关节臂式测量机校准装置研究及测量结果不确定度评定

龙宽 龚帆 罗建军

摘要：关节臂式测量设备是一种便携式且通用性强的测量系统，广泛应用于航空航天、整车及零部件、造船等机械加工行业。目前我们对关节臂的校准采用的方法为传统的“量块法”，用关节臂测头接触量块两端工作面，通过测量软件对测量值与标准量块偏差值相比对的方式进行校准。但量块最长为1000mm，且无法拼接，无法实现关节臂测量机全范围校准，实用性不高。

关键词：关节臂式测量机校准装置;球棒;球棒姿态调整装置

中图分类号：TH721.1                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）09-0091-02

1  标准装置设计

1.1 整体方案

为实现对关节臂式三维测量设备的校准，需开发关节臂式三维测量设备校准用标准器组校准装置一套：包括球棒、球体及内锥窝、支撑尺架、球棒姿态调整装置等。球棒可实现自由组合拼接，自由组合至所能组合的各种长度标准值，拆装方便快捷，结构稳定。

1.2 设计开发可拼装式球棒一套

球棒采用碳素纤维材料，热膨胀系数小于1.6×10-6℃-1，测量范围满足（300～2800mm），其中1000mm球棒2支、500mm球棒1支、300mm球棒1支，可實现尺寸自由组合拼接。球棒两端球体采用铟钢材料，热膨胀系数小于1.2×10-6℃-1，球体与球棒可自由拆装，直径为？准38.1mm，球度1.5μm，球体含内锥窝，其中锥窝直径？准3mm球体2个，内锥直径？准6mm球体2个。

1.3 设计制作便携式支架及姿态可调机构

支撑架主体采用碳素纤维材料，具备姿态调整机构及支撑尺架，能够实现球棒姿态调整与稳定支撑，方便在线校准。支撑尺架需满足艾力点支撑原则，可根据球棒的选用范围调整艾力点位置，姿态调整机构需具备球棒紧固装置，确保在对仪器校准过程中球棒无松动及旋转。支架支撑高度需满足850～1400mm可调，姿态调整范围0～90°，支架可收缩、轻便，能方便携带。

2  实施过程

分别对球棒头固定装置、支撑架、球棒姿态调整装置等进行技术选型设计，整体要求方便拆卸安装，结构稳定牢固，方便运输。

球棒采用线胀系数极低殷钢材料制成，分别由0.3m、0.5m、1m几个长度值构成。可单独使用也可如图1进行拼接，两两采用螺纹连接方式，两端安装吸附式靶座用于安装球窝。可用于关节臂测量机等系统在使用前、使用后或使用期间空间特定矢量方向上测量能力的评定。

标准球窝是专门用于关节臂式坐标测量机校准的专用工具。其材质采用钢制结构，主体为1.5英寸标准金属球，其圆度指标达到2μm。从一侧去除内部材料，在球心位置处构造出一个标准锥窝，锥窝与测头球径（常用3mm或6mm等）相切，此时测头中心与标准球窝的球心相合，如图2所示结构，其精度达到±0.015μm。校准过程中将标准球窝放置于球棒两端，并使锥窝开口方向同向放置并处于垂直于球棒的方向，然后再进行下一步校准工作。

支撑尺架安装在球棒姿态调整装置顶部，由主体型材和支撑座构成，可用于对球棒的支撑和夹持，在支撑过程中通常采用艾力点支撑方式，提高标尺的稳定性和精度。球棒姿态调整装置安装在支撑架顶部（如图3所示），可通过沿转轴旋转以实现球棒0～90°方向的位置调整，固定时拧紧锁紧把手即可实现固定。

支撑架主要由碳纤维支撑组件、升降组件和抱紧组件构成，（如图4所示），其中碳纤维支撑组件和升降组件主体均由碳纤维材质构成，其余连接件由铝合金材质制作，从而保证该架体具有足够的稳定性和轻便型，便于安装运输。使用过程中松开抱紧组件，可以提起升降组件至指定工作位置，再进行抱紧既可。之后再通过球棒姿态调整装置调整角度，进行测试。

3  关节臂示值误差测量结果不确定度分析

根据JJF1408-2013规范要求，选用两个标准球棒，短球棒长度L1=（50～70%）R，长球棒长度L2=（120～150%）R。对关节臂式坐标测量机在不同的摆放位置下测出球棒的实测长度Li，每一位置独立重复测量3次，取每个位置的长度测量值Li与标准球棒中心长度值Lcal之差的最大值作为空间长度示值误差校准结果。

3.1 测量重复性引入的不确定度

在同一条件下，对关节臂式坐标测量机示值误差进行6次连续测量，得到一个测量列（1050.687，1050.681，

1050.685，1050.693，1050.682，1050.688），则重复测量引入的标准偏差为：

≈4.4μm

测量中取3次测量的平均值作为测量结果，则：

u1=S（x）/2.5μm

3.2 标准球棒引入的不确定度分量

根据溯源的校准证书可以得到，标准球棒的不确定度为U，服从正态分布，取k=2，则：

3.3 标准球棒温度变化引入的不确定度分量

标准球棒的材料为殷钢（4J36），其线膨胀系数是1.0×10-6℃-1，长度为L，假定温度测量不确定度优于0.3℃，按均匀分布处理，则：

3.4 标准球棒的线胀系数测量误差引入的不确定度分量

标准球棒的材质为殷纲（4J36）材质，其线膨胀系数是1.0×10-6℃-1，在半宽区间内变化量为△α=1×10-6℃-1，假定实验室最优环境温度（20±1）℃，平均偏离为1℃，按均匀分布处理，则：

3.5 合成标准不确定度评估

由于各标准不确定度分量互不相关，合成标准不确定度为：

3.6 扩展不确定度评估

取包含概率p=95%，k=2则：

3.7 不确定度评定（表1）

4  结论

关节臂式测量机校准装置突破了传统的“量块法”校准模式，安装到位后不需反复拆装升降，即实现一步装夹校准模式。采用可调整化、模块化相结合的设计，充分考虑了球杆的装夹稳定性和多型号的适应性，实现了校准范围的最大化，可最大限度减少操作人员的操作动作，且校准过程中消除了操作人员因反复组装、位置调整、采点频次等因素引入的粗大误差，对关节臂校准技术的发展起到了促进作用。

参考文献：

[1]李少芝，杨凯.关节臂式测量机动态误差分析与补偿[J].计测技术，2020，40（05）：31-36.

[2]石韡，蒋加平，徐光洁.关节臂坐标机示值校准不确定度分析[J].中国新技术新产品，2019（18）：61-62.

[3]徐驰.关节臂式坐标测量机误差分析与校正技术研究[D].安徽工业大学，2018.

作者简介：龙宽（1985-），男，湖南株洲人，本科，工程师，技术主管，研究方向为几何量计量技术。