万能工具显微镜-

1、万能工具显微镜摘要本文主要介绍了万能工具显微镜的用途、工作原理、总体布局及其特点、结构、光学系统以及精度分析。关键词:万能工具显微镜。AbstractThis paper mainly introduces purpose, universal tool microscope working principle, general arrangement and the characteristics, structure, optical system and precision analysis.Keywords:Universal tool microscope;Sensitive opt

2、ical lever.摘要 (1Abstract (1第1章概述 (31.1 仪器的用途 (31.2 工作原理 (31.3 仪器的总体布局及其特点 (31.4 结构简介 (41.5仪器的光学系统 (10第2章精度分析 (132.1 中央显微镜的瞄准误差 (132.2 读数误差 (132.3玻璃毫米标尺的分划误差 (132.4滑板移动时不直线度带来的测量误差 (132.5由玻璃工作台相对纵向滑座移动时的不平行性引起的测量误差 (162.6光栏大小与被测物大小不相符引起的测量误差 (162.7温度引起的测量误差 (17结论 (18参考文献 (19第一章概述1.1仪器的用途1仪器按具体测量工件形状和

3、参数可归纳如下:对平面零件测量的仪器。包括:对冲模、凹模和钻横样板,形状样板,压铸造模及样板刀等测量孔距、边缘间的距离、孔的直径大小、外表面和内表面的形状以及位置等的仪器。对圆形零件测量的仪器。包括:测量长度和检验形状(如光滑圆柱体和锥体的仪器,对切削刀具、螺纹各参数和形状偏差、径向和端面凸轮各项参数、曲线板及滚铣刀等测量的仪器。对分度角测量的仪器。包括:对分度盘、分度滚轮、齿轮和分度板等测量的仪器。对曲面及其他特殊形状测量的仪器。1.2工作原理万能工具显微镜属于绝对测遥仪器。用其长度基准元件毫米玻璃刻尺和角度基准元件光学度盘作为测量标准,就是以这些基准元件与被测工件的相应部分做比较,从而确定

4、被测工件的各项参数。仪器的主要工作原理是:由物方远心照明系统光源发出的光,照明放置于仪器工作台上的被测工件;而后通过中央显微镜物镜成像于分划板上;分别移动仪器纵向或横向滑座,并利用目镜分划板上的各标记进行瞄准定位;最后借助纵横向读数显微镜来确定被测工件的坐标位置,从而达到测量目的。被测工件置于平面工作台上,用纵横向滑座移动定位构成直角坐标测量。如配上附件圆分度台则可作极坐标测量。此外,仪器还可对第三坐标进行测量。1.3仪器的总体布局及其特点从总体布局来看,整个仪器安放在一个稳固的方形底座上,如图1613所示。 图1613万能工具显微镜总体布局示意图底座上装有纵向和横向直角导轨。纵向滑座如同一艘

5、船放置在纵向导轨上,所以俗称之为“纵向船”。横向滑座则像一架“三轮车”。它们在各自的导轨上可以彼此独立地做互相垂直的纵、横向移动。工作台或顶针筒放置在纵向滑座上,中央显微镜连同照明系统安装于横向滑座的立柱上(图1613联成一体。这样便可实现对测量工件的定位和移动要求。横向标尺安装在立柱转动中心的延长线上,对于测量支承于两顶尖间的圆柱体直径、螺纹中径等是符合阿贝原则的,对于在方工作台、分度台等台面上的测量则不符合阿贝原则。在底座的左侧,并列固定着纵向、横向读数显微镜。当被测工件与中央显微镜有相对移动时,相应标尺也随之移功,这个位移量就可分别从这两个读数显微镜中读出。为了获得高精度的导向并有利于装

6、校,导轨系统采用一种偏心可调的滚动轴承作为导向件和支承件,使纵向、横向滑座全程的不直线性限制在5以下。万能工具显微镜主要由底座、纵向滑座、横向滑座、中央显微镜、纵横向读数显微镜、立柱、偏摆机构及顶针筒等组成,如图1614所示。 底座1是本仪器的基础部分,它是一个有许多加强筋的方形箱体,安装在三个可调的支承螺钉上面。纵、横向滑座是通过精密的直角导轨和高精度滚珠轴承各自放置在底座1之上,可做相互垂直的、行程为200 mm 和100 mm 的运动。带有中央显微镜(包括照明系统的横向滑座4,像弓一样穿过纵向滑座3,通过同样的导轨系统放置在底座1上,同样配有锁紧机构和微动手轮14。这样各自形成的系统互不

7、干涉。图1614中的9为刹车手轮,顺时针转动该手轮便会锁紧制动杆达到锁紧滑座的目的。也只有锁紧状态,转动微动手轮14才能使滑座做微小的移动。纵向滑座3上面是一个圆形导槽,中间部分挖空可以使照明光束从下面通过它照明被测工件。闭形导槽的两侧分别安置左、右顶针筒15,这两个顶针筒都有轴杆并装有顶尖,用于安装有顶针孔的各种圆形被测工件。仪器上,两顶针顶尖的连线严格平行于纵向滑座的移动方向。在纵向滑座3的左上角固定安装了一根200 mm 的玻璃纵向标尺5,相应的纵向读数显微镜6固定在底座1上,直接用于读取纵向滑座3的位移值。横向滑座4和中央显微镜8通过偏摆立柱燕尾联结为一个整体,立柱下端装有照明系统,通

8、过立柱转轴做同步倾斜。转动偏摆手轮13,推动立柱2可绕立柱转轴做左右o 12的倾斜。立柱燕尾上的中央显微镜8,可用粗调手轮11在燕尾上做较快的向下移动,以对被测工件进行粗调焦。如需对工件进行细微调焦,则可旋转物镜座上的胶木调节环,它转动一圈仅做很微小的移动,所以影像能调得很清晰。使用上如果要对第三坐标(即z向进行测量,如对阶梯零件、凸轮等测量,则万能工具显微镜微镜还配有测高装置,它可装在主机主柱燕尾上进行这项工作。(1纵向滑座与导轨的结构万能工具显微镜纵、横向滑座3和4都通过直角导轨16和精密滚珠轴承放置于底座1上,这样对运动的直线性、扭摆和互相垂直提出了很高要求。为提高仪器的承载能力,又将滑

9、座导向和支承独立分开。详细结构可参照图1614。纵向滑座3及其附件和被测工件靠精密轴承1、7共四个轴承来支承。安装在纵向滑座3上的两根直角导轨见图1615(a。图1615(b中滚动轴承1安装在弹性杠杆12上,其作用是使纵向滑座压向导向轴承7,以保证直角导轨的导向面始终与导向轴承接触。所以在仪器开箱安装以后,必须拧松纵向滑座轴承座上两个红色螺钉15,这样使仪器纵向滑座运动自如,否则导向轴承脱离直角导轨,精度就不可能保证。 (2立柱偏摆机构立柱的燕尾上装有中央显微镜。在测量螺纹类工件时,需将中央显微镜的光轴倾斜一个螺旋升角,这样立柱结构才能绕横向滑座上的一个转轴左右倾斜o 12。同时仪器还要求转轴

10、轴线与纵向滑座上两个顶针筒的顶尖连线严格相交,其结构如图1616所示。转轴1装在横向滑座2上,与一个拼帽3锁紧。转轴1的两端轴颈与立柱4上的孔径研配,并有很少间隙使它能灵活地相对转动。依靠立柱4上的盖板7,钢珠6和弹簧的作用使整个立柱实际上在绕钢珠与顶头平面接触的那个点转动,这样就可避免立柱转动时可能产生的径向及轴向窜动,保证了仪器重复测量时定位精度达到规定要求。螺钉8的作用是:当仪器装箱待运时,只要把螺钉8拧进去,这样使转轴1与盖板7脱离接触,可防止运输过程中碰坏精密转动轴。主柱的倾斜以及偏摆角度的读数是由偏摆机构来完成的,如图1617和图1618所示。偏摆座6和横向滑座同定为一体,借助拉紧

11、螺钉1和拉簧4,使螺杆13上的顶头16始终与固定在立柱上的偏心调节螺钉接触。转动手轮9。由于螺杆的移动而推动立柱做左右倾斜。受压力弹簧3的作用使定位销7插入手轮5上的一个锥孔,这样就能保证立柱的垂直状态(即零位是可靠与正确的。这个偏摆机构实际上是一个正弦机构。图1617中刻度套筒12上的刻度与立柱倾斜角之间的关系如下式(图1618sin 360O =tH (16-14 式中:刻度套筒上的转角刻划值。H 一一立柱上的偏心螺钉和顶头10接触点到立柱转轴中心之间的距离 (mm,其名义值为108.5 mm 。t 螺杆的导程(mm,这里t 一6 mm 。立柱倾斜角度(o 。刻度套筒上的刻划就是按照这个关

12、系式刻划的。但是,由于H 和t 都存在机械零件的积累误差和制造误差,所以刻度套筒上的分划也存在一定误差。万能工具显微镜的部颁标准规定,立柱左右偏摆不正确度必须小于5。为了达到这个目的,结构上采用了一个调节环节。从上面关系式可知, o 360sin =tH (16-15 t 对某一对螺旋副是一个固定值;也同样,它对某一个已刻划好的刻度套筒也是一个不变量。所以只有改变H 的大小才能改变立柱的倾斜角度。偏摆机构在安排上考虑到这一需要,把立柱上的这个螺钉做成偏心。转动它就能改变它和螺杆顶头平面上的接触位置,也即使H 值有一定量的变化,以达到立柱倾斜角度5正确度的要求。 (3螺旋测微目镜万能工具显微镜采

13、用螺旋测微目镜。螺旋测微目镜是根据阿基米德螺旋线形成原理设计而成的,如图16-19所示。 阿基米德螺旋线的形成原理是:其一周升程等于刻度分划线的距离,同时,如果相应阿基米德螺旋线一周均匀分布的秒分划线的全程等于分划线的格值,则能达到测微目的,即螺旋角与其径向的线位移量成正比关系。矢径表示为02=a (16-16式中:升程(mm;转角(o ;0起始矢径(mm。当螺旋线转动一整圈(2=时,则径向位移一个螺距。如图1620所示的测微器有两块分划板。一块为固定分划板2,在它上面有11个等间距的分划,每格为0.1 mm 。另一块是可绕钢珠旋转的转动分划板3,其上刻有螺距为0.1 mm 的阿基米德双螺旋线

14、,共1l 圈。转动分划板3的中心是一个圆,圆周分划为100等份,并刻有数字。转动分划板3一圈相当于固定分划板2移动一个格值。这样就将固定分划板上的0.1格值细分了100格,即可获得1 m 的读数。图1620中的4、5为一对互相啮合的伞齿轮。转动手轮5可使转动分划板3绕钢珠转动。为了读数方便,结构上在底座的下面加了一层燕尾滑板,转动手轮5对面的一个调零手轮可使整个螺旋测微器移动,用于对准零位。 2为了减轻测量人员眼睛的疲劳以及人眼带来的读数误差,近年来已普遍采用投影读数的方法。图8-28是19JA 型万能工具显微镜的投影装置图。影屏上有11个光缝,共10个间距,每间距相当于0.1mm ,即将毫米

15、刻线尺的1mm 分成10等分。读数鼓轮上均匀地刻有100个分度,读数鼓轮旋转100个分度可带动影屏移动一个光缝,即0.1mm ,故读数鼓轮的最小分度值为0.001mm 。读数时,旋转读数鼓轮使毫米刻线影象位于某一光缝正中。1.5仪器的光学系统显微镜光学系统 显微镜法是将被测件的尺寸、轮廓或用光干涉法产生的干涉条纹等,经过显微放大,以便于观察测量。被测件AB位于物镜的物方焦点F1之外,但不超过距物镜两倍焦距的距离,被测件被物镜放大成一倒立的实象AB ,此实象位于目镜的物方焦面右方的分划板上,经目镜再次放大在明视距离J=250mm处成一可从目镜视场中看到的虚象AB 物镜放大倍率为 目镜放大倍率为

16、显微镜的放大倍率为 (1中央显微镜光学系统1如图1621所示,万能工具显微镜中央显微镜光学系统采用了远心成像和远心照明光学原理,以减少由于仪器装调时产生偏差和不良照明而使被测工件畸变等影响。另外,该光学系统对系统像差和光学参数等也都有严格要求。 万能工具显微镜的照明系统采用柯拉照明也即远心平行光照明,以减少被测工件由于照明不良而造成的畸变。光源(6 V、30 W1发出的光,经非球面聚光镜2会聚在滤色片3上再经过可变光栏4、反光镜5和透镜6,由于3位于6的焦平面上,所以成平行光出射。调节可变光栏即可改变照明光束的孔径角,以适应不同直径被测工件的要求。此外,万能工具显微镜的物镜可以更换,有1倍、3

17、倍及5倍三种,不同物镜,其视场和孔径角也不相同,所以要求照明光束孔径要做相应改变。为了大大减少使用时由于调焦不好而产生的测量误差,中央显微镜的光学系统中也采用了远心光路的布局,即把一个孔径光栏10放置在物镜9的焦平面上。这样,被照明的物体经物镜9、孔径光栏10以及斯密特棱镜11成像在目镜分划板13上,即使调焦时产生误差,但由于不改变主光线的位置,目镜分划板13上的影像位置仍不发生变化。在万能工具显微镜光路中,为了使观察到的影像与实际被测工件方位一致和观察时的方便,在物镜和目镜之间加入一块斯密特棱镜ll使光路倾斜o45。(2万能工具显微镜接触瞄准系统3中央显微镜主要起瞄准作用,图16-22为万能

18、工具显微镜接触瞄准系统光学灵敏杠杆的工作原理示意图。 图16-22光源经聚光镜照亮双刻线分划板后, 分划板上的三对双刻线被主显微镜的物镜成像在测角目镜的米字线分划板上。测杆与反射镜连接, 绕固定轴同步摆动, 当测杆下端的测头产生位移时, 反射镜与之联动, 从而改变反射光线, 使目镜视场中的双刻线像也随测杆的摆动而产生相对位移。测力弹簧使测头产生测量力, 控制测杆的测量方向, 测力方向是可以改变的, 使测量力始终指向被测表面。测头与被测表面接触后, 继续移动滑板, 当测头处于垂直位置时, 目镜视场内三对双刻线象恰好对称处在米字线中间位置上, 这时测头和被测零件的相对位置也就固定下来, 以此作为测

19、量定位的依据。此种方法属于接触法绝对测量, 一般采用直径为几毫米的测头, 与被测环规内壁接触, 如图16-23所示, 图16-23因测头直径较小, 可保证测头与被测环规为点接触。测量时, 当测头在被测环规的直径方向 A 、B 处时, 取仪器的两次读数 a 和b, 则被测环规尺寸:D=(b-a+d式中:D 被测环规内径;b,a 仪器的两次读数;d 仪器测头的直径。灵敏杠杆必须和3 x 物镜配合使用,选用其它物镜将看不见三对双刻线像。测量前,在万能工具显微镜的主显微镜上安装3 x 物镜,光学灵敏杠杆用接圈套在3 x 物镜的下端,将光学灵敏杠杆向上推足,用旋转旋钮就可固定。将被测环规固定在工作台中间

20、的位置上,不能有任何移动,以免引起测量误差。下降臂架,将光学灵敏杠杆测头引入被测孔内,然后调整仪器的纵、横向滑板,使测头与被测环规孔壁接触,并位于孔的直径方向(见图16-22图1,其标志是调整横向滑板,使纵向示值达到转折点(出现极大值或极小值。保持横向示值不变,微动纵向滑板,使目镜中三对双刻线对称套住米字线的实线(见图图16-22图2,并读取纵向第一次示值 a.然后转动测力转向环,改变测力方向,移动滑板,在被测环规另一侧,使测头在被测孔径方向与孔壁接触,并调整测头处于垂直位置,读取纵向第二次示值b.则由接触法绝对测量孔径原理D=(b-a+d,计算测量结果,光学灵敏杠杆测头直径d 刻在杠杆的侧面

21、上。例如:测量20mm 的环规,已知光学灵敏杠杆测头直径d 为3.0749mm,第一次读数值为81.6569mm,第二次读数值为98.5862mm,则被测环规内径尺寸D 为:D=(98.5862-81.6569+3.0749=20.0042(mm 注意事项在整个测量过程中,动作要平稳、准确。测量时最须注意的是光学灵敏杠杆测头和被测环规测量面相靠的调整问题。在引入灵敏杠杆测头和被测环规测量面相靠时,动作用力过猛就很容易损坏灵敏杠杆测头,使该附件不能再继续使用。另外,不要把注意力过度集中在测头与环规表面接触的地方,这样往往由于接触情况判断不清而使测头超越标准接触位置而带来损坏,因此对其外面接触情况

22、只大致看一下,主要把注意力集中在目镜视场内,凭对称刻线出现的位置来判别灵敏杠杆测头和被测环规测量面相靠情况。第二章 精度分析1万能工具显微镜的工作对象和应用范围十分广泛,其测量精度也部分取决于不同的测量对象,但作为仪器存在的基本误差因素都是相似的。下面以影像法在平面玻璃工作台上测量厚度不大的零件为例,简单分析各种误差的影响。2.1中央显微镜的瞄准误差用影像法测量工件时,都是用目镜分划板上的米字线去瞄准被测工件上相应的轮廓影像。放大总倍数(倍,为30倍;弧度换算为角度的一个系数(/rad。在万能工具显微镜测量时,以3倍物镜与10倍目镜配用,所以通过中央显微镜以后,被测工件放大了30倍。所以在具体

23、应用中,对工件测量时一般总要两端各瞄准一次,所以瞄准误差1应为 m 83.02(1=1.17m 2.2读数误差万能工具显微镜纵横向读数显微镜都采用螺旋测微目镜进行读数,其物镜放大倍数为5倍,目镜采用对称型,目镜放大倍数为12倍,总放大倍数为60倍。部颁标准规定,其读数标准差应小于0.8m 。所以,读数误差2应为m 8.02=2.3玻璃毫米标尺的分划误差万能工具显微镜所采用的玻璃标尺的制造精度为(1+200L m ,式中L 为标尺任意两刻划线之间的距离,单位mm 。根据部颁标准规定,此项误差经检定修正后的分划误差3不得大于0.5m 。此仪器用激光光波比长仪对标尺进行逐条刻线检定,修正后的标尺误差

24、限制在0.5m 之内,故m 5.03= 2.4滑板移动时不直线度带来的测量误差如前所述,横向标尺由于放置在立柱转轴中心延长线上,即与两个顶针筒上的顶尖连线等高,所以符合阿贝原则。但是纵向标尺由于受结构限制,同时也考虑使用方便等原因,纵向标尺不符合阿贝原则。下面计算因纵向滑座运动时的不直线度而在水平平面和垂直平面内所产生的测量误差。(1在垂直平面内由于高度方向不符合阿贝原则,所以纵向滑座移动不直线度引起的测量误差为tan =S v (1617式中:v 由纵向滑座在垂直面内不直线度引起的测量误差(mm;S 工件表面高出标尺刻划面的高度(mm。纵向滑座移动过程中不直线度在垂直平面内的角度值(o 。按

25、照部颁万能工具显微镜标准规定,纵向滑座在200 mm 范围内移动时,在垂直平面内的不直线度最大不超过5。所以纵向滑座移动的不直线度大小与滑座移动距离有关。一般情况下,滑座在移动过程中的不直线度好像在一个曲率半径很大的圆弧上运动似的。 如图1624圆弧AB 代表纵向滑座移动时在垂直平面内的运动轨迹。弦L 代表滑座移动的距离。代表滑座移动过程中在垂直平面内的不直线度。代表滑座移动时的曲率半径。则可得如下关系,即L =纵向滑座全过程移动范围=max L 200 mm ,在此范图1624 围内,垂直平面内的不直线度最大不超过5,即5max=,这样,即可求出当滑座移动了被测工件长度L 的距离时的不直线度

26、为L L =maxmax将以上数值代入上式,则(1025200520055rad L L = 由此知道tan =S v当很小时,数值上允许tan =,所以65108110212005=L S L S S v 参考图1625,S 为标尺刻划面与被测工件表面的距离(mm,S=21H H +;2H 为万能工具显微镜玻璃工作台高出标尺刻划面的距离(mm,=1H 10 mm ;2H 为被测工件高度(mm。所以纵向滑座移动过程中,垂直平面内不直线度对测量的影响为(8008000(2mm LL H v += (2在水平面内纵向滑座移动过程中,在水平面内的不直线度对测量带来的误差与在垂直面内的一样,即 =S S N t a n510212005=L (rad所以61081=L S N 不同的是,S 在这里表示被测工件瞄准点到标尺的水平距离(图1626。 如果把被测工件放在纵向滑座的中心,当S=84 mm 时,(108846mm LN = 2.5由玻璃工作台相对纵向滑座移动时的不平