范海艇 沈 琪/上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

0 引言

電子式萬能試驗(yàn)機(jī)是機(jī)械加力的用計(jì)算機(jī)控制及測(cè)量的試驗(yàn)機(jī)，主要用于金屬和非金屬材料進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲和剪切等力學(xué)性能試驗(yàn)。由于設(shè)計(jì)、加工、安裝、使用等多方面因素的影響，電子式萬能試驗(yàn)機(jī)橫梁在移動(dòng)時(shí)不可避免地存在誤差，從而影響到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)JJG475-2008《電子式萬能試驗(yàn)機(jī)》規(guī)定，對(duì)首次檢定的電子式萬能試驗(yàn)機(jī)應(yīng)包括橫梁位移誤差的檢定。

目前大多數(shù)電子式萬能試驗(yàn)機(jī)橫梁的位置信息通過滾珠絲杠與光電編碼器獲得，分辨力可以達(dá)到0.001mm。而JJG475-2008采用的標(biāo)準(zhǔn)器具為一級(jí)千分表（或百分表）以及量程為1000mm、誤差為±0.2mm的鋼直尺等通用簡(jiǎn)易測(cè)量?jī)x器。實(shí)際檢定中，該檢定方法的測(cè)量不確定度較大，與客戶期望相去較遠(yuǎn)，也與現(xiàn)代計(jì)量檢測(cè)的要求不相符合。本文采用便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子式萬能試驗(yàn)機(jī)橫梁位移檢定的新方法，操作便捷、數(shù)據(jù)可靠。

1 便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂的工作原理

便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂是基于坐標(biāo)測(cè)量原理的通用化數(shù)字測(cè)量設(shè)備。其結(jié)構(gòu)是受工業(yè)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的啟發(fā)，仿照人的關(guān)節(jié)制作而成（圖1）。采用全轉(zhuǎn)動(dòng)副的機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用角度傳感器對(duì)“關(guān)節(jié)”的轉(zhuǎn)角信息加以測(cè)量，再經(jīng)過齊次坐標(biāo)變換后就可獲得測(cè)頭中心相對(duì)于儀器參考坐標(biāo)系的空間方位信息，從而實(shí)現(xiàn)三維空間點(diǎn)位坐標(biāo)的測(cè)量。

便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、量程范圍大、測(cè)量快捷、搬運(yùn)靈活等特點(diǎn)。其應(yīng)用可以解決電子式萬能試驗(yàn)機(jī)橫梁位移檢定過程中，使用千分表（或百分表）量程不足、使用鋼直尺準(zhǔn)確度不夠、使用光柵尺固定復(fù)雜等諸多問題，滿足了電子式萬能試驗(yàn)機(jī)需要現(xiàn)場(chǎng)檢定的特殊要求。

圖1 便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂工作原理圖

2 檢定方法及測(cè)量不確定度分析

2.1 檢定方法

JJG475-2008規(guī)定，電子式萬能試驗(yàn)機(jī)橫梁位移誤差的檢定點(diǎn)為在移動(dòng)橫梁的工作范圍內(nèi)任意位置選擇最大位移的1%和50%兩個(gè)測(cè)量范圍。移動(dòng)橫梁位移示值相對(duì)誤差不應(yīng)超過±0.5%。

使用測(cè)量范圍為1200mm，最大允許度誤差為(5+8L/1000) μm的便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂檢定某公司的AGS-X 10 kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)。該電子萬能試驗(yàn)機(jī)橫梁移動(dòng)范圍為1000mm，根據(jù)JJG475-2008，取10mm和500mm兩個(gè)檢定點(diǎn)。檢定時(shí)，使用便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂在電子式萬能試驗(yàn)機(jī)的橫梁基準(zhǔn)面上取若干測(cè)量點(diǎn)并生成一個(gè)平面，移動(dòng)橫梁后，再次使用便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂測(cè)量并生成第二個(gè)平面。兩次生成的平面之間的距離值作為標(biāo)準(zhǔn)值，與電子式萬能試驗(yàn)機(jī)橫梁移動(dòng)的相對(duì)示值比較，即可得到橫梁位移示值的相對(duì)誤差。

2.2 測(cè)量不確定度

2.2.1 便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂示值誤差引入的不確定度分量

所使用便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂的示值誤差為(5+8L/1000) μm，區(qū)間半寬 a =λ/2，其示值誤差引入的不確定度按矩形均勻分布，則

測(cè)量點(diǎn)為10mm時(shí)，引入不確定度分量為

測(cè)量點(diǎn)為500mm，引入不確定度分量為

2.2.2 便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂分辨力引入的不確定度分量

所使用便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂的分辨力為0.1 μm，對(duì)于數(shù)字顯示式測(cè)量?jī)x器，分辨力引入的不確定度分量為

該分量數(shù)值較小，可忽略不計(jì)。

2.2.3 溫度影響帶來的不確定度分量

所使用便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂與電子式萬能試驗(yàn)機(jī)溫度應(yīng)盡量達(dá)到平衡后進(jìn)行測(cè)量，取便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂與電子式萬能試驗(yàn)機(jī)的溫度差在±1℃左右，溫度變化服從U形分布，換算系數(shù)b = 0.7。溫度的變化對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響量由線膨脹方程給出：

式中：ΔL—便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂與電子式萬能試驗(yàn)機(jī)的溫度差，取 ΔL = 1℃；

α—電子式萬能試驗(yàn)機(jī)絲杠材料的線膨脹系數(shù)，取 α =10×10-6/℃；

L—電子式萬能試驗(yàn)機(jī)橫梁位移長(zhǎng)度，即測(cè)量長(zhǎng)度。

則溫度影響帶來的不確定度分量為

2.2.4 電子式萬能試驗(yàn)機(jī)分辨力引入的不確定度分量

本電子式萬能試驗(yàn)機(jī)在10mm處示值分辨力為0.001mm，在500mm處示值分辨力為0.01mm，則電子式萬能試驗(yàn)機(jī)分辨力引入的不確定度分量為

2.2.5 便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂重復(fù)性帶來的不確定度分量

分別對(duì)10mm和500mm的檢定點(diǎn)測(cè)量10次，測(cè)試結(jié)果如表1。

計(jì)算得標(biāo)準(zhǔn)偏差：u5(10)= 1.7 μm，u5(500)= 1.4 μm。

表 1 重復(fù)性帶來的不確定度分量

2.2.6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

上述各不確定度分量之間無相關(guān)性，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

2.2.7 擴(kuò)展不確定度

評(píng)定結(jié)果如表2。

表 2 合成標(biāo)準(zhǔn)、擴(kuò)展不確定度評(píng)定結(jié)果

3 結(jié)語

本文提出將便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂應(yīng)用于電子式萬能試驗(yàn)機(jī)橫梁位移誤差檢定的方法，解決了常規(guī)檢定方法中標(biāo)準(zhǔn)器具量程不足、測(cè)量準(zhǔn)確度較低、以及標(biāo)準(zhǔn)器具固定困難、測(cè)試手段復(fù)雜等諸多問題。使用便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂在某公司的AGS-X 10 kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)上驗(yàn)證，證明檢定方法可行，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，滿足檢定要求。

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