精密测量课件:第一章精密测量技术基础.ppt
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- 精密测量课件:第一章 精密测量技术基础 精密 测量 课件 第一章 技术 基础
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1、精密测量理论及技术精密测量理论及技术课程安排课程安排1、课上、课上(1)精密测量技术基础)精密测量技术基础(2)几何量公差及标准)几何量公差及标准(3)长度尺寸的测量)长度尺寸的测量(4)角度(锥度)的测量角度(锥度)的测量(5)螺纹的测量)螺纹的测量3、专题报告、专题报告 (1)速度、转速和加速度的测量)速度、转速和加速度的测量 (2)力、力矩和压力的测量)力、力矩和压力的测量 (3)机械振动的测量)机械振动的测量 (4)温度的测量)温度的测量 (5)流量的测量)流量的测量 (6)噪声的测量)噪声的测量 (7)大地测量技术)大地测量技术 (8)气象测量技术)气象测量技术 (9)工程测量技术)
2、工程测量技术 (10)海洋测量技术)海洋测量技术 (11)遥感测量技术)遥感测量技术 (12)航天航空测量技术)航天航空测量技术2、自学、自学(1)形位误差的测量)形位误差的测量(2)表面粗糙度的测量)表面粗糙度的测量(3)齿轮的测量)齿轮的测量精密测量理论及技术精密测量理论及技术成绩考核成绩考核以平时和考试等效累计计算:n平时:课上专题报告专题报告(占30%)、 课下测量实验测量实验(占50%);n考试:根据平时情况选作卷面对应分数的题目,分别为100、70、50、20。精密测量理论及技术精密测量理论及技术第一章第一章 精密测量技术基础精密测量技术基础一、概一、概 述述二、长度单位与计量传递
3、二、长度单位与计量传递三、测量器具与测量方法三、测量器具与测量方法精密测量理论及技术精密测量理论及技术基本内容n概述:测量的意义、测量的基本要素、测量的一般步骤。n计量单位与量值传递:长度单位及其基准、量块、长度的量值传递。n测量器具与测量方法:测量器具的分类、测量器具的技术性能指标、测量方法分类。n测量误差:测量误差及表达式、误差的分类 误差的来源及减小其影响的措施、测量不确定度、测量数据的处理。思考题1、说明测量的四大要素。2、说明机械工程中常用长度和角度的单位、计量标准器、测量原则是什么?3、测量的步骤包括哪些?4、说明量块的使用方法。5、选用测量器具应注意哪些指标?6、说明测量方法不同
4、形式。一、概一、概 述述1 1、测量的定义、测量的定义2 2、测量的要素、测量的要素3 3、两个重要的测量原则、两个重要的测量原则4 4、测量的一般步骤、测量的一般步骤 基本概念基本概念测量测量测试测试检验检验检定检定比对比对计量计量测量测量将被测量取出与同类标准进行比较,并将比较的结果用数值将被测量取出与同类标准进行比较,并将比较的结果用数值或符号来表示的过程。也就是为或符号来表示的过程。也就是为确定被测对象的量值确定被测对象的量值而进行的实验过程。而进行的实验过程。测试测试具有具有试验试验性质的测量。也可理解为试验和测量的全过程。性质的测量。也可理解为试验和测量的全过程。检验检验判断判断被
5、测物理量是否合格被测物理量是否合格( (是否在规定范围内是否在规定范围内) )的过程,通常的过程,通常不一定要求测出具体值。因此检验也可理解为不要求知道具体值的测量。不一定要求测出具体值。因此检验也可理解为不要求知道具体值的测量。检验的主要对象是检验的主要对象是工件工件。检定检定为为评定评定计量器具是否符合法定要求所进行的全部工作,它包计量器具是否符合法定要求所进行的全部工作,它包括检查、加标记和出具检定证书。检定的主要对象是括检查、加标记和出具检定证书。检定的主要对象是计量器具计量器具。比对比对在规定的条件下,对相同不确定度等级的同类在规定的条件下,对相同不确定度等级的同类基准、标准基准、标
6、准或或工作用工作用计量器具计量器具之间的量值进行比较的过程。之间的量值进行比较的过程。计量计量研究研究测量、保证测量统一和准确的过程。测量、保证测量统一和准确的过程。测量测量测试测试检验检验检定检定比对比对计量计量 基本概念基本概念1、测量的定义测量的定义测量:测量:以确定量值为目的的全部操作。测量过程测量过程比较过程比较过程:将被测量与标准的单位量标准的单位量进行比较,确定其比值比值的过程。 被测量为L,计量单位为u,确定的比值为q,则测量可表示为:L=q u2、测量的要素、测量的要素四个要素四个要素:(1 1)被测量被测量(2 2)计量单位计量单位(3 3)测量方法测量方法(含测量器具)(
7、4 4)测量精度测量精度(1)被测量被测量在机械精度的检测中:被测量被测量长度和角度长度和角度特性特性含义含义几何量测量对象及被测量几何量测量对象及被测量对象被测量孔、轴直径、圆度、圆柱度、同轴度、垂直度、圆(/全)跳动、表面粗糙度箱体零件长、宽、高、孔间距、直线度、平面度、轮廓度、平行度、倾斜度、对称度、位置度螺纹零件螺距、中径、轮廓半角 齿轮零件(分度圆)直径、基节及其偏差、齿厚及其偏差、压力角、影响综合误差、公法线长度变动误差、公法线平均长度及其偏差、齿圈径向跳动、几何量测量对象可归结:长度、角度、及其组合。(2 2)计量单位和标准量计量单位和标准量 机械工程中常用的单位有:机械工程中常
8、用的单位有:长度长度:角度:角度: 在测量过程中,测量单位必须以物质形式来体现,能体在测量过程中,测量单位必须以物质形式来体现,能体现计量单位和标准量的物质形式有:现计量单位和标准量的物质形式有:光波波长、精密量块、光波波长、精密量块、线纹尺、各种圆分度盘等。线纹尺、各种圆分度盘等。 毫米毫米、微米微米 、纳米、纳米 , (非国际单位制的单位)(非国际单位制的单位) 度、分、秒度、分、秒, (国际单位制的辅助单位)(国际单位制的辅助单位)弧度弧度、球面度球面度 。(3 3)测量方法测量方法 测量方法测量方法是根据一定的测量原理,在实施测量过程中对测量原理的运用及其实际操作。 广义地说,测量方法
9、可以理解为测量原理测量原理、测量测量器具器具(计量器具)和测量条件测量条件(环境和操作者)的总和。 测量过程测量过程根据根据: :被测对象的特点对象的特点(如材料硬度、外形尺寸、生产批量、制造精度、测量目的等)、 被测参数的定义参数的定义,完成:1、拟定测量方案方案,2、选择测量器具器具,3、规定测量条件条件,4、合理合理地获得可靠可靠的测量结果结果。被测对象和被测量的特性被测对象和被测量的特性(4 4)测量精度测量精度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。 真值真值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。 由于测量会受到许多因
10、素的影响,其过程总是不完善的,即任何测量都不可能没有误差。对于每一个测量值都应给出相应的测量误差范围,说明其可信度。测量结果表示lim0LL测2lim22lim1limnlim其中: 测量结果的定值系统误差; 总随机误差极限范围; 纯随机误差极限范围(单次测量); 随机化的系统误差极限范围。lim10lim2只有给出测量精度的测量只有给出测量精度的测量结果才是完整的、有意义的。结果才是完整的、有意义的。3、两个重要的测量原则、两个重要的测量原则3.1 阿贝测长原则阿贝测长原则3.2 圆周封闭原理圆周封闭原理3.1 阿贝原则阿贝原则1、 原则原则2、 阿贝原则分析阿贝原则分析3、 阿贝原则之局限
11、阿贝原则之局限4、 阿贝原则扩展阿贝原则扩展5、 举例举例(1 1)阿贝原则阿贝原则 1890年德国人艾恩斯特阿贝(Ernst Abbe)提出“将被测物与标准尺沿测量轴线成直线排列”。 长度测量时必须将仪器的读数刻尺安放在被测尺寸的延长线上,这样可避免一次误差。 (2)阿贝原则分析阿贝原则分析读数刻尺与被测尺寸不在同一直线上s1尺被测件对准件(2)阿贝原则分析阿贝原则分析读数刻尺与被测尺寸不在同一直线上 当对准件(如游标卡尺的活动量爪)在导轨(尺架)上移动时,由于导轨间隙而使之发生倾斜角,从而引起的测量误差1阿贝误差阿贝误差:1=stgs 设: s=10mm, =10=0.00005rad则:
12、 1=101000510-5=0.5ms1尺被测件对准件读数刻尺与被测尺寸在同一直线上 被测件尺读数器件瞄准器件d2M1M2遵守阿贝原则遵守阿贝原则比长仪比长仪读数器件与瞄准器件接在一起,间距为d,支架在测量时沿导轨移动,得出测量结果(二次读数之差M2-M1)。当导轨有误差时,而使支架有角的转动而引起的测量误差2 : 设: d=1000mm, =10=0.00005rad, 则: 2 =1000 1000 ( 5 10-5 ) 2 /2 =0.001m 1与为一次方关系,称为一次误差,2与二次方关系,称为二次误差。1 2 。 所以符合阿贝原则可消除一次误差符合阿贝原则可消除一次误差。读数刻尺与
13、被测尺寸在同一直线上 2)cos1 (22dd被测件尺读数器件瞄准器件d2M1M2阿贝原则可在相同的条件下,提高测量的精度。因此,在测量时应尽量遵守,尽量将被测件靠近标准件的延长线安放。但是阿贝原则并不是在任何情况都能遵守阿贝原则并不是在任何情况都能遵守。原因:a.它使仪器的结构尺寸增大(仪器的长度至少是被测长度的二倍),这在测量大尺寸时矛盾尤为突出,从而给制造运输以及使用中保持温度的一致性带来困难。b.对于多自由度(坐标轴)测量仪器,很难做到使各个坐标方向或一个坐标方向上各个平面内均能遵守阿贝原则。(3)阿贝原则之局限阿贝原则之局限(4)阿贝原则扩展阿贝原则扩展1979年布莱思对阿贝原则叙述
14、:长度测量系统工作点的路程应和长度测量系统工作点的路程应和被测位移工作点的路程被测位移工作点的路程位于一条位于一条直线上直线上。如果这不可能,那么必。如果这不可能,那么必须使传送位移的须使传送位移的导轨没有角运动导轨没有角运动,或者用实际角运动的数据计算偏或者用实际角运动的数据计算偏移的影响,并加以移的影响,并加以补偿补偿。1、共线共线2、=03、测出实际角运动的测出实际角运动的数据,并以此计算偏移数据,并以此计算偏移的影响,从而用偏移差的影响,从而用偏移差值补偿修正测量结果。值补偿修正测量结果。使导轨没有角运动使导轨没有角运动v完全没有角运动的导轨是做不出来的,不过随着工艺水平的提高,可以制
15、造出角运动很小角运动很小的导轨,如大理石气浮导轨的直线度在小行程(如100mm)内可达到0.5um的精度,即产生0.25的角运动。 v一种理论上不产生角运动的导轨是平行片簧导轨平行片簧导轨,这种导轨无间隙、无摩擦、灵敏度高、运动直线性好(无角运动),适用于高精度微位移系统中。例如在一些精密测头里就使用这种导轨。平行片簧导轨平行片簧导轨lfllfblll)cos1 ()cos1)(sin)2sin2(sin222bllblfllfblblbl22322222)(2)(2导轨在外力导轨在外力F作用下的位移量作用下的位移量f,引起两弹簧片的偏角:引起两弹簧片的偏角:,引起导轨的偏角:引起导轨的偏角:
16、bll+lfF 这种导轨的直线性取决于两片弹簧的材料和结构(长度差)的一致性:当 l=30mm,b=45mm, l=0.005mm时,f=3mm时,仍能产生0.1的角运动。常用的补偿方法常用的补偿方法a. 动态跟踪测量补偿动态跟踪测量补偿b. 定点测量补偿定点测量补偿(5) 举例举例 阿贝误差除可用结果数据补偿外,还可通过系统的合理布局来消除。通常在仪器结构不可能符合阿贝原则的情况,通过系统合理布局来抵消阿贝误差,如: 爱彭斯坦(Eppenstein)原则爱彭斯坦(爱彭斯坦(Eppenstein)光学补偿方法)光学补偿方法 爱彭斯坦原则的特点是巧妙地利用光学原理,爱彭斯坦原则的特点是巧妙地利用
17、光学原理,在不增加误差补偿装置的情况下,通过仪器组在不增加误差补偿装置的情况下,通过仪器组成部分的合理布局来自动抵消阿贝误差。成部分的合理布局来自动抵消阿贝误差。 1m测长机测长机头座、尾座、刻尺面,构成测量光路头座、尾座、刻尺面,构成测量光路 头座头座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双线分划板双线分划板(09)光学计管光学计管测量过程测量过程对零位尾尾座座 对零对零光学计管2中对零(读数范围100um)显微镜3视场内两个零线对准100mm刻线尺刻线(读数至0.1mm)分划板双线1m测长机测长机头架头架( (座座) )
18、、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)测量过程测量过程测量读数读数显微镜3中读数:560.60mm刻线尺刻线分划板双线 光学计管2中读数:0.0079mm读数:读数:560.6079mm爱彭斯坦(Epenstien)原则tgfllHlcossin 由于导轨直线度的影响,测量时使尾座产生了倾角,而产生了阿贝误差l= H sin + l cos- l 。 分划板上S的像由S移至S,其移动方向与尾
19、架测头的移动方向相反。 SS =l1=f tg 。则测量误差:L=l-l1 = H sin+lcos-l-f tg 。上式近似简化为:L=(H-f )-l 2/2 。选择参数取 H =f ,则: L = - l2/2 。此为二阶误差,消除了一次误差,此即爱帕斯坦原则。 3.2 圆周封闭原理圆周封闭原理 在圆周分度器件(如刻度盘、圆柱齿轮)测量中,利用这一自然封闭特性,在没有更高精度的圆分度基准器件的情况小,可采用“自检法”达到高精度测量的目的。举例:方形角尺垂直度检定同一圆周上所有夹角之和等于同一圆周上所有夹角之和等于360,即,即所有夹角误差之和等于零。所有夹角误差之和等于零。(1)用高精度
20、直角尺进行比较测量用高精度直角尺进行比较测量A和B-指示器平板定位基准面被捡定的方形角尺高精度直角尺调零调零比较比较(2)自检法自检法各被测角的实际值为:i = + ei设i=i -90,=-90,则:i = + ei由自然封闭条件可知:所以:41414iiiie410ii2、测量:测得相应的e2、e3、 e4iiiiiieee41414190411、调零:角1的读数e1 01角为定角(用表示)自准直仪 由此可见,因为方形角尺的四个直角形成封闭条件,所以在没有标准四方形体或直角尺的情况下,按封闭原封闭原则用自检法不仅可以测出各角的实际偏差,并能达到较则用自检法不仅可以测出各角的实际偏差,并能达
21、到较高的精度。高的精度。 因此封闭原则和阿贝原则一样,是测量中的一个重要的原则:凡能形成圆周封闭条件的场合均可应用,凡能形成圆周封闭条件的场合均可应用,例如各种圆周分度器件、齿轮周节累积误差的测量等。4、测量的一般步骤、测量的一般步骤(1)确定被测项目确定被测项目 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,明确需要测量的项目。(2)设计测量方案设计测量方案 根据测量项目的性质、具体要求、结构特点、批量大小、检测设备状况、测量环境及测量人员的能力等多种因素,设计一个能满足测量精度要求,且具有低成本、高效率的测量预案。(3)选择测量器具选择测量器具 按照规范要求选择适
22、当的测量器具,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。测量的一般步骤(续)(4)测量前准备测量前准备 清理测量环境并检查是否满足测量要求,清洗标准器、被测件及辅助工具,对测量器具进行调整使之处于正常的工作状态。(5)采集数据采集数据 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。(6)数据处理数据处理 对测量数据进行计算和处理,获得测量结果。(7)填报测量结果填报测量结果 将测量结果填写在测量报告单及有关的原始记录中,根据技术要求作出合格性的判定。二、长度单位与计量传递二、长度单位与计量传递1、长度单位2、计量基准3、量块4、量值传递1 1、长度单位、长度单位 在
23、国际单位制及我国法定计量单位中,长度的基本单位名称是“米”,其单位符号为“m”。 “米”的定义于18世纪末始于法国,当时规定“米等于经过巴黎的地球子午线的四千万分之一”。19世纪“米”逐渐成为国际通用的长度单位。1889年在法国巴黎召开了第一届国际计量大会,从国际计量局订制的30根米尺中,选出了作为统一国际长度单位量值的一根米尺,把它称之为“国际米原器”。 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。2 2、长度计量基准、长度计量基准 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,
24、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标准器有量块(块规)和线纹尺。3 3、量块、量块 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制成。其形状有长方体和圆柱体两种,常用的是长方体。 (1)量块的构成长方体的量块:测量面测量面:两个平行的平面,要求光滑、平整,表面粗糙度Ra值达0.012m以上。非测量面非测量面:其余4个。标称长度:标称长度:两测量面之间的距离,即量块的工作长度。标称长度小于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
25、面左侧较宽的一个非测量面上。 (2)量块的用途1、作为长度尺寸标准的实物载体,将国家的长度基准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。2、作为标准长度标定量仪,检定量仪的示值误差。3、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。4、可直接用于精密测量、精密划线和精密机床的调整。(3)量块的精度等级级:制造精度,生产和销售。等:检定精度,使用。量块生产企业大都按“级”向市场销售量块。用量块长度极限偏差(中心长度与标称长度允许的最大误差)控制一批相同规格量块的长度变动范围;用量块长度变动量(量块最大长度与最小长度之差)控制每一个量块两测量面间各对应点的长度变动范围。
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