JJF1258—2021步距规校准规范-(高清原版）.pdf

中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 2 5 82 0 2 1步距规校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rS t e pG a u g e s 2 0 2 1-1 2-2 8发布2 0 2 2-0 6-2 8实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局 发 布市场监管总局市场监管总局步距规校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rS t e pG a u ge sJ J F1 2 5 82 0 2 1代替J J F1 2 5 82 0 1 0 归 口 单 位:全国几何量长度计量技术委员会 起 草 单 位:中国计量科学研究院中国航发西安航空发动机有限公司 本规范委托全国几何量长度计量技术委员会负责解释J J F1 2 5 82 0 2 1市场监管总局市场监管总局本规范起草人:王为农(中国计量科学研究院)位恒政(中国计量科学研究院)张 丽(中国航发西安航空发动机有限公司)J J F1 2 5 82 0 2 1市场监管总局市场监管总局目 录引言()1 范围(1)2 引用文件(1)3 术语(1)4 概述(1)5 计量特性(3)5.1 对零点要素的间距(3)5.2 平行度(3)6 校准条件(3)6.1 环境条件(3)6.2 测量标准及其他设备(3)7 校准项目和校准方法(3)7.1 准备工作(3)7.2 对零点要素的间距(4)7.3 平行度(5)8 校准结果的表达(5)9 复校周期(6)附录A 校准证书校准结果页格式(7)附录B 测量不确定度评定示例(8)J J F1 2 5 82 0 2 1市场监管总局市场监管总局引 言J J F1 0 0 1 通 用 计 量 术 语 及 定 义、J J F1 0 5 9.1 测 量 不 确 定 度 评 定 与 表 示、J J F1 0 7 1 国家计量校准规范编写规则共同构成支撑本校准规范制定工作的基础性系列文件。本规范是对J J F1 2 5 82 0 1 0 步距规校准规范的修订。除了编辑性修改以外,主要技术性变化如下:定义了特征要素、间距,将零平面改为零点要素,以适应技术发展的要求,将球、圆锥作为特征要素的新型步距规纳入本规范的范畴;引入定向要素的概念,以统一步距规测量线规定的方法;删除了典型步距规示意图中立式步距规的图片,在示意图中标注了相关术语;明示间距为标准参考温度2 0条件下的值。本规范的历次版本发布情况:J J F1 2 5 82 0 1 0。J J F1 2 5 82 0 2 1市场监管总局市场监管总局步距规校准规范1 范围本规范适用于特征要素为平面、球面和圆锥面的步距规的校准。其他设计形式的步距规可参照本规范执行。2 引用文件本规范引用了下列文件:J J F1 0 7 1 国家计量校准规范编写规则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 术语3.1 特征点 s p e c i f i e dp o i n t s由特征要素 3.2决定的特定点。注:1 特征要素为平面时,其特征点是平面与测量线 3.6的交点。2 特征要素为球面时,其特征点是球心。3 特征要素为圆锥面时,其特征点是在圆锥中自动定心的球测头球心。3.2 特征要素 s p e c i f i e de l e m e n t s复现间距的要素。特征要素的特征点 3.1决定了步距规的间距值。3.3 零点要素 z e r oe l e m e n t步距规上标称间距起点的特征要素,通常被标记为“0”。测量线通过零点要素的特征点。3.4 定向要素 o r i e n t a t i o ne l e m e n t s步距规上用于确定测量线方向的特征要素或辅助要素。3.5 间距 d i s t a n c eb e t w e e ne l e m e n t s步距规特征要素特征点之间的距离。3.6 测量线 m e a s u r i n g l i n e步距规复现间距的参考线。注:测量线通过零点要素的特征点。所有间距沿测量线测量。4 概述步距规是通过直线排列的一组特征要素实现多尺寸复现的实物标准器,由基体、定向要素和特征要素构成。基体采用刚性材料,通过一定的结构设计便于步距规的安放和固定。基体是定向要素和特征要素的载体,如图1所示。1J J F1 2 5 82 0 2 1市场监管总局市场监管总局图1所示步距规是一种典型的平面特征要素的步距规。其基体的上表面和侧面作为定向要素,确定了步距规测量线的方向,并通过规定测量线与定向要素之间的距离,确定了测量线的位置。测量线与第一个平面特征要素的交点是零点要素的特征点,测量线与其他测量平面的交点构成特征点组。这些特征点到零点要素的特征点之间的间距构成了一组多示值的标准数据。图2和图3所示是圆锥特征要素步距规和球特征要素步距规的示意图,它们以指定位置的特征点确定测量线,其中一个特征点所在要素为零点要素。步距规一般用于三维坐标测量设备的校准或机床运动误差的测试和误差分离。图1 典型平面特征要素步距规及其要素示意图图2 圆锥特征要素步距规及其要素示意图2J J F1 2 5 82 0 2 1市场监管总局市场监管总局图3 球特征要素步距规及其要素示意图5 计量特性5.1 对零点要素的间距各特征点到零点要素之间在标准参考温度2 0条件下的间距。5.2 平行度步距规上各特征要素和零点要素为平面,且特征要素尺寸大于8mm8mm时,特征要素对零点要素的平行度。6 校准条件6.1 环境条件应控制校准环境的温度及其变化速率。温度、气压和湿度等均可能对校准结果产生影响,需要根据目标不确定度自行规定允许范围。当测量环境温度偏离2 0时,需进行热膨胀修正,使证书上列出的校准结果为标准参考温度下的示值。6.2 测量标准及其他设备采用步距规校准装置。步距规校准装置是具有三维探测、定向和沿测量线方向进行间距测量功能的装置。没有特定型式,但其共同的特点是具有三维测量能力,可以使测头到达步距规每个特征要素上的规定位置,在测量线方向提供稳定、准确的示值。步距规校准装置应具备热膨胀修正功能,在输入被校步距规的热膨胀系数后,输出的测得值是标准参考温度2 0下的值,其测量不确定度应能够满足目标不确定度。示例:坐标测量机作为步距规校准装置的一种,具有步距规的校准装置所要求的功能。7 校准项目和校准方法7.1 准备工作3J J F1 2 5 82 0 2 1市场监管总局市场监管总局对步距规的各个定向要素和特征要素进行清洁和外观检查。特征要素和定向要素表面不应有锈痕、碰伤、划伤等影响准确度的缺陷。校准前,应将步距规与校准装置放在一起等温,一般不少于3h。必要时应当测量步距规和校准装置的温度。在校准装置上安装步距规。安装应避免步距规的变形和测量过程中的位移。完成安装调整后应等温3 0m i n以上。7.2 对零点要素的间距7.2.1 一般性过程(1)根据步距规的结构,可以采用下列方法确定步距规的测量线:a)根据步距规的说明书,确定测量线的方向和位置(见图1)。b)根据客户的说明,确定测量线的方向和位置。c)根据与客户达成的共识,确定测量线的方向和位置。(2)当测量线确定并命名为X轴后,零点要素的特征点坐标x为0,则各特征点的坐标x为其到零点要素的间距。对于具有m个特征要素的步距规,应沿测量线对每个特征要素进行n次测量,n为偶数,n4。每次测量序列相反,即第1次测量时,测量序列为x1 0,x1 1,x1 2,x1(m-1);第2次测量时,测量序列为x2(m-1),x2 2,x2 1,x2 0。具体测量方法根据特征要素的形式见7.2.2,7.2.3或7.2.4。(3)进行热膨胀修正后,每个特征要素的n个测得值的平均值作为校准值。即:xj=1nni=1xi j(1)式中:xi j 第j个特征点的第i次测得值,mm;i 测量次的序号;i=1,n;j 特征点的序号;j=0,k-1。7.2.2 平面特征要素的步距规每个特征点到零点要素的间距均需测量。根据客户需求,可以仅校准部分特征要素,例如仅对平面零点要素和与零点要素法线方向相反的平面特征要素之间的间距进行校准,如图4所示的L1,L2,Lk-1等。图4 对等平面的间距4J J F1 2 5 82 0 2 1市场监管总局市场监管总局7.2.3 球特征要素的步距规球特征要素构成的步距规,每个要素上应至少测量1 3点,即测量线与球相交点,各交点周边相距2mm均匀分布的4个点,与测量线垂直的球面3个顶点,如图5所示,计算球心坐标,并给出形状误差。图5 特征要素为球的步距规测量点分布7.2.4 特征要素为圆锥的步距规圆锥形特征要素的步距规,每个要素测量1点,即采集测针的球在圆锥中自定心状态下的球心坐标。7.3 平行度按图6所示,在特征要素上对偏离测量线的4个点进行测量,相对于零点要素间距变化量的最大值作为该特征要素的平行度。单位为毫米图6 平行度测量点位置8 校准结果的表达经过校准的步距规出具的校准证书,应符合J J F1 0 7 1中对校准证书的通用要求外,校准证书校准结果页还应给出下列信息:测量线的确定方法:说明定向要素,必要时说明测量线到定向要素的间距,应附步距规的示意图;平面特征要素构成的步距规,给出各特征要素对零点要素的间距的测得值及其测量不确定度;必要时给出平行度;球形特征要素构成的步距规,应给出各特征要素对零点要素的间距(或球心坐标)测得值及其测量不确定度;给出特征要素的形状误差;圆锥特征要素构成的步距规,应给出各特征要素对零点要素的间距测得值及其5J J F1 2 5 82 0 2 1市场监管总局市场监管总局不确定度,并注明校准时测针的直径;给出热膨胀修正时使用的热膨胀系数。其格式示例见附录A。测量不确定度评定示例见附录B。9 复校周期步距规应定期进行再校准。由于复校周期的长短影响测量数据的质量风险,送校单位应根据仪器的使用情况、仪器本身质量等诸因素,自主决定复校时间间隔。在使用中出现碰撞或运输中出现包装箱破损现象后,应立即进行再校准。6J J F1 2 5 82 0 2 1市场监管总局市场监管总局附录A校准证书校准结果页格式 根据本规范第8章的要求,校准证书校准结果页格式示例见图A.1。校准结果各测量面对零平面的间距测得值及其测量不确定度见下表:单位:mm标称值测得值标称值测得值标称值测得值2 01 9.9 9 821 2 01 2 0.0 0 112 2 02 2 0.0 0 214 03 9.9 9 731 4 01 3 9.9 9 922 4 02 4 0.0 0 316 06 0.0 0 121 6 01 5 9.9 9 832 6 02 5 9.9 9 958 08 0.0 0 341 8 01 7 9.9 9 78 1 0 01 0 0.0 0 232 0 01 9 9.9 9 34 测量不确定度:U=0.4m+1.01 0-6L,k=2。注1:测量线的确定方法:采用上表面和侧面作为定向要素,确定测量线方向;测量线到定向要素的距离如图。注2:热膨胀系数为(1 1.51)1 0-6-1。图A.1 校准证书校准结果页格式示例7J J F1 2 5 82 0 2 1市场监管总局市场监管总局附录B测量不确定度评定示例B.1 声明本示例利用比较法校准步距规,希望利用标准步距规作为参考标准,减少坐标测量机绝对误差的影响。本示例做了部分假设,不保证示例采用数据符合实际情况。并由于可能的疏漏,校准结果的不确定度可能被评估得过大或过小。按照实际情况准确评估测量不确定度,并通过试验验证证实实验室校准能力,是采用本校准规范实验室的责任。B.2 被校仪器特征要素为平面的步距规,长度L最大标称值为6 1 0mm,间距为1 0mm。根据出厂证书所示,步距规热膨胀系数为(1 1.51)1 0-6-1。目标不确定度为UT=0.4m+11 0-6L,k=2。B.3 校准条件B.3.1 环境条件实验室环境温度(2 00.5)。B.3.2 设备条件(1)标准步距规,长度L最大标称值为6 2 0 mm,间隔2 0 mm。热膨胀系数为(1 1.51)1 0-6-1。参考值的测量不确定度:U=0.2m+0.51 0-6L,k=2。(2)坐标测量机,具有热膨胀补偿功能。经校准,采用热膨胀补偿后,沿X轴方向的示值误差优于:MP EE1=(0.3m+1.2 51 0-6L)B.4 校准方法B.4.1 步距规的安装安装标准步距规调整其位置,使测量线平行于X轴。记录零点要素的位置。安装被校步距规时,调整其零点要素与标准步距规零点要素位置重合,调整其测量线平行于X轴。B.4.2 测量过程按照B.4.1安装标准步距规,按照7.2的规定测量标准步距规一个往返(n=2)。记录测量数据 xR 1j,xR 2j。其中j为标准步距规特征点的序号,j=0,1,3 1。移开标准步距规后,按照B.4.1安装被校步距规。按照7.2的规定测量被校步距规2个往返(n=4)。记录测量数据 xC 1k,xC 2k,xC 3k,xC 4k。其中k为被校步距规特征点的序号,k=0,1,6 1。移开被校步距规后,按照B.4.1安装标准步距规。按照7.2的规定测量标准步距规一个往返(n=2),记录测量数据 xR 3j,xR 4j。B.4.3 数据处理第k个特征点坐标x的测得值为:8J J F1 2 5 82 0 2 1市场监管总局市场监管总局xCk=144i=1xCi k-(144i=1xRi j-xRj)其中:xRj标准步距规第j个特征要素的参考值。标准步距规第j个特征要素是最靠近被校步距规特征要素坐标xCk的同向特征要素。B.4.4 不确定度评定B.4.4.1 测量模型xCk=144i=1xCi k-(144i=1xRi j-xRj)B.4.4.2 标准步距规引入的不确定度分量标准步距规校准结果的不确定度为:U=0.2m+0.51 0-6L,k=2u1=0.1m+0.2 51 0-6LB.4.4.3 标准步距规与被校步距规的长度差引入的不确定度分量标准步距规与被校步距规的长度差引入的不确定度取决于坐标测量机引入的不确定度。由于测量重复性的影响、现场环境条件未超过坐标测量机校准时允许的环境条件,热膨胀修正(不包括步距规热膨胀系数的误差)和重复性引入的误差已经包含到校准时的示值误差内。因此,以坐标测量机最大允许误差的绝对值作为坐标测量机引入的,置信概率为9 5%的测量不确定度。u2=(0.3m+1.2 51 0-6L)/2=0.1 5m+0.6 31 0-6L 由于采用比较法,被校步距规安装时,零点要素位置与标准步距规零点要素位置对齐。距离最近的同向平面之间,标称值的差为0mm,1 0mm或2 0mm,见图B.1。单位为毫米图B.1 步距规比较测量原理示意图 坐标测量机测量长度相对参考面距离L不超过2 0mm,0.6 31 0-6L引入的不确定度分量可以忽略。因此:u2=0.1 5mB.4.4.4 被校步距规热膨胀系数引入的不确定度分量u3=(T-2 0)L uC uC是 被 校 步 距 规 热 膨 胀 系 数 的 不 确 定 度,根 据 已 知 条 件,其 服 从 极 限 值 为11 0-6-1的均匀分布。J J F1 2 5 82 0 2 1市场监管总局市场监管总局J J F1 2 5 82 0 2 1u3=0.31 0-6LB.4.4.5 标准步距规热膨胀系数引入的不确定度分量标准步距规热膨胀系数引入的不确定度分量与被校步距规热膨胀系数引入的不确定度分量一致。u4=0.31 0-6LB.5 合成标准不确定度根据测量模型,得到测量不确定度分量,见表B.1。由于各测量不确定度分量之间不相关,合成标准不确定度:uc=0.1 82+(0.51 0-6L)2B.6 扩展不确定度U=0.4m+11 0-6L,k=2 达到目标不确定度要求。表B.1 不确定度来源及不确定度分量汇总表不确定度来源符号量值分布灵敏系数标准不确定度分量与长度无关/m与长度相关1 0-6L标准步距规的校准值u1U=0.2m+0.51 0-6L正态10.10.2 5步距规长度差u22 0mm正态10.1 5 热膨胀系数u311 0-6-1均匀Lm siTsi 0.3u411 0-6-1均匀LmwiTwi 0.3合成标准不确定度uc 0.1 80.5 0市场监管总局市场监管总局