關節(jié)臂式測量機校準裝置研究及測量結果不確定度評定

龍寬 龔帆 羅建軍

摘要：關節(jié)臂式測量設備是一種便攜式且通用性強的測量系統(tǒng)，廣泛應用于航空航天、整車及零部件、造船等機械加工行業(yè)。目前我們對關節(jié)臂的校準采用的方法為傳統(tǒng)的“量塊法”，用關節(jié)臂測頭接觸量塊兩端工作面，通過測量軟件對測量值與標準量塊偏差值相比對的方式進行校準。但量塊最長為1000mm，且無法拼接，無法實現(xiàn)關節(jié)臂測量機全范圍校準，實用性不高。

關鍵詞：關節(jié)臂式測量機校準裝置;球棒;球棒姿態(tài)調(diào)整裝置

中圖分類號：TH721.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0091-02

1 ?標準裝置設計

1.1 整體方案

為實現(xiàn)對關節(jié)臂式三維測量設備的校準，需開發(fā)關節(jié)臂式三維測量設備校準用標準器組校準裝置一套：包括球棒、球體及內(nèi)錐窩、支撐尺架、球棒姿態(tài)調(diào)整裝置等。球棒可實現(xiàn)自由組合拼接，自由組合至所能組合的各種長度標準值，拆裝方便快捷，結構穩(wěn)定。

1.2 設計開發(fā)可拼裝式球棒一套

球棒采用碳素纖維材料，熱膨脹系數(shù)小于1.6×10-6℃-1，測量范圍滿足（300～2800mm），其中1000mm球棒2支、500mm球棒1支、300mm球棒1支，可實現(xiàn)尺寸自由組合拼接。球棒兩端球體采用銦鋼材料，熱膨脹系數(shù)小于1.2×10-6℃-1，球體與球棒可自由拆裝，直徑為？準38.1mm，球度1.5μm，球體含內(nèi)錐窩，其中錐窩直徑？準3mm球體2個，內(nèi)錐直徑？準6mm球體2個。

1.3 設計制作便攜式支架及姿態(tài)可調(diào)機構

支撐架主體采用碳素纖維材料，具備姿態(tài)調(diào)整機構及支撐尺架，能夠實現(xiàn)球棒姿態(tài)調(diào)整與穩(wěn)定支撐，方便在線校準。支撐尺架需滿足艾力點支撐原則，可根據(jù)球棒的選用范圍調(diào)整艾力點位置，姿態(tài)調(diào)整機構需具備球棒緊固裝置，確保在對儀器校準過程中球棒無松動及旋轉。支架支撐高度需滿足850～1400mm可調(diào)，姿態(tài)調(diào)整范圍0～90°，支架可收縮、輕便，能方便攜帶。

2 ?實施過程

分別對球棒頭固定裝置、支撐架、球棒姿態(tài)調(diào)整裝置等進行技術選型設計，整體要求方便拆卸安裝，結構穩(wěn)定牢固，方便運輸。

球棒采用線脹系數(shù)極低殷鋼材料制成，分別由0.3m、0.5m、1m幾個長度值構成。可單獨使用也可如圖1進行拼接，兩兩采用螺紋連接方式，兩端安裝吸附式靶座用于安裝球窩?？捎糜陉P節(jié)臂測量機等系統(tǒng)在使用前、使用后或使用期間空間特定矢量方向上測量能力的評定。

標準球窩是專門用于關節(jié)臂式坐標測量機校準的專用工具。其材質(zhì)采用鋼制結構，主體為1.5英寸標準金屬球，其圓度指標達到2μm。從一側去除內(nèi)部材料，在球心位置處構造出一個標準錐窩，錐窩與測頭球徑（常用3mm或6mm等）相切，此時測頭中心與標準球窩的球心相合，如圖2所示結構，其精度達到±0.015μm。校準過程中將標準球窩放置于球棒兩端，并使錐窩開口方向同向放置并處于垂直于球棒的方向，然后再進行下一步校準工作。

支撐尺架安裝在球棒姿態(tài)調(diào)整裝置頂部，由主體型材和支撐座構成，可用于對球棒的支撐和夾持，在支撐過程中通常采用艾力點支撐方式，提高標尺的穩(wěn)定性和精度。球棒姿態(tài)調(diào)整裝置安裝在支撐架頂部（如圖3所示），可通過沿轉軸旋轉以實現(xiàn)球棒0～90°方向的位置調(diào)整，固定時擰緊鎖緊把手即可實現(xiàn)固定。

支撐架主要由碳纖維支撐組件、升降組件和抱緊組件構成，（如圖4所示），其中碳纖維支撐組件和升降組件主體均由碳纖維材質(zhì)構成，其余連接件由鋁合金材質(zhì)制作，從而保證該架體具有足夠的穩(wěn)定性和輕便型，便于安裝運輸。使用過程中松開抱緊組件，可以提起升降組件至指定工作位置，再進行抱緊既可。之后再通過球棒姿態(tài)調(diào)整裝置調(diào)整角度，進行測試。

3 ?關節(jié)臂示值誤差測量結果不確定度分析

根據(jù)JJF1408-2013規(guī)范要求，選用兩個標準球棒，短球棒長度L1=（50～70%）R，長球棒長度L2=（120～150%）R。對關節(jié)臂式坐標測量機在不同的擺放位置下測出球棒的實測長度Li，每一位置獨立重復測量3次，取每個位置的長度測量值Li與標準球棒中心長度值Lcal之差的最大值作為空間長度示值誤差校準結果。

3.1 測量重復性引入的不確定度

在同一條件下，對關節(jié)臂式坐標測量機示值誤差進行6次連續(xù)測量，得到一個測量列（1050.687，1050.681，

1050.685，1050.693，1050.682，1050.688），則重復測量引入的標準偏差為：

≈4.4μm

測量中取3次測量的平均值作為測量結果，則：

u1=S（x）/2.5μm

3.2 標準球棒引入的不確定度分量

根據(jù)溯源的校準證書可以得到，標準球棒的不確定度為U，服從正態(tài)分布，取k=2，則：

3.3 標準球棒溫度變化引入的不確定度分量

標準球棒的材料為殷鋼（4J36），其線膨脹系數(shù)是1.0×10-6℃-1，長度為L，假定溫度測量不確定度優(yōu)于0.3℃，按均勻分布處理，則：

3.4 標準球棒的線脹系數(shù)測量誤差引入的不確定度分量

標準球棒的材質(zhì)為殷綱（4J36）材質(zhì)，其線膨脹系數(shù)是1.0×10-6℃-1，在半寬區(qū)間內(nèi)變化量為△α=1×10-6℃-1，假定實驗室最優(yōu)環(huán)境溫度（20±1）℃，平均偏離為1℃，按均勻分布處理，則：

3.5 合成標準不確定度評估

由于各標準不確定度分量互不相關，合成標準不確定度為：

3.6 擴展不確定度評估

取包含概率p=95%，k=2則：

3.7 不確定度評定（表1）

4 ?結論

關節(jié)臂式測量機校準裝置突破了傳統(tǒng)的“量塊法”校準模式，安裝到位后不需反復拆裝升降，即實現(xiàn)一步裝夾校準模式。采用可調(diào)整化、模塊化相結合的設計，充分考慮了球桿的裝夾穩(wěn)定性和多型號的適應性，實現(xiàn)了校準范圍的最大化，可最大限度減少操作人員的操作動作，且校準過程中消除了操作人員因反復組裝、位置調(diào)整、采點頻次等因素引入的粗大誤差，對關節(jié)臂校準技術的發(fā)展起到了促進作用。

參考文獻：

[1]李少芝，楊凱.關節(jié)臂式測量機動態(tài)誤差分析與補償[J].計測技術，2020，40（05）：31-36.

[2]石韡，蔣加平，徐光潔.關節(jié)臂坐標機示值校準不確定度分析[J].中國新技術新產(chǎn)品，2019（18）：61-62.

[3]徐馳.關節(jié)臂式坐標測量機誤差分析與校正技術研究[D].安徽工業(yè)大學，2018.

作者簡介：龍寬（1985-），男，湖南株洲人，本科，工程師，技術主管，研究方向為幾何量計量技術。