关节臂测量机的校准方案与选择

潘伟

(南京晨光集团计量中心，江苏南京 210006）

0 引言

关节臂测量机是一种新型的非正交式坐标测量机，其原理结构不同于直角坐标系的测量机，JJF1064－2010《坐标测量机校准规范》适用于三维直角坐标系的坐标测量机，故关节臂测量机的校准不在其中，鉴于国家目前尚未制订和颁布有关关节臂测量机的校准规范，同时考虑到关节臂测量机相对于传统三维直角三坐标测量机，具有经济便携、操作简单灵活而精度相对较低的特点，根据关节臂测量机结构性能，尽可能选用通用测量标准器具的校准方案则显得十分必要。本文就此做一定阐述。

1 关节臂测量机的原理结构和工作特点

1.1 原理结构

关节臂测量机为非正交式坐标测量机，仿造人体关节结构，一般由三根刚体臂、六个活动关节和一个接触测头组成。第一根固定臂与第二根中间臂之间、第二根与第三根末端臂之间、第三根与接触测头之间均为关节式连接，可作空间回转，而每个活动关节装有相互垂直的回转角传感器，可测量各个臂和测头在空间的位置。以各个关节的转角和作用臂作为测量基准，构成球形测量空间，关节数一般为6个，目前一般为手动测量机。

1.2 工作特点

在检测空间一个固定点时关节臂测量机与直角坐标系测量机完全不同，在测头确定情况下直角坐标测量机各轴的位置X，Y，Z对固定空间点是唯一的、完全确定的；而关节臂测量机各臂对测头测量一个固定空间点却有无穷的组合，即各臂在空间的角度和位置是无穷多，不是唯一的，因而各关节在不同角度位置的误差极大影响了对同一点的位置检测准确度。

由于关节臂测量机的各臂长度是固定的，引起误差的主要因素为各转角的误差，因此转角误差的校准和补偿对提高关节臂测量机的精度至关重要。

探测系统 (测头）距各关节的距离不同，根据实验和理论推导，不同级的转角误差对测量结果的影响是不同的，越靠近基座处关节的转角误差对测量结果影响越大。由于关节臂测量机是固定于基座上，基座的固定方式及刚性对测量准确度及重复性的影响亦不能忽略。

关节臂测量机可能有测量死角或准确度特别差的区域，校准发现时要加以说明。

关节臂测量机是便携式的，工作环境条件变化很大，因此在验收或校准中对环境条件应作一定说明。

一般来说，关节臂测量机的精度比传统的三坐标测量机的精度要低，一般为10μm级以上，加上只能手动，所以选用时要注意应用场合。

2 关节臂测量机的校准方案与选择

2.1 校准项目

测量机基本校准项目可有三项，即:

1 ）探测误差。测量标准球、标准平面的球度、平面度。

2 ）单点定位测量误差。测量空间一个固定被测点到参考点的距离误差，检测对同一点提供相同值的能力，表示关节臂各部分组合后的性能，利用统计的方法可以得到标准偏差及95%置信度的扩展不确定度误差。

3 ）尺寸测量示值误差。用已校准的标准器在量程内多个位置进行距离测量、特定尺寸测量。

测量机扩展校准项目可有两项，即:

1）蛙跳的转接定位误差。通过蛙跳转接，对空间量程内同一固定被测点进行蛙跳前后测量，评定其所测空间位置的一致性。

2 ）蛙跳的尺寸测量示值误差。通过蛙跳转接，对超量程标准距离进行长度尺寸测量。

2.2 校准方法与选择

在校准开始前要参照仪器要求，选择合适的校准环境，选定测头和校准程序校准测头。

2.2.1 探测误差的校准

可选择球度为被测公差的1/3～1/5，直径10～50 mm标准球；选择平面度为被测公差的1/3～1/5的标准平面，建议选用直径60～100 mm的2级平晶。通过球度、平面度的形状测量，进行探测系统的校准。校准时可均布9点，测3次，分别取3次最大值为坐标测量机系统球度、平面度的探测误差。此项校准可判断机器是否超差、测头的回差大小及触发测头探测精度。

2.2.2 单点定位测量误差

由于关节臂测量同一点时有无穷多的组合，单点定位测量误差为最充分的检测所有臂的解码器在所测范围内的测量近似性和重现的能力 (重复性和重现性的组合）。进行此项校准，可在关节臂测量机三个不同臂展的位置进行检测，第一个是在全臂展的20%处，第二个是在全臂展的20%－80%区域处，第三个是在全臂展的80%以外处，实验表明人工操作的测力随接触时间的延长而增加，所以在测量采点后，测头与被测物立即分开。

用硬的球测头检测:被测对象做成带倒角或锥体或3点分布的非过定位的标准器，建议用孔径为3/4测头直径标准器在同一位置以不同方向测10次，其中5次的肘关节分别为左下、左上、中下、右上、右下的位置，然后肩关节改变180°再测5次，这10个方向的测试在三个臂展范围内都要进行。

用触发测头检测:前述的硬测头检测是缺省的方法。用开关测头检测时其标准器为直径10～50 mm的检测球，在臂展的每个范围测3个位置，每个位置和不同轴的方向测10次球心坐标，每个球心坐标由5个测点来拟合 (1个在极点，4点在赤道），测此5点时保持各臂的方向不变。

单点定位测量误差可以测量结果最大偏差、偏差范围、偏差的2倍均方根来表示。

2.2.3 尺寸测量示值误差

对已校准的标准器——球进行接触内曲率表面的球径测量，可选择球径和形状经校准，直径10～50 mm标准球，需3次球径测量。

对已校准的标准器——环规进行接触外曲率表面的孔径测量，可选择孔径和形状经校准，直径30～100 mm标准环规，需3次孔径测量。

对已校准的标准器——量块进行接触无曲率表面的外尺寸测量，可选择长度尺寸100，500，1000 mm的3块量块各测量3次。由于关节臂测量机没有固定的X，Y，Z轴，所以在此把尺寸测量作为综合空间性能测量，可将量块置于空间两个对角方位进行距离测量。过多方位测量对精度不是很高的关节臂测量机并不一定经济实效。

同理也可选择经校准的规格为600～1000 mm标准步距规，进行接触无曲率表面的内尺寸或外尺寸测量。或选择相应尺寸的标准球棒进行空间尺寸测量，但因此两种标准器不为常用或配置，所以仍推荐以量块测量为主。

尺寸测量示值误差也可以测量结果的最大误差、误差范围、误差的2倍均方根来表示。

2.2.4 蛙跳误差的校准

在关节臂测量机的测量范围之外的测量，需要用到蛙跳技术，通过蛙跳技术 (转站技术），可以将坐标系进行平移、拟合，从而使关节臂的测量范围扩大，但考虑到测量精度在每次蛙跳之后都在累加降低，所以必要时，需对关节臂测量机的蛙跳误差进行校准。测量时，需依关节臂测量机蛙跳转接原理，按仪器蛙跳转接程序进行蛙跳对齐，如在位置1时完成所有测量范围内的尺寸测量，再测量三个蛙跳球 (A，B，C），然后移动关节臂测量机到位置2，在位置2处进行尺寸测量之前先按同样的顺序测量三个蛙跳球完成蛙跳对齐。

1 ）蛙跳的转接定位误差

在关节臂测量机的测量范围之内，用蛙跳技术对同一点进行转接前后单点定位一致性的定位误差测量，以校准因转接引入的定位误差。测量时，用一带倒角或锥体或三点分布的非过定位的标准器，建议选用孔径为3/4测头直径标准器置于确定位置，测量机对其位置按转接前后各测10次，以测量结果最大偏差、偏差范围、偏差的2倍均方根来表示。

2 ）蛙跳的尺寸测量示值误差

用蛙跳技术，对关节臂测量机的测量范围之外的长度尺寸通过蛙跳转接进行测量。构建此长度尺寸可选择将目标 (球或平面）固定于沿直线导轨移动的构件上，通过构件在直线导轨上的2个位置构成长度尺寸。如目标固定于2 m测长机移动座上、固定于大型三坐标测量机移动座上、固定于大型机床移动座上，长度尺寸的标准值可通过双频激光干涉仪测得，当仪器导轨测长系统精度较高时也可直接测得，如测长机、三坐标。此外一些专用、自制或现有的较高精度长度标准件经校准也可作为蛙跳测量的标准长度尺寸。

关节臂测量机对此长度尺寸蛙跳转接测量时，可测量3～5次长度尺寸，以测量结果最大误差、误差范围、误差的2倍均方根来表示。

3 结束语

影响关节臂式的测量机精度的环节比较复杂，环境条件 (温度和湿度、振动、电气、安装刚性和方向、使用与校准条件差别很大）都会影响测量机的校准精度，要获取较高的精度，需要妥善解决多个环节。需要我们在关节臂测量机校准工作实践中注意总结并积累经验，同时也期待关节臂测量机的国家校准规范能够制订出台，以统一和规范关节臂测量机的校准。

［1］国家质量监督检疫总局.JJF1064－2010坐标测量机校准规范［S］.北京:中国计量出版社，2011.

［2］王继虎，寇鹏，曹铁泽，等.关节臂坐标测量机的性能评定方法 ［J］.计量学报，2008，29(S1）:100－103.

［3］孙中升.关节臂测量机在大尺寸测量中的应用 ［C］ //2008年江苏计量测试学术论文集.2008.

［4］张元元.基于双目立体视觉的无线柔性坐标测量技术研究［D］.南京:南京航空航天大学，2010.