零件的精密测量.docx

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零件的精密测量

*项目七零件的精密测量

【学习目标】

（1）了解现代精密测量技术的现状及发展

（2）了解常用现代精密测量仪器的工作原理及运用领域

（3）了解用三坐标测量机检测零件

（4）了解用表面粗糙度仪检测零件表面粗糙度

任务一用三坐标测量机检测零件

检测图7-1所示零件。

图7-1待测零件

【工作情境】

现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科。

在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智能化的发展趋势。

三坐标测量机（CMM）是适应上述发展趋势的典型代表，它几乎可以对生产中的所有三维复杂零件尺寸、形状和相互位置进行高准确度测量。

【相关知识】

（1）三坐标测量机的使用与保养

【活动分析】

本次测量项目为24-Φ8.4、2-R6、15±0.1、52±0.1、32.6±0.05、71±0.1、Φ231.9±0.05、Φ253、54。

测量方案确定：

本次活动采用图7-2所示的MCMS654手动三坐标测量机来检测零件。

图7-2MCMS654手动三坐标测量机

三坐标测量机，也叫三坐标测定器、三坐标测量机或三次元，是一种三维测量仪器，主要用于各种加工品、模具等的各种尺寸以及集合公差的测量。

同时也是逆向工程的有效工具，在汽车、航天、模具、机械加工、塑胶等行业有广泛的应用。

三坐标测量机测量原理：

将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。

三坐标测量机是测量和获得尺寸数据的最有效的方法之一，因为它可以代替多种表面测量工具及昂贵的组合量规，并把复杂的测量任务所需时间从小时减到分钟。

三坐标测量机的功能是快速准确地评价尺寸数据，为操作者提供关于生产过程状况的有用信息，这与所有的手动测量设备有很大的区别。

根据测量机上测头安置的方位，有三种基本类型：

垂直式、水平式和便携式。

垂直式三坐标测量机在垂直臂上安装测头。

这种测量机的精度比水平式测量机要高，因为桥式结构比较稳固而且移动部件较少，使得它们具有更好的刚性和稳定性。

垂直式三坐标测量机包含各种尺寸，可以测量从小齿轮到发动机箱体，甚至是商业飞机的机身；水平式测量机把测头安装在水平轴上。

它们一般应用于检测大型工件，如汽车的车身，以中等水平的精度检测；便携式测量机简化了那些不能移到测量机上的工件和装配件的测量，便携式测量机可以安装在工件或装配件上面甚至是里面，这便允许了对于内部空间的测量，允许用户在装配现场测量，从而节省了了移动、运输和测量单个工件的时间。

三坐标测量机可根据应用选择有两种方式：

手动和自动。

如果只需要检测几何量和公差都比较简单的工件，或测量各种小批量的不尽相同的工件，手动仪器是最佳选择。

如果需要检测大批量相同的工件，或要求较高的精度，要选择直接用计算机控制的测量机。

【活动实施】

1．测量步骤

（1）检查零件。

检查有无影响装夹定位或测量的毛刺、划痕、变形、锈蚀或油污等情况，如果有则应在不破坏其固有加工状态的前提下进行打磨去毛刺，清洗擦拭的处理，以满足测量需要，否则会划伤工作台或造成影像不清等问题。

（2）工件安装定位。

工件装夹时应做到位置适当、定位可靠、便于测量、减小变形、安全度高。

这里我们将工件平放在测量机检测台上，测量头正下方。

（3）打开测量机背面的图7-3所示的红色的气泵开关。

图7-3气泵开关

（4）打开联机的计算机，打开软件（如图7-4所示），测量机也随之准备就绪。

图7-4AC-DMIS界面

（5）测针选配组合及安装。

根据被测工件的具体测量要求选配合适的测针或测针组合.所选择的测针组合既要符合测头座及测头的负载要求.又便于实际测量.配好的测针之间的螺纹连接以及测针组与测头间的螺纹连接不能松动.但也不要太紧.以免对测头造成损伤.

（6）测针校正.当测针安装完毕后必需对所安装的测针进行校正.否则所测的数据是不准确的.根据所测产品的方向.角度把测针调到相应的方向和角度进行校正.校正时必需在标准球面上采致少五个点以上然后进行计算.所得到的值应该在25.4±0.002以内.否则应重新校正.

（7）向上合上测量机正面左边上侧的X、Y、Z的开关，移动测量机测头，轻轻触碰圆1的上、下、左、右四个侧面，测量圆1的直径。

（8）用同样的方法测量其余各尺寸。

（9）打印或导出测量结果。

见表7-1。

表7-1坐标值测量报告

（10）测量完毕后三轴必需回归原位.并且三轴应锁紧。

（11）关闭气源.电脑.如几天不用必需盖上防尘罩。

注意事项：

1．测量平台请保持干净，表面完好无损伤。

2．取放测定物时应注意不要伤及测量平台表面。

3．X.Y.Z三轴应保持干净，严禁裸手触摸，每天必需进行清洁。

4．测定采点时应注意，测头应慢慢接触待测点。

【活动拓展】

学校有相关设备的，可以尝试着测量一下。

【活动评价】根据本次活动的学习情况，认真填写附录3所示活动评价表。

【想想练练】

1．三坐标测量机有哪些类型，各适用什么场合？

2．用三坐标测量机测量和用量具、仪器测量，各有什么优缺点？

任务二用表面粗糙度仪检测零件表面粗糙度

用表面粗糙度仪检测图1-1零件的表面粗糙度

【工作情境】

表面质量的特性是零件最重要的特性之一，在计量科学中表面质量的检测具有重要的地位。

最早人们是用标准样件或样块，通过肉眼观察或用手触摸，对表面粗糙度做出定性的综合评定。

1929年德国的施马尔茨（G.Schmalz）首先对表面微观不平度的深度进行了定量测量。

1936年美国的艾卜特（E.J.Abbott）研制成功第一台车间用的测量表面粗糙度的轮廓仪。

1940年英国Taylor-Hobson公司研制成功表面粗糙度测量仪“泰吕塞夫（TALYSURF）”。

以后，各国又相继研制出多种测量表面粗糙度的仪器。

目前，测量迅速方便、测值精度较高、应用最为广泛的就是采用针描法原理的表面粗糙度测量仪。

【相关知识】

（1）了解表面粗糙度的测量方法

（2）了解便携式表面粗糙度测量仪的使用与保养

【活动分析】

用便携式表面粗糙度仪来完成本次活动，如图7-5所示。

a）检测工件b）TR100袖珍式表面粗糙度仪

图7-5TR100袖珍式表面粗糙度仪检测工件表面

【活动实施】

1．检测步骤

（1）打开电源，屏幕全屏显示，在“嘀”的一声后，进入测量状态。

测量参数，取样长度将保持上次关机前的状态。

（2）在启动传感器前选择测量参数Ra以及取样长度0.8（取样长度的选择见表7-2）。

开机后，轻触键

将依次选择测量参数Ra、Rz，轻触键

将依次选择0.25、0.8、2.5各档。

当发现仪器测值超差，可用标准样板对仪器进行校准，标准样板Ra值为0.1μm~10μm。

校准方法：

在米制、关机状态下，按住

键，同时打开电源开关，听到“嘀”的一声后，松开

键，此时进入校准状态，在屏幕左上方显示“CAL”，数值部分显示校准样板的Ra值。

注意：

在进入校准功能后，如要放弃校准,则可以直接关机。

在校准后，显示“－E－”则表示校准超限，此次校准失败。

此时可重新调整Ra值，再次进行校准。

用户根据自身常用的测量范围选择样板进行校准，可显著提高测量精度。

表7-2推荐的取样长度

（3）将仪器部位

对准被测区域，轻按启动键，传感器移动，在“嘀、嘀”两声后，测量结束，屏幕显示测量值，记录数值。

（4）在无任何操作后，每隔30秒，蜂鸣一声，提示用户关机，避免电池用尽。

保养：

1）避免碰撞、剧烈震动、重尘、潮湿、油污、强磁场等情况；

2）每次测量完毕，要及时关掉电源，以保持电池能量，并应及时地对电池进行充电；

3）充电时，要注意控制充电时间一般以10~15小时为宜。

要防止因超长时间的过充电而对电池造成损害；

4）传感器是仪器的精密部件，切记精心维护。

每次使用完毕，要将仪器的保护盖轻轻盖好。

避免对传感器造成剧烈的振动；

5）随机标准样板应精心保护，以免划伤后造成校准仪器失准。

【活动拓展】

学校有相关设备的，可以尝试着测量一下。

【活动评价】根据本次活动的学习情况，认真填写附录3所示活动评价表。

【想想练练】

1．表面粗糙度对零件使用情况有什么影响？

2．目前有哪些表面粗糙度检测的方法？

最常用的表面粗糙度检测方法是什么？

任务三用立式光学比较仪测量轴径

使用立式光学比较仪检测塞规。

【工作情境】

企业的计量工作是全面质量管理的重要组成部分，它不但为质量管理提供强有力的计量保证，同时还为经营管理提供必须的科学数据和信息。

计量室是专门从事计量测试、计量管理、标准量值传递、车间用计量器具的检定与维修等工作的部门。

计量室中对轴、孔的检验，常用的计量器具有机械比较仪、立式光学比较仪、万能测长仪和大型工具显微镜等。

【相关知识】

（1）了解用相对测量法测量线性尺寸的原理；

（2）了解光学比较仪的结构并熟悉它们的使用方法；

（3）熟悉量块的使用与维护方法。

【活动分析】

本次活动中，我们用使用比较广泛的立式光学比较仪来检测塞规轴径。

立式光学计是一种采用量块或标准零件与试件相比较的方式测量物体外形尺寸的仪器。

主要用于五等精度量块，一级精度柱型规及各种圆柱形，球形，线形等物体的直径或板形物体的厚度的精密测量，对被测件作微小位移测量。

亦可用来控制精密零件的加工。

图7-6为立式光学计及其工作原理图，图7-7为立式光学计结构图。

图7-6立式光学计及其工作原理图

图7-7立式光学计结构图

【活动实施】

1．操作步骤

（1）选择测头。

测头的形状有球形、刀刃形及平面形等3种。

所选择测头的形状与被测表面的几何形状有关。

根据测头与被测表面的接触应为点接触的准则，选择测头并把它安装在测杆上。

（2）根据被测塞规工作产分的基本尺寸或某一根限尺寸选取几块量块，并把它们研合成量块组。

（3）通过变压器接通电源。

拧动四个螺钉2，调整工作台15的位置，使它与测杆14的移动方向垂直。

（4）将量块组放在工作台15的中央，并使测头14对准量块的上测量面的中心点，进行量仪示值零位调整。

量仪示值零位调整步骤：

①粗调整：

松开螺钉4，转动螺圈3，使横臂5缓缓下降，直到测头与量块测量面接触，且从目镜9的视场中看到刻线尺影像为止，然后拧紧螺钉4。

②细调整：

松开螺钉11，转动细调螺旋6，使刻线尺零刻线的影像接近固定指示线（±10格以内），然后拧紧螺钉11。

（如图7-8a图所示）

③微调整：

转动微调螺旋10，使零刻线影像与固定指示线重合。

（如图7-8b图所示）

④按动测杆提升器13，使测头起落数次，检查示值稳定性。

要求示值零位变动不超过1/10格。

图7-8细微调整

（5）按动测杆提升器13，使测头抬起，取下量块组，换上被测塞规，松下提升器13，使测头与被测塞规工作表面接触。

如图7-9所示：

在塞规工作表面均布的三个横截面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ上，分别对相互垂直的两个直径位置、进行测量。

测量时，将被测塞规工作表面在测头下缓慢地前后移动，读取示值中的最大值，即为被测塞规工作部分实际尺寸相对于量块组尺寸的偏差。

图7-9测量部位示意

（6）取下被测塞规，再放上量块组复查示值零位，其零位误差不得超过±0.5μm。

（7）确定被测塞规工作部分的实际尺寸，并按塞规图样或GB1957-81《光滑极限量规》，判断被测塞规的合格性。

2．填写检测报告

【活动评价】根据本次活动的学习情况，认真填写附录3所示活动评价表。

【活动拓展】

学校有相关设备的，可以尝试着测量一下。

【知识拓展】

一、现代精密测量技术的现状及发展

（一）坐标测量机的最新发展

1．误差自补偿技术

德国CarlZeiss公司最近开发的CNC小型坐标测量机采用热不灵敏陶瓷技术（Thermallyinsensitiveceramictechnology），使坐标测量机的测量精度在17.8～25.6℃范围不受温度变化的影响。

国内自行开发的数控测量机软件系统PMIS包括多项系统误差补偿、系统参数识别和优化技术。

2．丰富的软件技术

CarlZeiss公司开发的坐标测量机软件STRATA-UX，其测量数据可以从CMM直接传送到随机配备的统计软件中去，对测量系统给出的检验数据进行实时分析与管理，根据要求对其进行评估。

依据此数据库，可自动生成各种统计报表，包括X-BAR&R及X_BAR&S图表、频率直方图、运行图、目标图等。

美国Brown&Sharp公司的ChameleonCMM测量系统所配支持软件可提供包括齿轮、板材、凸轮及凸轮轴共计50多个测量模块。

日本Mitutoyo公司研制开发了一种图形显示及绘图程序，用于辅助操作者进行实际值与要求测量值之间的比较，具有多种输出方式。

3．系统集成应用技术

各坐标测量机制造商独立开发的不同软件系统往往互不相容，也因知识产权的问题，这些工程软件是封闭的。

系统集成技术主要解决不同软件包之间的通信协议和软件翻译接口问题。

利用系统集成技术可以把CAD、CAM及CAT以在线工作方式集成在一起，形成数学实物仿形制造系统，大大缩短了模具制造及产品仿制生产周期。

4．非接触测量

基于三角测量原理的非接触激光光学探头应用于CMM上代替接触式探头。

通过探头的扫描可以准确获得表面粗糙度信息，进行表面轮廓的三维立体测量及用于模具特征线的识别。

该方法克服了接触测量的局限性。

将激光双三角测量法应用于1700mm×1200mm×200mm测量范围内，对复杂曲面轮廓进行测量，其精度可高于1μm。

英国IMS公司生产的IMP型坐标测量机可以配用其他厂商提供的接触式或非接触式探头。

（二）微/纳米级精密测量技术

科学技术向微小领域发展，由毫米级、微米级继而涉足到纳米级，使人类在改造自然方面深入到原子、分子级的纳米层次。

纳米级加工技术可分为加工精度和加工尺度两方面。

加工精度由本世纪初的最高精度微米级发展到现有的几个纳米数量级。

金刚石车床加工的超精密衍射光栅精度已达1nm，实验室已经可以制作10nm以下的线、柱、槽。

微/纳米技术的发展，离不开微米级和纳米级的测量技术与设备。

具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术已经比较成熟，如HP5528双频激光干涉测量系统（精度10nm）、具有1nm精度的光学触针式轮廓扫描系统等。

因为扫描隧道显微镜（STM,ScanningTunningMicroscope）、扫描探针显微镜（SPM，ScanningProbeMicroscope）和原子力显微镜（AFM，AtomicForceMicroscope）用来直接观测原子尺度结构的实现，使得进行原子级的操作、装配和改形等加工处理成为近几年来的前沿技术。

以SPM为基础的观测技术只能给出纳米级分辨率，却不能给出表面结构准确的纳米尺寸。

扫描X射线干涉测量技术是微/纳米测量中的一项新技术，它利用单晶硅的晶面间距作为亚纳米精度的基本测量单位，加上X射线波长比可见光波波长小两个数量级，有可能实现0.01nm的分辨率。

该方法较其他方法对环境要求低，测量稳定性好，结构简单，是一种很有潜力的方便的纳米测量技术。

软X射线显微镜、扫描光声显微镜等用以检测微结构表面形貌及内部结构的微缺陷。

迈克尔逊型差拍干涉仪，适于超精细加工表面轮廓的测量，如抛光表面、精研表面等，测量表面轮廓高度变化最小可达0.5nm，横向（X，Y向）测量精度可达0.3～1．0μm。

渥拉斯顿型差拍双频激光干涉仪在微观表面形貌测量中，其分辨率可达0.1nm数量级。

光学干涉显微镜测量技术，包括外差干涉测量技术、超短波长干涉测量技术、基于F-P（Febry-Perot）标准的测量技术等，随着新技术、新方法的利用亦具有纳米级测量精度。

（三）图像识别测量技术

随着近代科学技术的发展，几何尺寸与形位测量已从简单的一维、二维坐标或形体发展到复杂的三维物体测量，从宏观物体发展到微观领域。

被测物体图像中即包含有丰富的信息，为此，正确地进行图像识别测量已经成为测量技术中的重要课题。

图像识别测量过程包括：

（1）图像信息的获取；

（2）图像信息的加工处理，特征提取；（3）判断分类。

计算机及相关计算技术完成信息的加工处理及判断分类，这些涉及到各种不同的识别模型及数理统计知识。

物体三维轮廓测量方法中，有三坐标法、干涉法、莫尔等高线法及相位法等。

而非接触电荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice）是近年来发展很快的一种图像信息传感器。

它具有自扫描、光电灵敏度高、几何尺寸精确及敏感单元尺寸小等优点。

随着集成度的不断提高、结构改善及材料质量的提高，它已日益广泛地应用于工业非接触图像识别测量系统中。

在对物体三维轮廓尺寸进行检测时，采用软件或硬件的方法，如解调法、多项式插值函数法及概率统计法等，测量系统分辨率可达微米级。

也有将CCD应用于测量半导体材料表面应力的研究。

全息照相测量技术是60年代发展起来的一种新技术，用此技术可以观察到被测物体的空间像。

激光具有极好的空间相干性和时间相干性，通过光波的干涉把经物体反射或透射后，光束中的振幅与相位信息。

二、常用现代精密测量仪器

（一）各类硬度计的工作原理及运用领域

1．硬度及硬度计

硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。

它是金属材料的重要性能指标之一。

一般硬度越高，耐磨性越好。

常用的硬度分类里氏硬度、布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、HRB、HRC、维氏硬度（HV）、韦氏硬度（HW）等等。

2．各类硬度计及适用场合（见表7-1）

表7-1各类硬度计及适用场合

名称

示意图

适用场合

备注

数显维氏硬度计

适用于黑色金属、有色金属、IC薄片、表面涂层、层压金属；玻璃、陶瓷、玛瑙、宝石、薄塑料等；炭化层荷淬火硬化层的深度及梯度的硬度测试。

HR-150A型手动洛氏硬度计

特别适合热处理和模具加工工场现场使用，可进行黑色金属和有色金属的洛氏硬测定。

操作方便，是一种普及型的洛氏硬度试验机，广泛适用于工厂车间和计量部门。

THL-300笔式里氏硬度计

已安装的机械或永久性组装部件；模具型腔等试验空间很狭小的工件；大型工件大范围内多处测量部位的快速检验；压力容器、汽车发电机及其它设备失效分析；轴承及其它零件生产流水线；金属材料仓库的材料区分等

HB-3000型布氏硬度计

可用来测定未经淬火钢、铸铁、有色金属及质地较软的轴承合金材料的布氏硬度。

机械式换向开关；HB-3000B型布氏硬度计采用了电子换向开关。

LX-C邵氏硬度计

适用于泡沫、海绵、鞋用微孔材料等低硬度材料的硬度测试。

W-20韦氏硬度计（钳式）

适于测试铝合金型材、管材和板材，特别适于在生产现场、销售现场或施工现场对产品硬度进行快速、非破坏性的合格检查。

轻便、可以现场快速测试铝合金硬度的仪器，一卡硬度值直接读出。

3．硬度计注意事项

除了各种硬度计使用时特殊注意事项外，还有一些共同的应注意的问题，现列举如下：

硬度计本身会产生两种误差：

一是其零件的变形、移动造成的误差；二是硬度参数超出规定标准所造成的误差。

洛氏硬度各标度有一事实上的适用范围，要根据规定正确选用。

校准硬度计用的标准块不能两面使用，因标准面与背面硬度不一定一致。

一般规定标准块自标定日起一年内有效。

在更换压头或砧座时，注意接触部位要擦干净。

换好后，要用一定硬度的钢样测试几次，直到连续两次所得硬度值相同为止。

硬度计调整后，开始测量硬度时，第一个测试点不用。

待第一点测试完，硬度计处于正常运行机制状态后再正式测试，记录测得的硬度值。

在试件允许的情况下，一般选不同部位至少测试三个硬度值，取平均值，取平均值作为试件的硬度值。

对形状复杂的试件要采用相应形状的垫块，固定后方可测试。

对圆试件一般要放在V形槽中测试。

加载前要检查加载手柄是否放在卸载位，加载时动作要轻稳。

加载完毕加载手柄应放在卸载位置。

（二）精密表面粗糙度仪的工作原理及运用领域

按传感器工作原理，表面粗糙度仪可分为电感式、感应式及压电式多种。

传统的表面粗糙度测量仪由传感器、驱动器、指零表、记录器和工作台等主要部件组成，从输入到输出全过程均为模拟信号。

而在传统的表面粗糙度测量仪的基础上，采用计算机系统对其进行改进后（如图7-10所示），通过模-数转换将模拟量转换为数字量送入计算机进行处理，使得仪器在测量参数的数量、测量精度、测量方式的灵活性、测量结果输出的直观性等方面有了极大的提高。

图7-10表面粗糙度测量仪

（三）精密工具显微镜的工作原理与运用领域

工具显微镜是一种以影像法作为测量基础的精密光学仪器。

加上测量刀后能以光切法进行更精确的测量，可用于一般长度和角度的测量，对外形较复杂的零件，如螺纹量规、各种成形刀具及轮廓样板等尤为适用。

工具显微镜分小型、大型、万能和重型四种，它们的测量精度和测量范围虽然不同，但基本原理是一致的。

图7-11是一台万能工具显微镜，图7-12是万能工具显微镜的光学系统图。

图7-11万能工具显微镜

图7-12万能工具显微镜的光学系统图

（四）光学投影仪的工作原理与运用领域

运用领域：

光学投影仪（又名测量投影仪、数字式投影仪、数显投影仪、轮廓投影仪，如图7-13所示）是集光学、精密机械、电子测量于一体化的精密测量仪器，适用于精密工业二维尺寸测量。

如：

模具、工具、弹簧、螺丝、齿轮、凸轮、螺纹、钟表、自动车床加工、航空等工业的制造、品管检验与学术研究及计量单位广泛使用。

图7-13光学投影仪

光学投影仪工作原理如图7-14所示，被测工件Y1置于工作台上，在透射或反射照明下，它由物镜U成放大实像Y2（反像）并经光镜G1与G2反射于投影屏M的磨沙面上，成像出一个与工件完全反向的影像。

当U物镜与G1反光镜换成正像系统后，Y2即成为正像，成像出一个与工件完全正向的影像。

工件通过放大成像于投影屏上，利用工作台上的数位测量系统（电子尺和DC-3000数据处理器或QC200数据处理器组成）对投影屏上的工件轮廓进行座标测量；也可利用投影屏旋转角度数显系统对工件轮廓的角度进行测量。

图中F1和F2为照明光源反光镜；S1与S2分别为透射和反射照明光源，U1与U2分别为透射和反射聚光镜，视工件的性质，两种照明可分别使用，也可同时使用。

半反半透镜B仅仅在反射照明时才使用。

图7-14光学投影仪工作原理

【想想练练】

1．用立式光学比较仪测量零件属于什么测量方法？

2．仪器的测量范围和示值范围有何不同？

3．常用的现代精密测量仪器还有不少，去找找有关的资料，选一种，向同学介绍一下。