關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的校準(zhǔn)方案與選擇

潘偉

(南京晨光集團(tuán)計(jì)量中心，江蘇南京 210006）

0 引言

關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)是一種新型的非正交式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其原理結(jié)構(gòu)不同于直角坐標(biāo)系的測(cè)量機(jī)，JJF1064－2010《坐標(biāo)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范》適用于三維直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，故關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的校準(zhǔn)不在其中，鑒于國(guó)家目前尚未制訂和頒布有關(guān)關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的校準(zhǔn)規(guī)范，同時(shí)考慮到關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)三維直角三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，具有經(jīng)濟(jì)便攜、操作簡(jiǎn)單靈活而精度相對(duì)較低的特點(diǎn)，根據(jù)關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)性能，盡可能選用通用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器具的校準(zhǔn)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(cè)量機(jī)的原理結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)

1.1 原理結(jié)構(gòu)

關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)為非正交式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，仿造人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，一般由三根剛體臂、六個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)接觸測(cè)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(cè)頭之間均為關(guān)節(jié)式連接，可作空間回轉(zhuǎn)，而每個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)裝有相互垂直的回轉(zhuǎn)角傳感器，可測(cè)量各個(gè)臂和測(cè)頭在空間的位置。以各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角和作用臂作為測(cè)量基準(zhǔn)，構(gòu)成球形測(cè)量空間，關(guān)節(jié)數(shù)一般為6個(gè)，目前一般為手動(dòng)測(cè)量機(jī)。

1.2 工作特點(diǎn)

在檢測(cè)空間一個(gè)固定點(diǎn)時(shí)關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)與直角坐標(biāo)系測(cè)量機(jī)完全不同，在測(cè)頭確定情況下直角坐標(biāo)測(cè)量機(jī)各軸的位置X，Y，Z對(duì)固定空間點(diǎn)是唯一的、完全確定的；而關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)各臂對(duì)測(cè)頭測(cè)量一個(gè)固定空間點(diǎn)卻有無(wú)窮的組合，即各臂在空間的角度和位置是無(wú)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(duì)同一點(diǎn)的位置檢測(cè)準(zhǔn)確度。

由于關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的各臂長(zhǎng)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(zhǔn)和補(bǔ)償對(duì)提高關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的精度至關(guān)重要。

探測(cè)系統(tǒng) (測(cè)頭）距各關(guān)節(jié)的距離不同，根據(jù)實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)，不同級(jí)的轉(zhuǎn)角誤差對(duì)測(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)果影響越大。由于關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)是固定于基座上，基座的固定方式及剛性對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度及重復(fù)性的影響亦不能忽略。

關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)可能有測(cè)量死角或準(zhǔn)確度特別差的區(qū)域，校準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)時(shí)要加以說(shuō)明。

關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)是便攜式的，工作環(huán)境條件變化很大，因此在驗(yàn)收或校準(zhǔn)中對(duì)環(huán)境條件應(yīng)作一定說(shuō)明。

一般來(lái)說(shuō)，關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的精度比傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度要低，一般為10μm級(jí)以上，加上只能手動(dòng)，所以選用時(shí)要注意應(yīng)用場(chǎng)合。

2 關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的校準(zhǔn)方案與選擇

2.1 校準(zhǔn)項(xiàng)目

測(cè)量機(jī)基本校準(zhǔn)項(xiàng)目可有三項(xiàng)，即:

1 ）探測(cè)誤差。測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球、標(biāo)準(zhǔn)平面的球度、平面度。

2 ）單點(diǎn)定位測(cè)量誤差。測(cè)量空間一個(gè)固定被測(cè)點(diǎn)到參考點(diǎn)的距離誤差，檢測(cè)對(duì)同一點(diǎn)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(jì)的方法可以得到標(biāo)準(zhǔn)偏差及95%置信度的擴(kuò)展不確定度誤差。

3 ）尺寸測(cè)量示值誤差。用已校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器在量程內(nèi)多個(gè)位置進(jìn)行距離測(cè)量、特定尺寸測(cè)量。

測(cè)量機(jī)擴(kuò)展校準(zhǔn)項(xiàng)目可有兩項(xiàng)，即:

1）蛙跳的轉(zhuǎn)接定位誤差。通過(guò)蛙跳轉(zhuǎn)接，對(duì)空間量程內(nèi)同一固定被測(cè)點(diǎn)進(jìn)行蛙跳前后測(cè)量，評(píng)定其所測(cè)空間位置的一致性。

2 ）蛙跳的尺寸測(cè)量示值誤差。通過(guò)蛙跳轉(zhuǎn)接，對(duì)超量程標(biāo)準(zhǔn)距離進(jìn)行長(zhǎng)度尺寸測(cè)量。

2.2 校準(zhǔn)方法與選擇

在校準(zhǔn)開(kāi)始前要參照儀器要求，選擇合適的校準(zhǔn)環(huán)境，選定測(cè)頭和校準(zhǔn)程序校準(zhǔn)測(cè)頭。

2.2.1 探測(cè)誤差的校準(zhǔn)

可選擇球度為被測(cè)公差的1/3～1/5，直徑10～50 mm標(biāo)準(zhǔn)球；選擇平面度為被測(cè)公差的1/3～1/5的標(biāo)準(zhǔn)平面，建議選用直徑60～100 mm的2級(jí)平晶。通過(guò)球度、平面度的形狀測(cè)量，進(jìn)行探測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)可均布9點(diǎn)，測(cè)3次，分別取3次最大值為坐標(biāo)測(cè)量機(jī)系統(tǒng)球度、平面度的探測(cè)誤差。此項(xiàng)校準(zhǔn)可判斷機(jī)器是否超差、測(cè)頭的回差大小及觸發(fā)測(cè)頭探測(cè)精度。

2.2.2 單點(diǎn)定位測(cè)量誤差

由于關(guān)節(jié)臂測(cè)量同一點(diǎn)時(shí)有無(wú)窮多的組合，單點(diǎn)定位測(cè)量誤差為最充分的檢測(cè)所有臂的解碼器在所測(cè)范圍內(nèi)的測(cè)量近似性和重現(xiàn)的能力 (重復(fù)性和重現(xiàn)性的組合）。進(jìn)行此項(xiàng)校準(zhǔn)，可在關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)三個(gè)不同臂展的位置進(jìn)行檢測(cè)，第一個(gè)是在全臂展的20%處，第二個(gè)是在全臂展的20%－80%區(qū)域處，第三個(gè)是在全臂展的80%以外處，實(shí)驗(yàn)表明人工操作的測(cè)力隨接觸時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，所以在測(cè)量采點(diǎn)后，測(cè)頭與被測(cè)物立即分開(kāi)。

用硬的球測(cè)頭檢測(cè):被測(cè)對(duì)象做成帶倒角或錐體或3點(diǎn)分布的非過(guò)定位的標(biāo)準(zhǔn)器，建議用孔徑為3/4測(cè)頭直徑標(biāo)準(zhǔn)器在同一位置以不同方向測(cè)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(cè)5次，這10個(gè)方向的測(cè)試在三個(gè)臂展范圍內(nèi)都要進(jìn)行。

用觸發(fā)測(cè)頭檢測(cè):前述的硬測(cè)頭檢測(cè)是缺省的方法。用開(kāi)關(guān)測(cè)頭檢測(cè)時(shí)其標(biāo)準(zhǔn)器為直徑10～50 mm的檢測(cè)球，在臂展的每個(gè)范圍測(cè)3個(gè)位置，每個(gè)位置和不同軸的方向測(cè)10次球心坐標(biāo)，每個(gè)球心坐標(biāo)由5個(gè)測(cè)點(diǎn)來(lái)擬合 (1個(gè)在極點(diǎn)，4點(diǎn)在赤道），測(cè)此5點(diǎn)時(shí)保持各臂的方向不變。

單點(diǎn)定位測(cè)量誤差可以測(cè)量結(jié)果最大偏差、偏差范圍、偏差的2倍均方根來(lái)表示。

2.2.3 尺寸測(cè)量示值誤差

對(duì)已校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器——球進(jìn)行接觸內(nèi)曲率表面的球徑測(cè)量，可選擇球徑和形狀經(jīng)校準(zhǔn)，直徑10～50 mm標(biāo)準(zhǔn)球，需3次球徑測(cè)量。

對(duì)已校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器——環(huán)規(guī)進(jìn)行接觸外曲率表面的孔徑測(cè)量，可選擇孔徑和形狀經(jīng)校準(zhǔn)，直徑30～100 mm標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)，需3次孔徑測(cè)量。

對(duì)已校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器——量塊進(jìn)行接觸無(wú)曲率表面的外尺寸測(cè)量，可選擇長(zhǎng)度尺寸100，500，1000 mm的3塊量塊各測(cè)量3次。由于關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)沒(méi)有固定的X，Y，Z軸，所以在此把尺寸測(cè)量作為綜合空間性能測(cè)量，可將量塊置于空間兩個(gè)對(duì)角方位進(jìn)行距離測(cè)量。過(guò)多方位測(cè)量對(duì)精度不是很高的關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)并不一定經(jīng)濟(jì)實(shí)效。

同理也可選擇經(jīng)校準(zhǔn)的規(guī)格為600～1000 mm標(biāo)準(zhǔn)步距規(guī)，進(jìn)行接觸無(wú)曲率表面的內(nèi)尺寸或外尺寸測(cè)量。或選擇相應(yīng)尺寸的標(biāo)準(zhǔn)球棒進(jìn)行空間尺寸測(cè)量，但因此兩種標(biāo)準(zhǔn)器不為常用或配置，所以仍推薦以量塊測(cè)量為主。

尺寸測(cè)量示值誤差也可以測(cè)量結(jié)果的最大誤差、誤差范圍、誤差的2倍均方根來(lái)表示。

2.2.4 蛙跳誤差的校準(zhǔn)

在關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的測(cè)量范圍之外的測(cè)量，需要用到蛙跳技術(shù)，通過(guò)蛙跳技術(shù) (轉(zhuǎn)站技術(shù)），可以將坐標(biāo)系進(jìn)行平移、擬合，從而使關(guān)節(jié)臂的測(cè)量范圍擴(kuò)大，但考慮到測(cè)量精度在每次蛙跳之后都在累加降低，所以必要時(shí)，需對(duì)關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的蛙跳誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。測(cè)量時(shí)，需依關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)蛙跳轉(zhuǎn)接原理，按儀器蛙跳轉(zhuǎn)接程序進(jìn)行蛙跳對(duì)齊，如在位置1時(shí)完成所有測(cè)量范圍內(nèi)的尺寸測(cè)量，再測(cè)量三個(gè)蛙跳球 (A，B，C），然后移動(dòng)關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)到位置2，在位置2處進(jìn)行尺寸測(cè)量之前先按同樣的順序測(cè)量三個(gè)蛙跳球完成蛙跳對(duì)齊。

1 ）蛙跳的轉(zhuǎn)接定位誤差

在關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的測(cè)量范圍之內(nèi)，用蛙跳技術(shù)對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)接前后單點(diǎn)定位一致性的定位誤差測(cè)量，以校準(zhǔn)因轉(zhuǎn)接引入的定位誤差。測(cè)量時(shí)，用一帶倒角或錐體或三點(diǎn)分布的非過(guò)定位的標(biāo)準(zhǔn)器，建議選用孔徑為3/4測(cè)頭直徑標(biāo)準(zhǔn)器置于確定位置，測(cè)量機(jī)對(duì)其位置按轉(zhuǎn)接前后各測(cè)10次，以測(cè)量結(jié)果最大偏差、偏差范圍、偏差的2倍均方根來(lái)表示。

2 ）蛙跳的尺寸測(cè)量示值誤差

用蛙跳技術(shù)，對(duì)關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的測(cè)量范圍之外的長(zhǎng)度尺寸通過(guò)蛙跳轉(zhuǎn)接進(jìn)行測(cè)量。構(gòu)建此長(zhǎng)度尺寸可選擇將目標(biāo) (球或平面）固定于沿直線導(dǎo)軌移動(dòng)的構(gòu)件上，通過(guò)構(gòu)件在直線導(dǎo)軌上的2個(gè)位置構(gòu)成長(zhǎng)度尺寸。如目標(biāo)固定于2 m測(cè)長(zhǎng)機(jī)移動(dòng)座上、固定于大型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)移動(dòng)座上、固定于大型機(jī)床移動(dòng)座上，長(zhǎng)度尺寸的標(biāo)準(zhǔn)值可通過(guò)雙頻激光干涉儀測(cè)得，當(dāng)儀器導(dǎo)軌測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)精度較高時(shí)也可直接測(cè)得，如測(cè)長(zhǎng)機(jī)、三坐標(biāo)。此外一些專用、自制或現(xiàn)有的較高精度長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)件經(jīng)校準(zhǔn)也可作為蛙跳測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度尺寸。

關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)對(duì)此長(zhǎng)度尺寸蛙跳轉(zhuǎn)接測(cè)量時(shí)，可測(cè)量3～5次長(zhǎng)度尺寸，以測(cè)量結(jié)果最大誤差、誤差范圍、誤差的2倍均方根來(lái)表示。

3 結(jié)束語(yǔ)

影響關(guān)節(jié)臂式的測(cè)量機(jī)精度的環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，環(huán)境條件 (溫度和濕度、振動(dòng)、電氣、安裝剛性和方向、使用與校準(zhǔn)條件差別很大）都會(huì)影響測(cè)量機(jī)的校準(zhǔn)精度，要獲取較高的精度，需要妥善解決多個(gè)環(huán)節(jié)。需要我們?cè)陉P(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)工作實(shí)踐中注意總結(jié)并積累經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也期待關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的國(guó)家校準(zhǔn)規(guī)范能夠制訂出臺(tái)，以統(tǒng)一和規(guī)范關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的校準(zhǔn)。

［1］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局.JJF1064－2010坐標(biāo)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2011.

［2］王繼虎，寇鵬，曹鐵澤，等.關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的性能評(píng)定方法 ［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2008，29(S1）:100－103.

［3］孫中升.關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)在大尺寸測(cè)量中的應(yīng)用 ［C］ //2008年江蘇計(jì)量測(cè)試學(xué)術(shù)論文集.2008.

［4］張?jiān)?基于雙目立體視覺(jué)的無(wú)線柔性坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2010.