关节臂测量机性能评价方法

关节臂坐标测量机的性能评价方法王继虎1曹铁泽1寇鹏2蔡薇1 孙佳星1(1. 中国航空工业第一集团公司北京长城计量测试技术研究所，北京 100095)(2. 北京无线电计量测试技术研究所，北京 1000854)摘 要: 本文从影响关节臂测量精度的主要因素出发，提出了相应的测量方法，逐一检查各种测量的异常状 态，根据检查结果对关节臂测量机的性能进行正确评价。关键词:计量学 关节臂测量机；性能评价；溯源中图分类号：TB921文献标识码：A文章编号：100-1158 (2008) 3A-0000-00Methods for Performance Evaluation of Articulated ArmCoordinate Measuring MachinesWang Jihu1 Cao Tieze1 Kou Peng2 Cai Wei1 Sun Jiaxingi1(l.Beijing Changcheng Institute of Metrology and Measurement, China Aviation Industry Corporation I Beijing , 100095,China)(2. Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement，Beijing 1000854, China)Abstract : Base on the main effect factor of measurement error of the Ariticulated Arm Coordinate Measuring Machine(abbr.ACCMMs), the relative method for performance evaluation of ACCMMs is proposed. The method check the exceptional state in the measurement, accomplish the performance evaluation ,according to the checking results.Key words : Metrology; Ariticulated Arm Coordinate Measuring Machine；performance evaluation ; Traceability1 引言关节臂式坐标测量机（Articulated Arm Coordinate Measuring Machines ）是 一种新型的非正交式坐标测量 机，利用空间支导线的原理实现三维坐标测量功能。 关节臂测量机仿照人体关节结构, 以角度基准取代长 度基准,将几根定长的臂通过绕互相垂直轴线转动的关 节（分别称为肩、肘、腕关节）相互连接，在最后的 转轴上装有探测系统（测头）的坐标测量装置1，2（参 见图1）。图 1 配置为 2-2-3 的 7 轴关节臂式坐标测量机与传统正交式坐标测量机相比，关节臂式测量机 的测头安置非常灵活，和其它光学测量系统比较，它 不需要测点的通视条件，因此在测量隐藏点（无法满 足通视条件）时非常有效，如汽车内饰件的测量等。 受臂长的限制，它的测量范围有限，目前空间直径可 以达到5.2m。关节臂测量机的测量精度普遍在十微米 级以上3,4，广泛应用于模具制造、三维模型表面数字 化和现场大型零部件尺寸检测等领域。由于关节臂的结构复杂、连接环节较多，影响测 量精度的因素也很多，因此正确评定关节臂的测量性 能显得尤为重要。本文根据关节臂的使用特点提出了 有效的性能评定方法。2 性能检测项目与标准器影响关节臂测量精度的因素有测头、关节转角位 置、关节臂的伸展状态等。可选择特种测量方法进行 逐一检查。收稿日期：2008-05-30；修回日期：2008-06-241作者简介：王继虎：（1977），男，山东人，中国一航北京长城计量测试技术研究所工程师，主要从事大尺寸坐标计量与校准技术研究E-mail：wangjihu304。（1）测头检查：所采用的测量应该使关节转角活 动及臂的伸展变化尽可能地小。可用0 10mm 50mm 的标准球进行测量。用测头测量标准球，得到与标准 值的最大差值。差值的大小可以反应出关节臂测头是 否异常及测头的安装是否得当。（2）关节转角位置异常检查：对于空间某一点而 言，关节臂可以以无穷多种姿态完成测量，而测头和 臂的伸展变化却很小。因此通过测量空间一固定点， 检测关节臂测量机复现同一量值（提供近似值）的能 力，来判断关节臂各部分组合后的性能。（3）关节臂的伸展状态异常检查：利用测量不同 位置的空间目标点，改变关节臂的伸展状态，检查不 同臂展对测量的影响。在关节臂测量机的有效测量范 围内对已校准的标准尺在多个位置上进行长度测量， 得到标准尺在每个位置的偏差。根据偏差值判断不同 伸展状态下关节臂的异常。所用的标准器及要求：标准球：球度为被测公差的1/5,直径10mm 50mm；标准尺：比较理想的是使用带有两个球形目标的 标准尺,标准尺长度测量不确定度为空间性能检测公 差的 1/5；独立目标：适用标准锥孔,位置重复性为检测公差的 1/5。3 性能检测方法3.1 有效直径性能测试方法在关节臂的臂展50%处, 3 次测量标准球直径,每 次测量9 点,对9个测量点用最小二乘法作球拟合, 计算与标准值的最大差值的绝对值,最大值为有效直 径测试的最大偏差。测点分布： 1 点在极点, 4 点在赤道均布,其余4 点在与赤道成 45的纬线上均布,但绕极轴转45, 详图 2。用硬测头检测,被测点为锥座或三点分布的非过 定位的定位座。在同一位置以不同方向测量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。10个方向的 测试在三个臂展范围内都要进行。如图3所示。图 3 用硬测头作关节性能的单点检测用触发测头检测,被测点为标准球,在臂展每个范 围内各测量三个位置。每个位置用不同肘的方向测10 次球心坐标,每个球心坐标由5个点拟合（1点在极点, 4点在赤道）,测这5个点时要保持各臂的方向不变。图 4 触发式测头作关节性能的单点检测对同一位置进行10次测量分别计算中心坐标然后图 2 有效直径测量的测点分布3.2关节性能的单点检测方法在三个不同臂展位置进行检测,第一个位置是在5 二(X - X )2 + (Y - Y )2 + (Z - Z )2i人i0i0i0全臂展的20%以内，第二个位置是在全臂展的20%80%区域内，第三个位置是在全臂展的80%以外处。ix 5 22 S 二 2 占求平均值，再求各中心对平均中心的标准偏差，用2b 原则求得中心坐标的扩展不确定度2S。3.3空间性能检测在关节臂测量机的有效测量范围内对已校准的标 准尺（球棒或步距规）在多个位姿进行长度测量，结 果为实际测量长度和标定长度理论值之间的差值的标 准偏差。测量时要注意对球棒长度进行温度修正。选用长度分别为臂展的50%70% （短尺）及120% 150%（长尺）的标准尺，摆放位置共有20个缺省位置 （见表1），即2个垂直方向、10个水平方向和8个45 方向。即把关节臂的球形工作空间分为八个相等空间 球半径等于臂长，球心为第一个角度编码器的中心， 机器的安装平面为赤道平面，如图5所示。球棒的摆放 姿态为水平、垂直及45倾斜，摆放方向不是径向就 是切向，按均匀覆盖全量程为原则。每个等分的八分 圆缺省分为远（离中心距离大于臂长的50%）、近（离 中心距离小于臂长的50%）。每个位置测试标准尺5个数 据，最终给出标准尺在每个位置上的长度。表1 标准尺的20个缺省位置缺省球棒八分圆倾角安置相对位置长度区域距离方向1短8水平近径向2短5水平近径向3短1 和 2水平远切向4短4和745远切向5短7和3垂直远切向6短1 和 5垂直远切向7短2水平近径向8长2和845近切向9短3水平近径向10长1 和 745近切向11短1 和 645远切向12短6和345远切向13短5和445远切向14短3和845远切向15短5和245远切向16短1 和 845远切向17短2和745远切向18长3和4水平近切向19长2和6垂直远切向20长4和8垂直近切向1#2#3#4#L.A球形工作区间区域划分及编号图5数据分析：对每个位置的球棒中心长度记为L , 球棒的校准值为L，差值为DCiD 二 L Li i C测试结果用最大偏差、偏差范围R、偏差的2倍均 方根（2RMS ）来表示。iS D2R 二 D D ，2 x RMS 二 2-，maxminn式中 n=20。3.4 性能检测合格判断如个别位置不合格，可以在此位置重测两遍，若 仍旧不合格总共可以重复作3 次，若3次均不合格则 判定测量机此项指标不合格。4 试验及结论根据上述检测方法对某测量范围为2.4m的关节臂 进行了检测试验。测量结果见表2表4。表2有效直径测试结果直径偏差/mmD D-0.0121CD D-0.0102CD D-0.0093C与标准值的最大差值-0.012DC为标准球的标准值，DD为对标准球直径的3C13测量值。表3关节性能的单点检测结果臂展位置8/mmmax2S /mm80%0.0150.022表4空间性能测试数据缺省八分圆倾角测量值标准值差值位置区域L /mmLC/mmD /mm18水平600.122600.1130.00925水平600.116600.1130.00331和2水平600.115600.1130.00244和745600.104600.113-0.00957和3垂直600.116600.1130.00361和5垂直600.108600.113-0.00572水平600.120600.1130.00782和8451600.2221600.2070.01593水平600.115600.1130.002101和7451600.2201600.2070.013111和645600.107600.113-0.006126和345600.112600.113-0.001135和445600.106600.113-0.007143和845600.115600.1130.002155和245600.110600.113-0.003161和845600.105600.113-0.008172和745600.110600.113-0.003183和4水平1600.1961600.207-0.011192和6垂直1600.2101600.2070.003204和8垂直1600.2111600.2070.004由表4计算可得测试结果，DMA=0.015mm,R=0.015-（-0.011）=0.026mm， 2RMS=2X0.007=0.014mm。由测量数据试验验证表明以上检测方法切实可 行，可以满足便携式关节臂坐标测量机的参数评定与 校准工作。参考文献1. 张国雄三坐标测量机M,天津：天津大学出版社，19992. 叶东多关节坐标测量机的理论和技术M，哈尔滨：哈尔滨工业大学，19993. Faro Technologies Inc.FaroArm Brochure,EBhttp：/chures/UK_brouchureFaroArm.pdf4. Romer Company. Sigma Series PortableCMMs.2007,EBhttp：/tories/romer_infinite_2.pdf5. ASMEB89.4.22-2004“MethodsforPerformanceEvaluation of Articulated Arm CoordinateMeasuring Machines” S