精密测量课件：第三章长度尺寸的测量.ppt

1、基本内容长度尺寸的常用测量仪器及方法：n轴类零件尺寸测量n孔类零件尺寸测量n大尺寸测量n微小尺寸测量n纳米测量思考题思考题1、举例说明长度尺寸测量仪器的测量原理，分析其结构组成和精度。2、设计凸轮轮廓曲线的测量方法，包括方案、仪器、步骤、注意事项。3、设计细丝/光纤直径测量系统，画出系统原理框图。系统要求：自动在线检测，实时给出测量结果，并对不合格尺寸予以报警。一、轴类零件尺寸测量我国“公差与配合公差与配合”国家标准中定义：轴是指一切外尺寸的统称轴是指一切外尺寸的统称。常用测量仪器 千分尺、卡尺绝对测量，精度不高。 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

2、。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。1量块组/被测件；2测头；3调节螺钉； 4度盘标记； 5度盘； 6横臂紧固螺钉， 7横臂；8 横臂升降螺母，9夹头；10一立柱；11一工作台示值范围： 100m测量范围：180mms=atg a y/l = (R/r) s=a(r / R)( y/l)l1反射镜；2目镜；3、19示值范围调节螺钉； 4光学计管； 5螺钉； 6立柱， 7横臂；8 横臂紧固螺钉；9横臂升降螺母，10一底座；11一工作台调整螺钉；12一圆工作台；13 测杆抬升器

3、； 14测帽；15 光学计管固定螺钉；16 偏心调节螺钉；17 偏心环固定螺钉；18 零位微调螺钉示值范围： 100m测量范围：180mm光路 照明光由反射镜9从侧面窗口射入，经棱角7反射，照亮分划板4上的刻度尺6。它位于物镜11和目镜的公共焦面上，并处于光轴一侧(反射回的刻度尺像位于另一侧)。此时照亮的刻度尺经10-直角棱镜折转90。经物镜11，到达反射镜13，再返回到分划板4，从目镜5中便可观察到刻度尺6的像。 若被测零件有尺寸有偏差，将使测杆14上、下移动，因而反射镜偏转角度，使返回的划线尺像的零刻度相对于指示线3产生相应的移动，因而反映出被测零件的偏差数值。y原理原理反射光线偏转2角。

4、则在分划板上的刻尺的像偏移度y： （2）s 为微小位移量，tg ，tg22。 即：(y为刻尺在O点的示值的真值，s0为被测量理论值) 立式光学计原理图 当反射镜为垂直光轴时，像与原像重合，即y =0。 当测量时测杆移动s 距离后，反射镜绕支点摆动 角。且： （1）astgtg2yfasfy 2fyas20O由于近似线性的处理，便由于近似线性的处理，便造成了原理误差造成了原理误差s。 使用 1、选择测帽选择测帽： 球形、平面形和刀刃形三种测帽，选择测帽的原则：与零件为点接触，如用球形调幅测量平面零件或用平面测帽测量钢球。2、调整工作台调整工作台：工作台面与测量杆移动方向垂直，否则将带来测量误差。

5、3、调整反射镜和视度环调整反射镜和视度环：量块组（按被测件的基本尺寸选择量块并组合）置于工作台中央。然后转动反射镜1将光线从侧面窗口射入，轻微拨动测杆抬升器13，使能从目境中观察到亮刻度线，踏划线1；若刻线不清楚，可旋转目镜2上的视度环直到刻度线清晰为止。4、调整仪器零位调整仪器零位： (1)粗调：松开横臂紧固螺钉8，旋转横臂升降螺母，使横臂下降至测帽与量块间有0.5mm左右的间隔再旋紧螺钉8。 (2)细调，转动偏心调令螺钉16，从目镜2中观察，使零件刻度线与指标线(虚线)、重合，再旋紧螺钉15。 (3)微调节：首先轻轻按动抬升器13使测帽起落23次，此时零位可能有变化。再旋转零位微调螺钉18

6、，偏转直角棱镜10，使零刻度线与固定指标线完全重合。5、测量零件实际偏差测量零件实际偏差： 测量位置按要求选取，放入零件的必须轻压抬升器避免磨损，测完后要用量块组校验零位，允许变化不超过1格。3、球径仪、球径仪球径仪是利用测弦的矢高，间接测量球面(般为光学镜头)曲率半径的光学仪器。 平板玻璃摆动式目镜测微器平板玻璃摆动式目镜测微器正弦机构。转动微动手轮微动手轮3，经伞齿轮副伞齿轮副4带动端面凸轮端面凸轮5和分度盘分度盘8(活动分划板)同步转动，而端面凸轮通过杠杆杠杆6使平板玻璃平板玻璃7摆动，导致固定分划板固定分划板2上的标尺刻线象（7）平移（至双刻线中间），从而达到测微目的。平板测微原理平板

7、测微原理a 当平板玻璃被凸轮的位移量t带动转过角度i时，入射光与出射光的偏移量为： itgtgidacos)(rttgii a可近似为：)sin1(sin)sin(sin0inididaatnrndrtnda) 1()11 (0itgisin1cos i由于、i 很小， ， ，ABCnisinsinrttgi ，二、孔类零件尺寸测量我国“公差与配合公差与配合”国家标准中定义：孔是指一切内尺寸的统称孔是指一切内尺寸的统称。1、卧式测长仪 卧式测长为光学机械式测量仪器，配备有各种附件，除测量内、外尺寸外，还可测量内、外螺纹中径等，因此又称为万能卧式测长仪。卧式测长仪结构四部分：A-底距 B-工作台

8、 C-测量体 D-尾座测量原理读数：53.17562、光学灵敏杠杆在测量过程中主要起精确瞄准定位的作用。光路光路：照明光源4分划板1(3组双刻线) 透镜反射镜2 物镜组7 目镜米字线分划板。平面反射镜2与测量杆3连结在一起。6为产生测力的弹簧。测量测量 正确安装在万能（或大、小型）工具显微镜的物镜7上， 将测杆深入被测孔内，通过横向(或纵向)移动，找到最大直径的返回点处，并从目镜8中使双刻线组对称地跨在米字线中间虚线的两旁，此时进行第一次读数n1；旋转调整帽，调整测力弹簧6的方向(有测力方向箭头标记)，使测头与工件的另一侧接触。双刻线瞄准后进行第二次读数n2(仪器正常时，不必再找返回点)。被测

9、孔径为： D |n2一n1|十d测头式中，d测头为测头直径，其数值标示在测量杆上。 用光学灵敏杠杆测量孔径的测量误差约为0.002mm。 灵敏枉杆测量头的尺寸和几何形状精度一般要求在0.5m之内，应采用不低于3度的量块在超级光学计(或相当精度的仪器)上进行比较测量。3、光滑极限量规 没有刻线的专用量具，用其检验工件的尺寸是否在规定的极限尺寸范围之内。塞规塞规卡规卡规型式型式 根据被检工件的型式不同，量规有：检验孔的为塞规塞规，检验轴的为卡卡规或环规规或环规。每种量规都由通端和止端两部分组成。检验时，当通端能够通过被检工件，止端不能通过被检工件，则该被检工件判断为合格。不符合上述条件者，判断为不

10、合格。 检验被检工件的最大实体尺寸(孔为最小极限尺寸，轴为最大极限尺寸)的量规为通端量规通端量规。理论上通端量规为整体形，其长度等于被检工件的长度。通端量规的作用是控制被检工件的作用尺寸。检验时通过被检工件时，则表明工件的作用尺寸在最大实体界限之内。 检验被检工件的最小实体尺寸(孔为最大权限尺寸，轴为最小极限尺寸)的置规为止端量规止端量规。理论上止端量规为两点式。止端量规的作用是控制校检工件的局部实际尺寸。检验时当通不过被检工件时，则表明工件的实际尺寸在最小实体界限之内。种类种类 量规根据用途不同，可分为工作量规、验收量规和校对量规 工作量规制造过程中，操作者对工件进行检验时所用的量规。 验收

11、量规验收部门或用户代表在验收零件时所用的量规。 校对量规校对工作量规的量规。孔用工作量规(塞规)用指示式计量器具测量方便，不需要校对量规。只有轴用工作量规(卡规或环视)才有校对量规。校对量规是用于对工作量规在制造和使用过程中进行检验的量规。另外工作量规在使用过程中会发生磨损，校对量规亦用来校对工作量规是否超过磨损极限。孔用量规孔用量规三、大尺寸测量500mm以上尺寸的测量。 大尺寸测量的对象有以下几类： 大型零部件的外径、内径和长度。 可沿导轨作位移测量的尺寸。一些没有导轨的空间尺寸换成为这类尺寸进行位移测量。 大型部件安装位置和大型结构三维形状等空间尺寸。1、1m测长机测长机刻度值：刻度值：

12、 1m测量范围：测量范围： 1m1m测长机测长机头架头架( (座座) )、尾架、尾架( (座座) )、刻尺面，构成测量光路、刻尺面，构成测量光路 头架头架 尾架尾架100100mm刻尺刻尺光源光源透镜透镜N2反射镜反射镜M2反射镜反射镜M1透镜透镜N1读数显微镜读数显微镜光学计管光学计管双线分划板双线分划板（09）测量过程测量过程对零位对零对零光学计管2中对零显微镜3视场内两个零线对准刻线尺刻线分划板双线1m测长机测长机头架头架( (座座) )、尾架、尾架( (座座) )、刻尺面，构成测量光路、刻尺面，构成测量光路 头架头架 尾架尾架100100mm刻尺刻尺光源光源透镜透镜N2反射镜反射镜M2

13、反射镜反射镜M1透镜透镜N1读数显微镜读数显微镜光学计管光学计管双线分划板双线分划板（09）测量过程测量过程测量读数读数光学计管2中读数:0.0079mm显微镜3中读数:560.60mm刻线尺刻线分划板双线光学计管2中读数显微镜3中读数2、激光干涉测长仪 由于激光具有良好的方向性、单色性和相干性等优点，采用激光器作为光源，以激光稳定的波长作基准，利用光波干涉原理实现大尺寸的精密测量是目前大尺寸测量中比较理想的方法。1m激光测长机底座底座干涉仪厢体干涉仪厢体测量头架测量头架工作台工作台尾座尾座电机与变速箱电机与变速箱闭合钢带闭合钢带电磁离合器电磁离合器固定角隅棱镜固定角隅棱镜尾杆尾杆测量主轴测量

14、主轴可动角隅棱镜可动角隅棱镜激光器激光器分光器分光器XXYZha b b 光路光路11)(2Ldsn对零对零测量测量)()(212LLdsn问题：问题：1、是否遵守阿贝原则？、是否遵守阿贝原则？2、标准量？、标准量？测量测量a.对零：移动头架3使测量主轴11在一定作用力下与尾杆10接触。此时，两路光程差:b.读数：移动头架3，将工件放在工作台上，并夹在尾杆与头架主轴之间。此时两路光程差 :则读数为测量时干涉条纹相对于对零的变化数m，即： 11)(2Ldsn)()(212LLdsn nLm2)(21nmL23、弦高法、弦高法手持式测量装置可测量100010000mm的内外径。1-基体 2-支杆

15、3-滚柱 4-指示表 5-被测件调零调零D被测直径的基本尺寸 测量前，需在平板上用量块调零。测外径时，量块置于测微计下；测内径时，量块置于两端的2个定位圆柱之下。量块尺寸按下式计算： 测外径时： 测内径时：4)()(2122ldDdDH4)()(2122ldDdDH测量值测量值被测直径对于基本尺寸的偏差值为:HHlD122式中H为带正负号的测微计读数值。 由于HD，使误差的读数缩小，故这类方法测量精度不很高。4、滚柱法、滚柱法 标准滚柱1与被测件2保持可靠的接触，以便进行无滑动的相滚互滚动。被测直径D与标准滚柱d之间的关系为：dnmD 式中；n滚柱的转数， m被测件的转数。此时D仅取决于转数比

16、mn。利用现代的光栅技术(圆光栅)，可以精确地测出上述的转数比。精度可达15m。测大尺寸直径5、经纬仪、经纬仪尺寸大于5m的直径和长度，还能测量装配中零件的相互位置误差。sinsinsinsin2sin)sin2(sin)-oo(2sDsDsD5、经纬仪、经纬仪测大尺寸将两个经纬仪分别固定在c和d处，精确地测出两经纬仪之间的距离l和角度1、1、1 ，和2、2、2 ，则:)sin()sin(cossinsin2)(sinsin)(sinsin)sin(sinbcd)sin(sinacdcos2abc21121222121212212212122122lLlBlAABBAL中：在中：在中：在四、微

17、小尺寸测量 随着科学技术和工业生产的发展，产品的小型化或微型化越来超成为一个重要的分支，因而微小尺寸的测量越来越多；被测对象也多样化。如细丝、小孔、小球面、镀层厚度、计算机中磁头与磁盘间的微小间隙等等。面对这些测量任务，迫切地要求提出新的测量原理和方法，下面将介绍几个实例。1、用激光衍射法测量金属丝直径、用激光衍射法测量金属丝直径 根据夫琅和费衍射(或平行光衍射)原理。当光源和衍射场(即屏幕P)都距衍射物(小孔、狭缝等)无限远时，便产生衍射现象。实际上只要光源、屏幕离衍射物有足够大的距离都可认为是夫琅和费衍射。kslkd式中 k衍射斑纹级次 此法的相对测量精度约为10-4左右。常用于漆包线细丝

18、直径的动态测量。 用激光衍射法还可测量小螺纹各参数，其测量误差约为：中径3，螺距1，半角1。被测细丝：d，衍射物；光源：激光平行光，衍 射 屏 P ： 离 细 丝 较 远(l500mm)，一组明暗相间且等距的衍射斑纹，斑纹距屏幕中心的距离sk，由衍射条纹的条件：dsin=dsk/l=k2、用激光能量法测量光纤直径、用激光能量法测量光纤直径 光导纤维通常是由两种材料制成的。内圆柱是由折射率较高的透明透明材料制成，而其外表面则是由折射率较低的透明透明材料制成，因此在两介质的分界面上可形成全反射，使光束得以远距离的传输。内圆柱的直径是决定光纤传输性能的重要参数。由于光纤是透明介透明介质质，前面衍射法

19、难以获得衍射条纹的清晰边界，故不适用。 另一束光另一束光则作为比较光束直接照到光电二极管6上，以固定的激光能量经转变成电信号输入直流放大器中进行放大，并输入比相器的左端。 光纤曲率很大的柱面透镜。激光束经分光镜1后，分成固定能量的两束光：一束光一束光透过分光镜1，经透镜2会聚到被测光纤3上，于是在曲率方向上将光束扩展为一条很长的亮线照到透镜4上，透镜4的通光孔径限制了进入透镜的扩展亮线的长短，同时将这部分光线会聚于光电二极管5上，其电信号通过直流放大器后输入比较器的右端；光纤3直径的变化亮线bb的长短也发生变化光电二极管5接收的aa的能量也发生变化。 为提高测量的灵敏度，将透过分光镜1后的全部

20、能量充分地用于光纤的光束扩展，透镜2最好将激光束会聚成小于光纤直径的光点照到光纤上，因此它的焦距很短，只有5mm左右，可根据被测光纤的直径大小选取。 这种方法的测量精度可达1左右。3、小间隙的测量、小间隙的测量 在电子计算机中，磁盘存储器是关键的设备，它的好坏将直接影响着存储信息量的大小。磁盘与磁头之间间隙的大小是一项重要的技术指标，一般在26 m之间，比较先进的计算机，头盘间隙已达小于1 m的数量级。 由于磁盘是非透明的介质，又由于磁头与磁盘工作间隙是在磁盘高速旋转(每分钟数千转)过程中利用空气动力学原理所形成的，因此给磁盘间隙的测量带来很大的困难。下面介绍一种用光波干涉原理测量其间隙的方法

21、。磁头与磁盘间隙的测量磁头与磁盘间隙的测量玻璃圆盘玻璃圆盘磁头磁头滤色镜滤色镜滤色镜滤色镜测量原理测量原理小数重合小数重合如光线是垂直入射的，则hm/2。取用两种波长的光源(改变滤色镜4a和4b的位置)，则有: 2h=m11和 2h=m22式中： 1 、2两种光波的波长； m1 、m2用两种波长测量时相当于间隙h的条纹数。 m1和m2未知，但可测得m = m1 -m2 。 当12，h小于5m时， m1。由： m1 =m2 + m则： 2h=m11 2h= (m2 + m)1 2h=m22 m2 = 2h/ 21222mhh)(21221mh则： 此法的测量精度较高，取决于波长的检定精度和m的读

22、数瞄准精度。实践证明，其极限测量误差0.2 m 。五、纳米测量 随着纳米加工技术的发展、各种超灵敏传感器的诞生以及微电子工程精度要求的不断提高，人们对高于100pm精度测量技术的需求与日俱增，因此近年来纳米级测量技术发展很快，新研制的纳米测量仪器精度越来越高、体积越来越小、功能越来越强。常见的纳米测量仪器有扫描探针显微镜、X射线干涉仪、集成激光干涉仪。1、扫描探针显微镜、扫描探针显微镜显微技术光学显微镜衍射效应衍射效应，分辨极限/2（光波波长）。电子显微镜电子束电子束（波长仅为光波波长的万分之一甚至十万、百万分之一），分辨力已优于0.3nm。隧道显微镜隧道效应隧道效应：如果两个金属电极用非常薄

23、的绝缘层隔开，并在极板上施加电压，则电子会穿过绝缘层由负电极进入正电极，产生隧道电流。且极间距变化0.1nm，隧道电流会产生十倍于原始电流量的变化。结构原理结构原理 针尖探头安置在一个可实现三维运动的压电陶瓷支架上，通过控制加在三个压电陶瓷臂上的电压可分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。若以针尖为一电极，被测表面为另一电极，则当两者间距离小到纳米量级时即会产生隧道电流。 探头压电陶瓷臂被测表面工作模式工作模式 扫描隧道显微镜有两种工作模式： 恒高度模式恒高度模式：当被测表面仅有原子尺度(0.1nm)的起伏时，针尖在被测表面上方作平面扫描(即针尖高度不变针尖高度不变)，用现代电子技术测出隧道电

24、流的隧道电流的变化即可描绘出表面的微观起伏形态变化即可描绘出表面的微观起伏形态。但当被测表面起伏较大时，恒高度模式会使针尖撞击表面造成针尖损坏(理想针尖的尖端只有一个稳定原子)。 恒电流模式恒电流模式：控制加在z向压电陶瓷臂上的电压，使针尖在扫描过程中随表面起伏上下移动，而保持隧道电流不变保持隧道电流不变(即针尖与被测表面间的间距不变)，由压电陶瓷上电压的变化获得表面形貌的信息电压的变化获得表面形貌的信息。目前扫描隧道显微镜多采用后一种模式，其分辨力可达pm量级。 在扫描隧道显微镜之后又相继问世了原子力显微镜(可用于绝缘体表面的探测)、激光力显微镜(可用于软表面或弹性表向的探测)、近场光学显微镜(利用光子隧道效应)等多种纳米级显微镜。本原公司由我国纳米科技首席科学家白春礼院士于1988年创立 原子力显微镜原子力显微镜(AFM)系统结构系统结构 多功能原子力显微镜系统多功能原子力显微镜系统 MFP-3D-Stand Alone AFM 美国 Asylum Research原子力显微镜公司 原子力显微镜原子力显微镜 Cypher AFMIBM科学家首次拍下单分子照片二氧化锡薄膜火星土壤遭疟疾感染的人体红血球和蓝藻2、X射线干涉仪射线干涉仪工作原理：莫尔条纹（单晶微薄片）