互换性及测量技术基础(第十三章)

1、互换性及测量技术基础(第十三章)第一页，共71页。3.1 概述 “检测”就是确定产品是否满足设计要求的过程，即判断产品合格性的过程。 检测的方法可以分为两类：定性检验和定量测试。 检验是指判断被测物理量是否合格的过程。定性检验的方法只能得到被检验对象合格与否的结论，而不能得到其具体的量值。因其检验效率高、检验成本低而在大批量生产中得到广泛应用。 测试则是指其有试验研究性质的测量。定量测试的方法是在对被检验对象进行测量后，得到其实际值并判断其是否合格的方法。 第二页，共71页。3.1 概述一、技术测量的概念 检测的核心是测量技术。通过测量得到的数据，不仅能判断其合格性，还为分析产品制造过程中的质

2、量状况提供了最直接而可靠的依据。 “测量”是以确定量值为目的的全部操作。测量就是将被测量与具有计量单位的标准量在数值上进行比较，确定其比值的过程。 若被测量值为L，计量单位为u，确定的比值为q，则被测量值可表示为: q=L/u L=qu 基本测量方程式 一个完整的测量过程应包含四个要素：测量对象计量单位测量方法（含测量器具）测量精度第三页，共71页。 1.测量对象 被测量在机械精度的检测中主要是有关几何精度方面的参数量，其基本对象是长度和角度；表面粗糙度及几何公差；螺纹、齿轮的各几何参数等。 3.1 概述一、技术测量的概念 2.计量单位 计量单位（简称单位）是以定量表示同种量的量值而约定采用的

3、特定量。 第四页，共71页。 3.测量方法 是指进行测量时所采用的测量原理、测量器具（计量器具）和测量条件（环境和操作者）的总和。 3.1 概述一、技术测量的概念 4.测量精度 指测量结果与真值的一致程度。 不考虑测量精度而得到的测量结果是没有任何意义的。 真值的定义：当某量能被完善地确定并能排除所有测量上的缺陷时，通过测量所得到的量值。 第五页，共71页。 1.长度的量值传递 量值传递是“将国家计量基准所复现的计量值，通过检定（或其它方法）传递给下一等级的计量标准（器），并依次逐级传递到工作计量器具上，以保证被测对象的量值准确一致的方式”。 我国长度量值传递系统如图3-1所示，从最高基准谱线

4、向下传递，有两个平等的系统，即端面量具（量块）和刻线量具（线纹尺）系统。其中尤以量块传递系统应用最广。 3.1 概述二、尺寸传递 1983年第17届国际计量大会又更新了米的定义，规定： “米”是光在真空中在1/299792458s的时间间隔内行进路程的长度。 第六页，共71页。长度尺寸量值传递系统第七页，共71页。 2.角度的量值传递 角度基准与长度基准有本质的区别。角度的自然基准是客观存在的，不需要建立，因为一个整圆所对应的圆心角是定值（2rad或360）。因此，将整圆任意等分得到的角度的实际大小，可以通过各角度相互比较，利用圆周角的封闭性求出，实现对角度基准的复现。 为了检定和测量需要，仍

5、然要建立角度度量的基准 。3.1 概述二、尺寸传递第八页，共71页。角度量值传递系统正八面棱体第九页，共71页。量块（块规） 1.其作用为：作为长度基准的传递媒介。 1) 检定和校准测量工具和量仪； 2) 相对测量时用来调整量具或量仪的零位； 3) 用于精密测量、精密划线和精密机床的调整。3.1概述三、量块的基本知识第十页，共71页。 2.量块的构成 量块用铬锰钢等特殊合金钢或线膨胀系数小、性质稳定、耐磨以及不易变形的其它材料（石英玻璃）制成。其形状有长方体和圆柱体两种，常用的是长方体。 长方体的量块有两个平行的测量面，其余为非测量面。测量面极为光滑、平整，其表面粗糙度Ra值达0.012m以上

6、，两测量面之间的距离即为量块的工作长度（标称长度）。标称长度到5.5mm的量块，其公称值刻印在上测量面上；标称长度大于5.5mm的量块，其公称长度值刻印在上测量面左侧较宽的一个非测量面上 。3.1概述三、量块的基本知识第十一页，共71页。 上、下测量面极为光滑，具有粘合性3.1概述三、量块的基本知识第十二页，共71页。 3.量块的精度（级） 按国标GB/T6093-2001，量块按制造精度分6级，即00、0、1、2、3和K级，其中00级精度最高，3级最低，K级为校准级，主要根据量块长度极限偏差、量块长度变动量允许值、测量面的平面度、粗糙度及量块的研合性等指标来划分的。 量块生产企业大都按“级”

7、向市场销售量块。用户则按量块的标称尺寸使用量块。因此，按“级”使用量块必然受到量块长度制造偏差的影响，将把制造误差带入测量结果。L+0-231k000L中含制造误差3.1概述三、量块的基本知识第十三页，共71页。量块的“级”与“等” 量块的“级”和“等”是从成批制造和单个检定两种不同的角度出发，对其精度进行划分的两种形式。 “级”：制造精度，按GB/T60932001规定6级：00、0、1、2、3和K。 特点：按公称尺寸来使用量块。包含了量块的制造误差和磨损误差。无修正值。 “等”：检定精度，有1、2、3、4、5共五等。 特点：按检定的实际尺寸来使用量块。包含了量块的测量误差。JJG14620

8、03 一定的“等”量块只能从一定的“级”量块中检定出来。 测量误差远小于制造误差 , 按“等”使用量块其精度高于按“级”使用。可在保持量块原有使用精度的基础上延长其使用寿命。第十四页，共71页。 4.量块的选用 成套生产的量块共有17种套别总块数尺寸系列 mm间隔mm块数总块数尺寸系列 mm间隔mm块数830.511.0051.011.491.51.92.09.510100-0.010.10.5101114951610911.011.491.51.92.09.5101001.0011.00910.50.010.10.5100.001-49516109113.1概述三、量块的基本知识第十五页，共

9、71页。 量块的组合 为了减少量块的组合误差，应尽量减少量块的组合块数， 一般不超过45块。选用量块时，应从所需组合尺寸的最后一位数开始，每选一块至少应减去所需尺寸的一位尾数。例如，从83块一套的量块中选取尺寸为36.745mm的量块组，选取方法为： 36.745 所需尺寸 1.005 第一块量块尺寸 35.74 1.24 第二块量块尺寸 34.5 4.5 第三块量块尺寸 30.0 第四块量块尺寸 3.1概述三、量块的基本知识第十六页，共71页。 1.标准量具 是一种具有固定形态、用以复现或提供一个或多个已知量值的器具。按用途的不同量具可分为以下几类： 单值量具 只能体现一个单一量值的量具。可

10、校对和调整其它测量器具或作为标准量与被测量直接进行比较。如量块、角度量块等。 多值量具 可体现一组同类量值的量具。同样能校对和调整其它测量器具或作为标准量与被测量直接进行比较。如线纹尺、90角尺等。3.2 计量器具和测量方法一、计量器具的分类第十七页，共71页。 2.通用计量器具 有刻度，可测量一定范围内各种尺寸的零件并得出具体数值。 我国习惯上将结构比较简单的测量仪器称为通用量具。如游标卡尺、外径千分尺、百分表等。 量仪：是指能将被测量值转换成可直接观测的指示值或等效信息的测量器具，由测头(敏感元件)、变换、放大、传递及指示等部分组成。 按结构可分为：固定刻线量具、游标量具、微动螺旋副类量仪

11、、机械类量仪、光学类量仪、气动类量仪、电动式量仪、光电式量仪。3.2 计量器具和测量方法一、计量器具的分类第十八页，共71页。 3.专用计量器具 专门用来检验某种特定参数的量具。常见的有：检验光滑圆柱孔或轴的光滑极限量规(没有刻度的，用以检验零件尺寸或形状、相互位置的专用检验工具。它只能判断零件是否合格，而不能得到具体数值的测量结果)，判断内螺纹或外螺纹合格性的螺纹量规，判断复杂形状的表面轮廓合格性的检验样板，用模拟装配通过性来检验装配精度的功能量规等等。 4.检验夹具 也是一种量具、量仪和定位元件等组合的专用检验工具，可迅速方便地检查更多或更复杂的参数。3.2 计量器具和测量方法一、计量器具

12、的分类第十九页，共71页。检验光滑圆柱孔的光滑极限量规第二十页，共71页。中华人民共和国依法管理的主要长度计量器具 比长仪、干涉仪、稳频激光器，测长机，测长仪，工具显微镜，读数显微镜，光学计，测量用投影仪，三坐标测量仪、球径仪样板，圆度仪，锥度测量仪，孔径测量仪，比较仪，测微仪，光学仪器检具，量块，尺，基线尺，线纹尺，光栅尺，光栅测量装置，磁尺，容栅尺，水准标尺感应同步器，测绳，卡尺、千分尺，百分表，千分表，测微计，小孔内径表，平晶，刀口尺，棱尺、平尺、测量平板准直仪，调度块，角度规，直角尺，正弦尺，方箱、水平仪、象限仪，直角尺检定仪，水平仪检定器、塞规，卡规、环规，圆椎套规，塞尺，半径样板，

13、螺纹量规，螺纹样板，三针，粗糙度样板，粗糙度测量显微镜，表面轮廓仪，齿轮渐开检查仪，齿轮周节检查仪，齿轮基节检查仪 ，万能测齿仪第二十一页，共71页。 1.刻线间距C 测量器具标尺或刻度盘上两相邻刻线中心间的距离。为便于读数，一般做成刻线间距为0.752.5mm的等距离刻线。 2.分度值i 测量器具的标尺上，相邻两刻线所代表的量值之差。如一外径千分尺的微分筒上相邻两刻线所代表的量值之差为0.01mm，则该测量器具的分度值为0.01mm。分度值是一种测量器具所能直接读出的最小单位量值，它反映了读数精度的高低，从一个侧面说明了该测量器具的测量精度高低。 3.测量范围 在允许不确定度内，测量器具所能

14、测量的被测量值的下限值至上限值的范围。例如，外径千分尺的测量范围有025mm、2550mm等，机械式比较仪的测量范围为0180mm，如图所示。3.2 计量器具和测量方法二、计量器具的基本度量指标第二十二页，共71页。3.2 计量器具和测量方法二、计量器具的基本度量指标第二十三页，共71页。 4.示值范围 由测量器具所指示的被测量值。由测量器具所显示或指示的最低值到最高值的范围。如机械式比较仪的示值范围为-0.1+0.1mm（或0.1mm），如图 3-5 所示。 5.灵敏度 计量器具反映被测几何量微小变化的能力。如果被测参数的变化量为L，引起测量器具示值变化量为x，则灵敏度S=x/L。当分子分母

15、为同一类量时，灵敏度又称放大比K。 6.示值误差 测量仪器的示值与被测量的真值之差。示值误差是测量仪器本身各种误差的综合反映。因此，仪器示值范围内的不同工作点，示值误差是不相同的。一般可用适当精度的量块或其它计量标准器，来检定测量器具的示值误差。3.2 计量器具和测量方法二、计量器具的基本度量指标第二十四页，共71页。 7.校正值 为校正计量器具系统测量误差，用代数法加到测量结果上的值，与计量器具系统测量误差的绝对值相等而符号相反。 8.回程误差 在相同条件下，被测量值不变，测量器具行程方向不同时，两示值之差的绝对值。它是由测量器具中测量系统的间隙、变形和磨擦等原因引起的。 9.重复精度 在相

16、同的测量条件下，对同一被测参数多次重复测量，其结果的最大差异。反映的是测量仪器的工作稳定性。仪器给予出非常相似响应的能力。 10.测量力 在接触式测量过程中，测量器具测头与被测量面间的接触压力。测量力太大会引起弹性变形，测量力太小会影响接触的稳定性。3.2 计量器具和测量方法二、计量器具的基本度量指标第二十五页，共71页。 11灵敏阈 引起测量器具示值可觉察变化的被测量值的最小变化量。反映量仪对被测量值微小变动的不敏感程度。 12.允许误差 技术规范、规程对给定计量器具所允许的误差的极限值。 13.稳定度 在规定的工作条件下，计量器具保持其计量特性恒定不变的程度。 14.分辨力 计量器具指示装

17、置可以有效辨别所指示的紧密相邻量值的能力的定量表示。3.2 计量器具和测量方法二、计量器具的基本度量指标第二十六页，共71页。 广义的测量方法：是指测量时所采用的测量原理、计量器具和测量条件的总和。 1.按所测得的量（参数）是否为欲测之量分类 直接测量 从测量器具的读数装置上得到欲测之量的数值或对标准值的偏差。例如用游标卡尺、外径千分尺测量外圆直径，用比较仪测量长度尺寸等。 间接测量 先测出与欲测之量有一定函数关系的相关量，然后按相应的函数关系式，求得欲测之量的测量结果。 一般来说，直接测量比间接测量（受计算公式和计算精度影响）的精度高，无法进行直接测量的场合采用间接测量。3.2 计量器具和测

18、量方法三、测量方法的分类第二十七页，共71页。间接测量举例 例如用“弦高法”测量大尺寸圆柱体的直径，由弦长S与弦高H的测量结果，可求得直径D的实际值，如图所示。由图可得 对上式微分后，得到测量结果的测量误差为 式中 dS弦长S的测量误差dH弦高H的测量误差。 S第二十八页，共71页。 2.按测量结果的读数值不同分类 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。 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。 一

19、般来说，由于可缩小温度和测量力的变化造成的误差，相对测量的精度比绝对测量的精度高。 3.2 计量器具和测量方法三、测量方法的分类第二十九页，共71页。 3.按被测件表面与测量器具测头是否有机械接触分类 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。 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

20、、磁力测厚仪、气动量仪等。用于软质表面或薄壁工件。3.2 计量器具和测量方法三、测量方法的分类第三十页，共71页。 4.按测量在工艺过程中所起作用分类 主动测量 在加工过程中进行的测量。其测量结果直接用来控制零件的加工过程，决定是否继续加工或判断工艺过程是否正常、是否需要进行调整，故能及时防止废品的发生，所以又称为积极测量。 被动测量 加工完成后进行的测量。其结果仅用于发现并剔除废品，所以被动测量又称消极测量。3.2 计量器具和测量方法三、测量方法的分类第三十一页，共71页。 5.按零件上同时被测参数的多少分类 单项测量 单独地、彼此没有联系地测量零件的单项参数。如分别测量齿轮的齿厚、齿形、齿

21、距等。这种方法一般用于量规的检定、工序间的测量，或为了工艺分析、调整机床等目的。 综合测量 检测零件几个相关参数的综合效应或综合参数，从而综合判断零件的合格性。例如齿轮运动误差的综合测量、用螺纹量规检验螺纹的作用中径等。综合测量一般用于终结检验，其测量效率高，能有效保证互换性，在大批量生产中应用广泛。3.2 计量器具和测量方法三、测量方法的分类第三十二页，共71页。 6.按被测工件在测量时所处状态分类 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

22、加工时的运动状态，它能反映生产过程中被测参数的变化过程，测量效率高。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。3.2 计量器具和测量方法三、测量方法的分类第三十三页，共71页。 7.按测量中测量因素是否变化分类 等精度测量 在测量过程中，决定测量精度的全部因素或条件不变。例如，由同一个人，用同一台仪器，在同样的环境中，以同样方法，同样仔细地测量同一个量。在一般情况下，为了简化测量结果的处理，大都采用等精度测量。实际上，绝对的等精度测量是做不到的。 不等精度测量 在测量过程中，决定测量精度的全部因素或条件可能完全改变或部分改变。由于不等精度测量的数据处理比较麻烦，因此一般用于

23、重要的科研实验中的高精度测量。 3.2 计量器具和测量方法三、测量方法的分类第三十四页，共71页。 1.绝对误差 即测得值减去被测量的真值所得的代数差。若真值为L，测得值为x，测量误差为 ，则 2.相对误差 绝对误差与被测之量的真值之比，称为相对误差，常用百分数表示。即相对误差为 当被测之量值相等(或很接近)时，的大小可反映测量准确度；当被测之量值不相等(尤其是它们相差悬殊)时，可反映测量准确度。 3.3 测量误差及数据处理一、测量误差的基本概念第三十五页，共71页。 测量误差产生的原因： 1.测量器具的误差； 2.基准件误差； 3.调整误差； 4.测量方法误差； 5.测量力误差；测量力引起弹

24、性变形而产生的误差。 6.环境误差； 影响测量误差的主要因素是工件和量仪的温度差。为了减小这种影响，在测量前应使工件和量仪进行等温，即将工件和量仪放在同一温度条件下，经过一定时间使二者的温度与周围环境的温度保持一致。 7.人为误差 测量人员的主观因素引起的误差。3.3 测量误差及数据处理二、测量误差的来源及防止第三十六页，共71页。影响测量精度的因素测量精度测量设备测量方法测量环境测量人员第三十七页，共71页。 根据测量误差的性质、出现的规律和特点，可分为三大类，即系统误差、随机误差和粗大误差。 1.系统误差 在相同条件下多次测量同一量值时，误差值保持恒定；或者当条件改变时，其值按某一确定的规

25、律变化的误差，统称为系统误差。 系统误差按其出现的规律又可分为： 定值系统误差：在测量时，对每次测的值的影响都相同。 变值系统误差：在测量时，对每次测的值的影响按一定规律变化。3.3 测量误差及数据处理三、测量误差的分类第三十八页，共71页。 2.随机误差 在相同条件下，多次测量同一量值时，误差的绝对值与符号均不确定，以不可预知的方式变化的测量误差，称为随机误差（偶然误差） 。在一定测量条件下对同一值进行大量重复测量时，总体随机误差的产生满足统计规律，即具有有界性、对称性、抵偿性、单峰性。因此，可以分析和估算误差值的变动范围，并通过取平均值的办法来减小其对测量结果的影响。 3.粗大误差 由于测

26、量不正确等原因引起的明显歪曲测得值的测量误差或超出规定条件下预计的误差称为粗大误差。粗大误差的出现具有突然性，它是由某些偶尔发生的反常因素造成的。这种显著歪曲测得值的粗大误差应尽量避免，且在一系列测得值中按一定的判别准则予以剔除。3.3 测量误差及数据处理三、测量误差的分类第三十九页，共71页。测量误差的处理定值系统误差变值系统误差随机误差粗大误差理论上可以消除理论上不能消除但可减小应该而且可以消除测量摩擦 力变化振动或操作失误温度均匀变化零位调整误差第四十页，共71页。 1.精密度 指在多次重复测量中所得到的数值重复一致的程度，是用于评定随机误差的精度指标，表示随机误差大小的程度及随机分散的

27、特性。 2.正确度 表示测量结果中系统误差大小的程度，是用于评定系统误差的精度指标。 3.精确度 表示测量结果中随机误差和系统误差综合影响的程度，说明测量结果与真值的一致程度。精确度高正确度高精密度高随机误差小系统误差大系统误差小随机误差大系统误差小随机误差小3.3 测量误差及数据处理四、测量精度第四十一页，共71页。(一)随机误差的分布及其特征 正态分布曲线 根据随机误差的特性及全部随机误差的概率之和为1的事实，可导出反应随机误差特性的方程：式中：e自然对数底 随机误差 y概率密度 标准偏差(均方差)图 正态分布曲线3.3 测量误差及数据处理五、随机误差的分布及其评定第四十二页，共71页。(

28、一)随机误差的分布及其特征1、特性 单峰性：随机误差的绝对值越小出现的概率越大，反之则反 对称性：随机误差的绝对值相等的正负值出现的概率相等 有界性：在一定测量条件下，随机误差的分布范围实际有限并且一定；即绝对值很大的随机误差趋于零 抵偿性：对同一量多次测量，和测量的误差算术平均值随着测量次数的增多至无穷大时趋于零。3.3 测量误差及数据处理五、随机误差的分布及其评定第四十三页，共71页。1、算术平均值 真值是未知的，随机误差也未知，只要N够大时，可用一系列测量值的算术平均值来代替真值（最为近似的真值)。算术平均值为： 残余误差：测量值与算术平均值之差。3.3 测量误差及数据处理五、随机误差的

29、分布及其评定(二)随机误差的评定指标第四十四页，共71页。2、标准偏差 根据误差理论，随机误差的标准偏差为各随机误差平方和之平均值的平方根，即： 式中： 随机误差,即消除系统误差后的测量值 与真值之差x0：N重复测量的次数3.3 测量误差及数据处理五、随机误差的分布及其评定(二)随机误差的评定指标第四十五页，共71页。(二)随机误差的评定指标第四十六页，共71页。第四十七页，共71页。系统误差的确定 1）定值系统误差的发现 用实验对比的方法发现，改变测量条件测量2）变值系统误差的发现残余误差法不存在变值系统误差 系列残余误差大体正负相同，无显著变化规律存在线性系统误差 系列残余误差有规律地递增

30、或递减存在周期性系统误差 系列残余误差有规律地逐渐由负变正或由正变负存在复杂系统误差 系统残差按某种特性规律变化该方法不能发现定值系统误差3.3 测量误差及数据处理六、测量列中各类测量误差的处理(一)系统误差处理第四十八页，共71页。2 系统误差的消除 1）从产生误差根源上消除 根本方法，测量环节仔细分析，调整零位、工作台等。2）用加修正值的方法消除 预先检定误差值，反号修正到实际测量值上。3）用两次读数方法消除 若两次测量产生的系统误差大小相等、符号相反，则取两次测量的平均值为测量结果。4）用对称法消除 存在线性误差时，采用比较测量，按步骤测工件，测标准件，测标准件，测工件，取 读数平均值与

31、 读数平均值之差作为施测偏差。5）用半波法消除 周期性系统误差时，取相隔半个周期的两测量值的平均值作为测量结果。第四十九页，共71页。(二)随机误差的处理第五十页，共71页。判断粗大误差 拉依达准则（3准则，服从正态分布的误差且重复测量次数较多）(三) 粗大误差的处理第五十一页，共71页。数据处理步骤判断变值系统误差；计算测量列的算术平均值；计算测量列残余误差；计算任一测得值的标准偏差；判断有无粗大误差，若有，剔除，重新计算；计算测量列算术平均值的标准偏差和极限误差；确定测量结果。3.3 测量误差及数据处理七、测量列中各类测量误差的处理第五十二页，共71页。序号 测得值剩余误差剩余误差的平方1

32、234567891029.99929.99429.99829.99629.99729.99829.99729.99529.99929.9970.002-0.0030.001-0.00100.0010-0.0020.00204911010440例：对某一轴径等精度测量10次，测得值如表，假设已消除了定值系统误差，试求其测量结果。第五十三页，共71页。求求测量列的残余误差 ，如表。判断变值系统误差。根据“系统误差观察法”判断，由于该测量列中的剩余误差大体上正负相间，无明显变化规律，故认为无变值系统误差。求 得判断粗大误差。用 准则，由测量列剩余误差均故不存在粗大误差。第五十四页，共71页。求则7 测量结果。第五十五页，共71页。常用测量量具第五十六页，共71页。第五十七页，共71页。普通游标卡尺数显游标卡尺高度游标卡尺深度游标卡尺角度游标卡尺第五十八页，共71页。第五十九页，共71页。第六十页，共71页。螺旋副类量仪普通外径千分尺带表外径千分尺高度千分尺厚度外径千分尺内径千分尺第六十一页，共71页。机械类量仪 机械类量仪是利用机械结构将直线位移经传动、放大后、通过读数装置表示出来的一种测量器具。主要有杠杆变换、齿轮变换和弹簧变换。第六十二页，共71页。光学类量仪 19世纪末出现立式测长仪，20世纪20年代前后已应用自准直、望远镜、显微镜