坐標(biāo)測量球校準(zhǔn)規(guī)范

JJF1422—20131坐標(biāo)測量球校準(zhǔn)規(guī)范1范圍本規(guī)范適用于坐標(biāo)測量球(檢測球和標(biāo)定球)的校準(zhǔn)。2引用文件本規(guī)范引用了下列文件:JJF1064—2010坐標(biāo)測量機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范JJF1094—2002測量儀器特性評定凡是注日期的引用文件,僅注日期的版本適用于本規(guī)范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)范。3概述坐標(biāo)測量球用于校準(zhǔn)或標(biāo)定坐標(biāo)測量機(jī)、數(shù)控機(jī)床和其他測長儀器,按用途分為檢測球與標(biāo)定球兩類。檢測球可用于校準(zhǔn)坐標(biāo)測量機(jī)等儀器設(shè)備的探測誤差等項(xiàng)目;標(biāo)定球可用于標(biāo)定坐標(biāo)測量機(jī)等儀器設(shè)備的測頭坐標(biāo)位置及測頭直徑。坐標(biāo)測量球通常用鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷或玻璃制成,一般以直徑為其型號規(guī)格,其直徑尺寸為(10~50)mm。常見的坐標(biāo)測量球按結(jié)構(gòu)型式分為:帶聯(lián)接桿和底座的坐標(biāo)測量球、不帶聯(lián)接桿和底座的坐標(biāo)測量球,如圖1所示。(a)帶聯(lián)接桿和底座的坐標(biāo)測量球(b)不帶聯(lián)接桿和底座的坐標(biāo)測量球圖1坐標(biāo)測量球結(jié)構(gòu)示意圖1—球體;2—球柄;3—聯(lián)接桿;4—底座JJF1422—201324計(jì)量特性4.1坐標(biāo)測量球的表面粗糙度坐標(biāo)測量球的表面粗糙度一般不大于Ra0.05μm。4.2坐標(biāo)測量球的直徑坐標(biāo)測量球的直徑的測量不確定度由送校單位確定。一般不超過相應(yīng)儀器設(shè)備最大允許示值誤差的1/3。4.3坐標(biāo)測量球的形狀誤差(圓度誤差)坐標(biāo)測量球的形狀公差(圓度公差)由送校單位確定。一般不超過相應(yīng)儀器設(shè)備最大允許探測誤差的1/5。注:以上指標(biāo)不是用于合格性判別,僅供參考。5校準(zhǔn)條件5.1環(huán)境條件5.1.1溫度條件:溫度條件應(yīng)根據(jù)受校坐標(biāo)測量球的測量不確定度要求確定。推薦的要求為:實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度為(20±0.5)℃,其變化不大于0.5℃/h;受校坐標(biāo)測量球及校準(zhǔn)用設(shè)備在室內(nèi)平衡溫度的時間不少于12h。5.1.2相對濕度:實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的相對濕度不大于70%。5.1.3實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)無影響測量的灰塵、噪音、振動、磁場和空氣的擾動。5.2測量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備推薦使用表1所列測量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備,允許使用滿足測量不確定度要求的其他測量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。表1測量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備序號設(shè)備名稱技術(shù)要求1表面粗糙度測量儀MPE:±5%2測長儀/測長機(jī)MPE:±(0.15μm+0.7×10-6L)3圓度儀1級或2級5.3其他條件校準(zhǔn)前應(yīng)確認(rèn)無影響校準(zhǔn)正確性實(shí)施和校準(zhǔn)結(jié)果的外觀缺陷。坐標(biāo)測量球球面及球座底面不應(yīng)有劃傷、碰傷、銹蝕、毛刺等缺陷。球座底面有鍍層的,鍍層應(yīng)完整,無脫落現(xiàn)象。球體與球柄聯(lián)接應(yīng)穩(wěn)定牢固,不應(yīng)有松動、相對轉(zhuǎn)動等現(xiàn)象。聯(lián)接桿及緊固螺釘?shù)淖饔脩?yīng)穩(wěn)定可靠。球座底面與平板接觸應(yīng)穩(wěn)定緊密。6校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法使用放大鏡對球面外觀進(jìn)行檢查,目測和手動試驗(yàn)檢查其他部位外觀和各部分相互作用。確定沒有影響計(jì)量特性因素后再進(jìn)行校準(zhǔn)。JJF1422—201336.1坐標(biāo)測量球的表面粗糙度在3個位置上測量,取最大值作為坐標(biāo)測量球的表面粗糙度測量結(jié)果。測量點(diǎn)應(yīng)在相互垂直的不同球徑方向上選取。采用表面粗糙度測量儀進(jìn)行測量。6.2坐標(biāo)測量球的直徑6.2.1在受校坐標(biāo)測量球上選擇3個球徑方向,測量位置的選取如圖2所示,獲得測量值DA1,DB1,DC1。將坐標(biāo)測量球繞球柄軸線方向旋轉(zhuǎn)90°,獲得測量值DA2,DB2,DC2。取6個測量值的平均值作為坐標(biāo)測量球的直徑測量結(jié)果。圖2坐標(biāo)測量球測量截面示意圖6.2.2采用測長儀/測長機(jī)測量坐標(biāo)測量球的直徑。測量時,首先在測長儀器的頭座和尾座測量桿上安裝小平面測頭,調(diào)整兩測頭平面平行,以兩測頭接觸時讀數(shù)為Ai0;然后移開頭座(或尾座),將受校坐標(biāo)測量球放置在工作臺上;通過調(diào)整儀器工作臺位置,使坐標(biāo)測量球在受校直徑方向上位于兩測頭平面之間,并在上下和前后兩個方向上觀察最大值位置,取此時讀數(shù)為Ai,按式(1)計(jì)算該位置的直徑值Di:式中:Di—坐標(biāo)測量球在i位置的直徑值;D式中:Di—坐標(biāo)測量球在i位置的直徑值;Ai—坐標(biāo)測量球在i位置的終點(diǎn)讀數(shù);Ai0—坐標(biāo)測量球在i位置的起點(diǎn)讀數(shù);Li—測長機(jī)在i位置的移動距離。6.3坐標(biāo)測量球的形狀誤差(圓度誤差)6.3.1首次校準(zhǔn)應(yīng)在坐標(biāo)測量球上的三個截面進(jìn)行測量,測量位置見圖3。復(fù)校準(zhǔn)時可只在A截面上進(jìn)行測量。4圖3坐標(biāo)測量球圓度測量位置示意圖6.3.2采用圓度儀測量坐標(biāo)測量球的圓度誤差。測量前,應(yīng)將圓度儀按儀器說明書的規(guī)定調(diào)整到工作狀態(tài),儀器濾波器選擇“(1~50)周波數(shù)”,測桿選擇“標(biāo)準(zhǔn)測桿”,測力選擇“外側(cè)較小測力位置”,放大倍數(shù)選擇“低倍”;然后將坐標(biāo)測量球置于圓度儀工作臺中心,使測頭中部與坐標(biāo)測量球球徑處相接觸,放大倍數(shù)選擇由低至高,調(diào)整坐標(biāo)測量球與儀器回轉(zhuǎn)中心同軸;測量時,放大倍數(shù)選擇最高擋,先讓主軸空轉(zhuǎn)3圈,開始測量,選擇最小包容區(qū)域法評定其圓度誤差,記錄圓度儀的圓度誤差輸出值ERi,按式(2)計(jì)算坐標(biāo)測量球在該截面的圓度誤差Fi:式中:Fi=ERi(2)Fi—坐標(biāo)測量球在i截面的圓度誤差;ERi—圓度儀在i截面的圓度誤差輸出值。7校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá)經(jīng)過校準(zhǔn)的坐標(biāo)測量球發(fā)給校準(zhǔn)證書,校準(zhǔn)結(jié)果至少應(yīng)說明:直徑尺寸的測量結(jié)果及不確定度;圓度誤差的測量結(jié)果及不確定度。8復(fù)校時間間隔由于復(fù)校時間間隔的長短是由儀器的使用情況、使用者、儀器本身質(zhì)量等諸因素所決定的,因此送校單位可根據(jù)實(shí)際使用情況自主決定復(fù)校時間間隔。建議復(fù)校間隔一般不超過1年。JJF1422—20135附錄A坐標(biāo)測量球直徑測量結(jié)果的測量不確定度評定A.1校準(zhǔn)任務(wù)校準(zhǔn)D30mm坐標(biāo)測量球的直徑尺寸。A.2原理、方法和條件A.2.1測量原理接觸式,直接法,絕對測量。A.2.2測量方法在測長機(jī)上測量。測量前應(yīng)將儀器調(diào)整滿足測量需要的狀態(tài)。測量時,首先兩測頭接觸并清零,然后將受校坐標(biāo)測量球放在兩測頭之間,測量得到球的直徑尺寸。A.2.3測量條件—環(huán)境溫度(20±0.5)℃,溫度變化每小時不應(yīng)超過0.5℃/h,環(huán)境相對濕度≤70%;12小時;—測長機(jī)光柵制造材料為光學(xué)玻璃;受校坐標(biāo)測量球?yàn)殇撝频?。A.3測量模型由測量原理和方法,參考式(1),轉(zhuǎn)化得到理論測量模型:(A.1)式中:D—(A.1)式中:D—坐標(biāo)測量球的直徑;A—第二個位置(終點(diǎn))讀數(shù);A0—第一個位置(起點(diǎn))讀數(shù);L—測長機(jī)的移動距離。A.4不確定度傳播率A.5式L=。(D)=c2u2(L)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測長機(jī)示值誤差測長機(jī)存在示值誤差2儀器分辨力測長機(jī)為數(shù)顯式儀器,儀器分辨力為0.01μm測量重復(fù)性 6表A.1(續(xù))序號不確定度來源說明3安裝調(diào)整測量前,應(yīng)在兩個方向調(diào)整測頭平行,調(diào)整不到位會有誤差4溫度實(shí)驗(yàn)室溫度對20℃會有偏離,而光柵尺和坐標(biāo)測量球之間存在線膨脹系數(shù)差5坐標(biāo)測量球?qū)嶋H測量位置偏離定義位置時,坐標(biāo)測量球的形狀會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響,主要影響因素是圓度誤差6接觸形式測頭與球的接觸方式為點(diǎn)接觸,測頭與測頭的接觸方式為小面接觸。而小平面測頭會存在一定的平面度誤差A(yù).6標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定A.6.1由測長機(jī)的示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1受校差計(jì)E:±(0.15μm+0.7×10-6L),符合均勻分布,k=3,A.6.2由儀器分辨力/重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2u1=(0.15μm+0.7×10-6×30×103A.6.2由儀器分辨力/重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2由分區(qū)間半寬度為0.005μm,符合均勻分布,k=3,則u21=0.005μm/3=0.003μm在各種條件均不改變的情況下,在短時間內(nèi),用標(biāo)稱值為30mm的球進(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:mm):30.00010,30.00014,30.00016,30.00017,30.00018,30.00012,30.00019,30.00018,30.00020,30.00015,由貝塞爾公式計(jì)算得到sn(x)=0.032μm,則重復(fù)性引入的不確定度分量為:分辨力引入的不確定度分量u212u22,取結(jié)果較大者,則:A.6.3由安裝調(diào)整不到位引入的3由實(shí)驗(yàn),安裝調(diào)整不到位影響可以控制在e安裝=±0.10μm,符合均勻分布,k= 3,則:A.6.4由溫度引入的標(biāo)準(zhǔn)不3=0.058μm在測量前,坐標(biāo)測量球已經(jīng)放置在儀器上充分定溫(即兩者溫度差忽略不計(jì)),所以此處主要考慮溫度偏離20℃,測長機(jī)與受校球的線膨脹系數(shù)差的影響,在測量過程中,實(shí)驗(yàn)室溫度保持在(20±0.5)℃的范圍內(nèi),已知測長機(jī)的線膨脹系數(shù)為α機(jī)=(8±1)×10-6℃-1,受校球的線膨脹系數(shù)為α球=(11.5±1)×10-6℃-1,則兩者最大的差7當(dāng)L=30mm時,由溫度帶來的極限誤差為:值可能為5.5×10-6℃-1,近似三角分布,當(dāng)L=30mm時,由溫度帶來的極限誤差為:e溫度=L×ΔT×α球-L×ΔT×α機(jī)=L×ΔT×(α球-α機(jī))則由溫度引入的測量不確定度分量為:=(±30×103×0.5×5.5×10-6)則由溫度引入的測量不確定度分量為:A.6.5由坐標(biāo)測量球形狀454μm坐標(biāo)測量球形狀對測量結(jié)果產(chǎn)生影響的主要因素是圓度誤差,高精度坐標(biāo)測量球的般不超過0.13μm,符合均勻分布,k=3,由于直徑測量取6個位置的平A.6.6由接觸形式引入的u66=0.031μm測量坐標(biāo)測量球與兩測頭直接對零時的接觸形式有所不同,經(jīng)實(shí)驗(yàn)其影響可以控制在e接觸=±0.1μm,符合均勻分布,k=3,則接觸形式引入的測量不確定度分量為:u6=0.1μm/3=0.058μmA.7合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度A.7.1主要標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表測量D30mm坐標(biāo)測量球直徑的測量不確定度分量及計(jì)算結(jié)果見表A.2。表A.2主要標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表影響測量不確定度的來源標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量代號ui分布類型影響量對測量結(jié)果影響的變化限/μm包含因子ki標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ui/μm1測長機(jī)u1B均勻±(0.15μm+0.7×10-6L)0.17 30.0992分辨力/重復(fù)性u2A 0.032μm 0.032分辨力u21B均勻0.01μm0.005 30.003重復(fù)性u22A—0.032μm——0.0323安裝調(diào)整u3B均勻±0.1μm0.1 30.0584溫度u4B三角ΔT×L×5.5×10-60.135 60.0345坐標(biāo)測量球形狀u5B均勻0.13μm0.13 30.0316接觸形式u6B均勻±0.1μm0.1 30.058合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc0.144擴(kuò)展不確定度U(k=2)0.29A.7.2合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算由于參與計(jì)算的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量之間沒有值得考慮的相關(guān)性,由式(A.2)JJF1422—20138求得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為: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,則擴(kuò)展不確定度為:U=kuc=2×0.144μm≈0.29μmJJF1422—20139附錄B坐標(biāo)測量球圓度誤差測量結(jié)果的測量不確定度評定B.1校準(zhǔn)任務(wù)校準(zhǔn)D30mm坐標(biāo)測量球的圓度誤差。B.2原理、方法和條件B.2.1測量原理接觸式,直接法,絕對測量。B.2.2測量方法在圓度儀上測量。測量前應(yīng)將儀器調(diào)整滿足測量需要的狀態(tài)。測量時將坐標(biāo)測量球置于圓度儀工作臺中心,在圓度儀上測量并以最小區(qū)域法評定其圓度值。B.2.3測量條件—環(huán)境溫度(20±0.5)℃,溫度變化每小時不應(yīng)超過0.5℃/h,環(huán)境相對濕度≤70%;12h;—圓度儀測頭為電感傳感器;受校坐標(biāo)測量球?yàn)殇撝频?。B.3測量模型由測量原理和方法,參考式(2),轉(zhuǎn)化得到理論測量模型:式中:F=ER(B.1)F—坐標(biāo)測量球圓度誤差;ER—圓度儀讀數(shù)值。B.4不確定度傳播率u(F)=c2u2(Eu(F)=c2u2(ER)B.5測量不確定度來源及說明測量不確定度來源及說明見表B.1。表B.1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)儀器主軸存在徑向跳動和軸向跳動,此處主要表現(xiàn)為徑向跳動對結(jié)果有影響2儀器分辨力儀器分辨力為0.001μm測量重復(fù)性 3溫度實(shí)驗(yàn)室溫度對20℃會有偏離,同時存在溫度波動4安裝誤差被測件與儀器的回轉(zhuǎn)主軸無法完全同軸JJF1422—201310B.6標(biāo)準(zhǔn)不確定度評估B.6.1儀器誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u11級圓度儀的徑向跳動的最大允許值為0.025μm,半?yún)^(qū)間為0.0125μm,符合均勻分布,k=3,則:B.6.2由儀器分辨力/重m由儀器分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:儀器分辨力為0.001μm,區(qū)間半寬度為0.0005μm,符合均勻分布,k=3由儀器分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為:在各種條件均不改變10.的坐標(biāo)測量球進(jìn)行sn(x)=0.0029μm,則重復(fù)性引入的不確定度分量為:分辨力引入的不確定度分量u21入的不確定度分量u22,取結(jié)果較大者,則:B.6.3.0029μm圓度誤差測量屬于一種微觀尺寸的測量,所以環(huán)境溫度對20℃的偏差要求不高,在測量過程中,實(shí)驗(yàn)室溫度保持在(20±0.5)℃的范圍內(nèi),所以溫度對20℃偏離的影響可以忽略不計(jì)。溫度的變化會影響圓度誤差的測量結(jié)果,在測量前,坐標(biāo)測量球已經(jīng)放置在儀器上溫度變化的影響可以忽略不計(jì)。即u3=0。安裝時,需要調(diào)整被測件與儀器的回轉(zhuǎn)主軸同軸,但是無法調(diào)整到完全一致,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:B.7合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4=0.01μm/3=0.0058μmB.7.1主要標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表測量D30mm坐標(biāo)測量球直徑的測量不確定度分量及計(jì)算結(jié)果見表B.2。表B.2主要標(biāo)準(zhǔn)不確定度及計(jì)算結(jié)果匯總表影響測量不確定度的來源標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量代號ui評定類型分布類型影響量/μm對測量結(jié)果影響的變化限/μm包含因子ki標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ui/μm1儀器誤差(主軸跳動)u1B均勻0.0250.0125 30.0072JJF1422—201311表B.2(續(xù))影響測量不確定度的來源標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量代號ui評定類型分布類型影響量/μm對測量結(jié)果影響的變化限/μm包含因子ki標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ui/μm2分辨力/重復(fù)性u2A 0.0029 0.0029分辨力u21B均勻0.0010.0005 30.0003≈0重復(fù)性u22A 0.0029 0.00293溫度u3B均勻00 304安裝誤差u4B均勻±0.0100.010 30.0058合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc0.0097擴(kuò)展不確定度U(k=2)0.020B.7.2合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算式(B.2)求得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為: uc=u+u+u+u(B.2)