坐标测量球校准规范

JJF1422—20131坐标测量球校准规范1范围本规范适用于坐标测量球(检测球和标定球)的校准。2引用文件本规范引用了下列文件:JJF1064—2010坐标测量机校准规范JJF1094—2002测量仪器特性评定凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3概述坐标测量球用于校准或标定坐标测量机、数控机床和其他测长仪器,按用途分为检测球与标定球两类。检测球可用于校准坐标测量机等仪器设备的探测误差等项目;标定球可用于标定坐标测量机等仪器设备的测头坐标位置及测头直径。坐标测量球通常用钢、硬质合金、陶瓷或玻璃制成,一般以直径为其型号规格,其直径尺寸为(10~50)mm。常见的坐标测量球按结构型式分为:带联接杆和底座的坐标测量球、不带联接杆和底座的坐标测量球,如图1所示。(a)带联接杆和底座的坐标测量球(b)不带联接杆和底座的坐标测量球图1坐标测量球结构示意图1—球体;2—球柄;3—联接杆;4—底座JJF1422—201324计量特性4.1坐标测量球的表面粗糙度坐标测量球的表面粗糙度一般不大于Ra0.05μm。4.2坐标测量球的直径坐标测量球的直径的测量不确定度由送校单位确定。一般不超过相应仪器设备最大允许示值误差的1/3。4.3坐标测量球的形状误差(圆度误差)坐标测量球的形状公差(圆度公差)由送校单位确定。一般不超过相应仪器设备最大允许探测误差的1/5。注:以上指标不是用于合格性判别,仅供参考。5校准条件5.1环境条件5.1.1温度条件:温度条件应根据受校坐标测量球的测量不确定度要求确定。推荐的要求为:实验室内温度为(20±0.5)℃,其变化不大于0.5℃/h;受校坐标测量球及校准用设备在室内平衡温度的时间不少于12h。5.1.2相对湿度:实验室内的相对湿度不大于70%。5.1.3实验室内应无影响测量的灰尘、噪音、振动、磁场和空气的扰动。5.2测量标准及其他设备推荐使用表1所列测量标准及其他设备,允许使用满足测量不确定度要求的其他测量标准及其他设备进行校准。表1测量标准及其他设备序号设备名称技术要求1表面粗糙度测量仪MPE:±5%2测长仪/测长机MPE:±(0.15μm+0.7×10-6L)3圆度仪1级或2级5.3其他条件校准前应确认无影响校准正确性实施和校准结果的外观缺陷。坐标测量球球面及球座底面不应有划伤、碰伤、锈蚀、毛刺等缺陷。球座底面有镀层的,镀层应完整,无脱落现象。球体与球柄联接应稳定牢固,不应有松动、相对转动等现象。联接杆及紧固螺钉的作用应稳定可靠。球座底面与平板接触应稳定紧密。6校准项目和校准方法使用放大镜对球面外观进行检查,目测和手动试验检查其他部位外观和各部分相互作用。确定没有影响计量特性因素后再进行校准。JJF1422—201336.1坐标测量球的表面粗糙度在3个位置上测量,取最大值作为坐标测量球的表面粗糙度测量结果。测量点应在相互垂直的不同球径方向上选取。采用表面粗糙度测量仪进行测量。6.2坐标测量球的直径6.2.1在受校坐标测量球上选择3个球径方向,测量位置的选取如图2所示,获得测量值DA1,DB1,DC1。将坐标测量球绕球柄轴线方向旋转90°,获得测量值DA2,DB2,DC2。取6个测量值的平均值作为坐标测量球的直径测量结果。图2坐标测量球测量截面示意图6.2.2采用测长仪/测长机测量坐标测量球的直径。测量时,首先在测长仪器的头座和尾座测量杆上安装小平面测头,调整两测头平面平行,以两测头接触时读数为Ai0;然后移开头座(或尾座),将受校坐标测量球放置在工作台上;通过调整仪器工作台位置,使坐标测量球在受校直径方向上位于两测头平面之间,并在上下和前后两个方向上观察最大值位置,取此时读数为Ai,按式(1)计算该位置的直径值Di:式中:Di—坐标测量球在i位置的直径值;D式中:Di—坐标测量球在i位置的直径值;Ai—坐标测量球在i位置的终点读数;Ai0—坐标测量球在i位置的起点读数;Li—测长机在i位置的移动距离。6.3坐标测量球的形状误差(圆度误差)6.3.1首次校准应在坐标测量球上的三个截面进行测量,测量位置见图3。复校准时可只在A截面上进行测量。4图3坐标测量球圆度测量位置示意图6.3.2采用圆度仪测量坐标测量球的圆度误差。测量前,应将圆度仪按仪器说明书的规定调整到工作状态,仪器滤波器选择“(1~50)周波数”,测杆选择“标准测杆”,测力选择“外侧较小测力位置”,放大倍数选择“低倍”;然后将坐标测量球置于圆度仪工作台中心,使测头中部与坐标测量球球径处相接触,放大倍数选择由低至高,调整坐标测量球与仪器回转中心同轴;测量时,放大倍数选择最高挡,先让主轴空转3圈,开始测量,选择最小包容区域法评定其圆度误差,记录圆度仪的圆度误差输出值ERi,按式(2)计算坐标测量球在该截面的圆度误差Fi:式中:Fi=ERi(2)Fi—坐标测量球在i截面的圆度误差;ERi—圆度仪在i截面的圆度误差输出值。7校准结果表达经过校准的坐标测量球发给校准证书,校准结果至少应说明:直径尺寸的测量结果及不确定度;圆度误差的测量结果及不确定度。8复校时间间隔由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的,因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。建议复校间隔一般不超过1年。JJF1422—20135附录A坐标测量球直径测量结果的测量不确定度评定A.1校准任务校准D30mm坐标测量球的直径尺寸。A.2原理、方法和条件A.2.1测量原理接触式,直接法,绝对测量。A.2.2测量方法在测长机上测量。测量前应将仪器调整满足测量需要的状态。测量时,首先两测头接触并清零,然后将受校坐标测量球放在两测头之间,测量得到球的直径尺寸。A.2.3测量条件—环境温度(20±0.5)℃,温度变化每小时不应超过0.5℃/h,环境相对湿度≤70%;12小时;—测长机光栅制造材料为光学玻璃;受校坐标测量球为钢制的。A.3测量模型由测量原理和方法,参考式(1),转化得到理论测量模型:(A.1)式中:D—(A.1)式中:D—坐标测量球的直径;A—第二个位置(终点)读数;A0—第一个位置(起点)读数;L—测长机的移动距离。A.4不确定度传播率A.5式L=。(D)=c2u2(L)测量不确定度来源及说明见表A.1。表A.1测量不确定度来源及说明序号不确定度来源说明1测长机示值误差测长机存在示值误差2仪器分辨力测长机为数显式仪器,仪器分辨力为0.01μm测量重复性 6表A.1(续)序号不确定度来源说明3安装调整测量前,应在两个方向调整测头平行,调整不到位会有误差4温度实验室温度对20℃会有偏离,而光栅尺和坐标测量球之间存在线膨胀系数差5坐标测量球实际测量位置偏离定义位置时,坐标测量球的形状会对测量结果产生影响,主要影响因素是圆度误差6接触形式测头与球的接触方式为点接触,测头与测头的接触方式为小面接触。而小平面测头会存在一定的平面度误差A.6标准不确定度评定A.6.1由测长机的示值误差引入的标准不确定度分量u1受校差计E:±(0.15μm+0.7×10-6L),符合均匀分布,k=3,A.6.2由仪器分辨力/重复性引入的标准不确定度分量u2u1=(0.15μm+0.7×10-6×30×103A.6.2由仪器分辨力/重复性引入的标准不确定度分量u2由分区间半宽度为0.005μm,符合均匀分布,k=3,则u21=0.005μm/3=0.003μm在各种条件均不改变的情况下,在短时间内,用标称值为30mm的球进行重复性实验,共测量10次(即n=10)。实验数据为(单位:mm):30.00010,30.00014,30.00016,30.00017,30.00018,30.00012,30.00019,30.00018,30.00020,30.00015,由贝塞尔公式计算得到sn(x)=0.032μm,则重复性引入的不确定度分量为:分辨力引入的不确定度分量u212u22,取结果较大者,则:A.6.3由安装调整不到位引入的3由实验,安装调整不到位影响可以控制在e安装=±0.10μm,符合均匀分布,k= 3,则:A.6.4由温度引入的标准不3=0.058μm在测量前,坐标测量球已经放置在仪器上充分定温(即两者温度差忽略不计),所以此处主要考虑温度偏离20℃,测长机与受校球的线膨胀系数差的影响,在测量过程中,实验室温度保持在(20±0.5)℃的范围内,已知测长机的线膨胀系数为α机=(8±1)×10-6℃-1,受校球的线膨胀系数为α球=(11.5±1)×10-6℃-1,则两者最大的差7当L=30mm时,由温度带来的极限误差为:值可能为5.5×10-6℃-1,近似三角分布,当L=30mm时,由温度带来的极限误差为:e温度=L×ΔT×α球-L×ΔT×α机=L×ΔT×(α球-α机)则由温度引入的测量不确定度分量为:=(±30×103×0.5×5.5×10-6)则由温度引入的测量不确定度分量为:A.6.5由坐标测量球形状454μm坐标测量球形状对测量结果产生影响的主要因素是圆度误差,高精度坐标测量球的般不超过0.13μm,符合均匀分布,k=3,由于直径测量取6个位置的平A.6.6由接触形式引入的u66=0.031μm测量坐标测量球与两测头直接对零时的接触形式有所不同,经实验其影响可以控制在e接触=±0.1μm,符合均匀分布,k=3,则接触形式引入的测量不确定度分量为:u6=0.1μm/3=0.058μmA.7合成标准不确定度A.7.1主要标准不确定度汇总表测量D30mm坐标测量球直径的测量不确定度分量及计算结果见表A.2。表A.2主要标准不确定度汇总表影响测量不确定度的来源标准不确定度分量代号ui分布类型影响量对测量结果影响的变化限/μm包含因子ki标准不确定度分量ui/μm1测长机u1B均匀±(0.15μm+0.7×10-6L)0.17 30.0992分辨力/重复性u2A 0.032μm 0.032分辨力u21B均匀0.01μm0.005 30.003重复性u22A—0.032μm——0.0323安装调整u3B均匀±0.1μm0.1 30.0584温度u4B三角ΔT×L×5.5×10-60.135 60.0345坐标测量球形状u5B均匀0.13μm0.13 30.0316接触形式u6B均匀±0.1μm0.1 30.058合成标准不确定度uc0.144扩展不确定度U(k=2)0.29A.7.2合成标准不确定度计算由于参与计算的各项标准不确定度分量之间没有值得考虑的相关性,由式(A.2)JJF1422—20138求得合成标准不确定度为:uc=u+u+u+u+u+u(A.2)A.8不0322+0.0582+0.0482+0.0312+0.0582μm=0.144μm取包含因子k=2,则扩展不确定度为:U=kuc=2×0.144μm≈0.29μmJJF1422—20139附录B坐标测量球圆度误差测量结果的测量不确定度评定B.1校准任务校准D30mm坐标测量球的圆度误差。B.2原理、方法和条件B.2.1测量原理接触式,直接法,绝对测量。B.2.2测量方法在圆度仪上测量。测量前应将仪器调整满足测量需要的状态。测量时将坐标测量球置于圆度仪工作台中心,在圆度仪上测量并以最小区域法评定其圆度值。B.2.3测量条件—环境温度(20±0.5)℃,温度变化每小时不应超过0.5℃/h,环境相对湿度≤70%;12h;—圆度仪测头为电感传感器;受校坐标测量球为钢制的。B.3测量模型由测量原理和方法,参考式(2),转化得到理论测量模型:式中:F=ER(B.1)F—坐标测量球圆度误差;ER—圆度仪读数值。B.4不确定度传播率u(F)=c2u2(Eu(F)=c2u2(ER)B.5测量不确定度来源及说明测量不确定度来源及说明见表B.1。表B.1测量不确定度来源及说明序号不确定度来源说明1仪器误差(主轴跳动)仪器主轴存在径向跳动和轴向跳动,此处主要表现为径向跳动对结果有影响2仪器分辨力仪器分辨力为0.001μm测量重复性 3温度实验室温度对20℃会有偏离,同时存在温度波动4安装误差被测件与仪器的回转主轴无法完全同轴JJF1422—201310B.6标准不确定度评估B.6.1仪器误差引入的标准不确定度分量u11级圆度仪的径向跳动的最大允许值为0.025μm,半区间为0.0125μm,符合均匀分布,k=3,则:B.6.2由仪器分辨力/重m由仪器分辨力引入的标准不确定度分量为:仪器分辨力为0.001μm,区间半宽度为0.0005μm,符合均匀分布,k=3由仪器分辨力引入的标准不确定度分量为:在各种条件均不改变10.的坐标测量球进行sn(x)=0.0029μm,则重复性引入的不确定度分量为:分辨力引入的不确定度分量u21入的不确定度分量u22,取结果较大者,则:B.6.3.0029μm圆度误差测量属于一种微观尺寸的测量,所以环境温度对20℃的偏差要求不高,在测量过程中,实验室温度保持在(20±0.5)℃的范围内,所以温度对20℃偏离的影响可以忽略不计。温度的变化会影响圆度误差的测量结果,在测量前,坐标测量球已经放置在仪器上温度变化的影响可以忽略不计。即u3=0。安装时,需要调整被测件与仪器的回转主轴同轴,但是无法调整到完全一致,在数据处理的过程中,由于安装误差不能完全重合带来的偏心影响已经通过数据处理修正掉,残留误差影响估计在±0.01μm以内,符合均匀分布,k=3,则:B.7合成标准不确定度u4=0.01μm/3=0.0058μmB.7.1主要标准不确定度汇总表测量D30mm坐标测量球直径的测量不确定度分量及计算结果见表B.2。表B.2主要标准不确定度及计算结果汇总表影响测量不确定度的来源标准不确定度分量代号ui评定类型分布类型影响量/μm对测量结果影响的变化限/μm包含因子ki标准不确定度分量ui/μm1仪器误差(主轴跳动)u1B均匀0.0250.0125 30.0072JJF1422—201311表B.2(续)影响测量不确定度的来源标准不确定度分量代号ui评定类型分布类型影响量/μm对测量结果影响的变化限/μm包含因子ki标准不确定度分量ui/μm2分辨力/重复性u2A 0.0029 0.0029分辨力u21B均匀0.0010.0005 30.0003≈0重复性u22A 0.0029 0.00293温度u3B均匀00 304安装误差u4B均匀±0.0100.010 30.0058合成标准不确定度uc0.0097扩展不确定度U(k=2)0.020B.7.2合成标准不确定度计算式(B.2)求得合成标准不确定度为: uc=u+u+u+u(B.2)