不小于4h,開機(jī)預(yù)熱時(shí)間應(yīng)不少于0.5h。標(biāo)準(zhǔn)器在室內(nèi)恒溫時(shí)間不少于4h。主要校準(zhǔn)設(shè)備及要求見表1。序號(hào)用于校準(zhǔn)項(xiàng)目1錐角在60°~120°的范圍內(nèi)，錐孔深度不小于測(cè)頭球直徑的三分之一；2直徑：MPE:±1.0μm;|MPE|(測(cè)量臂空間長(zhǎng)度最大允許誤差)空間長(zhǎng)度示值誤差注：空間長(zhǎng)度示值誤差校準(zhǔn)可采用滿足不確定度和測(cè)量范圍要求(測(cè)量直37校準(zhǔn)項(xiàng)目和方法校準(zhǔn)前，需對(duì)測(cè)頭進(jìn)行標(biāo)定，通常采用單點(diǎn)法(見附錄A)和標(biāo)準(zhǔn)球法，也可采用廠商提供其他它標(biāo)定方法。在確定沒有影響計(jì)量特性因素后再進(jìn)行其他項(xiàng)目校準(zhǔn)。7.1單軸坐標(biāo)測(cè)量一致性通常采用錐孔校準(zhǔn)法和標(biāo)準(zhǔn)球校準(zhǔn)法。為使測(cè)量臂所有的編碼器可以達(dá)到最大轉(zhuǎn)向，將校準(zhǔn)用工具固定放置在測(cè)量臂測(cè)量范圍的至少3個(gè)位置進(jìn)行校準(zhǔn)，推薦的3個(gè)位置為：D≤20%R、D=(40%～60%)R,D≥80%R(3個(gè)位置在360°范圍內(nèi)大約均勻分布，D為校準(zhǔn)用工具距測(cè)量臂的距離，R為測(cè)量臂的測(cè)量半徑，下同),如圖5所示。位置1:0%～20%臂長(zhǎng)范圍內(nèi)位置2:40%～60%臂長(zhǎng)范圍內(nèi)位置3:80%～100%臂長(zhǎng)范圍內(nèi)圖5校準(zhǔn)用工具固定放置3個(gè)推薦位置7.1.1錐孔校準(zhǔn)法在每一位置處，將測(cè)量臂從左方擺動(dòng)到右方約180°,同時(shí)旋轉(zhuǎn)腕關(guān)節(jié)約90°(如圖6所示),在擺臂的同時(shí)，始終保持測(cè)頭不脫離校準(zhǔn)錐或孔的中心，采集至少10點(diǎn)的坐標(biāo)值，重復(fù)測(cè)量至少3組數(shù)據(jù)。每組單軸坐標(biāo)的最大值和最小值之差的二分之一為δ,δ,δ,[見式(1)～式(3)],取其三組δ,δ,δ。的最大值為測(cè)量結(jié)果：x;,y;,z;——測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)，mm。測(cè)量數(shù)據(jù)記錄格式例舉見表B.14圖6測(cè)量臂擺動(dòng)方式在每一位置處，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球至少5個(gè)點(diǎn)(4個(gè)點(diǎn)分布在赤道線上，1個(gè)點(diǎn)位于球的一極)(測(cè)量時(shí)，測(cè)量臂的擺動(dòng)方式同7.1.1),擬合求球心坐標(biāo)。重復(fù)測(cè)量至少6次得到6個(gè)球心坐標(biāo)，單軸坐標(biāo)的最大值和最小值之差的二分之一為δ,δ,δ。[見式(1)～式(3)],取δ,δ,,δ的最大值為測(cè)量結(jié)果。選用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)球桿，短球桿長(zhǎng)度L?=(50%～70%)R,長(zhǎng)球桿長(zhǎng)度L?=(120%~測(cè)量臂的球形工作范圍分為4個(gè)相等的象限，球半徑等于測(cè)量臂測(cè)量半徑，球心為標(biāo)準(zhǔn)球桿的擺放姿態(tài)為水平、垂直及45°傾斜；擺放位置以赤道平面為界分高位和低位；擺放距離是指從標(biāo)準(zhǔn)球桿中心到儀器中心的距離，以50%R為界分遠(yuǎn)近。擺放方向是指球桿或其延長(zhǎng)線與球的關(guān)系，當(dāng)球桿或其延長(zhǎng)線不通過(guò)球心時(shí)表示為切向，通推薦的10個(gè)擺放位置見圖7和表2。每次長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)，采集每個(gè)球至少5個(gè)點(diǎn)(4個(gè)點(diǎn)分布在赤道線上，1個(gè)點(diǎn)位于球的一極),計(jì)算球桿中心長(zhǎng)度。圖7標(biāo)準(zhǔn)器擺放位置(俯視圖)5表2標(biāo)準(zhǔn)器擺放推薦位置位置序號(hào)象限擺放方向1短高位近徑向、切向2短近徑向、切向3長(zhǎng)近切向4長(zhǎng)高位近切向5長(zhǎng)高低近切向6長(zhǎng)高低近切向7短高低遠(yuǎn)切向8短高低遠(yuǎn)切向9短3高低遠(yuǎn)切向長(zhǎng)4高低近切向每一位置獨(dú)立重復(fù)測(cè)量3次，空間長(zhǎng)度示值誤差的計(jì)算見式(4):式中：La——標(biāo)準(zhǔn)球桿中心長(zhǎng)度值，mm;經(jīng)校準(zhǔn)的測(cè)量臂出具校準(zhǔn)證書。校準(zhǔn)證書應(yīng)符合JJF1071—2010中5.12的要求，并給出各校準(zhǔn)項(xiàng)目名稱和測(cè)量結(jié)果以及空間長(zhǎng)度示值誤差的擴(kuò)展不確定度。9復(fù)校時(shí)間間隔由于復(fù)校時(shí)間間隔的長(zhǎng)短是由測(cè)量臂的使用情況、使用者、測(cè)量臂本身質(zhì)量等諸因素所決定的，因此送校單位可根據(jù)實(shí)際使用情況自主決定復(fù)校時(shí)間間隔。建議復(fù)校間隔一般不超過(guò)1年。6單點(diǎn)標(biāo)定測(cè)頭推薦具體方法用一個(gè)最大端直徑為10mm～15mm的錐孔，固定在測(cè)量臂測(cè)量半徑20%～80%范圍內(nèi)的任意位置(一般推薦50%～60%),分前后左右四個(gè)方向，每個(gè)方向5個(gè)點(diǎn)，每組內(nèi)每個(gè)點(diǎn)與點(diǎn)之間的夾角為20°左右，如圖A.1所示。結(jié)果應(yīng)滿足廠商提出的指標(biāo)要求，然后進(jìn)行測(cè)頭標(biāo)定值的應(yīng)用。校準(zhǔn)記錄格式例舉測(cè)量次數(shù)測(cè)量點(diǎn)序號(hào)位置1位置3x軸x;y軸y;z軸z;x軸x;y軸y;z軸z;x軸x;y軸y;z軸z;1123456789212測(cè)量次數(shù)測(cè)量點(diǎn)位置1位置2位置3y軸y;z軸z:y軸y;z軸z;234一1146.1215678931234567測(cè)量次數(shù)測(cè)量點(diǎn)序號(hào)位置1位置3y軸y;z軸z;x軸x;y軸y;z軸z;x軸x;y軸y;z軸z;389表B.2單軸坐標(biāo)測(cè)量一致性結(jié)果記錄表(標(biāo)準(zhǔn)球法)測(cè)量點(diǎn)序號(hào)位置1位置2位置3軸x;y軸y;z軸z;軸x;y軸y;z軸z;y軸y;z軸z;123456表B.3空間長(zhǎng)度示值誤差校準(zhǔn)記錄序號(hào)象限方向|△L;|最大值1水平高位近徑向2水平近徑向3水平近切向4水平高位近切向5高低近切向6高低近切向7高低遠(yuǎn)切向8高低遠(yuǎn)切向93高低遠(yuǎn)切向4高低近切向|△L;|最大值附錄C測(cè)量臂空間長(zhǎng)度示值誤差不確定度評(píng)定C.1測(cè)量方法選用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)球桿，短球桿長(zhǎng)度L?=(50%～70%)R,長(zhǎng)球桿長(zhǎng)度L?=(120%~150%)R,分別放置在相對(duì)于測(cè)量臂不同位置處進(jìn)行測(cè)量。例：測(cè)量臂空間測(cè)量直徑2.7m,空間長(zhǎng)度最大允許示值誤差±0.041mm。C.2測(cè)量模型由測(cè)量原理和方法，得到測(cè)量模型：式中：Lal——標(biāo)準(zhǔn)球桿的參考值，mm;L:——每個(gè)位置的長(zhǎng)度測(cè)量值，mm。C.3方差和靈敏系數(shù)因?yàn)楦鬏斎肓勘舜霜?dú)立。依不確定度傳播率：式中：u(L;)——測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Laa)——標(biāo)準(zhǔn)器具引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。靈敏系數(shù)：C.4標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表見表C.1。確定度u(x;)標(biāo)準(zhǔn)不確定標(biāo)準(zhǔn)球桿測(cè)量不確定度201C.4.1標(biāo)準(zhǔn)器具引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量C.4.1.1標(biāo)準(zhǔn)球桿測(cè)量不確定度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量目前，標(biāo)準(zhǔn)球桿測(cè)量不確定度可達(dá)6.0μm,包含因子k=2,則C.4.1.2標(biāo)準(zhǔn)球桿溫度變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)球桿的線膨脹系數(shù)為(0±1)×10-6℃-1,長(zhǎng)度為1600.652mm,溫度測(cè)量不確定度優(yōu)于0.1℃,按均勻分布處理，則C.4.1.3標(biāo)準(zhǔn)球桿的線膨脹系數(shù)測(cè)量誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量標(biāo)準(zhǔn)球桿的線膨脹系數(shù)一般為(O±1)×10-6℃-1,在半寬區(qū)間內(nèi)變化量為△a=1×10-6℃-1,推薦實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度(20±3)℃,平均偏離為3℃,按均勻分布處理，則則u(Lea)=√u?2(Lea)+u22(Laa)+ugC.4.2測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量用標(biāo)準(zhǔn)球桿(L=1600.652mm)在空間不同位置、不同姿態(tài)進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量，其重復(fù)性引入不確定度為：C.5合成不確定度μmuc(L)=√u2(Lal)+u2(L?)=√4.082+4.552μμmC.6擴(kuò)展不確定度通過(guò)測(cè)量臂空間長(zhǎng)度示值誤差在測(cè)量范圍內(nèi)的最大允許誤差為±0.041mm。此時(shí)的測(cè)量能力指數(shù)：測(cè)量結(jié)果不滿足要求時(shí)的處理D.1單軸坐標(biāo)一致性測(cè)量結(jié)果不滿足要求時(shí)的處理單軸坐標(biāo)一致性測(cè)量結(jié)果如不滿足廠商承諾范圍內(nèi)提供的技術(shù)要求，可根據(jù)各廠商的操作要求進(jìn)行自校準(zhǔn)，自校準(zhǔn)后重復(fù)進(jìn)行測(cè)量，如滿足廠商承諾范圍內(nèi)提供的技術(shù)要求，可繼