关节臂坐标测量机的性能评价方法

第２９卷第４Ａ期２００８年９月

计

ＡＣｒＡ

量

学报

ＳＩＮＩＣＡ

Ｖ０１．２９．№４Ａ

Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００８

ＭＥＩＲＯＬＯＧＩＣＡ

关节臂坐标测量机的性能评价方法

王继虎１，

寇鹏２，

曹铁泽１，蔡薇１，

孙佳星１

（１．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，北京１００８５４）

摘要：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了正确评价。

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：１０００—１１５８（２００８）４Ａ一０１００—０４

ＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＡｒｔｉｃｕｌａｔｅｄＡｒｍ

ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＭｅａｓｕｒｉｎｇＭａｃｈｉｎｅｓ

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（１．Ｃｈａｎｇｃｈｅｎｇ２．Ｂｅｉｊｉｎｇ

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ｅ

１

引言

关节臂式坐标测量机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¨’２ｏ（见图１）。

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

收稿日期：２００８—０５—３０；修回日期：２００８—０６—２４

作者简介：王继虎（１９７７一），男，山东陵县人，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。

ｗａｒｔｇｊｉｈｕ３０４＠１６３．ＣＯＩＢ。

。

图１配置为２—２—３的７轴关节臂式坐标测量机径可达到５．２ｍ。关节臂式测量机的测量精度普遍在１０ｐａｎ级以上ｂ’４１，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

　

第２９卷第４Ａ期王继虎等：关节臂坐标测量机的性能评价方法

１０１

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。

（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５５１０。５０

ｌｎｌｉｌ

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。差值的大小可以反映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问目标点，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≯１０～

５０ｍＩＴｔ；

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：适用标准锥孑Ｌ，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

见图２。

　

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。

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ｉ贝虬点为标准球，在臂展每个范围内各测量３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，见图４。

对同一位置进行１０次测量分别计算中心坐标然后求平均值，再求各中心对平均中心的标准偏差，用２口原则求得中心坐标的扩展不确定度２Ｓ。

ｄ；＝、／（置一Ｘ。）２＋（ｔ—ｒｏ）２＋（互一Ｚ。）２

计量学报２００８年９月

２ｓ：２√誉

图４触发式测头作关节性能的单点检测

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问的差值的标准偏差。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２ｄ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问分为８个相等空问，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

表１

标准尺的２０个缺省位置

　

所示。球棒的摆放姿态为水平、垂直及４５０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。

翁露：露：霸

囝霪；嬗；蒋：

５‘

６’

７。

８４

图５球形工作区间区域划分及编号

数据分析：对每个位置的球棒中心长度记为厶，球棒的校准值为Ｌ。，差值为Ｄ。：

Ｄｉ＝Ｌ。一Ｌｃ

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：

．

／ｙ

Ｄ；

Ｒ＝Ｄ一一Ｄ１１】ｉ。，２ＲＭＳ＝２√兰吾二

式中凡＝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

ｍｍ

直径偏差

Ｄｌ—Ｄｃ一０Ｄ２一Ｄｃ一０Ｄ３一Ｄｃ

一

０

耋｜咖啷

最大差值

一０．０１２

表３

关节性能的单点检测结果

ｍｍ

第２９卷第４Ａ期

王继虎等：关节臂坐标测量机的性能评价方法

１０３

表４

空间性能测试数据

ｎｌＩ／１

　

由表４计算可得测试结果，Ｄ一＝０．０１５

ｍｉｎ，Ｒ

＝０．０１５一（一０．０１１）＝０．０２６ｒａｉｎ，２ＲＭＳ＝２×０．００７

＝０．０１４ｍｌｎ。

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，

１９９１９．

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哈尔滨工业大学出版社，１９９９．

［３ｊ

Ｆａｒｏ

ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅＳＩｎｃ．ＦａｒｏＡｒｍＢｍｃｈｕｒｅ［ＥＢ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．

ｆａｒｏ．ｃｏｍ／ＦａｒｏｌＰ／Ｆｉｌｅｓ／Ｆｉｌｅ／Ｂｒｏｕｃｈｕｒｅｓ／ＵＫ—ｂｒｏｕｃｈｕｒｅＦａｒｏ－Ａｎｎ．ｐ珊，２００７．１０．

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ａｔｉｏｎｏｆＡｒｔｉｃｕｌａｔｅｄＡｒｍ

ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＭｅａｓｕｒｉｎｇ

Ｍａｃｈｉｎｅｓ［Ｓ］．

关节臂坐标测量机的性能评价方法

作者：作者单位：

王继虎， 寇鹏， 曹铁泽， 蔡薇， 孙佳星， WANG Ji-hu， KOU Peng， CAO Tie-ze，CAI Wei， SUN Jia-xing

王继虎,曹铁泽,蔡薇,孙佳星,WANG Ji-hu,CAO Tie-ze,CAI Wei,SUN Jia-xing(北京长城计量测试技术研究所,北京,100095)， 寇鹏,KOU Peng(北京无线电计量测试技术研究所,北京,100854)

计量学报

ACTA METROLOGICA SINICA2008，29(z1)0次

刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

参考文献(5条)

1. 张国雄 三坐标测量机 1999

2. 叶东 多关节坐标测量机的理论和技术 19993. Faro Technologies Inc FaroArm Brochure 20074. Romer Company Sigma Series Portable CMMs 2007

5. ASME B89.4.22-2004.Methods for Performance Evaluation of Articulated Arm Coordinate MeasuringMachines

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