精密测量技术02.ppt

1、2020/8/12,1,第二章 长度尺寸测量,2020/8/12,2,测量的一般步骤,确定被检测项目 认真审阅被测件图纸及有关的技术资料，了解被测件的用途，熟悉各项技术要求，明确需要检测的项目。 设计检测方案 根据检测项目的性质、具体要求、结构特点、批量大小、检测设备状况、检测环境及检测人员的能力等多种因素，设计一个能满足检测精度要求，且具有低成本、高效率的检测方案。 选择检测器具 按照规范要求选择适当的检测器具，设计、制作专用的检测器具和辅助工具，并进行必要的误差分析。,2020/8/12,3,测量的一般步骤,检测前准备 清理检测环境并检查是否满足检测要求，清洗标准器、被测件及辅助工具，对检

2、测器具进行调整使之处于正常的工作状态。 采集数据 安装被测件，按照设计预案采集测量数据并规范地作好原始记录。 数据处理 对检测数据进行计算和处理，获得检测结果。 填报检测结果 将检测结果填写在检测报告单及有关的原始记录中，并根据技术要求作出合格性的判定。,2020/8/12,4,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所示，从最高基准谱线向下传递，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

3、应用最广。,2020/8/12,5,2020/8/12,6,量值的传递,量值系统的建立和执行，保证了国家计量行政机关自上而下的对量值进行合理的统一控制。企业要确保产品质量，增强市场竞争力，必须主动采取措施，保证量值的可靠。因此，在GB/T9000“质量管理和质量保证”系列标准中，对企业的测量设备（器具）提出了“溯源性”的要求，即测量结果必须具有能与国家计量基准或国际计量基准相联系的特性。所用计量器具要获得这一特性，就必须经过具有较高准确度的计量标准的检定，而该计量标准又需受到上一级计量标准的检定，逐级往上溯源，直至国家计量基准或国际计量基准，实现企业的量值在国际范围内的合理的统一。,2020/

4、8/12,7,2-1 线纹尺的检定 (自学) 线纹尺是一种具有等分刻度的多值量具，是以任意两条刻线间的垂直距离作为长度的高精度基准器和标准器的。它是人类使用最早的古老的量具之一，在现代科学技术和工业生产中更是不可缺少的器具之一，如坐标机床上的金属线纹尺，精密测量仪器上的玻璃线纹尺等。 线纹尺按照精度等级和用途不同，可以分为:基准线纹尺，一、二、三等标准金属线纹尺，一、二等标准玻璃线纹尺，标准钢卷尺,2020/8/12,8,线纹尺的截面形状有x形，H形和矩形等三类，如图所示，其中图a和图b所示的X形和H形截面的线纹尺刚性好，抗弯曲能力强，线纹刻在中性面A上时变形最小。因为X形截面的线纹尺工艺困难

5、，造价很高，所以目前基本上不用。矩形截面的线纹尺，如c所示，因为没有中性面，所以为了增强抗弯曲能力，必须加大截面尺寸。,2020/8/12,9,2020/8/12,10,线纹尺的主要用途有两种： 一种是作为长度量值传递系统中与量块并行的另一实物基准和标准，以保证长度单位量值的准确和统一； 另一种是将各种不同精度等级的线纹尺装在测量仪器和精密机床上作为精密测长标准之用。例如各种坐标测量仪器、测长机和坐标机床上都装有线纹尺，这些仪器和机床的测量和加工精度，主要取决于线纹尺的精度。,2020/8/12,11,一、线纹尺的基本技术要求 对线纹尺的基本要求是示值分度精度和稳定不变两项。 为实现这两项基本

6、要求，就必须对线纹尺的材料、结构和工艺处理提出具体要求，即分度偏差、稳定性、刻线质量(清晰度)、刻线面的直线度和平面度、抗氧化能力、材料纯度和均匀性、线膨胀系数等一系列具体要求。 为了满足线纹尺的基本要求，线纹尺的外形设计需考虑以下三点：刚性好、自重小和安装调整方便。,2020/8/12,12,二、线纹尺的种类 线纹尺的种类很多，可从不同角度进行分类。我们按计量学功能及材料分类，有基准线纹尺、标准金属线纹尺和标准玻璃线纹尺。 (1)基准线纹尺 基准线纹尺也称工作基准尺，它的最高基准是按新米定义建立的米基准，即是由国家的长度基准直接来检定的。它的主要用途是对高精度的计量仪器进行检定或比对，还可在

7、线纹量值传递中检定较低精度的线尺。基准线纹尺的技术参数如表所列。,2020/8/12,13,基准线纹尺有以下几种： 基准短标尺，它分为100mm和200mm两种，横截面多为矩形，其材料有殷钢、光学玻璃和石英等。刻线偏差在全长上不得超过1m，而每个厘米、每个毫米、0.1毫米的偏差不得超过0.5m 。 石英基准线纹尺，其示值范围为1200mm，检定极限误差为(0.05+0.16L)m 。 殷钢基准线纹尺，其示值范围为11000mm，检定极限误差为士(0. 08+0.12L)m , 以上L是以m为单位的被检线纹尺的长度。 目前，石英基准线纹尺和殷钢基准线纹尺已经不作为检定一等标准线纹尺的工作基准，它

8、在线纹尺量值传递系统中的作用主要是比对检定标准线纹尺的基准仪器-氦氖激光干涉比长仪。,2020/8/12,14,（2）标准金属线纹尺 标准金属线纹尺共分三等。一等标准金属线纹尺用于检定二等及二等以下的标准金属线纹尺，还可检定相应精度的计量仪器和精密机床；二等标准金属线纹尺用于检定三等标准金属线纹尺、标准钢卷尺和殷钢水准尺等；三等标准金属线纹尺用于检定钢板尺、二级钢卷尺、木折尺等。 一、二等标准金属线纹尺的横截面为H形，其外形如图b所示，刻度平面为其中性面线纹尺的零刻度线与尺端距离为1015mm，在首末刻度线之外2mm处，分别刻有1mm间距的辅助刻度线，辅助刻度线的细分度为0.1 mm。一、二等

9、标准金属线纹尺要求用含镍36%的殷钢或含镍58%的镍钢或镀镍(或铬)低碳钢制造。对于材料的稳定性、长度的年变化量要求一等不大于0.5m /m，,2020/8/12,15,(3)标准玻璃线纹尺 标准玻璃线纹尺分为两等，一等标准玻璃线纹尺用于检定二等标准玻璃线纹尺及相应精度的精密计量仪器和精密机床及其标尺等。二等标准玻璃线纹尺用于检定低于二等的其它种类线纹尺。标准玻璃线纹尺也称短标尺，主要用在仪器或精密机床中，其长度一般为100mm和200mm的两种，其外形如图所示。我国的线纹量值传递系统规定玻璃线纹尺的长度为1-1000mm，以满足生产的需要。,2020/8/12,16,三、线纹尺的检定 为了使

10、线纹量值准确一致，以提高其使用精度，需要通过各精度等级线纹尺的检定来实现。由于线纹尺是以刻线间的距离作为工作长度的，因此线纹尺的检定不同于其它量具的检定，有自己的特点。如在检定过程中，刻线位置的瞄准定位只能采用非接触方法，为了减小非接触瞄准的误差，应采用高精度的线纹尺作专用计量仪器，线纹尺检定属于大尺寸测量，受温度影响较大，因此应有严格的温度要求；同时，由于测量范围大，使仪器工作台移动范围也大，对仪器的性能和精度提出更高的要求。我国研制成功的各种类型的高精度线纹计量基准仪器，如激光比长仪，光电光波比长仪等，检定精度达到了0.5m ，实现了线纹尺的高精度、高效率和动态自动检定，达到了世界先进水平

11、。,2020/8/12,17,对各类线纹尺的检定及钢卷尺的检定应按照国家质量技术监督局的计量检定规程进行，目前我国主要采用以下几个检定规程： JJG 170-1994长度至1000mm一、二等标准金属线纹尺检定规程; JJG 71-1991三等标准金属线纹尺检定规程; JJG 73-1994长度至200mm一、二等玻璃线纹尺检定规程; JJG 4一1999钢卷尺检定规程。,2020/8/12,18,线纹尺的检定方法，可分为绝对检定法、相对检定法和组合检定法三种。 绝对检定法是在仪器上直接获得被测线纹尺的实际尺寸； 相对检定法是在仪器上读得被检线纹尺相对标准线纹尺的偏差值； 组合检定法是通过检定

12、辅助尺与被检线纹尺各间距的尺寸差，按最小二乘原理进行数据处理求得偏差值。,2020/8/12,19,1.线纹尺的绝对检定法 绝对检定法是一种使被测线纹尺一长度直接与光波波长进行比较，用光波波长来确定两刻线间距离的检定方法。它是用干涉测长原理，通过光电转换和电子技术对干涉条纹进行计数来获得被测长度。 绝对光波干涉法适用于高精度的基准线纹尺和一等标准线纹尺的检定。 下图所示分别为光电光波比长仪的机构图和光路示意图。,2020/8/12,20,仪器在设计中采用了双基准的结构。仪器底座1由三个千斤顶2支承，床身3由三个钢球4支承在底座1上。三个钢球支承点的位置，恰好与底座的三个干斤顶相重合。可移动的工

13、作台7安放在床身上，被测线纹尺6安装在工作台7上。11为驱动电机。底座的左方为光学管部件10，右方为干涉仪部件9。动态光电显微镜8装在横梁5上，并可左右移动。,2020/8/12,21,另一路由分光镜5投射到不动的平面反射镜6，再射至参考的三面直角棱镜7上，然后由原路反射回来至分光镜5。参考三面直角棱镜7是固定不动的，而三面直角棱镜8的位置则随工作台19的移动而变动。因而从两个三面直角棱镜7、8反射回来的光束在分光镜5上发生干涉。当两路光程差是激光半波长/2的偶数倍时出现亮条纹，奇数倍时出现暗条纹。当工作台连续移动时每移动/2的距离，干涉条纹就会明暗变化一次，经光电转换后 发出一个交变的电信号

14、。,由单模稳频氦-氖激光器1发出的光束经准值光管2后成一束平行光。再经半圆形光栏3，由平面反射镜4射至分光镜5，将光分成两路:一路反射到固定在工作台19上的三面直角棱镜8上，经反射后仍按原来的投射方向反向射至分光镜5；,2020/8/12,22,当工作台19向各方向前进时，在分光镜5上就会出现明暗交变的干涉条纹，交变的次数乘以半波长 /2即为工作台移动的距离，也就是被测线纹尺的移动距离。 测量时，被测线纹尺20安置在工作台19上，18为动态光电显微镜，它可对运动状态的被测线纹尺的刻线进行瞄准，并发出相应的控制指令。17为观察望远镜，当移开反射镜9和10后，可以观察干涉场上干涉图象，并可进行调整

15、。这样，当被测线纹尺随同固定在工作台19上的三面直角棱镜8移动一个被检线纹尺的刻线距离，干涉系统光程差的变化为2L。若激光波长为 ，则有下式：2 LN 。,2020/8/12,23,2.线纹尺的相对测量法 绝对法测量线纹尺的精度很高，但是其结构复杂，体积庞大，要求的测量条件很高。目前只有少数科研单位和计量中心才拥有这种仪器。各级计量部门和企业部门都采用结构简单的线纹比长仪，以相对法测量线纹尺。 相对测量法是选择一支精度等级比被检线纹尺高一等的标准线纹尺，在线纹比长仪上将两支线纹尺的刻线间距相比较，借助光学显微镜或静态光电显微镜，读出两者刻线间距的差值的方法。相对法主要用于二等以下线纹尺的检定。

16、 用于相对测量法的线纹比长仪有串联式和并联式两类，并联式由于不能实现分米以下的细分间距比较，目前除用于基准、标准线纹尺线膨胀系数的测量外，一般单位基本不用了。串联式测量如下图所示：,2020/8/12,24,将标准线纹尺A和被检线纹尺B首尾相接地安装在同一条测量轴线上，两个固定的显微镜MA和MB分别对准两支线纹尺的同名刻线。测量时，微调工作台使显微镜MA瞄准标准尺的零刻线并对零，再用显微镜MB在被测线纹尺的零刻线上读得数值m0。然后移动工作台C，按照预先确定的测量间隔(如每10mm为一间隔)，使显微镜MA瞄准标准线纹尺的相应刻线，再用显微镜MB在被测线纹尺上瞄准，并读得数值m1。移动工作台至下

17、一个应测的间隔，按顺序瞄准、读得数值mi(i1、2，3，)，测得最后一条刻线为止。根据读得的各个数值，计算出被测线纹尺各个间隔对标准线纹尺相应间隔的偏差值L1，L2， Li ，当两支线纹尺的序号方向与两显微镜现场分别板表示示值方向一致时， Lk按下式计算： Li mi m0,2020/8/12,25,并联式测量如上图所示，其特点是标准尺与被测尺的测量轴不在同一条直线上，而是彼此平行地并列安装。其测量过程与串联式相同。 串联式与并联式相比较，串联式符合阿贝原则，误差较小，但仪器的体积较大，对保持温度的平衡不利；并联式不符合阿贝原则、误差较大，因此只适用于检定精度较低的线纹尺，但仪器轮廓尺寸相对小

18、些，同时也省料、省地、易于保持温度的平衡。,2020/8/12,26,仪器上所用的显微镜有光学式和光电式两种。用光学式显微镜瞄准读数，测量时是用眼睛观察对线，因此要求测量人员有较高的熟练程度，劳动强度大，效率也低。为了提高瞄准和读数精度，可采用光电显微镜。,2020/8/12,27,2-2 量块的检定(自学),使用波长作为长度基准，虽然可以达到足够的精确度，但因对复现的条件有很高的要求，不便在生产中直接用于尺寸的测量。因此，需要将基准的量值按照定义的规定，复现在实物计量标准器上。常见的实物计量标准器有量块（块规）和线纹尺。 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

19、它材料制成。其形状有长方体和圆柱体两种，常用的是长方体。,2020/8/12,28,量块是一种用两端平行平面之间的距离来表示长度量值的长方形六面体高精度单值量具(又称端度器，俗称块规)。其长度为计量器具的长度标准。由于量块形状简单，所以制造精度容易提高，又易于用光波干涉法对它的工作长度作高精度测量。量块是长度计量中应用很广的一种实物标准。把国家基准所复现的长度单位量值通过不同精度等级的量块传递到工作用长度计量器具的全部过程称为量块的量值传递。其目的是为了保证被测对象的长度量值的准确和一致。,2020/8/12,29,量块是几何量计量中从长度的自然基准传递到实物基准保证量值统一的端面基准器具。

20、通过计量仪器、量具和量规等示值误差的检定等方式，使机械加工中各种制成品的尺寸能够溯源到长度基准。,2020/8/12,30,量块的形状为矩形截面的长方体，它有两个测量面和四个非测量面。如图所示，图中上、下两测量面之间的距离为量块的公称值。,2020/8/12,31,大于100mm的量块在距测量面为25mm处有两个直径为12mm的通孔，以使用夹具连接量块，在距测量面0.211 L(L为标称尺寸)处刻有两条直线作为量块支承位置(称艾利点)的标记。 对标称长度为5.5mm及小于它的量块，代表其标称长度的数码字和制造者商标，刻印在一个测量面上，此面称为上测量面。与此相对的那个面为下测量面。标称长度大于

21、5.5mm到1 000mm的量块，其标称长度的数码字和制造者商标，刻印在面积较大的一个侧面上。当此面顺向面对观测者放置时，它右边的那一个面为上测量面，左边的那一个面为下测量面。,2020/8/12,32,量块是用刚性良好、表面耐磨损、长度稳定、组织均匀、结构紧密和容易加工出高级表面粗糙度的材料制造。一般是用经淬火、回火和低温处理的GCr15轴承钢制造量块，除能够满足上述要求以外，还由于它的温度线膨胀系数与大多数机械加工中被检测的对象(钢、铁零件)相近，这有利于减小使用量块测量时，由于温度偏离20C而引起的误差。,2020/8/12,33,量块的用途,作为长度尺寸标准的实物载体，将国家的长度基准

22、按照一定的规范逐级传递到机械产品制造环节，实现量值统一。 作为标准长度标定量仪，检定量仪的示值误差。 相对测量时以量块为标准，用测量器具比较量块与被测尺寸的差值。 也可直接用于精密测量、精密划线和精密机床的调整。,2020/8/12,34,(2)量块的任意(位置)长度 量块一个测量面上任意点(不包括距侧面为0.8 mm的区域)，到此量块另一侧量面之间的垂直距离，如图中Li。 (3)量块测量面的研合性 两个量块的测量面，或一个量块的测量面与玻璃(或石英)平晶一个测量面之间能够相互研合的能力。,1、量块的名词和定义 (1)量块的中心(位置)长度 量块一个测量面的中心点，到此量块另一测量面之间的垂直

23、距离，如图中的L 。,2020/8/12,35,(4)量块的平面平行性偏差 量块一测量面上任意点到另一测量面(不包括距测量面边缘0.5mm的区域)的距离与中心长度之差的最大绝对值称为量块的平面平行性偏差。一般以测量四个角位置的长度与中心长度之差的最大值的绝对值来确定量块平面平行度偏差值。 (5)量块测量面的平面度 包容量块测量面而且距离为最小的两个平行平面之间的距离，即为量块测量面的平面度偏差。 (6)量块的测量误差和测量的极限误差 量块的测量误差是指量块的实测尺寸与量块的真实尺寸x之差占。 =L-x 尽管量块的真实尺寸无法知道，但是可以通过对引起测量误差的各种因素进行分析和综合，估计出测量误

24、差的大小范围，来判断实测尺寸接近于真实尺寸的程度。在量块的测量中，一般都用测量的极限误差(3)来描述量块长度测量的精度。,2020/8/12,36,2.量块的基本性质 (1)研合性 量块是单值尺寸，使用时可以组合成所需要的尺寸，因此要求量块测量面具有研合性。量块测量面的粗糙度和平面度误差很小，当表面留有一层极薄的油膜(约0.02m)时，在推合作用下，由于分子间的吸引力面使两测量面研合在一起。两块尺寸之和构成新的尺寸，借助研合性质便可组合成各种尺寸.但是量块不是随便可组合成任意块数的，它有组合误差，称为研合厚度的散发值。约为0.023 m；三块组合时，其散发值为 0.032 m；用四块组合时，其

25、散发值为 0.040 m ，这说明散发值与组合量块的块数减1的平方根成正比。所以组合量块不能太多，加上平面平行性偏差和块尺寸的极限误差等影响，在一般测量中，最多不应超过四块的组合。,2020/8/12,37,(2)稳定性 在一定时期内，量块长度的变化不应超过一定的范围。它以一米长的量块在一年内的变化来表示稳定性。 量块经过机械加工和冷热处理等工艺过程，材料内部存在残余应力和不稳定组织，量块制成后，它们仍在继续变化，如金相组织的变化引起晶格的伸缩，因而造成量块的不稳定。若量块件部分的长度变化不均匀，则导致量块的平面度、平面平行性变化，进而影响研合性。因此量块必须具有一定的稳定性，保证量块在使用周

26、期中保持一定等级的精度。,2020/8/12,38,(3)耐磨性 量块在组合使用时的推合，或与仪器工作台、量具测量面等接触时的相对移动都会便测量面磨损，量块测量面的磨损将影响研合性，降低量块的尺寸精度，缩短量块的使用寿命。为减少量块的磨损，量块应具有一定的耐磨性。量块的耐磨性与材料及热处理有关。量块一般用铬锰钢制造，经过热处理，这样材料的金相组织细密，硬度较高，因此耐磨性较好。量块材料也有用硬质合金制造的，其耐磨性比钢质量高40倍左右。也有用石英玻璃或油石制造的量块，它们都具有很高的耐磨性，但加工性不好，而且价格昂贵，所以用得不多。,2020/8/12,39,(4)线膨胀系数 在相对测量中，量

27、块作为标准量与被测工件相比较进行测量，一般被测工件由钢制成，其线膨胀系数约为(11.53)10-6/ ，这就要求量块的线膨胀系数与之相近，以减少相对测量时因环境温度与标准温度20之差而产生的测量误差。为此，我国规定，在温度为10-30范围内，钢质量块的线膨胀系数应为(11.51)10-6/。 硬质合金量块和油石块，虽然它们的硬度高，耐磨性好，但它们的线膨胀系数与钢质工件的线膨胀系数相差很大。当环境温度与20有偏差时，就会因量块与被测工件的变化量不相同而产生较大的测量误差。,2020/8/12,40,3.量块的级和等及它们之间的关系 量块的精度分级又分等。量块按制造精度分级，即根据量块测量面的平

28、面度、研合性及中心长度和平面平行性的偏差分为0，1，2，3，4共五级，其中0级精度最高。 量块按测量精度分等，即根据量块测量面的平面度、研合性、量块中心长度测量的极限误差和平面平行性偏差分为1，2，3，4，5，6共六等，其中1等精度最高。,2020/8/12,41,量块的“等”与“级”有不同的划分和使用原则，但相互之间又有着密切的关系。 对量块平面度、研合性和平面平行偏差，规定1，2等与0级，3，4等与1，2级，5，6等与3， 4级分别相同，因此一定等的量块只能从一定级的量块中检定出来。,2020/8/12,42,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

29、发，对其精度进行划分的两种形式。 按“级”使用时，以标记在量块上的标称尺寸作为工作尺寸，该尺寸包含其制造误差。 按“等”使用时，必须以检定后的实际尺寸作为工作尺寸，该尺寸不包含制造误差，但包含了检定时的测量误差。 就同一量块而言，检定时的测量误差要比制造误差小得多。所以，量块按“等”使用时其精度比按“级”使用要高，且能在保持量块原有使用精度的基础上延长其使用寿命。,2020/8/12,43,量块的选用,量块是定尺寸量具，一个量块只有一个尺寸。为了满足一定范围的不同要求，量块可以利用其测量面的高精度所具有粘合性，将多个量块研合在一起，组合使用。根据标准GB609385规定，我国成套生产的量块共有

30、17种套别，每套的块数分别为91、83、46、12、10、8、6、5、等。表3-4所列为83块组和91块组一套的量块的尺寸系列。 粘合性：测量层表面有一层极薄的油膜，在切向推合力的作用下，由于分子间吸引力，使两量块研合在一起的特性。,2020/8/12,44,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4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 1.24 第二块量块尺寸 4.5 第三块量块尺寸

31、30.0 第四块量块尺寸,35.74,34.5,2020/8/12,45,量块使用的注意事项,量块必须在使用有效期内，否则应及时送专业部门检定。 使用环境良好，防止各种腐蚀性物质及灰尘对测量面的损伤，影响其粘合性。 分清量块的“级”与“等”，注意使用规则。 所选量块应用航空汽油清洗、洁净软布擦干，待量块温度与环境温度相同后方可使用。 轻拿、轻放量块，杜绝磕碰、跌落等情况的发生。 不得用手直接接触量块，以免造成汗液对量块的腐蚀及手温对测量精确度的影响。 使用完毕，应用航空汽油清洗所用量块，并擦干后涂上防锈脂存于干燥处。,2020/8/12,46,4.量块的检定 量块是长度量值传递和精密测量不可缺

32、少的标准，要求精度很高。但是量块由于材料的不稳定和在使用磨损后经过修理后造成尺寸失真而影响使用精度要求，因此必须对量块进行周期检定。两次检定之间的一段时间称为一个周期，周期的长短视具体情况而定。新制造的量块必须进行检定。 目前我国量块检定主要采用JJGl46-1994量块检定规程来代替以前的JJGl00-1991和JJG146-1976，对各类量块的检定应按JJGl46-1994进行。必须指出，全面的量块检定应严格按JJGl46-1994进行。,2020/8/12,47,(1)绝对测量法 直接与光波波长作比较，从而推算出量块长度的方法习惯上称作绝对测量法，能够实现这种测量的仪器称为绝对光波干涉

33、仪。根据不同的测量原理，绝对光波干涉仪又可分为小数重合法、计数法和管状标准具光学倍乘法等几种类型。前东德蔡司厂的柯氏干涉仪属于小数重合法，它是根据麦克尔逊干涉原理构成的，由于当时计数技术尚未发展，所以通过数种不同波长测得干涉条纹的小数部分，应用小数重合技术来确定被检量块长度。,2020/8/12,48,由于激光自动干涉计数技术的发展，我国于70年代末研制成功了JLG-l型激光量块干涉仪。仪器备有小量块圆形工作台，适合于测量100mm以下的量块。每次可安装12块，在温度控制达到要求时，可自动地完成每一量块长度的测量和更换。仪器同时还备有大量块长工作台，适合于1001000mm量块的测量。每次可安

34、装3块量块，当温度控制达到要求时，在仪器的保温箱外操纵3块量块按顺序进入测量位置。,2020/8/12,49,(2)相对测量法 将被测量块与精度等级比它高一等的标准量块，在规定测量精度的仪器上进行比较，求出被测量块长度的方法，叫做相对测量法。相对测量最高能检定2等量块。 立式接触干涉仪是广泛用于相对测量法的高精度长度测量仪器。检定长度在150mm以下，精度等级在4等或2级以上的量块，多数都是在该仪器上进行测量的。 接触干涉仪的测量原理是:在干涉系统中，将可动反射镜与机械式的测杆相连，由测杆的测头与被检量块相接触，因而当量块长度尺寸变化寸，可动反射镜也随着变化，由此变化而引起的光程差的变化，相当

35、于白光干涉零次干涉条纹的位移。利用该零次干涉条纹作为指针，即可由其位移反映量块长度尺寸变化。,2020/8/12,50,由反射镜6, 7反射回的两光束在分光镜相遇产生干涉，通过物镜8，目镜10进行观察，在视场中可以同时见到干涉条纹和分划板上的分划刻线。目镜可绕轴11转动，以方便观察，反射镜固定在测杆12上，并可与测杆一起沿测杆轴线移动。13为直接与被测件接触的测帽。,左图为立式接触干涉仪的光学系统示意图。由光源l射出的白光经聚光镜2后，经滤光片3投射到分光镜4上。分光镜把光分成两束分别投射到位于相互垂直的反射镜6、7上。由分光镜表面到反射镜6的光束，借助于补偿镜5使其路程上的光学条件与投射到反

36、射镜7上的路程完全相同。,2020/8/12,51,2-3 长度尺寸的测量,长度尺寸是几何中最基本的参数，长度尺寸可按多种方法分类： 按大小可分为大尺寸、中等尺寸和微小尺寸； 按空间位置可分为一维尺寸、二维尺寸和三维尺寸； 按结构特性可分为内尺寸、外尺寸、交点尺寸； 按仪器测头与被测对象表面接触与否可分为接触测量和非接触测量。 由于长度尺寸处于被测对象之中，而被测对象大小不一、种类繁多，即使同一个被测对象，有时也含有多个被测尺寸，因此长度尺寸的测量方法是多种多样的。,2020/8/12,52,一、常见尺寸的定位 常见尺寸指的是介于1mm和1m之间的尺寸，这类尺寸测量可以用直接测量法或用属于间接

37、测量范畴的坐标测量法来实现。 测量方法和测量仪器选定以后，无论是手动测量还是自动测量，测量的主要步骤均为: 定位、瞄准、读数、数据处理、给出测量结果等。 (一)定位 定位是测量过程中非常重要的环节，定位的目的是使被测工件处于最佳方位，使实际测量量符合被测量的定义。,2020/8/12,53,典型的工件定位方法有平面定位(见图a)、外圆柱面定位(见图b)、内圆柱面定位(见图c)、顶尖定位(见图d)等。定位质量的高低直接影响测量精度，而定位质量与工件定位面的选取和仪器定位系统的制作精度及调整精度有关。,2020/8/12,54,选取定位面时一般考虑以下原则： 1.尽可能与测量基面、工艺基面、装配基

38、面统一。 2.选取尺寸及形状精度高的面为定位面。 3.所选定位面能保证定位稳定。 4.多参量测量时，所选定位方式最好能满足所有参量测量的要求，避免多次定位。 测量仪器中多有辅助定位系统，如可调工作台、可调测头等。被测工件装夹后，应正确调整仪器的辅助定位系统，找到最佳采样点。,2020/8/12,55,首先调整测头，使两测头同轴；再使工作台绕y轴转动，使得工件的被测线段在轴截面内为最短；最后使工作台沿y轴方向移动，使得工件的被测线段在横截面内为最长。,左图所示实例为平面定位，工作台表面的形位误差及工件定位面的形位误差都会影响被测直径的测量精度，因此需借助于可调工作台和可调测头对工件方位作进一步的

39、调整。,2020/8/12,56,(二)瞄准 在进行被测量与标准量比对时，需要进行准确的瞄准。瞄准就是建立标准量与被测量间正确的对应关系，瞄准常常是借助于测量仪器的瞄准装置进行的。标准量的瞄准形式主要由仪器的测量方法所决定，而被测量的瞄准形式需根据被测量的特点选定，如软质工件、太小尺寸的被测面等不宜用接触法瞄准。有些仪器备有几套不同原理的瞄准系统，以用于不同类工件的测量。 仪器对被测量的瞄准系统可分成接触式和非接触式两大类。,2020/8/12,57,1.接触式瞄准举例 如左图所示为一种三坐标测量机的接触式测头。在测头不受外力作用时，弹簧5压在测杆1的半球座上，保证测杆处于垂直位置，三对钢球副

40、(2与3)均匀接触，电路处于正常状态，指示灯4不亮；而当测头与工件接触时，受外力作用测杆产生偏转，这时相接触的三对钢球至少有一对脱开，电路发出瞄准信号；测头与工件脱离后，弹簧力又使测杆恢复原始状态。该测头原理相当于零位发讯开关，利用触点的开合实现瞄准。,2020/8/12,58,2.非接触式瞄准举例 图为工具显微镜非接触式瞄准系统的光路。 光源发出平行透射光照亮放在工作台2上或用顶尖定位的工件3，物镜4将被测工件轮廓成像于测角目镜分划板5上，人眼借助于目镜6进行瞄准。该方法称为影像法。,2020/8/12,59,(三)读数 测量值有很多种显示方法，如指针式显示、数字式显示等。无论是哪种显示形式

41、，正式读取数值之前均需检查仪器示值是否能够“回零”。即在调整好仪器零位以后，推动测头在全量程范围内移动数个来回，然后让测头回到起始位置，看读数是否仍为零；或在进行封闭尺寸测量时(如齿轮齿距极限偏差测量)，先测第一个尺寸，然后再依次测完各个尺寸后，再重测一下第一个尺寸，看前后两次读数是否相同。一般来说，仪器要做到绝对回零是很困难的，只要偏差在允许范围内，即可认为仪器与被测件已进入稳定的测量状态。如果偏差较大，则必须检查测量系统中的不确定因素，否则在不回零情况下进行的测量是无效的。,2020/8/12,60,二、单一内外尺寸的测量 单一内外尺寸多定义为两点、两线或两面之间的距离，最常见的单一内、外

42、尺寸即为孔径和轴径。测量方法可从不同的角度分类，若根据被测量的特性可将单一内外尺寸的测量方法分为绝对测量法和相对测量法。,2020/8/12,61,(1)绝对测量法 用于绝对测量的测量器具常以刻度尺、光栅尺、激光等作为测量基准，一般具有绝对零位，示值范围较大。常用的如：游标卡尺、千分尺、光学测长仪、激光干涉测长仪、双频激光干涉仪、测长机以及工具显微镜等。它们的示值范围大多为几十至几百毫米，大的可达数米甚至数十米。,2020/8/12,62,(2)相对测量法 相对测量是将被测量与定值标准量进行比较。为减小测量误差，体现定值标准量的标准件应尽可能与被测工件具有相同的材料及形状，标准量也应尽可能与被

43、测量具有相同的定义及公称值。所以，在大批量生产的检验中，常先精密加工、精确检定一个工件作为相对测量的标准件。但在单件、小批量测量时，为降低测量成本，一般是利用单值实物标准器来体现标准量，如测外尺寸时用量块，测内尺寸时用环规。 用于相对测量的仪器多称作测微仪或比较仪，一般具有放大倍数较大、示值范围较小、测量精度较高、零位可调等特点，常用的如杠杆千分表、扭簧式比较仪、光学比较仪、接触式干涉仪，以及一些采用电感、电容、气压、光强等测微位移原理的比较测量仪器。,2020/8/12,63,三、长度尺寸的连续测量 随着工业生产对测量效率和测量精度要求的不断提高以及智能、自动测量仪器的快速发展、连续测量的应

44、用越来越普遍。如锅炉、化学容器壁厚的无损检测，加工过程中板厚、带宽的监测等。 长度尺寸的连续测量一般为动态测量。测量时是工件运动还是测头或非接触瞄准器件运动应根据工件大小、是否在线测量等情况确定，还应考虑测量装置的结构、成本等因素。,2020/8/12,64,四、被加工尺寸的在线监测 用于被加工尺寸监测的仪器统称为主动测量仪。根据功能，可将主动测量仪分为加工中测量仪和自动补调仪两大类。 加工中测量仪用在进给式工序的加工机床上，如外圆磨床、内圆磨床等，每道工序刀具的进给量均由测得的被加工尺寸的实际大小决定，工件加工完的尺寸取决于刀具向工件最后的进给位置。 自动补调仪主要用在补调式工序的加工机床上

45、，如无心磨床、平面磨床等。其对由刀具磨损等因素引起的被加工尺寸的渐变进行监测，根据测量结果定期对机床进行调整，保证被加工尺寸不超差。,2020/8/12,65,一、接触法测轴径 1.一点接触法 一点接触法测轴径通常适用于有顶尖孔的轴径和加工中的滚轮法自动测量轴径等。 有顶尖孔的轴径测量属于半径测量，虽然其测量原理误差较小，但一般顶尖精度不高， 滚轮法测轴径的实质是周长测量法，即通过测量周长来求得被测轴径。直径D与圆周长L的关系式为DL/ 从上式看出，轴径D的精度取决于周长L的测量精度。轴径的圆周长可用卷尺或金属带缠绕测量。这种方法受尺的张力、厚度和卷尺与被测轴径的表面摩擦等因素影响，其测量精度

46、较低，只能用于低精度轴径侧量。近年来，由于光栅技术的应用，采用滚轮法测量大轴径不仅精度高，而且可在加工中进行测量。,2-4 轴类零件的测量,2020/8/12,66,滚轮法测量如图所示，它是利用滚轮1测量出被测轴件2的圆周长，利用圆周长和直径的函数关系，通过计算求得直径的方法。测量时，滚轮以一定的压力与被测轴接触，压紧力保证滚轮与被测轴作无滑动的纯滚动。当被测轴转动时，它与滚轮的转动关系如下：,2020/8/12,67,2.二点接触法 二点接触法测量轴径最为普遍。对于一般精度的轴径常用卡尺、千分尺、千分表等通用量具测量。对精度较高的轴径，可用立式或卧式测长仪等仪器进行绝对法测量，即以仪器的标准

47、刻度尺与被测轴径比较，从而得到被测轴的直径。对于高精度轴径，特别是轴径尺寸较小时，常用各种型式的比较仪进行相对法测量，即将被测轴径与相应尺寸的量块相比较，从仪器上读取轴径与量块尺寸的差值。在工具显微镜上测量轴径时，常利用具有细刻线的测量刀与被测轴母线接触，通过测量该刻线间的距离来反映被测轴径尺寸。,2020/8/12,68,3.三点接触法 三点接触法测轴径基本上是两点定位，一点测量的形式。 (1) V型法测量轴径 V型体定位精度高，它有三个特性：稳定性好、定心性好和定向性好。这就为轴径测量创造了条件，V型法测轴径为相对法，该法的另一特点是测微仪示值与轴径偏差不一致。,2020/8/12,69,

48、如图所示，o为标准轴径中心，其直径为d，o为被测轴径中心，其直径为D。测微仪测头方向在V型体中心线的上端时，被测轴径相对于标准轴径的差值与测微仪的变化关系如下：,2020/8/12,70,(2)两小滚柱测大轴径法 直径大于3m的轴件，可利用两个小滚柱间接测出大轴径。如图所示，在直角Aoo1三角形中有下列关系:,2020/8/12,71,二、用通用量仪测量 对于高精度的轴径，常用各种光学计量仪器，机械式测微仪，电动测微仪等进行比较测量。测量时，先用量块或标准件调好仪器的零位，然后将被测件放在工作台上进行测量。仪器指示值为被测轴径相对于调零基准的偏差值，加上量块或标准件的尺寸后即为被测轴径。,20

49、20/8/12,72,小型工具显微镜 IM(普通型) IM系列工具显微镜能方便地读取千分表头示值，测量工件的孔径、孔距等尺寸以及角度、使用任选的目镜组还能检验螺纹以及齿轮形状等。工具显微镜设计非常紧凑、重量轻、最适合设置在加工现场受到限制的场所。,三、用工具显微镜测量轴径,2020/8/12,73,万能工具显微镜 19JC （数显型） 用途： 数字式万能工具显微镜以直观的数字显示和数字打印方式取代了普通万工显的目视读数方式，以影像法和轴切法按直角坐标与极坐标精确地测量各种零件，是机械加工企业、电子制造业、计量测试所广泛使用的一种多用途计量仪器。,仪器特点: 主显微镜配有多种目镜和物镜、视场宽、

50、成像清晰。采用光电数显技术，精密光栅尺作为测量元件，测量长度以数字显示，直观、方便。主显微镜可左右偏摆，特别适于测螺旋零件。以非接触测量为基本方法，透、反射照明，内、外轮廓可测。附件多，使用面广。,2020/8/12,74,1、影像法 当被测件两端具有中心孔时，可采用这种非接触式测量法，影像法是最基本的非接触测量法，它不需要测头，也没有测量力，可以测量刚性差、材料软的轴件。 万能显微镜的光学系统图如下图所示。,2020/8/12,75,光源1发出的光线，经聚光镜2、滤光片3成象在光栏4处，可变光栏4位于聚光镜6的物方焦平面上，构成远心照明光路。因此，光线经反射镜5垂直转向经聚光镜6成平行光束，

51、照明被测轴7；经物镜8将轴件的一部分成象在目镜的焦平面的分划极9上，通过目镜10用分划板9上的米字刻线对轴件的影象进行瞄准，在读数显微镜上读数。对被测轴两边进行瞄准，并读出相应的读数，两次读数之差即是被测轴径。,2020/8/12,76,首先用调焦棒将中央显微镜精确调焦，这时被测件物体最清晰。测量时，由于圆柱面母线直线度或锥度等形状误差的影响，不能采用通常测量长度的压线法，而必须使用在母线上的压点法，即将米字线中心压在轮廓母线上的一点，然后移动横向工作台，使米字中心压到相对应的轮廓母线上。两次读数之差即被测轴径。测量轴径时，还应在不同的横截面内进行多次测量，然后取其平均值。,2020/8/12

52、,77,这种影像压点法与一般长度测量中的压线法一样，既要按照外形大小调整光圈，又要考虑对准精度、轮廓的表面粗糙度等因素的影响。因此，这种方法看来简单，实则麻烦，而且测量值的分散性很大，随着被测轴径的加大，其测量误差也越大。,2020/8/12,78,影象法测量要求被测轴件的轮廓象清晰，放大准确，瞄准对线形式选择合理。因此测量前应正确调整光源，正确调焦，正确调整光圈大小等。 (1)光源的位置调整要求 光源应位于聚光镜的焦点上，使照明被测件的光线成为平行光轴的平行光束。光源应位于光学系统的光轴上，使视场内的亮度均匀。,2020/8/12,79,(2)调视度与调焦 由于影象法测量是用光学方法瞄准定位

53、的，因此被测工件轮廓象和瞄准标记(目镜分划板刻线)必须清晰而无视差，否则会使瞄准误差大大增加。为了使眼睛不致在紧张状态下观察，使长时间观察不疲劳，通过调节机构使目镜移动以达到瞄准标记清晰。 调焦是指改变物镜至被测工件的距离，使被测工件轮廓象清晰。由于被测轴件是安装在顶尖上测量的，调焦应使用仪器附件调焦杆。把调焦杆(焦距棒)安装在顶尖上，升降显微镜臂架，使定焦杆中间孔内轴线平面上的刀刃象清晰并无视差，然后换上被测轴件，即可进行测量。,2020/8/12,80,(3)光圈调整 影象法测量时，最理想的照明工件的光线是平行于光轴的平行光束，这时光学成象的失真最小。但是实际上光源不是点光源，光源的灯丝都

54、有一定的长度。如图所示，灯丝1上各点发出的光通过聚光镜2后，各自成一束平行光，但并不都平行于光轴，只有位于光轴上的点o发出的光束经聚光镜后才平行于光轴，其余各点(如A、B)发出的光束经聚光镜后所形成的平行光束，都分别与光轴成不同的夹角，灯丝越长，斜平行光束偏斜光轴的角度越大。,2020/8/12,81,斜平行光束对影象法测量十分不利。这样的光束对比较薄的工件影响不大，但对圆柱面的轴件影响就较大了，如图所示，斜平行光束在圆柱表面反射后，在虚物点处成象，使被测轴件的轮廓象尺寸减少r，光束偏斜角越大，被测轴直径减少的越多，测量误差也就越大，因此，影象法测量必须限制一部分斜光束，以减少由此引起的成象误

55、差对测量结果的影响，,斜光束的限制，是通过调光圈4的直径大小实现的。光圈直径调大时，光的亮度增大，但是光束的偏角也增大，光圈直径调小时，光束偏斜角也小，对光束的平行性有利。但光圈直径不能太小，否则光线将在轴件母线边缘产生衍射而使影象尺寸变大。因此在显微镜上测量轴径时，必须根据被测轴径尺寸调整光圈，才能不产生成像误差。,2020/8/12,82,2、测量刀法 在工具显微镜上，还可以用直刃测量刀接触测量轴径。在测量刀上距刃口0.3mm(或0.9mm)处有一条平行于刃口的细刻线，测量时，用这条细刻线与目镜中米字中心线平行的第一条虚线压线对准，由于此刻线靠近视场中心，因此处于显微镜的最佳成像部分，有较

56、高的测量精度。测量时用3倍物镜，并在物镜的滚花圈上装上半镀银反光镜，使用反射光照明。,2020/8/12,83,采用该种方法测量时，关键的一步是对刀。操作时必须十分仔细，方法要正确，否则将产生测量误差和加速测量刀的磨损。当刀刃的某一部位与被测工件接触时，刀刃只能以其接触部分为回转中心使量刀摆动，逐渐向轮廓边缘靠拢，直到刃口与轮廓无光隙密合，不允许相对移动或直接向工件轮廓推移。,2020/8/12,84,测量刀法的测量精度很大程度上取决于测量刀的精度，而测量刀在使用过程中又容易磨损，因此应注意对测量刀的保护。除避免由于操作不当而造成不应有的磨损外，安装前要用乙醚或酒精仔细清洗刻线工作面；使用后应

57、妥善放置避免磕碰或锈蚀；还应注意对测量刀的定期检定。 采用测量刀法测量轴径，如测量刀无磨损，而且测量刀的安装操作均合理时，其测量精度可比影像法提高约一倍。,2020/8/12,85,(1)微小孔照明干涉法 在工具显微镜上，利用微小照明孔径的光源投影到轴径表面上，适当调整焦距到K-K处(如图所示)，在目镜视场里，就可以看到平行于被测件影像轮廓的明暗干涉条纹。干涉测量法就是利用干涉条纹来对被测件进行瞄准和测量的。 干涉条纹的产生是罗埃镜干涉原理。当被测轴径一定时，第一条干涉条纹和轮廓的距离b是不变的。,3、干涉测量法 近年来，在工具显微镜上应用于涉技术，发展了干涉测量法。,2020/8/12,86

58、,采用上述方法时，由于b受到工件曲率半径的影响，因此需要事先通过对标准圆柱的测量，实验得出b-R对照表，供测量时采用。从而影响了该法的推广应用。,测量时，用目镜米字线瞄准第一条黑干涉条纹，将两次读数差减去2b，即可得到被测轴径的测量值。 微小照明孔径光圈如图所示，小孔d最好在0.82mm之间，其粗糙度的Ra在3.2m以上，不应有毛刺，光圈套在中央显微镜的照明光管上，应控制尺寸D的公差，以及d与D的同轴度。光圈受光部分涂黑。,2020/8/12,87,（2）斜射照明干涉法 斜射照明干涉法有效地解决了上述方法的不足。该法用于相对测量，较为有效实用，其干涉原理如图所示。 由于光束以与光轴相交成角的方

59、向射向被测表面，则a1的反射点移至最外轮廓处，即反射面平行于光铀。在这一位置上，任何曲率半径都不影响光束的入射角，故b值将是一个定值。,2020/8/12,88,为了使轴径测量时，相对边均能接受斜射照明，利用上述原理设计的实用方案为双光束斜射照明装置，其光路系统如图所示。,为计算方便，可先选定b值，如取b 0.1mm，然后代人上式求得角，再根据角确定a的数值。,在透镜l的焦平面处放一偏心狭缝光阑2，则经过透镜后的平行光束和显微镜3的光轴成角斜射，取决于光阑偏距a和透镜1的物方焦距f，即 此时，在目镜的焦平面上，第一条黑色条纹和被测轴径轮廓的距离b由下式决定：,2020/8/12,89,目镜的精细调焦是通过对条纹的观察来实现的。移动目镜时，干涉条纹也随之移动。其移动方向的转折点即是调焦的确定位置。 双缝光阑置于一个固定的支座内，然后装在仪器透射光源的滤色板上。 用干涉法测量轴径，能有效地克服其他方法固有的弱点，是提高轴径测量精度的有效方法，且没有测量力的影响，对刚性差的零件尤为适合。,2020/8/12,90,四、轴径测量中的误差 对不同公差等级的轴径应选用不同的量仪。通常以零件公差