球桿儀校準(zhǔn)規(guī)范

JJF1978—202211范圍本規(guī)范適用于球桿儀的校準(zhǔn)。2引用文件本規(guī)范引用了下列文件:JJF1001—2011通用計(jì)量術(shù)語及定義JJF1059.1—2012測量不確定度評定與表示JJF1094—2022測量儀器特性評定凡是注明日期的引用文件,僅注日期的版本適用于本規(guī)范;凡不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修訂單)適用于本規(guī)范。3概述球桿儀是用于數(shù)控機(jī)床等設(shè)備圓形運(yùn)動(dòng)軌跡測量的一種計(jì)量儀器,由主桿、活動(dòng)桿和兩端的兩個(gè)球構(gòu)成?；顒?dòng)桿和主桿之間的相對位移作為輸出。常見的球桿儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。球桿儀數(shù)據(jù)傳輸方式分為有線傳輸和無線傳輸兩種。用兩個(gè)合適的球座將球桿儀與數(shù)控機(jī)床連接,如圖2所示。一個(gè)球座固定在機(jī)床的工作臺上,另個(gè)球座安裝在主軸頭上,主軸頭相對于工作臺做圓周運(yùn)動(dòng)。測得兩球間距離R的變化被標(biāo)繪在圓形圖上。圓形圖可通過同步極坐標(biāo)繪圖器或由計(jì)算機(jī)評估繪制。測量結(jié)果用于分析被測設(shè)備運(yùn)動(dòng)的誤差。(a)球桿儀(有線傳輸)(b)球桿儀(無線傳輸)圖1球桿儀結(jié)構(gòu)示意圖1—球;2—主桿;3—活動(dòng)桿;4—球JJF1978—20222圖2球桿儀的使用1—球;2—球座4計(jì)量特性4.1標(biāo)準(zhǔn)球圓度誤差4.2球桿儀示值誤差4.3球桿儀示值重復(fù)性5校準(zhǔn)條件5.1環(huán)境條件5.1.1溫度條件:溫度、溫度變化量對球桿儀示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果的影響應(yīng)在評定測量不確定度時(shí)予以考慮。5.1.2實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)無影響測量準(zhǔn)確度的灰塵、噪音、振動(dòng)和磁場。5.2測量標(biāo)準(zhǔn)及輔助設(shè)備推薦使用表1所列測量標(biāo)準(zhǔn)及輔助設(shè)備,允許使用滿足不確定度要求的其他測量標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。表1測量標(biāo)準(zhǔn)及輔助設(shè)備序號設(shè)備名稱校準(zhǔn)項(xiàng)目1圓度儀標(biāo)準(zhǔn)球圓度誤差2測長儀球桿儀示值誤差,球桿儀示值重復(fù)性6校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法6.1標(biāo)準(zhǔn)球圓度誤差6.1.1球桿儀兩端標(biāo)準(zhǔn)球的圓度在三個(gè)通過最大直徑的截面上進(jìn)行測量:一個(gè)圓截面與連接桿軸線垂直,另外兩個(gè)圓截面與第一個(gè)圓截面15°相交。JJF1978—202236.1.2用圓度儀測量標(biāo)準(zhǔn)球圓度誤差將標(biāo)準(zhǔn)球置于圓度儀工作臺中心,使測頭中部與標(biāo)準(zhǔn)球直徑處相接觸,調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球與圓度儀回轉(zhuǎn)中心同軸。測量時(shí),先讓圓度儀主軸回轉(zhuǎn)三圈,再開始測量,以最小二乘法評定,并記錄圓度誤差值。在三個(gè)截面上測量獲得的圓度誤差值中,選取最大值作為標(biāo)準(zhǔn)球圓度誤差的校準(zhǔn)結(jié)果。6.2球桿儀示值誤差6.2.1在球桿儀有效測量范圍內(nèi),均勻分布受檢點(diǎn)(包括上限、下限和零點(diǎn)),以0.1mm為間距進(jìn)行測量。6.2.2校準(zhǔn)球桿儀示值誤差時(shí),按以下步驟進(jìn)行:a)在測長儀的頭座和尾座測量桿上安裝平面測頭(帽)。b)調(diào)整兩測頭(帽)平行,并鎖緊測頭。c)移開頭座,將受校球桿儀固定在測長儀的工作臺上,使其水平與垂直方向基本與測長儀運(yùn)動(dòng)方向平行。d)使測長儀兩測頭與球桿儀的球接觸,頭座測頭壓入球桿儀,使球桿儀行程為最小,水平和垂直方向擺動(dòng)調(diào)整工作臺,使球桿儀與兩測頭中心連線平行,鎖緊工作臺。e)重新調(diào)整測頭間距離,保證測微旋鈕改變測頭間距離時(shí),可以達(dá)到球桿儀有效行程的最大和最小位置。f)利用測頭微調(diào)旋鈕改變測頭間的距離,測頭壓入球桿儀示值為有效行程的最小值,讀取測長儀示值。g)以0.1mm為間隔,正、反行程反復(fù)測量3次,分別得到相應(yīng)的測長儀的示值xij與球桿儀示值yij。h)球桿儀示值誤差按式(1)計(jì)算:(1)δij=(yij-xij)-(y10-x10)(1)式中:xij—測長儀的逐點(diǎn)的示值;yij—球桿儀逐點(diǎn)的示值;x10—球桿儀有效行程最小位移時(shí)測長儀示值;y10—球桿儀有效行程最小位移的示值;i測量點(diǎn)序號,i=0,1,…,18;j—組序號,j=1,3,5為正向測量,j=2,4,6為反向測量。i)取6組各測量點(diǎn)示值誤差的平均值δij作為球桿儀的示值誤差校準(zhǔn)值。注意:6組測量之間不再清零。6.3球桿儀示值重復(fù)性在球桿儀示值誤差的測量數(shù)據(jù)δij中,取6組各測量點(diǎn)示值誤差的最大值δimax和最小值δimin之差作為極差Δi:Δi=δimax-δimin=max(δij)-min(δij)(2)式中:i測量點(diǎn)序號,i=0,1,…,18;4j—組序號,j=1,2,…,6。取Δi的最大值Δimax計(jì)算重復(fù)性R:R=Δimax/C=max(Δi)/2.53(3)式中:C—極差系數(shù),當(dāng)n=6時(shí),C=2.53。7校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá)球桿儀校準(zhǔn)后應(yīng)出具校準(zhǔn)證書,校準(zhǔn)證書應(yīng)包含校準(zhǔn)結(jié)果和測量不確定度。8復(fù)校時(shí)間間隔建議球桿儀的復(fù)校時(shí)間間隔不超過1年。由于復(fù)校時(shí)間間隔的長短是由儀器的使用情況、使用者、儀器本身質(zhì)量等諸因素所決定,因此使用單位可根據(jù)實(shí)際使用情況自主決定復(fù)校時(shí)間間隔。5,,且獨(dú)立互不相關(guān),則測量不確定度評定示例A.1球桿儀示值誤差測量值的測量不確定度評定示例A.1.1校準(zhǔn)任務(wù)對有效測量范圍為1.8mm的球桿儀示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。A.1.2校準(zhǔn)方法按照6.2的方法校準(zhǔn),記錄球桿儀示值yij,測長儀示值xij,計(jì)算球桿儀在每一點(diǎn)的示值誤差為:δij=(yij-xij)-(y10-x10)經(jīng)變換,可變成:δij=(yij-y10)-(xij-x10)正、反行程反復(fù)測量3次,取6組測量數(shù)據(jù)的誤差平均值作為校準(zhǔn)值。A.1.3校準(zhǔn)條件—環(huán)境溫度(20±0.5)℃,溫度變化每小時(shí)不應(yīng)超過0.3℃,環(huán)境相對濕度≤65%;—受校球桿儀在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)等溫24h以上;—測長儀的測長標(biāo)準(zhǔn)光柵的制造材料為光學(xué)玻璃,球桿儀為碳纖維結(jié)構(gòu)的電感式位移傳感器。A.1.4測量模型由測量原理和方法,得到變換后的測量模型為:δij=(yijmax-xijmax)-(y10-x10)式中:yijmax—球桿儀誤差最大點(diǎn)的示值最大值,μm;y10—球桿儀有效行程最小位移的示值,μm;xijmax—球桿儀誤差最大點(diǎn)的測長儀示值最大值,μm;x10—球桿儀有效行程最小位移時(shí)測長儀示值,μm。A.1.5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算公式依據(jù)公式u(y)=[?f/?xi]2u(x),ci=?f/?xi,則u2(δ)=cjmax(y)ujmax(y)+c(y)u(y)+cjmax(x)ujmax(x)+c(x)u(x)式中:cijmax(y)=1;cijmax(x)cijmax(x)=-1;JJF1978—20226ujmax(y)=u(y)=u2(y)ujmax(x)=u(x)=u2(x)因此:u2(δ)=2u2(y)+2u2(x)A.1.6測量不確定度來源及說明測量不確定度來源及說明見表A.1。表A.1測量不確定度來源及說明序號不確定度來源說明1測量標(biāo)準(zhǔn)1-1儀器誤差測長儀的最大允許誤差直接影響測量結(jié)果1-2測長儀的分辨力儀器分辨力為0.01μm測長儀的重復(fù)性由于是由一定測力進(jìn)行測量,測長儀的重復(fù)性影響測量結(jié)果2被測對象2-1球桿儀的分辨力儀器分辨力為0.1μm球桿儀的重復(fù)性球桿儀的重復(fù)性直接影響測量結(jié)果2-2溫度偏離的影響實(shí)驗(yàn)室溫度對20℃會有偏離,同時(shí)存在溫度波動(dòng)2-3安裝誤差被測對象與儀器的測量軸線無法完全同軸A.1.7標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定A.1.7.1由測長儀誤差引入的不確定度分量u(x)A.1.7.1.1由測長儀的示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1(x)測長儀最大允許誤差MPE為±(0.08μm+0.4×10-6L),符合均勻分布,k= 3,測量位移按1.8mm計(jì)算,則u1(x)=(0.08μm+0.4×10-6×1.8×103μm)/3≈0.047μmA.1.7.1.2由測長儀分辨力/重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量由分辨力引入的不確定度分量為:測長儀的分辨力為0.01μm,區(qū)間半寬度為0.005μm,符合均勻分布,k=3,由分辨力引入的不確定度分量為:u21(x)=0.005μm/3=0.003μm在各種條件均不改變的情況下,在短時(shí)間內(nèi),用分辨力為0.01μm的電感測微儀對測長儀進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn),共測量10次(即n=10)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為(單位:mm):0.00000,0.00002,0.00001,0.00002,-0.00001,0.00002,-0.00001,0.00001,.,0,的得到sn(x)=0.012μm,實(shí)際測量時(shí)重復(fù)測量u22(x)=0.012μm/3=0.007μm因分辨力引入的不確定度分量u21(x)并非遠(yuǎn)小于測量重復(fù)性引入的不確定度分量u22(x),則需同時(shí)考慮二者。JJF1978—20227A.1.7.2與球桿儀有關(guān)的誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(y)A.1.7.2.1由球桿儀的分辨力/重復(fù)性引入的不確定度分量分辨力引入的不確定度分量為:球桿儀的分辨力為0.1μm,區(qū)間半寬度為0.05μm,符合均勻分布,k=3,分辨力引入的不確定度分量為:u11(y)=0.05μm/3=0.029μm在每個(gè)測量點(diǎn)獲得的6組測量數(shù)據(jù),如表A.2所示。利用極差法計(jì)算重復(fù)性,示值誤差和極差值如表A.3所示。表A.2球桿儀的測量數(shù)據(jù)單位mmixi1-x10yi1-y10xi2-x10yi2-y10xi3-x10yi3-y10xi4-x10yi4-y10xi5-x10yi5-y10xi6-x10yi6-y100123456789JJF1978—20228表A.3球桿儀示值誤差和極差值單位:μmiδi1δi2δi3δi4δi5δi6示值誤差 δi極差Δi00.000.010.010.000.00-0.010.000.0210.030.040.030.040.040.050.040.022-0.02-0.04-0.03-0.03-0.02-0.02-0.030.0230.000.020.020.010.020.030.020.034-0.11-0.08-0.09-0.09-0.08-0.12-0.100.045-0.12-0.12-0.1-0.08-0.12-0.14-0.120.066-0.12-0.11-0.13-0.13-0.12-0.14-0.120.037-0.020.01-0.01-0.02-0.02-0.03-0.020.048-0.09-0.10-0.11-0.09-0.10-0.11-0.100.029-0.02-0.03-0.020.000.020.020.000.0510-0.11-0.12-0.11-0.09-0.11-0.13-0.110.04110.010.030.02-0.010.00-0.020.010.0512-0.08-0.07-0.07-0.06-0.09-0.07-0.070.0313-0.08-0.07-0.1-0.11-0.11-0.09-0.090.0414-0.07-0.06-0.08-0.07-0.06-0.07-0.070.0215-0.27-0.26-0.26-0.27-0.24-0.25-0.260.0316-0.05-0.04-0.05-0.06-0.07-0.07-0.060.0317-0.22-0.23-0.24-0.22-0.21-0.23-0.220.0318-0.25-0.24-0.24-0.23-0.23-0.24-0.240.02u12(y)=Δimax/2.53=0.06μm/2.53≈0.024μm分辨力引入的不確定度分量u11(y)并非遠(yuǎn)大于測量重復(fù)性引入的不確定度分量u12(y),則需同時(shí)考慮二者。A.1.7.2.2由溫度因素引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量a)在測量前,球桿儀已經(jīng)放置在儀器上充分恒溫,避免溫度變化引起示值變化,所以溫度變化的影響可以忽略不計(jì)。即u21(y)=0(20±0.5)℃的范圍內(nèi),已知測長儀的線膨脹系數(shù)為α機(jī)=(8±1)×10-6℃-1,受校球當(dāng)D=12.7mm時(shí),由溫度帶來的極限誤差為:11)×10-6℃-1,則兩者最大的差值可能當(dāng)D=12.7mm時(shí),由溫度帶來的極限誤差為:JJF1978—20229e溫度=DXΔTXα球-DXΔTXα機(jī)=DXΔTX(α球-α機(jī))=±12.7X103μmX0.5℃X5.5X10-6℃-1=±0.034μm則由溫度引入的測量不確定度分量為:u22(>)=0.034μm/6≈0.014μmA.1.7.3由安裝誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3(>)球桿儀安裝在測長儀的工作臺上,可能與測量軸線產(chǎn)生夾角,從而引入余弦誤差,即Δ=l(1-cosα)(l為有效測量長度),設(shè)角度誤差為0.1°,則u3(>)=2×103μm×(1-cos0.1°)=0.003μmA.1.8合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度A.1.8.1主要標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表球桿儀示值誤差的測量不確定度分量及計(jì)算結(jié)果見表A.4。表A.4主要標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表序號不確定度來源評定方法分布類型影響量對測量結(jié)果影響的變化限/μm包含因子k標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量/μm與測長儀相關(guān)的誤差ui(①)1測長儀的最大允許誤差B均勻±(0.08μm+0.4×10-6L)0.081 30.0472測長儀的分辨力B均勻0.01μm0.005 30.003測長儀的重復(fù)性A//0.012 30.007與球桿儀相關(guān)的誤差ui(>)1球桿儀的分辨力B均勻0.1μm0.05 30.029球桿儀的重復(fù)性A//0.062.530.0242溫度變化的影響B(tài)均勻00 30膨脹系數(shù)差的影響B(tài)三角Δt×12.7×5.5×10-60.034 60.0143測量裝置安裝的誤差B兩點(diǎn)①(1-cosα)0.00310.003合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度:uc=0.089μm擴(kuò)展不確定度(k=2):U=0.18μmA.1.8.2合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算uc(>)=u(δ)=u(①u(>)=0.089μmA.1.9擴(kuò)展不確定度計(jì)算取包含因子k=2,則擴(kuò)展不確定度U:U=ku(δ)≈0.18μmA.2標(biāo)準(zhǔn)球圓度誤差測量結(jié)果的測量不確定度評定示例A.2.1校準(zhǔn)任務(wù)校準(zhǔn)φ12.7mm標(biāo)準(zhǔn)球圓度誤差。10A.2.2校準(zhǔn)方法圓度儀測頭為電感傳感器;受校標(biāo)準(zhǔn)球?yàn)殇撝频?按照6.1的方法校準(zhǔn)。A.2.3校準(zhǔn)條件—環(huán)境溫度(20±0.5)℃,溫度變化每小時(shí)不超過0.3℃,環(huán)境相對濕度≤65%;—受校標(biāo)準(zhǔn)球在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的平衡24h以上。A.2.4測量模型由測量方法(即圓度儀的讀數(shù)即實(shí)際得到的圓度誤差值),因此測量模型為:y=x式中:y—標(biāo)準(zhǔn)球圓度誤差;x—圓度儀讀數(shù)值。A.2.5不確定度傳播律u(y)=c2u2(x)式中,靈敏系數(shù)c=?y/?x=1。A.2.6測量不確定度來源及說明見A.5。表A.5測量不確定度來源及說明序號不確定度來源說明1儀器誤差(主軸跳動(dòng))儀器主軸存在徑向跳動(dòng)和軸向跳動(dòng),此處主要表現(xiàn)為徑向跳動(dòng)對結(jié)果有影響2儀器分辨力儀器分辨力為0.01μm測量重復(fù)性測量重復(fù)性直接影響測量結(jié)果3安裝誤差被測對象與儀器的回轉(zhuǎn)主軸無法完全同軸A.2.7標(biāo)準(zhǔn)不確定度評估A.2.7.1儀器誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u11級圓度儀徑向跳動(dòng)的最大允許值為0.03μm,半?yún)^(qū)間為0.015μm,符合均勻分布,則u1=0.015μm/3=0.007μmA.2.7.2由儀器分辨力/重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2器分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:儀器分辨力為0.01μm,區(qū)間半寬度為0.005μm,符合均勻分布,k=3,器分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:u21=0.005μm/3=0.003μm在各種條件均不改變的情況下,在短時(shí)間內(nèi),用標(biāo)稱值為12.7mm的球桿儀標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn),共測量10次(即n=10)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為(單位:μm):0.07,0.06,0.06,0.08,0.07,0.08,0.04,0.07,0.07,0.06。由貝塞爾公式計(jì)算得到s(x)=0.0029μm,實(shí)際測量取3次測量的平均值為測量結(jié)果,則11u22=0.008μm/3=0.005μm分辨力引入的不確定度分量u21未遠(yuǎn)小于測量重復(fù)性引入的不確定度分量u22,則需同時(shí)考慮二者。A.2.7.3安裝誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3安裝時(shí),需要調(diào)整被測件與儀器的回轉(zhuǎn)主軸同軸,但是是無法調(diào)整到完全一致的,在數(shù)據(jù)處理的過程中,由于安裝誤差不能完全重合帶來的偏心影響已經(jīng)通過數(shù)據(jù)處理修正掉,殘留誤差影響估計(jì)在±0.01μm以內(nèi),符合均勻分布,k=3,則u3=0.01μm/3=0.006μmA.2.8