關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)臂測量機是一種新型的非正交式坐標測量機，其原理結(jié)構(gòu)不同于直角坐標系的測量機，JJF1064－2010《坐標測量機校準規(guī)范》適用于三維直角坐標系的坐標測量機，故關(guān)節(jié)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(guān)關(guān)節(jié)臂測量機的校準規(guī)范，同時考慮到關(guān)節(jié)臂測量機相對于傳統(tǒng)三維直角三坐標測量機，具有經(jīng)濟便攜、操作簡單靈活而精度相對較低的特點，根據(jù)關(guān)節(jié)臂測量機結(jié)構(gòu)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(guān)節(jié)臂測量機的原理結(jié)構(gòu)和工作特點

1.1 原理結(jié)構(gòu)

關(guān)節(jié)臂測量機為非正交式坐標測量機，仿造人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，一般由三根剛體臂、六個活動關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)式連接，可作空間回轉(zhuǎn)，而每個活動關(guān)節(jié)裝有相互垂直的回轉(zhuǎn)角傳感器，可測量各個臂和測頭在空間的位置。以各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角和作用臂作為測量基準，構(gòu)成球形測量空間，關(guān)節(jié)數(shù)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)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(zhuǎn)角的誤差，因此轉(zhuǎn)角誤差的校準和補償對提高關(guān)節(jié)臂測量機的精度至關(guān)重要。

探測系統(tǒng) (測頭）距各關(guān)節(jié)的距離不同，根據(jù)實驗和理論推導(dǎo)，不同級的轉(zhuǎn)角誤差對測量結(jié)果的影響是不同的，越靠近基座處關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角誤差對測量結(jié)果影響越大。由于關(guān)節(jié)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(fù)性的影響亦不能忽略。

關(guān)節(jié)臂測量機可能有測量死角或準確度特別差的區(qū)域，校準發(fā)現(xiàn)時要加以說明。

關(guān)節(jié)臂測量機是便攜式的，工作環(huán)境條件變化很大，因此在驗收或校準中對環(huán)境條件應(yīng)作一定說明。

一般來說，關(guān)節(jié)臂測量機的精度比傳統(tǒng)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(yīng)用場合。

2 關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)臂各部分組合后的性能，利用統(tǒng)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(nèi)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(zhuǎn)接定位誤差。通過蛙跳轉(zhuǎn)接，對空間量程內(nèi)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(zhuǎn)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(huán)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)測頭探測精度。

2.2.2 單點定位測量誤差

由于關(guān)節(jié)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(nèi)的測量近似性和重現(xiàn)的能力 (重復(fù)性和重現(xiàn)性的組合）。進行此項校準，可在關(guān)節(jié)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(qū)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(guān)節(jié)分別為左下、左上、中下、右上、右下的位置，然后肩關(guān)節(jié)改變180°再測5次，這10個方向的測試在三個臂展范圍內(nèi)都要進行。

用觸發(fā)測頭檢測:前述的硬測頭檢測是缺省的方法。用開關(guān)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(jié)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(nèi)曲率表面的球徑測量，可選擇球徑和形狀經(jīng)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(huán)規(guī)進行接觸外曲率表面的孔徑測量，可選擇孔徑和形狀經(jīng)校準，直徑30～100 mm標準環(huán)規(guī)，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(guān)節(jié)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(guān)節(jié)臂測量機并不一定經(jīng)濟實效。

同理也可選擇經(jīng)校準的規(guī)格為600～1000 mm標準步距規(guī)，進行接觸無曲率表面的內(nèi)尺寸或外尺寸測量。或選擇相應(yīng)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(jié)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(guān)節(jié)臂測量機的測量范圍之外的測量，需要用到蛙跳技術(shù)，通過蛙跳技術(shù) (轉(zhuǎn)站技術(shù)），可以將坐標系進行平移、擬合，從而使關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)臂測量機的蛙跳誤差進行校準。測量時，需依關(guān)節(jié)臂測量機蛙跳轉(zhuǎn)接原理，按儀器蛙跳轉(zhuǎn)接程序進行蛙跳對齊，如在位置1時完成所有測量范圍內(nèi)的尺寸測量，再測量三個蛙跳球 (A，B，C），然后移動關(guān)節(jié)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(zhuǎn)接定位誤差

在關(guān)節(jié)臂測量機的測量范圍之內(nèi)，用蛙跳技術(shù)對同一點進行轉(zhuǎn)接前后單點定位一致性的定位誤差測量，以校準因轉(zhuǎn)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(zhuǎn)接前后各測10次，以測量結(jié)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(shù)，對關(guān)節(jié)臂測量機的測量范圍之外的長度尺寸通過蛙跳轉(zhuǎn)接進行測量。構(gòu)建此長度尺寸可選擇將目標 (球或平面）固定于沿直線導(dǎo)軌移動的構(gòu)件上，通過構(gòu)件在直線導(dǎo)軌上的2個位置構(gòu)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(dǎo)軌測長系統(tǒng)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(xiàn)有的較高精度長度標準件經(jīng)校準也可作為蛙跳測量的標準長度尺寸。

關(guān)節(jié)臂測量機對此長度尺寸蛙跳轉(zhuǎn)接測量時，可測量3～5次長度尺寸，以測量結(jié)果最大誤差、誤差范圍、誤差的2倍均方根來表示。

3 結(jié)束語

影響關(guān)節(jié)臂式的測量機精度的環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，環(huán)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(huán)節(jié)。需要我們在關(guān)節(jié)臂測量機校準工作實踐中注意總結(jié)并積累經(jīng)驗，同時也期待關(guān)節(jié)臂測量機的國家校準規(guī)范能夠制訂出臺，以統(tǒng)一和規(guī)范關(guān)節(jié)臂測量機的校準。

［1］國家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局.JJF1064－2010坐標測量機校準規(guī)范［S］.北京:中國計量出版社，2011.

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