1坐標定位測量系統校準規范1范圍本規范適用于數控機床坐標定位測量系統的定位精度和重復定位精度的校準，數顯設備定位精度的校準也可參照本規范。2引用文獻本規范引用下列文獻：JJF1001—1998通用計量術語及定義JJF1094—2002一測量儀器特性評定JJF1130—2602/幾何量測量設備校準中的不確定度評定指兩位精度的確定了ISO/TR230-9:2005Testodefo本公式)repeatabilityotbesitioningoflinearandrotaryaxes(加工中人檢驗條件第4部分：線性和回轉軸線的定位精度和重復定位精度檢驗)GB/T20957442007精密加工中心檢驗雜伴第4部分線性和回轉軸線的定位精度和重復定位精度檢驗GB/T16462.4—2007數控車床和車削中心檢驗條件第4部分：線性和回轉軸線的定位精度及重復定位相度檢驗使用本規范時，應注意使用上本引用改顏的現行有效版本。3術語和定義本規范采用下列術語和定義及JJF1001,GB/T17421.2中的相關術語和定義(其中部分術語和定義摘錄如下):3.1軸線行程axistravel在數字控制下運動部件沿軸線移動的最大直線行程或繞軸線回轉的最大行程。用于采集數據的部分軸線行程。選擇測量行程時應保證可以雙向趨近第一個和最后2一個目標位置(即留有越程量)。運動部件編程要達到的位置。下標i表示沿軸線或繞軸線選擇的目標位置中的特定3.5位置偏差deviationofposition;positionaldeviation,X;表示從正方向趨近所得的參數；符號√表示從負方向趨近所得的參數。如X,個或從兩個方向沿軸線或繞軸線趨近某目標位置的一系列測量所測得的參數。3.8某一位置的單向平均位置偏差meanunidirectionalpositionaldeviationataposi-由n次單向趨近某一位置P;所得的位置偏差的3.9某一位置的雙向平均位置偏差meanbi-directionalpositionaldeviationataposi-從兩個方向趨近某一位置P;所得的單向平均位置偏差X;個和X;↓的算術平均值。3.10某一位置的反向差值reversalval3.11軸線反向差值reversalvalueofanaxis,B3.12軸線平均反向差值meanreversalvalueofanaxis,B3.13軸線單向重復定位精度R個或R↓以及軸線雙向重復定位精度RunidirectionalrepeatabilityofpositioningR↑orRandbi-directionalrepeatabilityofpositioningRof沿軸線或繞軸線的任一位置P,的重復定位精3.14軸線單向定位系統偏差unidirectionalsystematicpositionaldeviationofanaxis,E個或E↓沿軸線或繞軸線的任一位置P;上單向趨近的單向平均位置偏差X,個和X;↓的最大3.15軸線雙向定位系統偏差bi-directionalsystematicpositionaldeviationofan沿軸線或繞軸線的任一位置P;上雙向趨近的單向平均位置偏差X;個和X;√的最大3值與最小值之差。3.16軸線雙向平均位置偏差范圍meanbi-directionaldeviationofanaxis,M沿軸線或繞軸線的任一位置P,的雙向平均位置偏差X,的最大值與最小值之差。3.17軸線單向定位精度unidirectionalaccuracyofpositioningofanaxis,A個或A↓由單向定位系統偏差和單向定位標準偏差的2倍的組合來確定的范圍。3.18軸線雙向定位精度bi-directionalaccuracyofpositioningofanaxis,A由雙向定位系統偏差和雙向定位標準偏差的2倍的組合來確定的范圍。坐標定位測量系統是數控機床的重要組成部分，用于準確給出運動部件坐標位置并實現定位的單元。它通過檢測數控機床運動部件(工作臺、轉臺、滑板等)的坐標位'置，將檢測結果反饋到數控裝置。數控裝置將反饋回來的實際坐標位置與設定值進行比較，然后控制驅動裝置使運動部件按照指令設定值進行定位。坐標定位測量系統按照坐標軸線的運動方式可分為線性軸線(如X軸、Y軸和Z軸等)和回轉軸線(如B軸)定位系統。坐標定位測量系統的計量特性：軸線反向差值B,軸線平均反向差值B,軸線雙向重復定位精度R,軸線單向重復定位精度R個、R↓,軸線雙向定位系統偏差E,軸線單向定位系統偏差E個、E↓,軸線雙向平均位置偏差范圍M,軸線雙向定位精度A,軸線單向定位精度A個、A↓的要求見表1、表2、表3或按照合同規定的要求執行。機床類型高精密型精密型型高精密型精密型型高精密型精密型型高精密型精密型型A56848568R384562462583648B25253737B246246258258E4859672526485M2536485注：L——測量行程。4坐標位移系統類型高精密型精密型普通型BE/M/注：L——測量行程。機床類型高精密型型普通型A7”28”22”Rδ16”2”5”8”B3”B2”8”E5”3”M3”12”6校準條件6.1環境條件校準時應考慮環境溫度的影響，最為理想是使校準設備和被校準系統處于20℃的環境下進行校準。如果偏離20℃,進行肆度修證以狀得修正到20℃的校準結果。在這種情況下，需要測量被校準系統和校準設備的代表性部位的溫度。被校準系統和校準設備應在校準環境中放置足夠長的時間，以確保在校準前達到熱平衡狀態。確保無影響校準結果的氣流、外部輻射(如日光、外部熱源)和振動。校準時，校準地點的溫度、濕度和振動等環境條件，其允許極限由用戶規定；在驗收測量時，由合同規定。6.2校準設備校準設備見表4,也可以使用滿足測量不確定度要求的其他儀器設備。6.3被校準機床5在校準開始之前，機床應運行平穩、正常，幾何精度要符合相關要求。校準應在無負載(即無工件)的條件下進行。7校準項目和校準方法7.1校準項目校準項目見表4。序號校準項目線性軸線校準回轉軸線校準分度臺MPE:+1'(或三等正多面棱體和3級自準直儀)234567897.2校準目標位置的選擇式中：i——現行目標位置的序號；r——隨機尾數，為獲得全測量行程上目標位置的不均勻間隔，以保證周期誤差(例如滾珠絲杠導程以及直線或回轉感應器的節距所導致的誤差)被充分地采樣，r的取值范圍應在P的±30%以內。7.2.2線性軸線每米至少選擇5個目標位置，不足1m的軸線全程上至少要有5個目7.2.3回轉軸線的校準目標位置數由表5給定。平均間隔一般不超過45°,主要位置3586調整激光干涉儀支架使激光頭在目力觀察下基本與被測軸的運動方向一致。連接好計算機和環境單元，環境溫度傳感器盡量靠近激光光束，大致處于被校軸線的中間位置。材料溫度傳感器盡量靠近被校軸線的檢測元件，測量點不少于2點。避免把溫度傳感器安裝在熱源(例如電機、齒輪箱、軸承座或排氣口等)和電子干擾源附近。校準裝移動運動部件到測量起始位置，安裝線性干涉鏡和線性反射鏡，如有可能盡量使其靠近并處在同一個地基基座之上。反復調整激光頭的扭擺角和俯仰角，使激光光軸與被校軸線平行，保證激光信號強度在全行程內滿足數據采集要求。移動運動部件，使干涉鏡與反射鏡距離最小，并將激光器讀數置零。然后移動運動部件到最遠位置，微調激光頭的扭擺角和俯仰角，使激光干涉儀讀數的絕對值最大。以上操作反復進行至最佳用激光干涉儀和配套分度臺校準回轉軸線。首先，將分度臺安裝在回轉軸線的中心位置上，通過打表法，調整分度臺與回轉軸的回轉中心一致，使其徑向圓跳動值不大于0.02mm。然后將角度反射鏡安裝在分度臺上，并使角度反射鏡面與激光光束垂直。最用正多面棱體和自準直儀校準回轉軸線。首先將正多面棱體安裝在回轉軸線的中心位置上，通過打表法，調整正多面棱體與回轉軸回轉中心一致，使其徑向圓跳動值不大7.3.3參數的設置編制數控機床運行程序，運行程序中應包括機床的進給速度，按照7.2條設置目標設置激光干涉儀參數，溫度膨脹系數與用于軸線定位的檢測元件材料溫度膨脹系數一致(可以向供方或制造廠索取)。設置的目標點和定位方式要與數控機床運行程序一致。越程量的設置不應大于數控機床運行程序所設的越程量，采樣時間的長短要保證采對于行程不大于2000mm的線性軸線和行程至360°的回轉軸線在所有目標位置上按標準循環方式(見附錄C.1)連續測量。對每個目標位置P;在每一方向上作5次趨近，由校準裝置測得實際到達位置P。,并計算出X?。特殊情況(如重型機床)也可按照階梯循環方式(見附錄C.2)進行測量。對于行程大于2000mm的數控坐標線性軸對每個目標位置P;在正反兩個方向上各做1次趨近，由激光干涉儀測得實際到達位置P,并計算出Xy。在全長范圍還應進行2000mm正常工作范圍內的校準，按行程不大于2000mm的線性軸線規定進行校準。7X;=P?-P?某一位置的單向平均位置偏差：某一位置的雙向平均位置偏差：某一位置的反向差值：在某一位置的單向定位標準偏差：某一位置的單向重復定位精度：某一位置的雙向重復定位精度：7.3.5.2計量特性參數按下列公式進行計算：軸線反向差值：軸線平均反向差值：軸線單向重復定位精度：軸線雙向重復定位精度：軸線單向定位系統偏差：軸線雙向定位系統偏差：8A個=max[X;↑+2s;1]-min[X,^-2s;^]A↓=max[X;√+2s;√]-min[X,√校準后的坐標定位測量系統，應填發校準證書。校準證書應包含以下帶(*)的參數及其測量不確定度等內容。結果表示的優先方法是采用圖解法。(參見附錄E、F)8.1軸線行程不大于2000mm的線性軸線和行程不大于360°的回轉軸線——軸線雙向定位精度*:A;——軸線單向定位精度：A個和A↓;——軸線雙向平均位置偏差范圍":M;——軸線單向重復定位精度":R個和R↓;——軸線反向差值*:B;8.2軸線行程大于2000mm的線性軸線——軸線雙向平均位置偏差范圍*:M;—軸線反向差值*:B;復校時間間隔由用戶根據使用情況自行確定，建議不超過1年。9坐標定位測量系統線性軸線測量結果不確定度評定A.1概述本方法適用于用激光干涉儀對線性軸線的坐標定位精度進行測量的不確定度分析，測量長度L≤2m。評定依據JJF1130—2005、ISO230-2:2006和ISO/TR230-9:2005,擴展不確定度U的包含因子表A.1.1測量方法：在每一數控鉬線的土作行程內為的選取若于個測量點，以標準循環或階梯循環的方式，正負方向客循環5次，記錄實際位骨與目標位置之差。A.2測量不確定度的影響因素影響測量不確定度的因素有：測量裝置，余弦誤差、溫度社償，環境變化偏差。A.2.1測量裝管入的標準不確定度up如果已知做光午涉儀線性測量系統的標準不確定度為u?(或),測量裝置引入的標準不確定度%如式(A.1)或式(A.2)所京：假設服從矩形分布，測量器蜜引入的標準不確定度u,如式(A.3)或式，A)所示：A.2.2余弦誤差引入的標準不確定度uws在測量過程中，激光干涉儀的光軸應與被測線性軸線平行，否則就會引入余弦誤差，設光軸與被測軸的不平行度為δ,則其引入的余弦誤差△Lms為：余弦誤差假設服從矩形分布，可得到由余弦誤差引入的標準不確定度uws為：將式(A.5)代入式(A.6)中，得：如果測量過程中的溫度偏離20℃,線性軸線和測量裝置的熱脹冷縮效應對數控機A.2.3.1測量過程中溫度測量引入的不確定度對溫度測量影響最大的是溫度測量點的選擇，測量點應能代在實際應用中，這些影響可看作包含在一個溫度測量誤差帶R(θ)中。R(@)包含了機床實際溫度與溫度測量點間的溫差、傳感器測量溫度的不確定確定度分為兩項，一項是測量機床溫度(機床實際溫度與溫度測量點間的溫差)引入的標準不確定度uMM;一項是測溫裝置引入的標準不確定度uxn,因為激光干涉儀的測量不確定度up已經包含了該不確定度，故umm=0。溫度測量誤差帶可看作矩形分布，則A.2.3.2膨脹系數引入的標準不確定度在測量過程中，被測軸線和測量裝置的膨脹系數一般采用手值可能與這一數值有偏差，稱為膨脹系數偏差，區間為,假設服測量裝置的膨脹系數偏差引入的標準不確定度為uEp,因激光干涉儀的測量標準不A.2.4環境變化偏差引入在測量過程中，機床和測量裝置會隨環境的變化發生漂移，據。環境變化偏差可以通過漂移測試獲得，設為Ev,其變化范圍為度估計以下因素被認為對測量結果的不確定度有貢獻；①測量裝置；②余弦誤差；③對機床和測量裝置的溫度測量；④機床和測量裝置的膨脹系數偏差；⑤環境變化偏差，A.3.1單向重復定位精度的不確定度估計U(R個，R↓)從單向測量重復定位精度的定義可知，影響它的唯一因素是在同一目標點的不同測量值，因此單向測量重復定位精度R個，R↓的不確定度與測量裝置、余弦誤差和機床溫度的補償誤差都沒有關系，對其有影響的因素只有環境變化偏差Evr引入的標準不確定度ueve,在5個測回中ugve可看作互不相關，由單向測量重復定位精度的計算公式可以得到單向重復定位精度的標準不確定度u(R個，R√)為：式中：n——測回數，這里n=5。將n=5代入式(A.11)中得：U(R^,R√)=4uEVA.3.2反向差值的不確定度U(B)由反向差值的定義可知，對反向差值起作用的因素是在同一測量點之間正行程和反行程的差異。反向差值的不確定度與測量裝置、余弦誤差、機床溫度的補償誤差都沒有將n=5代入式(A.14)得：因U(B)=2·u(B),因U(B)=2·u(B),A.3.3雙向重復定位精度的不確定度U(R)由雙向重復定位精度的定義可知，其不確定度來源于5個測回單向重復定位精度的標準不確定度和反向差值的標準不確定度，這二者間不相關。由雙向重復定位精度計算公式可得其標準不確定度為：將式(A.11)、(A.14)代入式(A.17)中，得將n=5代入式(A.18)中，得因U(R)=2·u(R)、可將到其不確定度為：A.3.4系統偏差利平高位置偏差的不確定度U(M,E,E↑,E↓)系統偏差取決個測回中各點的平均值，因此測量裝置的精度余弦誤差、溫度補償和環境變化健總是其主要的不確定度來源。前二者在5個測回中木至。所以是相關的，只有環境變化堿差Ev引入的標準不確定度ugvE是不相關的。由合成介確定度的相關計算公式可得素統偏差的不確定度為平均位置偏差的標準測量不確定度為：因為激光干涉儀測填系統中uxm和p已經包含在了up中，所以環=uEp=0,測因U(E,E↑,E√)=2u(E,E不ME,可得到系統偏差的不確定平均位置偏差的測量不確定度為：(A.25)A.3.5定位精度的不確定度U(A,A個，A↓)從定位精度的定義可見，其影響因素是系統偏差和單向重復定位精度，故可得定位可得到定位精度的測量不確定度為：④膨脹系題褊差R(a)為2.0×10-℃=②工作環境溫度為20℃±1;統計量性能要求的目標不確定度心的要求，。見表會不確定度分不確定度U測量長度m余弦誤差不確定度U余弦誤差測量長度m測量長度m℃溫度測量誤差帶R(⊙)℃膨脹系數的不確定度單向重復定位精度的不確定度U(R↑,R↓)反向差值的不確定度U(B)雙向重復定位精度的不確定度U(R)系統偏差的不確定度U(E,E個，E↓)平均位置偏差的不確定度U(M)定位精度的不確定度U(A)不確定度分量不確定度U測量長度m余弦誤差余弦誤差測量長度m余弦誤差引入的標準不確定度uws測量長度m℃溫度測量誤差帶R(⊙)℃環境變化偏差環境變化偏差Eve環境變化偏差Ev引入的標準不確定uEve單向重復定位精度的不確定度U(R個，R↓)反向差值的不確定度U(B)雙向重復定位精度的不確定度U(R)系統偏差的不確定度U(E,E^,E↓)平均位置偏差的不確定度U(M)定位精度的不確定度U(A)5[05[0BREMA87目標不確定度Ur注：高精密型機床計量特性要求參照JB/T10793.1～2—2007《高精度加工中心精坐標定位測量系統回轉軸線測量結果不確定度評定本方法適用于用激光干涉儀及其配套回轉工作臺對數控回轉軸線的定位精度進行測量的不確定度分析，測量范圍0°~360°。評定依據JJF1130—2005、ISO230-2:2006和ISO/TR230-9:2005,擴展不確定度U的包含因子k=2。B.1.1測量方法：在回轉軸線行程內均勻選取若干個測量點，以循環方式，正負方向各循環5次，記錄實際位置與目標位置之差。B.1.2被測對象：數控機床的回轉軸線。B.2測量不確定度的影響因素影響測量不確定度的因素有：測量裝置、環境偏差。B.2.1測量裝置引入的不確定度up測量裝置包括激光干涉儀、回轉工作臺、角度反射鏡、干涉鏡。能夠對測量裝置的不確定度起作用的因素有：激光干涉儀的示值誤差、回轉工作臺的分度誤差、角度反射鏡常數誤差、轉臺和鏡組安置偏差、激光光路調整偏差、回轉工作臺與被校回轉軸的偏心誤差、平行度誤差等。這些因素對測量裝置的不確定度都有貢獻，它們共同作用得到測量裝置的標準不確定度up,如式(B.1)、(B.2)所示：式中：uo——測量裝置引入的標準不確定度。,,區間為形分布，測量裝置引人的標準不確定度up如式(B.2)所示：假設服從矩式中：Rp——測量裝置的最大允許誤差。B.2.2測量環境引入的不確定度uEve由激光干涉儀回轉軸測量的原理可知，溫度及局部溫度變化對測量結果沒有影響，測量過程中，測量環境中的振動等因素會影響系統的輸出數據。測量環境引入的偏差可以通過漂移測試獲得，區間為,其引入的標準不確定度uEvE為：B.3測量結果各參數(A,A度估計的不確定以下因素被認為對測量結果的不確定度有貢獻：①測量裝置；②環境偏差。B.3.1單向重復定位精度的不確定度估計從單向測量重復定位精度的定義可知，影響它的唯一因素是在同一目標點的不同測量值，因此單向測量重復定位精度R個，R√的不確定度與測量裝置沒有關系，對其有影響的因素只有環境變化偏差Ev引入的標準不確定uEvR,在5個測回中ugvE可看作互不相關，由單向測量重復定位精度的計算公式可以得到單向重復定位精度的標準不確定式中：n——測回數，這里n=5。將n=5代入式(B.4)中得：u(R*,R↓)=2ugvE因U(R個，R↓)=2u(R↑,R√)可得到單向重復定位精度的不確定度為：U(R*,R√)=4UEVEB.3.2反向差值的不確定度U(B)由反向差值的定義可知，對反向差值起作用的因素是在同一測量點之間正行程和反行程的差異。反向差值的不確定度與測量裝置沒有關系，與之有關的只有環境偏差引入的不確定度uEVE。在5個測回ugvR可看作互不相關。反向差值的標準不確定度為：可得到反向差值的不確定度為：B.3.3雙向重復定位精度的不確定度U(R)雙向重復定位精度的定義可知，其不確定度來源于5個測回單向重復定位精度的標準不確定度和反向差值的標準不確定度，這二者間不相關。可得其標準不確定度為：u(R)=√u2(B)+u3(R1,R√)(B.10)B.3.4系統偏差和平均位置偏差的不確定度U(M,E,E↑,E↓)系統偏差取決于5個測回中各點的平均值，因此測量裝置的絕對精度和環境偏差是其主要的不確定度來源，前者在5個測回中不變，所以是相關的，環境偏差uEve是不相關的。系統偏差的不確定度為：平均位置偏差的標準測量不確定度為：因U(E,E↑,E↓)=2u(E,E↑,E↓),U(M)=2u(M),可得到系統偏差的不確定度為：平均位置偏差的測量不確定度為：B.3.5定位精度的不確定度U(A,A↑,A↓)從定位精度的定義可見，其影響因素是系統偏差和單向重復定位精度，故可得定位精度的標準不確定度為：因U(A,A個，A↓)=2u(A,A↑,A↓),可得到定位精度的測量不確定度為：U(A,A^,A√)=2√u2(E)+u2(R+,R√)(B.21)B.4測量不確定度評定實例坐標定位測量系統回轉軸線測量結果不確定度評定實例如表B.1所示。不確定度UP##環境變化偏差Ev引入的標準不確定ugvi#單向重復定位精度的不確定度U(R↑,R↓)反向差值的不確定度U(B)N雙向重復定位精度的不確定度U(R)系統偏差的不確定度U(E,E^,E↓)平均位置偏差的不確定度U(M)#定位精度的不確定度U(A)#B.5結論經測量不確定度評定，改進工業條件下得到的擴展不確定度U滿足精密型坐標位移系統計量性能要求的目標不確定度Ur的要求，U≤Ur。見表B.2。BREMA5686目標不確定度Ur122324附錄C校準循環方式2