材料试验机位移量的校准方法与流程

本发明涉及几何量测试技术领域，具体涉及检测材料试验机位移量的方法。

背景技术：

航空装备研制中需要做大量材料性能试验，使用着各种拉压力试验机及材料试验机。随着现代科技发展，试验机上使用了大量传感器，其中包括线位移传感器，这类传感器固化在试验机上，无法拆下独立校准，因此需要采取现场综合检测的方法，以完成位移项目检测。

由于材料试验机位移量的准确性对试验结果具有一定影响，因此，国家新颁布的jjg139-2014《拉力、压力和材料试验机》检定规程在旧版本基础上新增了位移检定要求。然而新规程上的测量方法比较陈旧，检测器具仍采用高度尺、钢板尺、指示表等，停留在模拟量测量水平，测量准确度低，与科研需要和当今数字化检测技术发展不相适应，有必要创新检测方法。

激光跟踪仪是一种便携式数字化三坐标测量设备，在航空科研领域应用较普遍，可以做为现场检测的计量标准器。目前，未见使用激光跟踪仪检测或校准试验机位移量的公开报导，本发明源自发明者的工程实践。

与现有技术比较及查新所得：

现有方法一：生产厂家依据国家相关校准规范，采用吊重锤、数显卡尺、高度尺、百分表等测量方法。此类方法测量准确度低、位移范围小、不能自动采集数据、仅考虑局部测量范围的评价，没有建立整体唯一基准和整体评价的意识；多次测量循环测量劳动强度大；加载时人工接触测量，危险性大。

现有方法二：部分校准人员采用光电编码器、光栅尺等专用检定装置。专用检定装置的固定复杂，且专用检定装置需要周期校准，国家没有相应规程/规范，量值溯源存在不可靠性。

现有方法三：《上海计量测试》2012年04期，作者：范海艇、沈琪论文《用便携式三坐标测量臂实现电子式材料试验机横梁位移误差检定的方法》，该论文采用测量范围为1200mm，最大允许度误差为(5+8l/1000)μm(l单位：m)的便携式三坐标测量臂。因为是使用测头接触式测量，对人员技术要求较高，加载时测量危险性大。受测量臂臂长限制，横梁升降较高时实施难度大。论文中描述“生成两个平面，两次生成的平面之间的距离值作为标准值”，需要指出的是，这种方法的问题1在于：关节臂测量范围有限，通用性差，问题2在于：生成的两平面并非绝对平行，不平行的两平面间没有距离可言。

现有方法四：几何量测试技术领域技术人员，通常会想到采用激光干涉仪测量位移。本发明人通过试验，证实该方法基本不可行。材料试验机的驱动活塞，在上下运动的同时存在水平扭摆，激光干涉仪发出的激光束随着观测点的偏移脱离反射镜，无法测量，除非反射镜存在于活塞工作台的绝对中心，或活塞工作台绝对无扭摆。

本发明采用便携式数字化几何测量设备——激光跟踪仪。激光跟踪仪具的优势在于：测量范围大；准确度高；其综合精度：±(15μm/m+6μm/m)；同时具有跟踪测量能力，横向跟踪速度＞4m/s；径向跟踪速度＞6m/s；横向加速度＞2g；纵向加速度无限大，可实现靶标的实时跟踪测量，克服了使用激光干涉仪时“丢光”的弊端；激光跟踪仪可建立直角坐标系，提高了测量的准确度和三坐标方向上偏移的直观性；采用激光跟踪仪测量，具有同一坐标系，使材料试验机检测方法有了同一基准的整体评价意识；激光跟踪仪靶标球直径仅0.5英寸，方便固定在活塞或检验试样上，不需要人工近距离测量读数，可实现加载状态下的安全测量。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种方法简单，数字化程度高，数据准确可靠，通用性强的检测材料试验机位移量的方法。

本发明的目的是提供一种检测材料试验机位移量的方法，以解决现有技术背景中存在的至少一处的问题。

本发明的技术方案是：提供了一种检测材料试验机位移量的方法。如图1、图2所示，实现检测材料试验机位移量的方法是：

据实施例得到步骤s10：在材料试验机的拉伸试验夹持装置下夹头中心，夹持定位一个激光跟踪仪测量用靶标座，作为观测点1；在材料试验机的运动工作台上表面或检验试样上固定第二个靶标座，作为观测点2；当有移动横梁时，则在移动部件上固定第三个靶标座，作为观测点3；固定的方法不限于粘贴、磁力吸附、夹持等；

据实施例得到步骤s20：

第一方面是直接测量法：用激光跟踪仪直接测量观测点，得到点元素坐标；

第二方面是间接构建法：用激光跟踪仪测量活塞表面，或测量“v”型块辅助检具的水平、铅垂棱边，用测量软件构建活塞线、轴线平行线、轴线垂线，得到线元素；当有移动横梁时，构建必要的线元素；

据实施例得到步骤s30：使用激光跟踪仪测量软件，将权利要求3.2所述的活塞线或活塞线平行线定为测量坐标系主轴(如：z轴)，将权利要求3.2所述的轴线垂线定为第二轴(如：x轴)，权利要求3.1所述的观测点1定为原点o，第三轴(如：y轴)自动生成；测量坐标系通过水平旋转、平移达到理想方位；

据实施例得到步骤s40：

第一方面，空载条件下测量方法包括：在材料试验机的拉伸试验夹持装置上受力中心夹持定位一个标准球辅助检具，在权利要求4建立的测量坐标系下，使用激光跟踪仪测量球体表面5个以上点坐标；用测量软件构建得到球心坐标ph(xh,yh,zh)；辅助检具不限于标准球、标准杆、能够定中心的靶标座等；在测量坐标系下，使用激光跟踪仪测量观测点1，记录活塞位移起始点坐标值p0(x0,y0,z0)，由控制系统以每10％的位移范围驱动活塞，依次测量记录至位移范围上限，得到正行程坐标值pi(xi,yi,zi)、反行程坐标值pi′(x′i,y′i,z′i)，正反行程为一个测量循环，共测量三个循环；

第二方面，载荷条件下测量方法包括：在材料试验机[a1]上装夹检验试样，施加载荷，在测量坐标系下，使用激光跟踪仪[a0]测量观测点2，通过测量软件设置不同的测量模式，以等步长静态测量，或以等步长、等时间为间隔动态跟踪测量，记录观测点2的空间点坐标或轨迹点坐标，记作正行程坐标值pi(xi,yi,zi)、反行程坐标值pi′(x′i,y′i,z′i)，正反行程为一个测量循环，测量不少于三个循环；当有横梁时，以同样方法测量观测点3；

据实施例得到步骤s50：

依据多轮次循环测量结果，采用计算法或做图法解算几何误差,包括位移示值相对误差、几何同轴度、位移线性度、位移重复性、位移回程误差：

第一方面，位移示值相对误差解算方法为：空载条件下，测量坐标系下，材料试验机控制系统的位移示值与激光跟踪仪测量的位移标准量在指定坐标轴上的差值，以指定轴标准位移范围的百分数计。

zi—材料试验机位移示值；

z0—激光跟踪仪测量的位移标准量；

zfs—标准位移范围；

第二方面，几何同轴度,解算方法为：空载条件，测量坐标系下，以标准位移范围为评定长度，用拉伸试验夹持装置上下夹头中心的水平偏移量表示，偏移量为柱形公差带的直径。

xh—测量坐标系下，上夹头中心x坐标；

yh—测量坐标系下，上夹头中心y坐标；

x0—测量坐标系下，坐标原点x坐标；

y0—测量坐标系下，坐标原点y坐标；

第三方面，位移线性度,解算方法为：由多轮次循环测量值，通过最小二乘法或作图法，求得活塞的位移线性度，以指定轴标准位移范围的百分数计。

第四方面，位移重复性，解算方法为：由多轮次循环测量值，通过白塞尔法、极差法或作图法，求得到同向行程同一测量点处测量值的最大差值，以指定轴标准位移范围的百分数计。

第五方面，位移回程误差，解算方法为：由多轮次循环测量值，通过计算法或作图法，求得到正反行程同一测量点处测量值的最大差值，以指定轴标准位移范围的百分数计。

本发明的有益效果是：方法简单、数字化程度高、数据准确可靠、通用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种检测材料试验机位移量的方法实施例的示意图；

图2是一种检测材料试验机位移量的方法的示意性流程图。

其中：活塞(1)、工作台(2)、拉伸试验夹持装置(3)、靶标座(4)、靶标(5)、标准球(6)、v型块辅助检具(7)和底座(8)。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示意性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域的技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体设置和方法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了结构、方法、器件的任何改进、替换和修改。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以互相结合，各个实施例可以相互参考和引用。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例的示意图。

如图1所示，一种检测材料试验机位移量的方法，其包括：激光跟踪仪a0、材料试验机a1、活塞1、工作台2、拉伸试验夹持装置3、靶标座4、靶标5、标准球6、“v”型块辅助检具7。

其结构特征在于，材料试验机[a1]上安装有上下运动的活塞[1]，活塞[1]上端面安装有工作台[2]，工作台[2]上安装有拉伸试验夹持装置[3]，在拉伸试验夹持装置[3]的中心夹持定位一个靶标座[4]，测量时，靶标[5]置于靶标座[4]中；另外，在拉伸试验夹持装置[3]相对应的固定端上受力中心，固定夹持一个带尾柄的标准球[6]，激光跟踪仪[a0]架设于材料试验机[a1]近旁，保证激光束可直达所有观测点。

图2一种检测材料试验机位移量的方法的示意性流程图。

据实施例得到步骤s10：在材料试验机[a1]的拉伸试验夹持装置[3]下夹头中心，固定一个激光跟踪仪[a0]测量用靶标座[4]，作为观测点1；在材料试验机[a1]的工作台[2]上表面或检验试样上固定第二个靶标座[4]，作为观测点2；当有移动横梁时，则在移动部件上固定第三个靶标座[4]，作为观测点3；固定的方法不限于粘贴、磁力吸附、夹持等；

据实施例得到步骤s20：

第一方面是直接测量法：用激光跟踪仪[a0]直接测量观测点，得到点元素坐标；

第二方面是间接构建法：用激光跟踪仪[a0]测量活塞[1]圆柱面上贴紧固定的“v”型块辅助检具[7]的水平和铅垂棱边，每个棱边上各测量2个以上坐标点，用测量软件构建出活塞[1]轴线的平行线m、轴线的垂线n，得到线元素；当有移动横梁时，同样通过测量构建必要的线元素；

据实施例得到步骤s30：使用激光跟踪仪[a0]的测量软件，将活塞轴线的平行线m定为测量坐标系主轴(如：z轴)，将轴线的垂线n定为第二轴(如：x轴)，观测点1定为坐标系原点o，第三轴(如：y轴)自动生成；测量坐标系通过水平旋转、平移达到理想方位；

据实施例得到步骤s40：

第一方面，空载条件下测量方法包括：在材料试验机[a1]的拉伸试验夹持装置[3]上受力中心夹持定位一个标准球[6]辅助检具，在测量坐标系下，使用激光跟踪仪[a0]测量球体表面5个以上点坐标；用测量软件构建得到球心坐标ph(xh,yh,zh)；辅助检具不限于标准球、标准杆、能够定中心的靶标座等；在测量坐标系下，使用激光跟踪仪[a0]测量观测点1，记录活塞[1]位移起始点坐标值p0(x0,y0,z0)，由控制系统以每10％的位移范围驱动活塞[1]，依次测量记录至位移范围上限，得到正行程坐标值pi(xi,yi,zi)、反行程坐标值pi′(x′i,y′i,z′i)，正反行程为一个测量循环，共测量三个循环；

第二方面，载荷条件下测量方法包括：在材料试验机[a1]上装夹检验试样，施加载荷，在测量坐标系下，使用激光跟踪仪[a0]测量观测点2，通过测量软件设置不同的测量模式，以等步长静态测量，或以等步长、等时间为间隔动态跟踪测量，记录观测点2的空间点坐标或轨迹点坐标，记作正行程坐标值pi(xi,yi,zi)、反行程坐标值pi′(x′i,y′i,z′i)，正反行程为一个测量循环，测量不少于三个循环；当有横梁时，以同样方法测量观测点3；

据实施例得到步骤s50：

依据多轮次循环测量结果，采用计算法或做图法解算几何误差,包括位移示值相对误差、几何同轴度、位移线性度、位移重复性、位移回程误差：

第一方面，位移示值相对误差解算方法为：空载条件下，测量坐标系下，材料试验机[a1]控制系统的位移示值与激光跟踪仪[a0]测量的位移标准量在指定坐标轴上的差值，以指定轴标准位移范围的百分数计。

zi—材料试验机位移示值；

z0—激光跟踪仪测量的位移标准量；

zfs—标准位移范围；

第二方面，几何同轴度,解算方法为：空载条件，测量坐标系下，以标准位移范围为评定长度，用拉伸试验夹持装置[3]上下夹头中心的水平偏移量表示，偏移量为柱形公差带的直径。

xh—测量坐标系下，上夹头中心x坐标；

yh—测量坐标系下，上夹头中心y坐标；

x0—测量坐标系下，坐标原点x坐标；

y0—测量坐标系下，坐标原点y坐标；

第三方面，位移线性度,解算方法为：由多轮次循环测量值，通过最小二乘法或作图法，求得活塞[1]的位移线性度，以指定轴标准位移范围的百分数计。

第四方面，位移重复性，解算方法为：由多轮次循环测量值，通过白塞尔法、极差法或作图法，求得到同向行程同一测量点处测量值的最大差值，以指定轴标准位移范围的百分数计。

第五方面，位移回程误差，解算方法为：由多轮次循环测量值，通过计算法或作图法，求得到正反行程同一测量点处测量值的最大差值，以指定轴标准位移范围的百分数计。

最佳实施例：

以一台外形高度约2m、位移行程200mm、轴向液压加载型的mts810全数字控制系统的材料试验机为例，采用本发明方法实施位移量检测，参见图1。

图1包括：激光跟踪仪a0、材料试验机a1、活塞1、工作台2、拉伸试验夹持装置3、靶标座4、靶标5、标准球6、”v”型块辅助检具7。

将激光跟踪仪[a0]架设于材料试验机[a1]近旁3m左右的稳定地面上，保证激光束能无遮挡观测到材料试验机[a1]的被检测部位，通过测量，获取材料试验机[a1]上相关点、线、面几何元素，利用几何元素，建立激光跟踪仪[a0]指定坐标轴z与活塞活塞线方向一致的测量坐标系。在材料试验机[a1]的活塞[1]的工作台[2]上表面固定一个靶标座[4]，作为位移观测点2；靶标座[4]的固定通过胶粘方式，保证激光跟踪仪[a0]可无遮挡直视靶标座[4]，靶标座[4]起定位支撑靶标球[5]的作用。材料试验机[a1]由工控机发出指令，控制并驱动活塞[1]沿轴向上下运动，使得夹持在拉伸试验夹持装置[3]上的试验件受拉压载荷，靶标球[5]随材料试验机[a1]在空载或加载状态下同步位移运动，建立起了位移示值与位移标准量对应关系，通过多次测量、记录和数据处理，完成材料试验机[a1]的位移示值相对误差、几何同轴度、位移线性度、位移重复性及位移回程误差检测。实现检测的步骤如下：

1.预置观测点：在材料试验机[a1]的拉伸试验夹持装置[3]下夹头中心，夹持定位一个激光跟踪仪[a0]测量用靶标座[4]，作为观测点1；在材料试验机[a1]的工作台[2]表面上中心附近固定第二个靶标座[4]，作为观测点2；

2.获取几何元素：通过激光跟踪仪[a0]测量记录观测点1起始点的坐标值o(x0,y0,z0)；用激光跟踪仪[a0]测量活塞[1]上“v”型块辅助检具[7]的水平和铅垂棱边坐标点，用测量软件构建出活塞轴线平行线m、轴线垂线n；

3.建立测量坐标系：使用激光跟踪仪[a0]的测量软件，将活塞轴线平行线m定为测量坐标系z轴，将轴线垂线n定为第x轴，观测点1定为原点o(x0,y0,z0)，y轴自动生成，建立起o-xyz测量坐标系；

4.测量观测点坐标值：

4.1在材料试验机[a1]固定端上加力中心夹持定位一个带尾柄的标准球[6]，在测量坐标系下，测量球体表面，获取球心三坐标值ph(0.2050,0.1983,199.0372)；

4.2.将靶标[5]由激光跟踪仪[a0]的“home”点引光至观测点[2]的靶标座[4]中，由材料试验机[a1]的工控机发出运动指令，从材料试验机[a1]位移范围的10％起，通过平移坐标系，使检测起始点坐标为p0(0,0,0)，使用激光跟踪仪[a0]测量材料试验机[a1]设定载荷下位移输入量的各对应位移标准量；设单向行程每间隔10mm为1个观测点，测量上限至150mm，正反行程逐点对应测量为一个测量循环，共测量3个循环，第1循环检测点正行程坐标值pi(xi,yi,zi)，反行程坐标值pi(x′i,y′i,z′i)，空载条件下第1循环检测数据参见表1，其它载荷条件下、第2循环、3循环的数据略去；

表1检测数据表

5.解算几何误差：

5.1材料试验机[a0]的位移示值与激光跟踪仪[a1]测量的标准位移量在指定坐标轴z上的差值，以指定z轴标准位移范围的百分数计,得到位移示值相对误差检测结果为：+0.62％；

5.2根据空载条件下，标准球球心坐标ph(xh,yh,zh)相对于测量坐标系下pi(xi,yi,zi)水平偏移量的最大值，得到几何同轴度：φ0.66mm/200mm；

5.3由多轮次循环测量值，采用最小二乘法，求得位移线性度+0.20％。

5.4由多轮次循环测量值，求得到同向行程同一测量点处z坐标最大差值的绝对值，以极差法计算得到重复性为0.08％；

5.5通过计算得到正反行程同一观测点z坐标最大差值，由最大差值绝对值计算回程误差为0.12％。

在一些实施例中，一种材料试验机位移量的校准方法可以包括以下步骤：

s10：在材料试验机(a1)上预置多个观测点；

s20：获取材料试验机(a1)上的几何元素；

s30：建立激光跟踪仪(a0)指定坐标轴与活塞轴线方向一致的测量坐标系；

s40：在建立的测量坐标系下，测量多个观测点的三坐标值；

s50：根据三坐标值，解算材料试验机的位移量的几何误差。

其中：材料试验机(a1)是以一台外形高度为2m、位移行程200mm、轴向液压加载型的mts810全数字控制系统的材料试验机。

检测材料试验机包括：活塞(1)、工作台(2)、拉伸试验夹持装置(3)、靶标座(4)、靶标(5)、标准球(6)、v型块辅助检具(7)和底座(8)。其中：底座(8)上设置有活塞(1)；活塞(1)的侧壁靠有v型块辅助检具(7)；活塞(1)上连接有工作台(2)；可开合的拉伸试验夹持装置(3)设置在工作台(2)上；拉伸试验夹持装置(3)用于夹持靶标座(4)；靶标座(4)用于支撑有标准球(6)。

在一些实施例中，步骤s10包括：在材料试验机的拉伸试验夹持装置下夹头中心，固定一个激光跟踪仪测量用靶标座，作为观测点1；在材料试验机运动工作台平面中心附近或检验试样上固定第二个靶标座，作为观测点2；当有移动横梁时，则在横梁的移动部件上固定第三个靶标座，作为观测点3。

在一些实施例中，步骤s20包括：直接测量法：用激光跟踪仪(a0)直接测量得到点元素；间接构建法：用激光跟踪仪(a0)测量活塞表面，或测量v型块辅助检具(7)的水平、铅垂棱边，用测量软件构建活塞线、轴线平行线、轴线垂线，得到线元素；当有移动横梁时，构建线元素。

在一些实施例中，步骤s30包括：使用激光跟踪仪测量软件，将活塞线或轴线平行线定为测量坐标系主轴；将轴线垂线定为第二轴，观测点1定为原点o，第三轴自动生成；测量坐标系通过水平旋转、平移达到理想方位。

在一些实施例中，步骤s40包括：空载条件下：在材料试验机的拉伸试验夹持装置上受力中心定位一个辅助检具，不限于标准球、标准轴、靶标座，在测量坐标系下，通过测量得到上受力中心点坐标；在测量坐标系下，使用激光跟踪仪测量观测点1，记录活塞位移起始点坐标值，由控制系统以等步长驱动，依次测量记录至位移范围上限，得到正行程坐标值、反行程坐标值，正反行程为一个测量循环，测量不少于三个循环。

载荷条件下：装夹检验试样，施加载荷，在测量坐标系下，使用激光跟踪仪测量观测点2，选择不同测量模式，以等步长静态测量，或以步长、时间为间隔动态跟踪测量并记录观测点2的轨迹点坐标，正反行程为一个测量循环，测量不少于三个循环；当有横梁时，以同样方法测量观测点3轨迹点坐标。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s50包括：

基于三坐标值，解算位移示值相对误差、几何同轴度、位移线性度、位移重复性、位移回程误差。

通过实际实施验证，认为方法简便、可靠、易于实现；与上一级计量技术机构校准数据比对分析，结果显示该检测方法可行。

需要说明的是，上述流程操作可以进行不同程度的组合应用，为了简明，不再赘述各种组合的实现方式，本领域的技术人员可以按实际需要将上述的操作步骤的顺序进行灵活调整，或者将上述步骤进行灵活组合等操作。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。