用便攜式三坐標測量臂實現電子式萬能試驗機橫梁位移誤差檢定的方法

范海艇 沈 琪/上海市質量監督檢驗技術研究院

0 引言

電子式萬能試驗機是機械加力的用計算機控制及測量的試驗機，主要用于金屬和非金屬材料進行拉伸、壓縮、彎曲和剪切等力學性能試驗。由于設計、加工、安裝、使用等多方面因素的影響，電子式萬能試驗機橫梁在移動時不可避免地存在誤差，從而影響到試驗結果的準確性。根據JJG475-2008《電子式萬能試驗機》規定，對首次檢定的電子式萬能試驗機應包括橫梁位移誤差的檢定。

目前大多數電子式萬能試驗機橫梁的位置信息通過滾珠絲杠與光電編碼器獲得，分辨力可以達到0.001mm。而JJG475-2008采用的標準器具為一級千分表（或百分表）以及量程為1000mm、誤差為±0.2mm的鋼直尺等通用簡易測量儀器。實際檢定中，該檢定方法的測量不確定度較大，與客戶期望相去較遠，也與現代計量檢測的要求不相符合。本文采用便攜式三坐標測量臂，實現對電子式萬能試驗機橫梁位移檢定的新方法，操作便捷、數據可靠。

1 便攜式三坐標測量臂的工作原理

便攜式三坐標測量臂是基于坐標測量原理的通用化數字測量設備。其結構是受工業關節型機器人的啟發，仿照人的關節制作而成（圖1）。采用全轉動副的機械結構，利用角度傳感器對“關節”的轉角信息加以測量，再經過齊次坐標變換后就可獲得測頭中心相對于儀器參考坐標系的空間方位信息，從而實現三維空間點位坐標的測量。

便攜式三坐標測量臂具有測量準確度高、量程范圍大、測量快捷、搬運靈活等特點。其應用可以解決電子式萬能試驗機橫梁位移檢定過程中，使用千分表（或百分表）量程不足、使用鋼直尺準確度不夠、使用光柵尺固定復雜等諸多問題，滿足了電子式萬能試驗機需要現場檢定的特殊要求。

圖1 便攜式三坐標測量臂工作原理圖

2 檢定方法及測量不確定度分析

2.1 檢定方法

JJG475-2008規定，電子式萬能試驗機橫梁位移誤差的檢定點為在移動橫梁的工作范圍內任意位置選擇最大位移的1%和50%兩個測量范圍。移動橫梁位移示值相對誤差不應超過±0.5%。

使用測量范圍為1200mm，最大允許度誤差為(5+8L/1000) μm的便攜式三坐標測量臂檢定某公司的AGS-X 10 kN電子萬能試驗機。該電子萬能試驗機橫梁移動范圍為1000mm，根據JJG475-2008，取10mm和500mm兩個檢定點。檢定時，使用便攜式三坐標測量臂在電子式萬能試驗機的橫梁基準面上取若干測量點并生成一個平面，移動橫梁后，再次使用便攜式三坐標測量臂測量并生成第二個平面。兩次生成的平面之間的距離值作為標準值，與電子式萬能試驗機橫梁移動的相對示值比較，即可得到橫梁位移示值的相對誤差。

2.2 測量不確定度

2.2.1 便攜式三坐標測量臂示值誤差引入的不確定度分量

所使用便攜式三坐標測量臂的示值誤差為(5+8L/1000) μm，區間半寬 a =λ/2，其示值誤差引入的不確定度按矩形均勻分布，則

測量點為10mm時，引入不確定度分量為

測量點為500mm，引入不確定度分量為

2.2.2 便攜式三坐標測量臂分辨力引入的不確定度分量

所使用便攜式三坐標測量臂的分辨力為0.1 μm，對于數字顯示式測量儀器，分辨力引入的不確定度分量為

該分量數值較小，可忽略不計。

2.2.3 溫度影響帶來的不確定度分量

所使用便攜式三坐標測量臂與電子式萬能試驗機溫度應盡量達到平衡后進行測量，取便攜式三坐標測量臂與電子式萬能試驗機的溫度差在±1℃左右，溫度變化服從U形分布，換算系數b = 0.7。溫度的變化對測試數據的影響量由線膨脹方程給出：

式中：ΔL—便攜式三坐標測量臂與電子式萬能試驗機的溫度差，取 ΔL = 1℃；

α—電子式萬能試驗機絲杠材料的線膨脹系數，取 α =10×10-6/℃；

L—電子式萬能試驗機橫梁位移長度，即測量長度。

則溫度影響帶來的不確定度分量為

2.2.4 電子式萬能試驗機分辨力引入的不確定度分量

本電子式萬能試驗機在10mm處示值分辨力為0.001mm，在500mm處示值分辨力為0.01mm，則電子式萬能試驗機分辨力引入的不確定度分量為

2.2.5 便攜式三坐標測量臂重復性帶來的不確定度分量

分別對10mm和500mm的檢定點測量10次，測試結果如表1。

計算得標準偏差：u5(10)= 1.7 μm，u5(500)= 1.4 μm。

表 1 重復性帶來的不確定度分量

2.2.6 合成標準不確定度

上述各不確定度分量之間無相關性，合成標準不確定度為

2.2.7 擴展不確定度

評定結果如表2。

表 2 合成標準、擴展不確定度評定結果

3 結語

本文提出將便攜式三坐標測量臂應用于電子式萬能試驗機橫梁位移誤差檢定的方法，解決了常規檢定方法中標準器具量程不足、測量準確度較低、以及標準器具固定困難、測試手段復雜等諸多問題。使用便攜式三坐標測量臂在某公司的AGS-X 10 kN電子萬能試驗機上驗證，證明檢定方法可行，數據準確，滿足檢定要求。

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