關節臂測量機的校準方案與選擇

潘偉

(南京晨光集團計量中心，江蘇南京 210006）

0 引言

關節臂測量機是一種新型的非正交式坐標測量機，其原理結構不同于直角坐標系的測量機，JJF1064－2010《坐標測量機校準規范》適用于三維直角坐標系的坐標測量機，故關節臂測量機的校準不在其中，鑒于國家目前尚未制訂和頒布有關關節臂測量機的校準規范，同時考慮到關節臂測量機相對于傳統三維直角三坐標測量機，具有經濟便攜、操作簡單靈活而精度相對較低的特點，根據關節臂測量機結構性能，盡可能選用通用測量標準器具的校準方案則顯得十分必要。本文就此做一定闡述。

1 關節臂測量機的原理結構和工作特點

1.1 原理結構

關節臂測量機為非正交式坐標測量機，仿造人體關節結構，一般由三根剛體臂、六個活動關節和一個接觸測頭組成。第一根固定臂與第二根中間臂之間、第二根與第三根末端臂之間、第三根與接觸測頭之間均為關節式連接，可作空間回轉，而每個活動關節裝有相互垂直的回轉角傳感器，可測量各個臂和測頭在空間的位置。以各個關節的轉角和作用臂作為測量基準，構成球形測量空間，關節數一般為6個，目前一般為手動測量機。

1.2 工作特點

在檢測空間一個固定點時關節臂測量機與直角坐標系測量機完全不同，在測頭確定情況下直角坐標測量機各軸的位置X，Y，Z對固定空間點是唯一的、完全確定的；而關節臂測量機各臂對測頭測量一個固定空間點卻有無窮的組合，即各臂在空間的角度和位置是無窮多，不是唯一的，因而各關節在不同角度位置的誤差極大影響了對同一點的位置檢測準確度。

由于關節臂測量機的各臂長度是固定的，引起誤差的主要因素為各轉角的誤差，因此轉角誤差的校準和補償對提高關節臂測量機的精度至關重要。

探測系統 (測頭）距各關節的距離不同，根據實驗和理論推導，不同級的轉角誤差對測量結果的影響是不同的，越靠近基座處關節的轉角誤差對測量結果影響越大。由于關節臂測量機是固定于基座上，基座的固定方式及剛性對測量準確度及重復性的影響亦不能忽略。

關節臂測量機可能有測量死角或準確度特別差的區域，校準發現時要加以說明。

關節臂測量機是便攜式的，工作環境條件變化很大，因此在驗收或校準中對環境條件應作一定說明。

一般來說，關節臂測量機的精度比傳統的三坐標測量機的精度要低，一般為10μm級以上，加上只能手動，所以選用時要注意應用場合。

2 關節臂測量機的校準方案與選擇

2.1 校準項目

測量機基本校準項目可有三項，即:

1 ）探測誤差。測量標準球、標準平面的球度、平面度。

2 ）單點定位測量誤差。測量空間一個固定被測點到參考點的距離誤差，檢測對同一點提供相同值的能力，表示關節臂各部分組合后的性能，利用統計的方法可以得到標準偏差及95%置信度的擴展不確定度誤差。

3 ）尺寸測量示值誤差。用已校準的標準器在量程內多個位置進行距離測量、特定尺寸測量。

測量機擴展校準項目可有兩項，即:

1）蛙跳的轉接定位誤差。通過蛙跳轉接，對空間量程內同一固定被測點進行蛙跳前后測量，評定其所測空間位置的一致性。

2 ）蛙跳的尺寸測量示值誤差。通過蛙跳轉接，對超量程標準距離進行長度尺寸測量。

2.2 校準方法與選擇

在校準開始前要參照儀器要求，選擇合適的校準環境，選定測頭和校準程序校準測頭。

2.2.1 探測誤差的校準

可選擇球度為被測公差的1/3～1/5，直徑10～50 mm標準球；選擇平面度為被測公差的1/3～1/5的標準平面，建議選用直徑60～100 mm的2級平晶。通過球度、平面度的形狀測量，進行探測系統的校準。校準時可均布9點，測3次，分別取3次最大值為坐標測量機系統球度、平面度的探測誤差。此項校準可判斷機器是否超差、測頭的回差大小及觸發測頭探測精度。

2.2.2 單點定位測量誤差

由于關節臂測量同一點時有無窮多的組合，單點定位測量誤差為最充分的檢測所有臂的解碼器在所測范圍內的測量近似性和重現的能力 (重復性和重現性的組合）。進行此項校準，可在關節臂測量機三個不同臂展的位置進行檢測，第一個是在全臂展的20%處，第二個是在全臂展的20%－80%區域處，第三個是在全臂展的80%以外處，實驗表明人工操作的測力隨接觸時間的延長而增加，所以在測量采點后，測頭與被測物立即分開。

用硬的球測頭檢測:被測對象做成帶倒角或錐體或3點分布的非過定位的標準器，建議用孔徑為3/4測頭直徑標準器在同一位置以不同方向測10次，其中5次的肘關節分別為左下、左上、中下、右上、右下的位置，然后肩關節改變180°再測5次，這10個方向的測試在三個臂展范圍內都要進行。

用觸發測頭檢測:前述的硬測頭檢測是缺省的方法。用開關測頭檢測時其標準器為直徑10～50 mm的檢測球，在臂展的每個范圍測3個位置，每個位置和不同軸的方向測10次球心坐標，每個球心坐標由5個測點來擬合 (1個在極點，4點在赤道），測此5點時保持各臂的方向不變。

單點定位測量誤差可以測量結果最大偏差、偏差范圍、偏差的2倍均方根來表示。

2.2.3 尺寸測量示值誤差

對已校準的標準器——球進行接觸內曲率表面的球徑測量，可選擇球徑和形狀經校準，直徑10～50 mm標準球，需3次球徑測量。

對已校準的標準器——環規進行接觸外曲率表面的孔徑測量，可選擇孔徑和形狀經校準，直徑30～100 mm標準環規，需3次孔徑測量。

對已校準的標準器——量塊進行接觸無曲率表面的外尺寸測量，可選擇長度尺寸100，500，1000 mm的3塊量塊各測量3次。由于關節臂測量機沒有固定的X，Y，Z軸，所以在此把尺寸測量作為綜合空間性能測量，可將量塊置于空間兩個對角方位進行距離測量。過多方位測量對精度不是很高的關節臂測量機并不一定經濟實效。

同理也可選擇經校準的規格為600～1000 mm標準步距規，進行接觸無曲率表面的內尺寸或外尺寸測量。或選擇相應尺寸的標準球棒進行空間尺寸測量，但因此兩種標準器不為常用或配置，所以仍推薦以量塊測量為主。

尺寸測量示值誤差也可以測量結果的最大誤差、誤差范圍、誤差的2倍均方根來表示。

2.2.4 蛙跳誤差的校準

在關節臂測量機的測量范圍之外的測量，需要用到蛙跳技術，通過蛙跳技術 (轉站技術），可以將坐標系進行平移、擬合，從而使關節臂的測量范圍擴大，但考慮到測量精度在每次蛙跳之后都在累加降低，所以必要時，需對關節臂測量機的蛙跳誤差進行校準。測量時，需依關節臂測量機蛙跳轉接原理，按儀器蛙跳轉接程序進行蛙跳對齊，如在位置1時完成所有測量范圍內的尺寸測量，再測量三個蛙跳球 (A，B，C），然后移動關節臂測量機到位置2，在位置2處進行尺寸測量之前先按同樣的順序測量三個蛙跳球完成蛙跳對齊。

1 ）蛙跳的轉接定位誤差

在關節臂測量機的測量范圍之內，用蛙跳技術對同一點進行轉接前后單點定位一致性的定位誤差測量，以校準因轉接引入的定位誤差。測量時，用一帶倒角或錐體或三點分布的非過定位的標準器，建議選用孔徑為3/4測頭直徑標準器置于確定位置，測量機對其位置按轉接前后各測10次，以測量結果最大偏差、偏差范圍、偏差的2倍均方根來表示。

2 ）蛙跳的尺寸測量示值誤差

用蛙跳技術，對關節臂測量機的測量范圍之外的長度尺寸通過蛙跳轉接進行測量。構建此長度尺寸可選擇將目標 (球或平面）固定于沿直線導軌移動的構件上，通過構件在直線導軌上的2個位置構成長度尺寸。如目標固定于2 m測長機移動座上、固定于大型三坐標測量機移動座上、固定于大型機床移動座上，長度尺寸的標準值可通過雙頻激光干涉儀測得，當儀器導軌測長系統精度較高時也可直接測得，如測長機、三坐標。此外一些專用、自制或現有的較高精度長度標準件經校準也可作為蛙跳測量的標準長度尺寸。

關節臂測量機對此長度尺寸蛙跳轉接測量時，可測量3～5次長度尺寸，以測量結果最大誤差、誤差范圍、誤差的2倍均方根來表示。

3 結束語

影響關節臂式的測量機精度的環節比較復雜，環境條件 (溫度和濕度、振動、電氣、安裝剛性和方向、使用與校準條件差別很大）都會影響測量機的校準精度，要獲取較高的精度，需要妥善解決多個環節。需要我們在關節臂測量機校準工作實踐中注意總結并積累經驗，同時也期待關節臂測量機的國家校準規范能夠制訂出臺，以統一和規范關節臂測量機的校準。

［1］國家質量監督檢疫總局.JJF1064－2010坐標測量機校準規范［S］.北京:中國計量出版社，2011.

［2］王繼虎，寇鵬，曹鐵澤，等.關節臂坐標測量機的性能評定方法 ［J］.計量學報，2008，29(S1）:100－103.

［3］孫中升.關節臂測量機在大尺寸測量中的應用 ［C］ //2008年江蘇計量測試學術論文集.2008.

［4］張元元.基于雙目立體視覺的無線柔性坐標測量技術研究［D］.南京:南京航空航天大學，2010.