精密测量技术绪论-几何测量

1、精密测量技术主讲人：蒋永刚 HYPERLINK mailto: 现代制造的内涵E0503机械动力学E0504a械结构强度学E0507E0506机械仿生学机械设计NSFC机械学科代码划分3微/纳机 械系统E0512机构学与 机器人E0501机械测试 理论与技术E0511机械摩擦学 与表面技术 E0505E0502 传动机械学零件加工制造E0509E0508 零件成形制造制造系统与自动化E0510可观测性是制造的前提! Improving Observability （改善可观测性）/ From a control s perspective, observability is a measure

2、 for how well internal states （内 部状态）of a system can be inferred （推断） by knowledge of its external expression （夕卜 部表征）；The ability to measure （or sense,测量） provides the physical basis （物理足础）for gaining and improving observability;/ The concept of observability was introduced by American- Hungarian s

3、cientist Rudolf E. Kalman linear dynamic systems.测量的概念 Measure （测量）Profitniciation:/mcZHr/f verbascertain the sizcf anioimt, or degree of （soifictJiing） by using an（仪器）or devicemarked in standard units （标定）or by comparing （比较）it imth an object of know） i size （已知量）Oxford Dictionaries OnlineChinese S

4、cale （秦衡）称轻重也（I说文解字清陈昌治刻本）度其深所至谓之测JOy r说文解字注清段玉裁）测量技术的发展Crassbotv顼和“警机）QMDynmsfy （秦）Dynamo, designed by Hippolyte PixiiElectncally powered, reprodudbilityProgrammable, multiple functionsNew tooling, Metsl power energy freeform fsbrica tion230 B.C3000 BCEgyptian Ruler尺度标定温电效应气体压力Piezo Sensor 1 Photod

5、iode I MEMS Sensor氏电转换 光电转换 机电微型化稀密测量技术是机械工业发展的先决条件之一。湫生产发展的历史来看，精密加工精度的提高总是与 精密测量技术的发展水平相关的。油于有了千分尺类量具，使加工精度达到了 0.01mm;有了测微比较仪，使加工精度达到了 1 g左右；年T了圆度仪等；测量仪器、使加工精度达到了 0.1叩；年T了激光干涉仪，使加工精度达到了 0.01叩。?目前国际上机床的加工水平已能稳定地达到1成的精度，正在向着稳定精度为纳米级的加工水平发展，表 面粗糙度的测量则向亚纳米级的水平发展。纳米技术 正在形成新的技术热点。阳料、精密加工、精密测量与控制是现代精密机械工

6、 程的三大支柱。72014/11/3?目前在基础工业的某些领域，例如研究切削速 度与进刀量对加工误差的影响、摩擦磨损等， 精密测量已成为不可分割的重要组成部分。? X射线干涉仪的工作台能在10 nm的分辨力下连 续移动，而且在50 mm的位移行程上的角偏量 为千分之几的秒级。雄高纯度单晶硅的晶格参数测量中，以及对生 物细胞、空气污染微粒、纳米材料等基础研究 中，无不需要精密测量技术。8 2014/11/3猫光直写 DWL2000附量技术发展的趋向有以下几个方面：? 1、从实物基准到自然基准殊的定义的沿革：米”作为长度计量单位起源于1790年，当时法国国民议会采纳了达特兰 提出的 以经过巴黎的地

7、球子午线自北极至赤 道这段弧长的一千万分之一为一米”的建议。? 179拜，巴黎科学院完成了从法国的敦科尔克 经过巴黎到西班牙的巴尔雪隆纳这一段子午线 的实测工作，并按照测量结果所得的1米的长度102014/11/3制作了一把米尺，作为长度计量基准。这就是 第一个米定义的实物基准称为 一一档案米尺;锵案米尺经过近一百年的时间，由于损坏严 重，于1880年国际计量局又制作了 30多根(34) 钳钺合金的高精度米尺：经过比对，以第 6号 尺取代档案米尺，作为国际长度计量基准， 由国际计量局保存，并命名为 国际米原器其余的米尺则在1889年第一届国际计量大会上分发给缔约国，作为各国的长度基准 器。号时

8、米的定义为：米的长度等于在冰点温度 下，米原器两端刻线间的距离。11 2014/11/3洞际米原器12 2014/11/3? 196辞第11届国际计量大会通过了 米”的新 定义，以氨的同位素86Kf6）的波长作为长度计量的自然基准，即原子在真空中的2d。能d5 级跃迁时辐射光波的波长 0.60578021 m, 一米为 波长的1650763.7潴。这一自然标准是米的复 现精度提高到。? 198穿第17届国际计量大会通过了以光速常数 擀!跳H牌I贲皮品 1港陶汜怵是光在真空中在1/299792458S勺时间间隔内 所行进的路程长度。13 2014/11/3? 2、从静态到动态目前多数计量基准和标

9、准是在静态条件下传递量值 的。由于生产发展的要求，许多精密测量和校准 工作要求在生产过程中进行，计量技术由静态向 动态发展是必然趋势。例如，激光干涉自动量块 检测仪可以实现对实物基准的动态检测。近年来 ,激光、光栅和感应同步器等新技术的推广和应 用，产生了各种类型的机、光、电相结合的自动 检测仪器。特别是近年来微处理器的应用，为计 量的自动化和智能化展示了广阔的背景。142014/11/3? 3从中间向两端扩展激光技术和量子学在测量中的应用，使测量从常规 的中等长度向两端扩展。现在已能测量几百米的特大尺寸，其测量误差不 超过几十微米。?单晶金刚石刀具的圆弧半径、原子力显微镜的前 端曲率半径测量

10、现在也不成问题。15 2014/11/3? 4从手动向自动化扩展?电子技术和计算机的广泛普及，不仅实现了 自动显示和自动数据处理，而且实现了程序 控制测量，从而改变了过去那种手摇、目测 和笔算的落后局面。16 2014/11/3精密测量的分类? 1、按照测量过程中是否 接触分为：?(1髅触式：测量过程中容易对被测对象产 生干扰；?(2养接触式：测量过程中不对被测对象产 生干扰，但是容易受到 外界因素的干扰。接触式测量17 2014/11/318 2014/11/3?(1)接触测量测量器具的测头与零件被测表面接触后有机械作用力的测量。如用外径千分尺、游标卡尺测 量零件等。为了保证接触的可靠性，测

11、量力是必要的 ，但它可能使测量器具及被测件发生变形而产生测量 误差，还可能造成对零件被测表面质量的损坏。常)非接触测量测量器具的感应元件与被测零件表面 不直接接触，因而不存在机械作用的测量力。属于非 接触测量的仪器主要是利用光、气、电、磁等作为感 应元件与被测件表面联系。如干涉显微镜、磁力测厚 仪、气动量仪等。19 2014/11/3? 2、按被测工件在测量时所处状态分类州）静态测量测量时被测件表面与测量器具 测头处于静止状态。例如用外径千分尺测量 轴径、用齿距仪测量齿轮齿距等。*）动态测量测量时被测零件表面与测量器 具测头处于相对运动状态，或测量过程是模 拟零件在工作或加工时的运动状态，它能

12、反 映生产过程中被测参数的变化过程。例如用 激光比长仪测量精密线纹尺，用电动轮廓仪 测量表面粗糙度等。20 2014/11/3静态测量21 2014/11/3地震测量振动波形动态测量畴MH分）22 2014/11/323 2014/11/3? 3按测量方法分类?量的基本概念是把一个未知的被测量和一个 已知的标准量相比较，按照比较的方法可分为 两类，即直接测量法和间接测量法。方M1)直接测量?(2问接测量直接测量电子卡尺242014/11/3间接测量?列如用弦高法”测量大尺寸圆柱体的直径， 由弦长SI弦高H的测量结果，可求得直径 D的实际值，如图所示。由图可得S2D 2 H两上式彳分后，喝到测量

13、结果?勺测量误差为dD 2H dS 1 S 2 dH2 24H求中dS-一弦长S的测量误差?dH-一弦高H的测量误差。25 2014/11/3在线测量27 2014/11/3在流水线上，边加工，边检验, 可提高产品的一致性和加工精度。? S按测量结果的读数值不同分类弱）绝对测量从测量器具上直接得到被测参数 的整个量值的测量。例如用游标卡尺测量零件 轴径值。?（2）相对测量将被测量和与其量值只有微小差 别的同一种已知量（一般为测量标准量）相比 较，得到被测量与已知量的相对偏差。例如比 较仪用量块调零后，测量轴的直径，比较仪的 示值就是量块与轴径的量值之差。28 2014/11/3教学内容?睇论（

14、2学时） ? 1、几何测量：（2学时）：? 2位移测量：（3学时）： ? 3速度、转速、加速度（3学时）? 4力学测量? 5压力测量? 6流体测量? 7、温度测量磁场测量（2学时）（2学时）（2学时）（2学时）（2学时）力、扭矩、应力、? 9时间、频率测量：（2学时） ? 10湿度与化学测量（2学时）：? 11、材料测量（4学时）? 12生物测量技术（2学时）：细胞、蛋白质等29? 13 MEMS测量技术（2学时）考核方式：大报告（80%） +平时20%? Measurement Systems Application and Design Ernest O. Doebelin著（测量系统应用

15、与设计）?精密测量技术蒋建强、曹志宏主编，北京师 范大学出版社。30教学内容?睇论（2学时） ? 1、几何测量：（2学时）：? 2位移测量：（3学时）：? 3速度、转速、加速度（3学时）? 4力学测量? 5压力测量? 6流体测量? 7、温度测量磁场测量（2学时）（2学时）（2学时）（2学时）（2学时）力、扭矩、应力、? 9时间、频率测量：（2学时） ? 10湿度与化学测量（2学时）：? 11、材料测量（4学时）? 12生物测量技术（2学时）：细胞、蛋白质等31? 13 MEMS测量技术（2学时）第一章几何测量.几何精密测量的基础理论.形位误差的评定.直线度的测量；.平面度的测量；.圆度的测量；32iEp*CtM QuKJiTWn( vtr*wr c aiipxiOotctfcomoarMonOptcai or (Twqrwtc cvx com(M*tonX prwctsxkn itooi(EkKtrc or pnttMHAtc rHtcfonwteri)33加工精度的预测 Taniguchi 1983t*Ctron 3cr肖维勒准则：残余误差满足MIZ