角度测量技术

角度测量技术第一节、角度测量概述1、角度的单位：国际单位制：弧度(rad)→分析、计算非国际单位：度(°)、分(´)、秒(")→实际应用（加工、测试）换算：1°=60´,1´=60",1rad=180/π°≈57.296°角度自然基准：360°圆周（绝对准确，没有误差）一、角度的单位和自然基准2、角度的自然基准：整圆周上所有角分度的误差之和等于零圆周封闭原则：在圆分度测量中，利用圆周封闭原则，可以提高测量精度。第2页,共32页，2024年2月25日，星期天二、角度的实物基准1、角度块规：形状：三角形（1个角度）长方形（4个角度）材料：与量块相同（稳定、耐磨）基准：工作面的夹角应用：测量零件角度，相对测量基准精度：0级±3"，1级±10"，2级±30"，第3页,共32页，2024年2月25日，星期天2、多面棱体：精度：±0.5"～±1"形状：正棱柱体面数：4、6、8、12、24、36、72基准：各工作面法线的夹角应用：测量圆分度误差（自准直仪）1---被测度盘；2---24面体；3---工作台；4---自准直仪；5---读数显微镜；6---底座第4页,共32页，2024年2月25日，星期天3、多齿分度盘：组成：上齿盘、下齿盘，直径、齿数、齿形相同齿数：360、720、1440精度：±0.1"（弹性变形实现误差平均效应）原理：下齿盘固定不动，上齿盘抬起脱离啮合后，即可绕其主轴旋转，再次啮合，即可根据转过的齿数多少进行精确分度．第5页,共32页，2024年2月25日，星期天4、圆光栅（同心环形光栅）：组成：一对光栅盘：定光栅、动光栅,直径、栅距相同精度：±0.2"（误差平均效应）原理：偏心叠合在一起，产生莫尔条纹；当光栅盘相对转动时，莫尔条纹同步移动。分辨力：±10"、±20"

分类：径向光栅、切向光栅、环形光栅环形圆光栅第6页,共32页，2024年2月25日，星期天5、光电编码器：组成：光源：产生平行光

码盘：光学玻璃，透光/不透光，同心圆环---码道

光电元件：每个码道对应一个光电元件精度：优于分辨力的一半原理：平行光源→码盘→光电元件→电信号输出每个码道上：透光=1，不透光=0，多个码道：0101…---绝对码分辨力：与码盘的码道数有关：例：19位编码器，分辨力为:360°/219=2.47"第7页,共32页，2024年2月25日，星期天编码数：2n第8页,共32页，2024年2月25日，星期天6、圆感应同步器：组成：转子(a)：激励绕组，连续绕组定子(b)：感应绕组正弦绕组、余弦绕组

精度：低于圆光栅原理：转盘相对定盘转动，在绕组中产生感应电势；经过电路处理，可获得转角信号。基准：360°，圆周封闭准则应用：抗干扰能力强，适于加工现场使用。N为极数，即转子连续绕组导体数；θ为转子转角第9页,共32页，2024年2月25日，星期天7、高精度度盘在圆盘的某一圆周上刻有一系列的等分刻线以实现圆周等分的器件称为度盘。度盘的角间隔一般为1o,30´,20´,10´,5´和4´几种。用于角度及圆分度误差的静态测量。第10页,共32页，2024年2月25日，星期天第二节、角度及角位移测量一、角度的直接测量1、测角仪：精密仪器，最小分辨率可达0.01"直接测量：测量0～360之间的任意角度构成：1－工作台：固定被测件4－自准直光管：对准目标5－读数装置：瞄准读数原理：先瞄准被测件的一个平面，读数α1转动工作台，再次瞄准另一个平面，读数α2，被测角度：角度基准：分度盘、圆光栅、码盘测量对象：角度块、多面棱体被瞄准平面具有较高的反射率第11页,共32页，2024年2月25日，星期天1、测角仪法第12页,共32页，2024年2月25日，星期天1、测角仪法光学自准直原理t---称为偏离量当α很小时，十字线与其倒像之间将错开距离t为：

第13页,共32页，2024年2月25日，星期天自准直仪的分度值有0.1″、0.2″和1″几种。

1、光源2、自准直分划板3、物镜4、反射物体5、测微分划板6、目镜光学自准直仪结构举例自准直仪通常由三部分组成:1.体外反射镜2.物镜光管部件3.测微目镜部件第14页,共32页，2024年2月25日，星期天1、测角仪法第15页,共32页，2024年2月25日，星期天2、影像测量法对象：平板类零件影像测量仪：原理：光源→目标→镜头→CCD→图像→计算机→数据处理→测量结果特点：快速－可以直接获取角度值；智能－无需瞄准和对准，自动测量；精准－高放大倍率、亚像素细分光源准直透镜工作台物镜CCD摄像机零件第16页,共32页，2024年2月25日，星期天3、激光干涉小角度测量构成：激光器－抗干扰；角锥棱镜－两个，差动测量；转台－被测转角；原理：激光器发出的激光被分光镜分为两束，分别投射到两个角锥棱镜，被反射镜反射后由光电接收器接收，产生干涉条纹，并随转台转动而移动。分辨力：0.002"范围：<10°应用：小角度测量国家基准（美国、日本、德国、俄罗斯）第17页,共32页，2024年2月25日，星期天构成：旋转工作台：固定被测件标准角度块：角度基准自准直仪：测量角度偏差原理：先放置标准角度块，自准直仪瞄准读数α1；放置被测工件，自准直仪再次瞄准读数α2；被测角度：角度基准：自准直仪测量对象：被瞄准平面具有较高的反射率4、自准直仪法（相对测量法）第18页,共32页，2024年2月25日，星期天二、角度的间接测量间接测量：测量其他量，计算得出角度。原理：利用三坐标测量机测量两端截面；分别获得两个截面的直径dA、dB和距离L；被测锥度：精度：一般可以高于直接测量角度。1、坐标测量法：第19页,共32页，2024年2月25日，星期天双坐标测量仪二、角度的间接测量第20页,共32页，2024年2月25日，星期天二、角度的间接测量2、平台测量法：第21页,共32页，2024年2月25日，星期天二、角度的间接测量第22页,共32页，2024年2月25日，星期天二、角度的间接测量原理：测量高度，计算角度：存在高度差时：范围：<45°，在测量小于30°的角度时，精确度可达3″～5″3、正弦规测量法：按正弦原理工作第23页,共32页，2024年2月25日，星期天二、角度的间接测量4、环形激光测量法：特点：可以在测量转速的同时测量转角环形激光是目前转速测量准确度最高的方法缺点：只能实现动态测量，对测量条件要求很高，加工工艺难以保证，成本高，对环境要求严格。第24页,共32页，2024年2月25日，星期天第三节、圆分度误差测量一、圆分度误差的概念圆分度：将整个圆周进行若干等分。例：若将圆周n等分，每分度360/n

圆分度误差：分度要素的实际位置相对于理想位置的偏差，用θi表示。第25页,共32页，2024年2月25日，星期天

2．零起分度误差

以零刻线的实际位置为基准，确定全部刻线的理论位置，并由此求得的分度误差称为零起分度误差，用表示。零起分度误差的一般表达式为第26页,共32页，2024年2月25日，星期天

3．分度间隔误差

度盘上相邻两刻线之间的角距离称为间隔。实际间隔角度值与理论间隔角度值

0之差即为分度间隔误差，用fi表示。分度间隔误差的一般表达式为：任意两刻线组成的间隔称为任意间隔。最大分度间隔误差Fmax

——度盘的一个重要评定指标第27页,共32页，2024年2月25日，星期天4、直径误差：直径位置两个分度值取平均，两条刻线分度误差的平均值，叫做直径误差，用(i)表示要点：刻线误差用来评定单边读数的度盘，而直径误差则用以评定对径读数的度盘。刻线误差的封闭条件为0-360°，而直径误差的封闭条件则为0-180°，即0～180°和180°～360°区域内刻线的直径误差完全相同。直径误差能减小度盘圆分度误差对测量的影响；第28页,共32页，2024年2月25日，星期天二、圆分度误差的直接测量直接测量法：将被测圆分度器件与标准圆分度器件同轴安装，直接比较被测件与基准，求得圆分度偏差。原理：驱动主轴转动→显微镜3粗定位→显微镜4精瞄准定位（5路信号的合成信号为0）→读显微镜5光电式度盘检查仪：组成：2－被测度盘：由2个光电显微镜5瞄准读数；1－基准度盘：由5个光电显微镜4精瞄准，由光电显微镜3粗定位；误差：标准件误差、瞄准误差、读数误差。第29页,共32页，2024年2月25日，星期天1、基准度盘2、被测度盘3、粗瞄准光电显微镜4、精瞄准光电显微镜5、读数显微镜第30页,共32页，2024年2月25日，星期天圆分度误差数据处理度盘刻度直径误差（φi)零起直径误差（φ0i)直径间隔误差(f(φ)i)0

-0.2"0"15

-0.4"-0.2"-0.2"30

-0.1"+0.1"+0.3"45

-0.45"-0.25"-0.35"60

-0.15"+0.05"+0.3"75-0.05"+0.15"+0.1"900"+0.2"+0.05"105+0.2"+0.4"+0.2"120+0.6"+0.8"+0.4"135+0.65"+0.85"+0.05"150+0.1"+0.3"-0.55"165

-0.2"0"-0.3"第31页,共32页，2024年2月25日，星期天三、圆分度的相对测量相对测量法：采用某个定角作为基准，依