工件测量技术实验.docx
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工件测量技术实验
工件测量技术实验
一、课时安排
4H
其中：
测量原理介绍0.5H
常用量具介绍及演示1H
学生测量实验2H
实训报告0.5H
二、实训目的和要求
实习目的：
（1）通过实训建立机械工程中互换性技术测量的概念；
（2）掌握基本几何量及其精度、形位精度、表面粗糙度、螺纹中径等参数的精密测量方法；
（3）掌握各种常用精密量具的测量原理及其使用方法。
实习要求：
能用基本的精密量具正确测出所给工件的基本几何量及其精度、形位精度、表面粗糙度、螺纹中径等参数。
三、技术测量实训主要内容
（一）测量原理介绍（0.5H）
地点：
测量实验室
（二）常用量具介绍及演示（1H）
地点：
测量实验室
（三）学生测量实验（2H）
地点：
测量实验室
分组：
分四组，顺序轮换
（四）实习报告（0.5H）
地点：
测量实验室
四、实验内容、工具及量具
序号
名称
内容
工具及量具
数量
1
基本尺寸、角度测量
长度；
外径；
内径；
深度；
角度
游标卡尺（0-150mm）；
外径千分尺（0-100mm）；
内径千分尺（25-50mm）-2；
内径百分表（25-50mm）；
深度千分尺（25-50mm）；
万能角度尺（GCO2-II-D）
6套
2
形位精度测量
（一）
直线度、平面度；平行度、垂直度、倾斜度
测量平板；刀口尺；
直角尺（150mm）、塞尺；
方箱、平行垫铁、V形垫铁；
磁性表架；
百分表（0-3mm）；
6套
3
形位精度测量
（二）
圆度、圆柱度；
同轴度、圆跳动、全跳动
偏摆检查仪（600mm）-2；
标准心轴；
磁性表架；
百分表（0-3mm）
6套
4
表面粗糙度测量、螺纹参数测量
表面粗糙度；
螺纹中径、牙型半角、螺距（介绍测量方法）；
表面粗糙度样板（车、铣、磨）；
螺纹千分尺（25-50mm）；
牙规
6套
五、实验基本步骤
1、根据所给测量项目选择适当的量具；
2、熟悉所选量具并进行测量；
3、记录测量数据；
4、按顺序进行组间轮换，完成所有给定项目的测量；
5、完成实训报告。
六、技术测量相关知识
（一）互换性技术测量的概念
1、互换性的概念
在机械制造业中，同一规格的一批零件或部件，任取其一，不需任何挑选或修理就能装在机器上，并达到预定的使用性能要求，这样的一批零件或部件就称为具有互换性的零、部件。
例如日常生活中经常遇到的自行车或手表零件损坏以后，修理人员很快就可用同样规格的零件换上继续使用。
机械制造业中的互换性，通常包括几何参数（如尺寸、几何形状等）和机械性能（如硬度、强度、弹性等）的互换性，这里仅讨论几何参数的互换性。
为了满足互换性要求，最好是相同规格的零、部件做得完全一致，但实际上零件实际几何参数相对于理想几何参数的变动（误差）总是客观存在的。
实际几何参数完全一致是不可能的，也是没有必要的。
考虑到工件的使用功能要求，加工、装配及综合经济效益，通过一定的检测手段和工艺措施把这些误差控制在一定范围内，是完全可能的。
这些允许的零件几何参数的变动量，就称为公差。
与上述几何参数误差相对应的公差类型有尺寸（角度）公差、形状公差、位置公差和表面粗糙度。
零件几何参数在规定的公差范围内，即可满足其互换性要求。
2、测量的概念
研究测量、保证量值统一和准确性的学科称为计量学。
计量学研究的范围包括：
长度、温度、力学、电学、无线电、时间、频率、放射性、光学、声学、物质等十大类。
广义的长度是指几何量，即包括长度、角度、几何形状、几何要素的相对位置和表面粗糙度等内容。
测量就是将被测量和一个作为测量的标准量进行比较，从而确定二者比值的过程。
测量过程包括测量对象、测量单位、测量方法及测量精度四个要素。
测量对象：
从几何量的特性来分，测量对象包括长度、角度、形位误差和表面粗糙度等；从被测零件的特点来分，可分为方形零件、轴类零件、锥体零件、箱体零件、凸轮、花键、螺纹、齿轮、各种刀具等。
对于它们的特性、被测参数的定义和有关标准都必须有清晰而明确的理解，才能正确地进行测量。
测量单位：
我国采用以国际单位制为基础的法定计量单位。
在长度计量中米（m）是基本单位，机械制造业中常用毫米（mm）和微米（μm）；角度单位采用度（°）、分（’）、秒（”）、弧度（rad）和微弧度（μrad）。
测量方法：
是指在特定的对象下测量某一被测量时，参与测量过程的各组成因素和测量条件的总和。
组成因素包括测量时确定的测量方法（如是直接测量还是间接测量，是绝对测量还是相对测量等）、测量基面及定位方法、瞄准形式和瞄准方法、测量结果的显示方法等。
测量条件如测量环境及温度等。
确定测量方法的诸因素中，被测对象的特性和被测量的特性起决定性作用。
被测对象的特性是指它的精度、大小、形状、重量、材料、批量等；被测量的特性是指它本身参数的特点，以及在同一被测对象中它和其它参数之间的关系等。
测量精度：
它是指用相应测量方法进行比较，其结果和可靠程度，也即测量结果离开真值的程度。
任何测量过程总是不可避免地会出现测量误差，误差大说明测量结果离真值远，精度低。
任何测量结果的可靠有效值都是由测量误差确定。
研究、分析测量方法总误差，是分析它的测量精度的前提。
（二）量具的测量原理
⒈基本尺寸、角度测量
长度尺寸主要包括长度、外径、内径、深度等几何量，测量工具主要有游标卡尺、千分尺、百分表等。
（1）游标卡尺是一种常用的量具，具有结构简单、使用方便、精度中等和测量的尺寸范围大等特点，可以用它来测量零件的外径、内径、长度、宽度、厚度、深度和孔距等，应用范围很广。
如图1为测量范围为0～125mm的游标卡尺，制成带有刀口形的上下量爪和带有深度尺的型式。
图1.游标卡尺
1-尺身；2-上量爪；3-尺框；4-紧固螺钉；5-深度尺；6-游标；7-下量爪
零件尺寸的整数部分，可在游标零线左边的主尺刻线上读出来，而比1mm小的小数部分，可借助游标读数机构来读出，现把游标卡尺的读数原理和读数方法介绍如下。
如图2（a）所示，主尺刻线间距（每格）为1mm，当游标零线与主尺零线对准（两爪合并）时，游标上的第10刻线正好指向等于主尺上的9mm，而游标上的其他刻线都不会与主尺上任何一条刻线对准。
游标每格间距=9mm÷10=0.9mm
主尺每格间距与游标每格间距相差=1mm-0.9mm=0.1mm
0.1mm即为此游标卡尺上游标所读出的最小数值，再也不能读出比0.1mm小的数值。
当游标向右移动0.1mm时，则游标零线后的第1根刻线与主尺刻线对准。
当游标向右移动0.2mm时，则游标零线后的第2根刻线与主尺刻线对准，依次类推。
若游标向右移动0.5mm，如图2（b），则游标上的第5根刻线与主尺刻线对准。
由此可知，游标向右移动不足1mm的距离，虽不能直接从主尺读出，但可以由游标的某一根刻线与主尺刻线对准时，该游标刻线的次序数乘其读数值而读出其小数值。
例如，图2（b）的尺寸即为：
5×0.1=0.5（mm）。
图2.游标读数原理
（2）外径千分尺常简称为千分尺，它是比游标卡尺更精密的长度测量仪器，常见的一种如图所示，它的量程是0－25毫米，分度值是0．01毫米。
外径千分尺的结构由固定的尺架、测砧、测微螺杆、固定套管、微分筒、测力装置、锁紧装置等组成。
固定套管上有一条水平线，这条线上、下各有一列间距为1毫米的刻度线，上面的刻度线恰好在下面二相邻刻度线中间。
微分筒上的刻度线是将圆周分为50等分的水平线，它是旋转运动的。
从读数方式上来看，常用的外径千分尺有普通式、带表示和电子数显式三种类型。
根据螺旋运动原理，当微分筒（又称可动刻度筒）旋转一周时，测微螺杆前进或后退一个螺距─0．5毫米。
这样，当微分筒旋转一个分度后，它转过了1／50周，这时螺杆沿轴线移动了1／50×0．5毫米＝0．01毫米，因此，使用千分尺可以准确读出0．01毫米的数值。
外径千分尺的零位校准
使用千分尺时先要检查其零位是否校准，因此先松开锁紧装置，清除油污，特别是测砧与测微螺杆间接触面要清洗干净。
检查微分筒的端面是否与固定套管上的零刻度线重合，若不重合应先旋转旋钮，直至螺杆要接近测砧时，旋转测力装置，当螺杆刚好与测砧接触时会听到喀喀声，这时停止转动。
如两零线仍不重合（两零线重合的标志是：
微分筒的端面与固定刻度的零线重合，且可动刻度的零线与固定刻度的水平横线重合），可将固定套管上的小螺丝松动，用专用扳手调节套管的位置，使两零线对齐，再把小螺丝拧紧。
不同厂家生产的千分尺的调零方法不一样，这里仅是其中一种调零的方法。
检查千分尺零位是否校准时，要使螺杆和测砧接触，偶尔会发生向后旋转测力装置两者不分离的情形。
这时可用左手手心用力顶住尺架上测砧的左侧，右手手心顶住测力装置，再用手指沿逆时针方向旋转旋钮，可以使螺杆和测砧分开。
图3.外径千分尺
（3）内径千分尺用于内尺寸精密测量（分单体式和接杆式）
其正确测量方法：
1）内径千分尺在测量及其使用时，必需用尺寸最大的接杆与其测微头连接，依次顺接到测量触头，以减少连接后的轴线弯曲。
2）测量时应看测微头固定和松开时的变化量。
3）在日常生产中，用内径尺测量孔时，将其测量触头测量面支撑在被测表面上，调整微分筒，使微分筒一侧的测量面在孔的径向截面内摆动，找出最小尺寸。
然后拧紧固定螺钉取出并读数，也有不拧紧螺钉直接读数的。
这样就存在着姿态测量问题。
姿态测量：
即测量时与使用时的一致性。
例如：
测量75～600/0.01mm的内径尺时，接长杆与测微头连接后尺寸大于125mm时。
其拧紧与不拧紧固定螺钉时读数值相差0.008mm既为姿态测量误差。
4）内径千分尺测量时支承位置要正确。
接长后的大尺寸内径尺重力变形，涉及到直线度、平行度、垂直度等形位误差。
其刚度的大小，具体可反映在“自然挠度”上。
理论和实验结果表明由工件截面形状所决定的刚度对支承后的重力变形影响很大。
如不同截面形状的内径尺其长度L虽相同，当支承在（2/9）L处时,都能使内径尺的实测值误差符合要求。
但支承点稍有不同，其直线度变化值就较大。
所以在国家标准中将支承位置移到最大支承距离位置时的直线度变化值称为“自然挠度”。
为保证刚性，在我国国家标准中规定了内径尺的支承点要在（2/9）L处和在离端面200mm处，即测量时变化量最小。
并将内径尺每转90°检测一次，其示值误差均不应超过要求。
图4.内径千分尺
（4）内径百分表
内径百分表是内量杠杆式测量架和百分表的组合，如图5所示。
用以测量或检验零件的内孔、深孔直径及其形状精度。
内径百分表测量架的内部结构，由图5可见。
在三通管3的一端装着活动测量头1,另一端装着可换测量头2，垂直管口一端，通过连杆4装有百分表5。
活动测头1的移动，使传动杠杆7回转，通过活动杆6，推动百分表的测量杆，使百分表指针产生回转。
由于杠杆7的两侧触点是等距离的，当活动测头移动1mm时，活动杆也移动1mm，推动百分表指针回转一圈。
所以，活动测头的移动量，可以在百分表上读出来。
两触点量具在测量内径时，不容易找正孔的直径方向，定心护桥8和弹簧9就起了一个帮助找正直径位置的作用，使内径百分表的两个测量头正好在内孔直径的两端。
活动测头的测量压力由活动杆6上的弹簧控制，保证测量压力一致。
内径百分表活动测头的移动量，小尺寸的只有0～1mm，大尺寸的可有0～3mm，它的测量范围是由更换或调整可换测头的长度来达到的。
因此，每个内径百分表都附有成套的可换测头。
国产内径百分表的读数值为0.01mm，测量范围有10～18；18～35；35～50；50～100；100～160mm；160～250；250～450。
图5.内径百分表
用内径百分表测量内径是一种比较量法，测量前应根据被测孔径的大小，在专用的环规或百分尺上调整好尺寸后才能使用。
调整内径百分尺的尺寸时，选用可换测头的长度及其伸出的距离（大尺寸内径百分表的可换测头，是用螺纹旋上去的，故可调整伸出的距离，小尺寸的不能调整），应使被测尺寸在活动测头总移动量的中间位置。
内径百分表的示值误差比较大，如测量范围为35～50mm的，示值误差为±0.015mm。
为此，使用时应当经常的在专用环规或百分尺上校对尺寸（习惯上称校对零位），必要时可在如图5所示的由块规附件装夹好的块规组上校对零位，并增加测量次数，以便提高测量精度。
内径百分表的指针摆动读数，刻度盘上每一格为0.01mm，盘上刻有100格，即指针每转一圈为1mm。
（5）深度千分尺
深度百分尺如图6所示，用以测量孔深、槽深和台阶高度等。
它的结构，除用基座代替尺架和测砧外，与外径百分尺没有什么区别。
深度百分尺的读数范围（mm）：
0～25,25～100,100～150,读数值（mm）为0.01。
它的测量杆6制成可更换的形式,更换后，用锁紧装置4锁紧。
深度百分尺校对零位可在精密平面上进行。
即当基座端面与测量杆端面位于同一平面时，微分筒的零线正好对准。
当更换测量杆时，一般零位不会改变。
深度百分尺测量孔深时，应把基座5的测量面紧贴在被测孔的端面上。
零件的这一端面应与孔的中心线垂直，且应当光洁平整，使深度百分尺的测量杆与被测孔的中心线平行，保证测量精度。
此时，测量杆端面到基座端面的距离，就是孔的深度。
图6.深度百分尺
1-测力装置；2-微分筒；3-固定套筒；4-锁紧装置；5-底板；6-测量杆
（6）万能角度尺是用来测量精密零件内外角度或进行角度划线的角度量具。
万能角度尺的读数机构，如图7所示。
是由刻有基本角度刻线的尺座1，和固定在扇形板6上的游标3组成。
扇形板可在尺座上回转移动（有制动器5），形成了和游标卡尺相似的游标读数机构。
万能角度尺尺座上的刻度线每格1º。
由于游标上刻有30格，所占的总角度为29º，因此，两者每格刻线的度数差是
即万能角度尺的精度为2′。
图7.万能角度尺
万能角度尺的读数方法，和游标卡尺相同，先读出游标零线前的角度是几度，再从游标上读出角度“分”的数值，两者相加就是被测零件的角度数值。
在万能角度上，基尺4是固定在尺座上的，角尺2是用卡块7固定在扇形板上，可移动尺8是用卡块固定在角尺上。
若把角尺2拆下，也可把直尺8固定在扇形板上。
由于角尺2和直尺8可以移动和拆换，使万能角度尺可以测量0º～320º的任何角度，如图8所示。
图8.万能量角尺的应用
由图8可见，角尺和直尺全装上时，可测量0º～50的外角度，仅装上直尺时，可测量50º～140º的角度，仅装上角尺时，可测量140º～230’的角度，把角尺和直尺全拆下时，可测量230º～320º的角度（即可测量40º～130º的内角度）。
万能量角尺的尺座上，基本角度的刻线只有0～90º,如果测量的零件角度大于90º，则在读数时，应加上一个基数（90º；180º；270º；）。
当零件角度为：
>90º～180º，被测角度=90º+量角尺读数，>180º～270º，被测角度=180º+量角尺读数，>270º～320º被测角度=270º+量角尺读数。
用万能角度尺测量零件角度时，应使基尺与零件角度的母线方向一致，且零件应与量角尺的两个测量面的全长上接触良好，以免产生测量误差。
（7）偏摆检查仪
新型偏摆检查仪测量轴类及盘套类零件的圆跳动，配有一对莫氏4#的硬度顶尖，提高了新型偏摆检查仪的测量精度，怎大了对被测零件的支撑重量，可测量高精度零件的径向、端面和斜向圆跳动。
表架设计精巧合理，上下、前后、左右调节平稳自如，操作方便，表架刚性好，提高了检测仪器的灵敏性。
用途：
广泛用于对轴类、盘类产品及零部件的测量，主要检测其径向跳动、椭圆度、端面精度误差。
优点：
采用花岗石仪座提高了基准平面的精度，缩小了仪器自身的精度误差。
活动表座可在仪座的任何位置进行测量。
使用方法：
拧紧偏心轴手把，首先将固定顶尖座在仪座上固定。
按被测零件长度将活动顶尖座固定在合适的位置。
压下球头手柄，装入零件，用两顶尖顶住零件中心孔。
拧紧紧固手把，将顶尖固定。
将活动表座放在放在所需位置。
配合百分麦（千分麦）即可进行检测工作。
图9.偏摆检查仪
（8）百分表
百分表是用来校正零件或夹具的安装位置检验零件的形状精度或相互位置精度的。
百分表的外形如图10所示。
8为测量杆，6为指针，表盘3上刻有100个等分格，其刻度值（即读数值）为0.01mm。
当指针转一圈时，小指针即转动一小格，转数指示盘5的刻度值为1mm。
用手转动表圈4时，表盘3也跟着转动，可使指针对准任一刻线。
测量杆8是沿着套筒7上下移动的，套筒8可作为安装百分表用。
9是测量头，2是手提测量杆用的圆头。
图10.百分表图11.百分表的内部结构
图11是百分表内部机构的示意图。
带有齿条的测量杆1的直线移动，通过齿轮传动（Z1、Z2、Z3），转变为指针2的回转运动。
齿轮Z4和弹簧3使齿轮传动的间隙始终在一个方向，起着稳定指针位置的作用。
弹簧4是控制百分表的测量压力的。
百分表内的齿轮传动机构，使测量杆直线移动1mm时，指针正好回转一圈。
由于百分表和千分表的测量杆是作直线移动的，可用来测量长度尺寸，所以它们也是长度测量工具。
目前，国产百分表的测量范围（即测量杆的最大移动量），有0～3mm；0～5mm；0～10mm的三种。
读数值为0,001mm的千分表，测量范围为0～1mm。
由于千分表的读数精度比百分表高，所以百分表适用于尺寸精度为IT6～IT8级零件的校正和检验；千分表则适用于尺寸精度为IT5～IT7级零件的校正和检验。
百分表和千分表按其制造精度，可分为0、1和2级三种，0级精度较高。
使用时，应按照零件的形状和精度要求，选用合适的百分表或千分表的精度等级和测量范围。
使用百分表和千分表时，必须注意以下几点；
1）使用前，应检查测量杆活动的灵活性。
即轻轻推动测量杆时，测量杆在套筒内的移动要灵活，没有任何轧卡现象，且每次放松后，指针能回复到原来的刻度位置。
2）使用百分表或千分表时，必须把它固定在可靠的夹持架上（如固定在万能表架或磁性表座上，图5-3所示），夹持架要安放平稳，免使测量结果不准确或摔坏百分表。
用夹持百分表的套筒来固定百分表时，夹紧力不要过大，以免因套筒变形而使测量杆活动不灵活。
图12.安装在专用夹持架上的百分表
用百分表或千分表测量零件时，测量杆必须垂直于被测量表面。
图13所示。
即使测量杆的轴线与被测量尺寸的方向一致，否则将使测量杆活动不灵活或使测量结果不准确。
测量时，不要使测量杆的行程超过它的测量范围；不要使测量头突然撞在零件上；不要使百分表和千分表受到剧烈的振动和撞击，亦不要把零件强迫推入测量头下，免得损坏百分表和千分表的机件而失去精度。
因此，用百分表测量表面粗糙或有显著凹凸不平的零件是错误的。
图13.百分表安装方法
图14.百分表尺寸校正与检验方法
用百分表校正或测量零件时，如图14所示。
应当使测量杆有一定的初始测力。
即在测量头与零件表面接触时，测量杆应有0.3～1mm的压缩量（千分表可小一点，有0.1mm即可），使指针转过半圈左右，然后转动表圈，使表盘的零位刻线对准指针。
轻轻地拉动手提测量杆的圆头，拉起和放松几次，检查指针所指的零位有无改变。
当指针的零位稳定后，再开始测量或校正零件的工作。
如果是校正零件，此时开始改变零件的相对位置，读出指针的偏摆值，就是零件安装的偏差数值。
检查工件平整度或平行度时，如图15所示。
将工件放在平台上，使测量头与工件表面接触，调整指针使摆动1/3～1/2转，然后把刻度盘零位对准指针，跟着慢慢地移动表座或工件，当指针顺时针摆动时，说明了工件偏高，反时针摆动，则说明了工件偏低了。
当进行轴测的时候，就是以指针摆动最大数字为读数（最高点），测量孔的时候，就是以指针摆动最小数字（最低点）为读数。
检验工件的偏心度时，如果偏心距较小，可按图16所示方法测量偏心距，把被测轴装在两顶尖之间，使百分表的测量头接触在偏心部位上（最高点），用手转动轴，百分表上指示出的最大数字和最小数字（最低点）之差的1/2就等于偏心距的实际尺寸。
偏心套的偏心距也可用上述方法来测量，但必须将偏心套装在心轴上进行测量。
（a）（b）
a）工件放在V形铁上b）工件放在专用检验架上
图15.轴类零件圆度、圆柱度及跳动
图16.在两顶尖上测量偏心距的方法
（9）螺纹千分尺
螺纹千分尺如图17所示。
主要用于测量普通螺纹的中径。
螺纹千分尺的结构与外径百分尺相似，所不同的是它有两个特殊的可调换的量头1和2，其角度与螺纹牙形角相同的。
图17.螺纹千分尺
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