精密测量技术课程试验教学大纲.docx
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精密测量技术课程试验教学大纲
精密测量技术课程试验教学大纲
一、课程概况
英文名：
PrecisionMeasurementTechnology
开课单位：
机械学院
课程编码：
2010422
学分学时：
2.5学分，40学时
授课对象：
测控技术及仪器专业
先修课程：
互换性与技术测量、误差理论与实验设计，工程光学，测控仪器设计
试验课程主要内容：
精密测量技术试验教学课程在是在理论学习的基础上，通过试验手段进一步巩固和掌握一些常用仪器的测量原理及测量方法，培养学生的实际动手和操作能力。
主要包括：
基本长度量的测量方法，形状和位置误差的测量方法，机械零件综合参数测量方法等。
通过对基本测量方法和测量仪器的实际操作，使学生能能综合运用光、机、电方面的知识，初步解决生产中存在的测量技术问题，并为掌握高精度的复杂测量问题提供有利的条件。
二、试验课程内容
1.基本长度量测量方法（3学时）
试验1。
卧式光学比较仪测量内孔直径（1学时）
试验二。
接触式干涉仪测量长度尺寸（1学时）
试验三。
用万能工具显微镜测量孔距（1学时）
2.形状和位置误差的测量（4学时）
试验四。
箱体位置误差的测量（1学时）
试验用五。
合象水平仪测直线度误差（1学时）
试验六。
平面度误差的测量与评定（1学时）
试验七。
表面粗糙度的测量（1学时）
3.综合测量实验（3学时）
实验八。
圆柱齿轮参数和误差测量（1学时）
实验
。
用工具显微镜测量螺纹各项参数（1学时）
实验十。
三坐标测量机的使用（1学时）
实验内容：
用工具显微镜测量螺纹各项参数
一、实验目的
1、了解工具显微镜的测量原理及结构特点。
图2-1-1大型工具显微镜
1-目镜；2-米字线旋转手轮；3-角度读数目镜光源；4-显微镜筒；5-顶尖座；6-圆工作台；7-横向千分尺手轮；8-底座9--圆工作台手轮；10-顶尖；11-纵向千分尺手轮；12-立柱倾斜手轮；13-连接座；14-立柱；15-支臂；16-锁紧螺钉；17-升降手轮；18-角度目镜
2、掌握用大型工具显微镜测量外螺纹中径，螺距和牙型半角的方法。
二、实验设备
大型工具显微镜，螺纹量规。
图2-1-1为大型工具显微镜外形图。
它由下列四部分构成：
（1）底座——用来支撑整个量仪；
（2）工作台——用来承放被测工件，可以作纵向和横向移动，移动的距离可以通过工作台的千分尺11和7的示值反映出来，还可以绕自身的轴线旋转；（3）显微镜系统——用来把被测工件的轮廓放大投影成像，通过目镜l来瞄准，通过角度示值目镜18读取角度值；（4）立柱——用来安装显微镜筒等光学部件。
在工具显微镜上用影像法测量外螺纹是利用光线投射将被测螺纹牙型轮廓放大投影成像于目镜中，用目镜中的虚线来瞄准轮廓影像，并通过该量仪的工作台纵向、横向千分尺（相当于直角坐标系的x、y坐标）和角度读数目镜来实现螺纹中径、螺距和牙型半角的测量。
图2-1-2大型工具显微镜光路图
大型工具显微镜的光学系统如图2-1-2所示。
由光源l发出的光束经光圈2、滤光片3、反射镜4、聚光镜5和玻璃工作台6，将被测工件的轮廓经物镜组7、反射棱镜8投影到目镜10的焦平面米字线分划板9上，从而在目镜10中观察到放大的轮廓影像，从角度示值目镜11中读取角度值。
另外，也可以用反射光源照亮被测工件；以该工件的被测表面上的反射光线，经物镜组7、反射棱镜8投影到目镜10的焦平面米字线分划板9上，同样可在目镜10中观察到放大轮廓影像。
1．测量过程的初始操作
（1）接通电源，松开圆工作台锁紧装置，摇动手轮9，把工作台6的圆周刻度对准示值零位。
把被测工件安放在玻璃台面或牢固安装在两个顶尖10之间。
（2）根据被测件直径尺寸大小，参照量仪说明书调整光阑大小，或按表2-1提供的对应关系选择光阑直径。
表2-1
螺纹中径（mm）
10
12
14
16
18
20
25
30
40
光阑直径（mm）
11.9
11
10.4
10
9.5
9.3
8.6
8.1
7.4
（3）用影像法测量螺纹时，由于螺旋角影响，当光线垂直于螺纹轴线射入物镜时，牙型轮廓影像就会有一侧模糊。
为了获得清晰的牙形轮廓，必须摆动立柱使光线顺着螺旋线射入物镜，如图2-1-3所示。
这时需转动手轮12，使立柱14向右或向左倾斜一个角度，其值等于螺纹升角ψ＝arctg（nP/πd2），式中P为公称螺距，d2为公称中径。
图2-1-3所示是观察靠近自己一侧的螺牙影像时的情形，立柱向左倾斜一个ψ角，当要观察背面一侧的螺牙影像时，由于螺牙的方向正好相反，此时，立柱应向右倾斜一个ψ角。
（4）转动目镜1上的焦距调节环，使视场中的米字线最清晰。
松开螺钉16，旋转手轮17使支臂15升降，调整量仪物镜的焦距，使被测轮廓影像清晰，然后旋紧螺钉16。
（5）通过旋动11、7纵、横向千分尺，纵横移动工作台，使影像在目镜中移动，根据所需测量的位置，用目镜中的米字线瞄准目标。
转动目镜1中米字线旋转手轮2,可旋转米字线的倾斜角度，使中心虚线与影像轮廓线贴合，便于给工件定位，读取该位置对应的x、y数值，同时还可以从角度目镜18中读取米字线中心虚线倾斜的角度。
2．几种瞄准方法和措施
定位瞄准是测量过程的关键，若在用米字线对准被测轮廓时出现偏差，测量误差增大，出于这一考虑，仪器配有测量刀等附件，可采用不同的瞄准方法，以减少瞄准的误差。
（1）影像法
就上述测量影像的情况，可采用如图2-1-4所示的两种对线方法：
①压线法，米字线的中虚线A—A与牙形轮廓的一侧边重合，用于测量长度。
a）压线法b）对线法
图2-1-4瞄准方法
②对线法，米字线的中虚线A—A与牙形轮廓的一侧边间有一条宽度均匀的细缝，用于测量角度。
用影像法测量时，尽管显微镜立柱按螺旋升角方向倾斜，但由于螺纹是个螺旋面，使工件阴影的边界仍不够清晰，且得到的是法向影像，与螺纹标准定义（在轴截面上）不符，因此测量误差较大。
为克服这一缺点，可以采用轴切法。
（2）轴切法
图2-1-3显微镜物镜方向
轴切法是利用仪器的附件——测量刀，在被测螺纹的轴截面上进行测量的，测得的参数与螺纹标准定义符合。
由于螺纹的倾斜遮挡不了量刀上的刻线，故立柱不需倾斜，直接把物镜焦距调到螺纹的轴截面上。
如图2-1-5所示，测量刀有一条斜角为30°的刃口，分为左、右斜刃两种，用以测量左、右牙侧。
在测量刀表面刻有一条与刃口平行的细线，其与刃口的距离l有0.3mm和0.9mm两种，分别用以测量螺距小于3mm和大于3mm的螺纹。
测量时，测量刀的安装高度应使其刃口与被测螺纹轴心线高度一致，然后使测刃贴紧螺牙侧面。
当用3倍物镜将螺纹放大时，可用米字线中央虚线两旁的虚线（一条距中央0.9mm，另一条距2.7mm）来瞄准测量刀上的细刻线，瞄准后就表明中央虚线对准了螺牙侧面。
测量读数的取得与影像法相同。
与影像法相比，轴切法的测量精度较高。
但对操作技术要求较高，操作比较复杂，且测量刀刃口易碰伤和磨损。
此外，高度调节误差也是影响测量精度的重要原因。
（3）干涉带法
还有采用瞄准干涉带的方法，简称干涉带法。
图2-1-6干涉法
干涉带法是利用螺纹牙侧影像外围的干涉条纹代替影像边缘，用米字线瞄准后进行测量，如图2-1-6所示。
图2-1-5轴切法
采用干涉带法测量时，要将显微镜透射光路中的光圈调整到最小，或在光路中加一个小孔光阑，形成细光束照亮牙廓，此时，目镜中可看到在被测零件轮廓线附近有3~5条明暗相间的干涉条纹，其形状与检测牙廓边缘一致。
测量时，用米字线与第一级干涉条纹对准，对准较容易从而减小了对准误差，其精度可达±0.5m。
上述为采用平行光照明，它适用于测量半角和螺距。
但测量中径时要做很麻烦的修正，因此不适于测量中径。
采用斜光束照明可以克服以上缺点。
但这一方法需要在仪器原来的可变光阑处，设置一特殊的斜照明装置，需要专业人员才能进行，在此不作介绍。
此方法光源以与原主光轴成一斜角的平行光投向被测件，同样也可以产生干涉条纹，这时采用对准干涉条纹方法测量中径，不需进行修正。
图2-1-7球接触法
（4）球接触法
球接触法是用球形量头接触螺纹牙槽来测量螺纹中径的。
它其实是仿照量针测量法，用球头测量刀进行测量，如图5-78所示。
此方法的原理与三针法相同，按选择三针直径的方法选择球的直径，使其尽量接近最佳针径。
测量时，将球头伸入螺牙中与两牙侧接触，然后用米字线瞄准球边缘的影像，求得两次瞄准在横向标尺上两读数之差N值，按下式计算中径：
3．影像法测量螺纹参数
（1）中径测量
螺纹中径d2是指把螺纹截成牙形切口宽与牙形沟槽宽度相等并和螺纹轴线同轴的假想圆柱面直径。
对于单线螺纹，它的中径也等于轴截面内沿着与轴线垂直的方向量得的两个相对牙形侧面间的距离。
测量时，为了使轮廓影像清晰，需将立柱进行向左、向右各一次的倾斜。
倾斜的角度为螺旋升角ψ，倾斜方向，视观察哪一侧牙形而定，应与螺纹的倾斜方向一致。
图2-1-8螺纹参数测量
操作是：
确定向一方倾斜了立柱，并进行了调焦之后，得到清晰的螺牙影像，转动纵向千分尺和横向千分尺手轮，以移动工作台，同时，转动目镜1中米字线旋转手轮2，旋转米字线的倾斜角度，使目镜中的中心虚线与螺纹螺牙影像轮廓的一侧重合，记下横向千分尺的第一次读数。
然后，将显微镜立柱反向倾斜升角ψ，转动纵向千分尺（此时不得再转动横向千分尺，米字线也不旋转），使螺纹工件沿直径方向移动，目镜中使中心虚线与螺纹直径上另一侧的牙形轮廓重合，记下纵向千分尺第二次读数。
两次读数之差，即为螺纹的实际中径。
被测螺纹若是放在工作台上，需要仔细调整安放的位置，应使尽可能使它的轴向和径向分别与纵向和横向千分尺的测量方向一致，且轴线要水平，带有顶尖孔的螺纹则安装在两顶尖上。
尽管如此，安装误差必定会存在的，若螺纹轴线方向与仪器工作台纵向移动方向不一致，此时径向方向也与工作台横行测量方向不一致，这将带来测量误差，造成在牙形轮廓一侧测得的结果大于实际值，而另一侧测得的结果则小于实际值，为了消除被测螺纹工件安装误差对测量结果的影响，根据误差出现的规律，可对螺牙两侧面均作测量，利用正负误差相消的原理，作平均处理。
故整个测量过程须测出d2左和d2右，如图2-1-8所示，最后，取两者的平均值作为实际中径：
（2）测量螺距
螺距P是指相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。
测量时转动纵向和横向千分尺，以移动工作台，旋转目镜中的米字线中心虚线与螺纹影像轮廓的一侧重合，记下纵向千分尺第一次读数。
然后，转动纵向千分尺手轮（横向千分尺手轮不动，镜中的米字线不旋转），工作台纵向移动，使螺牙纵向移动n个螺距的长度，使沿轴线方向相距n个螺牙的同侧影像轮廓与目镜中的米字线中心虚线重合，记下纵向千分尺第二次读数。
两次读数之差，即为n个螺距的实际长度∑P。
对于单线螺纹，测量一个螺距时，则移动一个螺牙进行上述测量操作。
为了消除被测螺纹安装误差的影响，同样要测量出∑P左和∑P右，如图2-1-8所示。
然后，取它们的平均值作为螺纹n个螺距的实际尺寸:
它与n个公称螺距的差值称为n个螺距的累积偏差:
图2-1-9螺距累积误差
式中P为公称螺距。
ΔPΣ
螺纹的螺距常要用螺距累积误差来评价，螺距累积误差（实际为偏差）是指在螺纹全长上，实际累积螺距对其公称值的最大差值。
由于在螺纹全长上，每个螺距的偏差可能有正有负，因此，不一定在全长处累积最大，有可能在中间某两个齿之间累积最大。
为了寻找这一最大值，应一个个把每个实际螺距按顺序测量出其数值，与公称螺距比较得出每个螺距的实际偏差，然后再作数据处理求得螺距累积误差。
具体方法如下：
若测量一个单线外螺纹，全长共有8个螺牙，可测得7个实际螺距，求得7个螺距的实际偏差，数值列于表2-2的测得值一栏。
处理时要进行累加计算，所得值列于累加值一栏。
在累加值一栏中找到最极端的两个值，它们的差值即为该螺纹的螺距累积误差ΔPΣ。
从累加值可见，第一个螺牙到第八个螺牙之间的距离与7倍的公称螺距的差值仅-0.5m，而第三个螺牙到第七个螺牙之间的距离与4倍公称螺距的差值则是-5m。
表2-2
螺牙序号
1
2
3
4
5
6
7
8
测得值（m）
0
+1
+1.5
-2
-1
-1
-1
+2
累加值（m）
0
+1
+2.5
+0.5
-0.5
-1.5
-2.5
-0.5
可用作图方法，可直观地找到螺距累积误差为-5m，如图2-1-9所示。
图2-1-10测角目镜
1-度盘装置；2-中央目镜；3-角度读数目镜；4-光源反射镜；5-米字线旋转手轮
（3）测量牙形半角
螺纹牙形半角是指在螺纹牙形上，牙侧与螺纹轴线的垂线间的夹角。
测量时，转动纵向和横向千分尺调节手轮，同时旋转目镜中的米字线，使中心虚线与螺纹螺牙影像的某一侧面重合。
此时，从角度读数目镜中显示的读数，即可算出该牙侧的半角数值。
图2-1-10所示为仪器的目镜外形图、中央目镜视场图、角度读数目镜视场图。
在中央目镜视场中，可见米字形分划线，可旋转，常用中心虚线a-a来对准测量目标。
在角度目镜内无内部的光源，要靠反射镜4，把外界的光反射进目镜中才能看见里面的刻度。
调整好反射镜的角度后，在角度目镜视场中，可见到两种刻度和对应的数字，间隔较大的是度盘的度数刻度，0º~360º每一度一根刻线，并标有对应的数值，它会随着米字线的转动而移动，刻度较密的部分是固定游标，刻有０~60＇的分值刻线。
转动手轮，可使刻有米字刻线和度值刻线的圆盘转动，它转过的角度，可从角度读数目镜中读出。
当角度读数目镜中固定游标的零刻线与分值刻线的零位对准时，则角度读数为0°0＇，此时，米字线中心虚线a-a正好垂直于仪器工作台的纵向移动方向。
当米字线中心虚线a-a倾斜，与被测螺纹螺牙影像一边贴合，则可从角度目镜中读得倾斜的角度，图中角度读数目镜视场的读数指示数值为：
121°36＇。
角度目镜中读得的数值，还不是螺牙的实际半角，要已知原来中心虚线竖直时的角度读数值，才能计算得到螺牙的半角数值，即：
是两者的差值才是被测螺牙半角的角度值。
例如若米字线中心虚线倾斜贴紧螺牙轮廓后读数值为330°4＇，则所测半角应为360°-330°4＇=29°56＇。
同理，当米字线中心虚线与被测螺纹螺牙影像另一边贴合时，则测得另一半角的数值。
为了消除被测螺纹的安装误差的影响,需分别测出如图2-1-11所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个实际半角为
/2、
/2、
/2、
/2，并按下述方式处理：
图2-1-11
将它们与牙形半角公称值（公制螺纹牙形角α＝60º）比较，则得牙形半角偏差为：
为了使轮廓影像清晰，测量牙形半角时，同样要使立柱倾斜一个螺旋升角ψ。
用影像法测量的是法向牙型角，应按下式换算成轴向牙型角，再判断其合格性。
式中ψ为螺旋升角。
当升角ψ不大、精度要求不高时，可以用法向测得值代替，而不必换算。
测量中径和螺距时，只需米字线瞄准牙侧中部最清晰的一段影像，较易瞄准。
而测牙型半角时，则必须沿牙侧全长影像对线，因接近牙底处的影像清晰度变差，瞄准较为困难，尤其螺距小、牙型短时更困难。
因此，通常取重复测量3~8次后求得的平均值作为最终的测量结果。
干涉显微镜测量表面粗糙度
一、实验目的
1.了解干涉显微镜测量表面粗糙度的原理。
2.学习使用干涉显微镜测量表面粗糙度的方法。
二、实验内容
用干涉显微镜测量标准量块的表面粗糙度数值。
三、测量装置和工作原理
图5-2-16JA干涉显微镜
1-目镜；2-测微鼓轮；3、4-手轮；5-手柄；6-螺钉；
7-光源；8、9、10-手轮；11、12、13-滚花轮；14-工作台；15-手轮；16-锁紧螺钉
干涉显微镜是利用光波干涉原理和显微系统来测量工件表面粗糙度的一种高精度测量仪器。
它将被测表面直接参与光路与标准镜面相比较，并用光波波长来度量干涉条纹弯曲程度，从而测得被测表面的粗糙度数值。
干涉显微镜一般用于测量1～0.03
表面粗糙度的RZ值和RY值。
图5-2-1为6JA型干涉显微镜外观图。
图5-2-2光路系统
1-光源；2-聚光镜；3、11、15-反射镜；4-孔径光阑；5-视场光阑；6-照明物镜；7-分光镜；8、10-物镜；12转向棱镜；13-分划板；14-目镜；16-照相物镜；17-滤光片
干涉显徽镜是根据光学干涉原理设计的，图5-2-2为其光学系统示意图，图中可见由光源1发出的光线经聚光镜2、滤色片3、投射到孔径光阑4的平面上，照亮位于照明物镜6前的视场光阑5，光线通过透镜6后成平行光线，射向半透半反射的分光镜7后分成两束；一束反射光线经滤光片、再通过物镜组8射到基准平面反射镜P1，被P1反射回到分光镜7，光线通过7射向目镜14；从分光镜透射的另一束光线通过补偿镜9、物镜10射向工件表面P2，反射回的光线最后也射向目镜14。
由于两路光线有光程差，相遇时产生干涉现象，在目镜分划板13上产生明暗相间的干涉条纹。
若被测表面粗糙不平，干涉条纹即成弯曲形状如图5-2-3。
由测微目镜可读出相邻两干涉带距离a及干涉带弯曲高度b。
由于光程差每增加半个波长，即形成一条干涉带，故被测表面微观不平度的实际高度为
式中，λ为光波波长。
在取样长度内，测算5个最大的H并加以平均即得出Rz值，也可以测量评定Ry值。
干涉显徽镜一般用于测量表面粗糙度参数较小的光亮表面,即微观不平度十点高度Rz值在0.025-0.8m的表面。
图5-2-3干涉条纹
图5-2-4焦距调整
四、测量步骤
测量之前，首先要做仪器调整，仪器调整的过程如下：
（1）如图5-2-1所示，接通电源，使光源7处灯泡亮。
转动手轮3使连通至目镜的光路（另一通路是至照相机），转动手轮15，使光路中的遮光板从光路中移开，此时从目镜1中可看到明亮的视场。
如果视场亮度不均匀，可转动螺丝6，调节灯泡的位置使视场亮度均匀。
（2）转动手轮9，使目镜视场中弓形直边清晰，如图5-2-4所示。
（3）松开螺釘16，取下测微目镜1，直接从目镜管中观察，可以看到两个灯丝象。
转动手轮4，使孔径光阑开至最大，转动手轮8，使两个灯丝象完全重合，同时调节螺丝6，使灯丝象位于孔径光阑中央，如图5-2-5所示，然后装上测微目镜，旋紧螺丝16。
（4）在工作台14上放置好洗干净的被测工件。
被测表面向下，对准物镜。
转动手轮15，使遮光板遮去光路中的参考标准镜。
转动滚花轮13使工作台在任意方向移动，确定测量面位置，转动滚花轮11，使工作台升降直到目镜视场中观察到清晰的工件表面影象为止，再转动手轮15，使遮光板从光路中移开。
（5）在精密测量中，通常采用光波波长稳定的单色光（本仪器用的是绿光），此时应将手柄5向左推到底，使图中的滤色片插入光路。
当被测表面粗糙度数值较大而加工痕迹又不很规则时，干涉条纹将呈现出急剧的弯曲和断裂现象，这时则向右推动手柄，采用白光，因为白光干涉成彩色条纹，其中零次干涉条纹可清晰地显示出条纹的弯曲情况，便于观察和测量。
如在目镜中看不到干涉条纹，可慢慢转动手轮10直到出现清晰的干涉条纹为目止。
（6）转动手轮8、9以及滚花轮11，可以得到所需的干涉条纹亮度和宽度。
（7）转动滚花轮12转动工作台，使加工痕迹的方向与干涉条纹垂直。
图5-2-5光源调整
图5-2-6测量读数
（8）松开螺丝16，转动测微目镜1，使视场中十字刻线之一与干涉条纹平行，然后拧紧螺丝16，此时即可进行具体的测量工作。
在此仪器上，表面粗糙度可以用以下方法测量。
①转动测微目镜的测微鼓轮2，使视场中与干涉条纹平行的十字线中的一条线对准一条干涉条纹峰顶中心，如图5-2-6，这时在测微器上的读数为N1。
然后再对准相邻的另一条干涉条纹峰顶中心，读数为N2。
（N1－N2）即为干涉条纹间距b。
为提高测量精度，最好在不同位置测量多个条纹间距值取平均值。
②对准一条干涉条纹峰顶中心读数N1后，移动十字线，对准同一条干涉条纹谷底中心，读数为N3。
（N1－N3）即为干涉条纹弯曲量a。
按微观不平度十点高度Rz的定义，在取样长度范围内测量同一条干涉条纹的5个最高峰和5个最低谷，这个干涉条纹弯曲量的平均值aav为：
被测表面的微观不平度十点高度Rz为：
采用白光时，λ＝0.55m；采用单色光时，则按仪器所附滤光片检定书载明的波长取值。
按评定长度要求，需作5个取样长度的Rz值测量，才能作为评定表面粗糙度的合格性。
上述测量中，在各个取样长度范围内的最大峰值读数和最小谷值读数之差，则为各个取样长度内的轮廓最大高度Ry值，即选取其中最大峰值和最小谷值的差值amax值，按下式计算轮廓最大高度Ry值。
五、注意事项
1.做实验时不要随意调动仪器，否则将使干涉条件无法建立。
2..调整工作台升降时，要严防工件接触和碰撞物镜，并严防污损物镜。
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