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互换性与技术测量课程实验

第一节表面粗糙度测量实验

一、实验目的

1．了解用光切显微镜和手持式粗糙度仪测量表面粗糙度的原理和方法。

2．加深对表面粗糙度和微观不平度十点高度RZ的理解。

3．熟悉表面粗糙度RZ、Ra、Ｒt、Rq等参数并加强理解。

二、实验仪器及设备

1．光切显微镜；2．手持式粗糙度仪

三、实验内容

（一）用光切显微镜测量表面粗糙度RZ的值

微观不平度十点高RZ是指在取样长度内，5个最大的轮廓峰高平均值与5个最大的轮廓谷深平均值之和。

图5—1为微观不平度十点高RZ的示意图，表面粗糙度参数RZ的计算公式如下，

RZ=

式中：

ypi—第i个最大的轮廓峰高

yvi—第i个最大的轮廓谷深

1．实验仪器介绍

光切显微镜主要用于测量表面粗糙度参数RZ，也可测量Ry。

测量范围为RZ80~0.8um。

图5—2为9j型光切显微镜的外形图。

底座６上装有立柱５，显微镜主体通过横臂2与立柱联结。

转动升降螺母4可使横臂连同显微镜主体沿立柱上下移动，进行粗调焦，用紧定螺钉1将横臂固定在立柱上，手轮3可对显微镜进行微调焦。

2．实验测量原理

光切显微镜是利用光切原理来测量表面粗糙度的，如图5—3所示，被测表面为P1P2

阶梯表面，当一束平行光以45º方向投射至阶梯表面上时，就被折射成S1和S2两段，从垂直于光束的方向上就可在显微镜内看到S1和S2两段光带的放大像S

和S

。

同样，S1和S2之间的距离h也被放大为S

和S

之间的距离h

。

通过测量与计算，可求得被测表面的阶梯高度h。

图5—4为光切显微镜的光学系统图。

由光源⑴发出的光经聚光镜⑵，狭缝⑶，

物镜⑷以45o方向投射到被测工件表面上。

调整仪器使反射光束进入与投射光管垂直的观察光管内，经物镜⑸成像于目镜分划板G上，通过目镜可观察到凹凸不平的光带，如图5—5所示，光带边缘即工件表面上被照亮了的h1的放大轮廓像h'，测量出h'并通过计算即可求得被测表面的不平度高度h。

h=h1cos45o=

cos45o

　式中：

N—为物镜放大倍数

为了测量和计算方便，测微目镜中十字线的移动方向（如图5—6）和被测量光带边缘h

成45o斜角（图5—5所示），故目镜测微器刻度套筒上的读数值

与不平度关系为

所以

2．光切显微镜实验操作（测量）

步骤

（1）按被测工件表面粗糙度要

求，从表1中选择合适的物镜

组，安装在燕尾导板9上；

（2）接通电源；

（3）擦净被测工件。

把它安放在工作台上，并使被测表面的加工纹理方向与光带垂直；

（4）调整升降螺母4进行粗调焦，再用微调手轮3进行微调，使视场中央出现最清晰的狭缝像和表面轮廓像；

（5）松开目镜筒的螺钉转动测微目镜，使目镜中十字线的水平线与狭缝像平行后，将螺钉紧固；

（6）旋转目镜测微器的刻度套筒，使目镜十字线与光带轮廓某一边的峰或谷相切如图1—5所示。

并从测微器读出被测表面的峰或谷的数值，依次类推。

在取样长度范围内分别测出5个最大的峰的轮廓高和5个最大轮廓谷深的数值，然后计算出RZ的数值；

（7）纵向移动工作台，在评定长度范围内，测出三个取样长度的RZ值，取它们的平均值作为被测表面的不平度平均高度，按下式计算。

RZ（平均）=

（8）根据计算结果，判断被测表面粗糙度的适用性；

（9）将该工件表面用相应加工方法的表面粗糙度样板做目测评定Ra值。

表1

物镜放大倍数N

总放大倍数

视场直径（mm）

物镜工作距离（mm）

测量范围RZ（um）

60X

2.5

17.8

10—80

14X

120X

1.3

6.8

3.2—10

30X

260X

0.6

1.6

1.6—6.3

60X

520X

0.3

0.65

0.8—3.2

3．目镜测微器分度值C的确定

（1）将玻璃标准刻度尺置于工作台上，调节显微镜焦距并移动标准刻度尺，使在目镜视场内能看到清晰的刻度尺刻线，如图5—7。

（2）参看图5—2松开螺钉，转动目镜测微器，使十字线交点运动方向与刻度尺平行然后紧固螺钉。

（3）按表2选定标准刻度线格数Z，将十字线交点移至与某条刻度线重合（如图5—7的实线位置），读出第一读数n1，然后将十字线交点移动Z格（如图5—7虚线位置），读出第二读数n2，两次的读数差为：

A=│n1—n2│

（4）计算测微器刻度套筒上一个刻度间距所代表的实际被侧值（即分度值C）。

式中T—标准刻度尺的刻度间距（10um）

把从目镜测微器测得的十点读数平均值乘上C值即求得RZ值

RZ=Ch’

表2

物镜标准倍数N

14X

30X

60X

标准刻度尺刻线数Z

100

（二）用手持式粗糙度仪测量表面粗糙度等参数的值

1．实验仪器介绍

图5—8为TR200手持式粗糙度仪外形结构图。

该粗糙度仪采用最新的微电子高科技产品。

它适用于生产现场，可测量多种机加工零件的表面粗糙度，根据选定的测量条件计算相应的参数，在液晶显示器上清晰地显示出全部测量参数和轮廓图形。

2．手持式粗糙度仪的测量原理

该仪器在测量工件

表面时，将传感器放在

工件被测表面上，由仪

器内部的驱动机构带动

传感器沿被测量表面做

等速滑行，传感器通过

内置的锐利触针感受被

测量表面的粗糙度，此

时工件被测量表面的粗

糙度引起触针产生位移，

该位移使传感器电感线圈的电感量产生变化，从而在相敏整流器的输出端产生与被测表面粗糙度成正比例的模拟信号，该信号经过放大及电平转换之后进入数据采集系统，DSP芯片将采集的数据进行数字滤波和参数计算，测量结果在液晶显示器上读出，也可在打印机上输出，还可以与PC机进行通讯。

3．手持式粗糙度仪实验操作（测量）步骤

（1）实验前准备

1）开机检查电池电压是否正常。

2）清理干净被测工件表面。

3）调整传感器与被测工件成水平，保证触针与工件表面垂直，如图5—9、图5—10。

（2）实验操作（测量）步骤

1）测量方向与工件表面加工纹理方向垂直（如图5—11）；

2）开机测试，按电源键后，再按启动键开始测量，主机开始检测运算，并显示测量结果；

3）分别测量Ra、Ｒz、Ｒy，并记录测

量结果；

4）将光切显微镜测量计算出的Rz值与粗糙度仪测量的Ｒz进行验证。

3．思考题：

1．在光切法显微镜上测量粗糙度时，光带与加工表面纹理应保持什么关系？

为什么？

2．如何提高测量时压线的准确度？

3．为什么在目镜中调节光带影象时，光带影像的两条轮廓边不可能都是清晰的？

表面粗糙度测量实验报告

系别专业年级班号学号姓名

指导教师任课教师实验日期成绩

一、实验目的

二、实验仪器设备

三、实验原理

四、实验操作（测量）步骤

（一）用光切显微镜测量表面粗糙度实验操作（测量）步骤

（二）手持式粗糙度仪实验操作（测量）步骤

五、实验测量记录及计算数据

1．工件

工件编号：

；表面粗糙度要求：

2．测量仪器设备

仪器名称：

；测量范围：

3．所选物镜倍数：

；在所用倍数物镜下目镜测微刻度套筒分度值

C=微米

4.测量结果

（1）用光切显微镜测量结果

读数（格）

五个峰点

五个谷点

五个峰点

五个谷点

五个峰点

五个谷点

h10

实测值：

RZ1=RZ2=RZ3=

被测工件表面微观不平度十点高度

RZ=

=微米

适实用性结论：

该工件表面若用相应加工方法的表面粗糙度样板目测评定，相当于

RZ=微米

（2）用TR200手持式粗糙度仪测量结果

取样长度

评定长度

量程

测量值Ra

测量值Rz

0.25mm

20um

0.8mm

20um

2.5mm

40um

适用性结论：

该工件表面用TR200粗糙度仪测量的Ra=微米。

六、实验思考题

第二节用立式光学计测量零件外径实验

一、实验目的

1．了解立式光学计的测量原理及测量外径的方法；

2．加深理解计量器具与测量方法的常用术语；

3．量规公差带分布及量规检验；

二、实验仪器及设备

立式光学计，塞规。

三、实验内容与要求

1．用立式光学计测量塞规；

2．按GB1989—81《光滑极限量规》确定被测塞规的尺寸公差带和形状公差值对被测量的塞规作出适用性结论。

四、实验仪器测量原理及基本结构

立式光学计主要用途是利用量块作为长度基准，用比较测量法来测量各种工件的外形尺寸。

1．仪器测量原理

光学计是利用光学杠杆放大原理进行测量的仪器，其光学系统如图5—12所示。

照明光线经过反射镜6进入棱镜7使分划板的刻度尺得到照明，光线透过刻度尺继续前进，经过棱镜3的反射，折向物镜2，由于刻度尺9是放置在物镜的平面上，所以刻度尺上发出的光焦线经过物镜2后成为一平行光束，若反光镜1与物镜2之间互相平行，则反射光线折回到焦平面，刻度尺9（标尺）和刻度尺像（指示线旁的虚线）对称，若被测尺寸变动使测杆11推动反光镜1绕支点转某一角度Ф

（图5—13a），则反射光线相对入射光线偏转2Ф角度，从而使刻度尺像产生位移t（图5—13b），它代表被测尺寸的变动量。

物镜至刻度尺9件的距离为物镜焦距f，设a为测杆中心至反射镜支点间的距离，S为测杆11移动的距离，则仪器的放大比K为：

当Ф很小时，tg2Ф≈2Ф，

tgΦ≈Ф

因此K=

光学计的放大倍数为12。

f=200mm，a=5mm故仪器放大倍数n为：

n=12K=12

由此说明：

当测杆移动0.001mm时在目镜中可见到0.96mm的位移量。

2．实验仪器的基本结构

立式光学计结构如图5-14所示。

它有以下零部件组成：

1.底座，2.平面调整螺丝，3.横臂升降螺圈，4.横臂固定螺旋，5.横臂，6.微调手轮，7.立柱，8.投影灯固定螺旋，9.投影灯插孔，10.进光反射镜，11.连接座，12.目镜座，13.目镜，14.零位调节手轮，15.微调凸轮托圈固定螺旋，16.光管固定螺旋17.光学计管，18.提升器调节螺丝，19.提升器，20.测帽，21.调节式工作台，22.螺孔等组成

五、实验操作（测量）步骤

1．按量规公差表查出并计算

量规的上下偏差和磨损偏差，按被测塞规的基本尺寸选择并组合量块。

2．测头的选择：

测头有球形，

件表面的几何形状来选择，使测头与被测表面尽量满足点接触。

所以，测量平面或圆柱面工件时，选用球形测头；测量球形面工件时选用平面测头；测量小于10mm的圆柱面工件时，选用刀口形测头。

3．调整仪器零位

⑴将量块组下测量面置于仪器工作台21的中央，并使测头对准上测量面中央。

⑵粗调节：

松开横臂固定螺丝4，转动横臂升降螺圈3，使横臂5缓慢下降之道测头

与量块上测量面轻微接触，（注意：

当测头与量块表面接触时应特别小心，不允许有冲击。

）

⑶细调节：

松开光管固定螺丝16，转动调节凸轮6，直至在目镜中观察到刻度尺像与

指示线µ接近，使刻度尺的零线与指示线µ重合，锁紧固定螺丝16，然后抬动提升杠杆数次，使零位稳定。

若零位变动可转动零位调节手轮14使领先最后对准。

⑷抬起测头，取下量块。

4．测量塞规，按实验规定的部位进行测量，I、Ⅲ截面与量规端面间至少相距1mm，II截面在I、Ⅲ之间。

5．判断塞规的适用性，并评定通规的素线直线度和素线平行度误差。

六、实验思考题：

1．在立式光学计上，如何才能测到塞规的直径？

2．在立式光学计上能否作绝对测量？

3．通过测量的数据，如何评定塞规形状或位置误差？

4．对新制造的通规和使用中的通规在判断尺寸合格性时有何区别？

立式光学计测量零件外径实验报告

系别专业年级班号学号姓名

指导教师任课教师实验日期成绩

一、实验目的

二、实验仪器设备

三、实验原理

四、实验操作（测量）步骤

五、实验记录数据及计算数据

1．被测塞规

（1）标记：

（2）量规公差带图

（3）测量部位（见下图）

被测塞规形状公差：

微米

2．仪器名称：

分度值；标尺示值范围；仪器测量范围

量块等级；量块组尺寸

⒉所用仪器：

名称：

分度值：

标尺示值范围：

仪器测量范围：

⒊测量结果：

通规

止规

测量部位

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

通规与止规的形状误差：

通规合格性结论：

理由：

止规合格性结论：

理由：

六、实验思考题

第三节直线度误差测量实验

一、实验目的：

1．掌握直线度的测量、数据处理和评定方法。

2．熟悉水平仪的使用操作方法。

二、实验仪器设备

框式水平仪水平仪、桥板等

三、实验仪器介绍及测量原理

1．实验仪器介绍

图5—15所示为框式水平仪的结构图，其主要工作部分是水准器，它是一个封闭的玻璃管，内装乙醚和酒精混合液并留有一定长度的气泡，在地心引力作用下，管内液面总是保持水平，即气泡总是在圆弧玻璃管最上方，在玻璃管外表面上有刻度。

若水准器倾斜一个角度а，则气泡将移到倾斜后的最高点，气泡移过的刻度格数与倾斜角а成正比。

常用框式水平仪外形尺寸为：

200

mm，分度值为：

0.02mm/m，表示在一米长度上高度变化0.02mm，水准器气泡移动一个刻度格。

由于水准器内封入液对温度十分敏感，故在使用时不可用手指接触水准器。

2．实验测量原理

用框式水平仪测量直线度误差的原

理如图5-15所示。

水平仪固定在桥板

上，桥板下两支点间的跨距L可以调节，

调节范围为50~250mm，跨距大小按被

测要素长度决定，一般取被测要素长度

的

。

将调节好跨距的桥板连同固定在其上的水平仪放于被测要素0—1点上，见图5—16，在水平仪气泡中移动格数反映了被测要素上与桥板接触的两点（0，1）对大地水平线的高度差。

如气泡向右移动静止后读得气泡位置X1（格数），即表示1点比0点高，其相对高度差为：

h1—h0=X1×0.02mm/m×L

L—支点间跨距。

单位：

记下该读数X1，再将桥板右移一个间距，使两支点分别位于1点和2点，同样可以测得X2，即h2—h1。

顺序移动桥板的位置，即可测的被测线上各相邻两点相对大于大地水平线的高度差。

四、实验操作（测量）步骤

1．按被测要素长度确定并调节好桥板的跨距L，在被测要素按跨距L标出各测点的位置。

0，1，2，••••••，n—1，n；

2．将水平仪固定于桥板上，调整被测要素处于接近水平的位置，使得桥板在被测要素各部位时水平仪的气泡在刻度范围内；

3．江桥板两支点依次放在0—1，1—2，••••••，n—1—n位置上，记录气泡位置读数X1，X2，••••••，Xn.。

注意：

每次移动应保持支点位置与上一位置首尾重合（衔接）。

读取气泡位置时应估读到

格。

4．为了检查测量中是否存在粗大误差，可再按原测量线依次退回进行反向测量一次，直到返回初始位置0—1，记下各点读数X′n—1，••••••，X1′。

取顺测和反侧读数的平均值作为测量结果；如在同一位置上顺测和反测读数相差较大时，说明在测量过程中可能存在粗大误差（位置变化、读数或记录有误等），应检查重测。

5．数据处理

（1）按各点测量结果（格数）计算每相邻两点的相对高度差（hi—hi—1）；。

（2）以相对高度差为纵坐标，被测要素长度为横坐标，在方格纸上画各测点的位置并连成折线，该折线反映了被测线的形状（被测实际要素）；

（3）对被测实际要素作最小包容区域，评定其直线度误差。

五、实验要求

自行设计测量数据纪录格式及实验报告，包括：

测量原理图、测量数据纪录表、被测实际要素作图、按最小包容区域和按首尾两点连线评定直线度误差、思考题回答等。

六、实验思考题

1．在测量前被测要素是否必须调成水平？

在坐标图上折线首尾两点连线与横坐标不平行说明什么？

怎样可使首尾两点连线与横坐标平行？

2．在实际工作中为了简化，将折线两点连线作为评定基准，这是否符合最小条件？

这样得出的直线度误差是否可用于判断直线度的合格性？

3．在测量过程中有哪些因素会影响测量结果的准确性？

直线度误差测量实验报告

系别专业年级班号学号姓名

指导教师任课教师实验日期成绩

第四节圆柱齿轮测量实验

实验4—1齿轮齿距偏差△fpt和齿距累积误差△fp的测量

一、实验目的

1．熟悉测量齿轮齿距偏差△fpt和齿距累积误差△fp的方法；

2．加深理解齿轮齿距偏差和齿距累积误差的含义、评定及其对齿轮传动性能的影响；

3．熟悉齿轮精度标准。

二、实验仪器设备

万能测齿仪；

三、实验测量原理及仪器介绍

1．实验仪器介绍

齿距偏差△fpt是指分度圆上实际齿距与公称齿距之差。

用相对量法测量时，以被测齿轮所有实际齿距的平均值作为公称齿距。

齿距累积误差△fp是指任意两同测齿廓在分度园上的实际弧长与公称弧长的最大差值（取绝对值）。

测量齿距误差的方法有绝对量法和相对量法。

对中等模数的齿轮多采用相对量法。

相对量法是在被测齿轮分度园附近的圆周上，任意取两相邻之间的实际齿距作为基准，在依次量出其余各齿距相对此基准齿距的偏差（齿距相对偏差），通过数据处理得到△fpt和△fp。

用于相对测量的常用仪器有齿距仪和万能测齿仪。

本实验采用万能测齿仪。

图5-17所示为万能测齿仪基本结构示意图。

2．实验（测量）原理

用万能测齿仪上测量周节的工作原理见图5—17。

被测齿轮装于心轴上，安放在仪器上下顶针之间（图中未画出顶针），在仪器的测量托架上装有与指示表4相连的活动量头1和固定量头2，被测齿轮在重锤和牵引线作用下，使齿面与测量头接触进行测量。

测量前先选定任一齿距作基准，调节测量托架和固定量头2的位置，使活动量头1和固定量头2沿齿轮径向大致位于分度圆附近，将指示表4调零。

测完一齿厚，将测量托架沿径向退出，使齿轮转过一齿后再进入齿间，直到测完一周回复到基准齿距，此时指示表的指针仍应在零位。

注意：

因重锤的作用，当每次将测量托架退出时，要用手扶住齿轮，以免损坏测量头。

3．实验测量数据的处理

实验测量数据的处理有计算法和作图法两种。

现以测量模数为3mm，齿数为12的齿轮为例说明如下：

（1）计算法

计算法一般均采用列表计算。

首先将实测的一系列齿距相对偏差△fpt相对值写入表1第

一行，然后进行计算。

1）将第一行的△fpt相对累积相加，求得各齿的齿距相对偏差累积值，写入表1第二行。

2）计算基准齿距的偏差值Kp。

作为基准的齿距是任意选取的，不可能没有误差。

若

它与公称齿距的偏差为—Kp，则每测一齿均引入一个差值Kp，到最后一齿时，其总差值为：

△fpt相对=ZKp

所以

Kp=

=—4um

3）计算各齿的齿距偏差。

各齿的齿距相对偏差减Kp值，变得到各齿的齿距偏差，

于表第三行，其中绝对值最大者为该齿轮的齿距偏差△fpt，本例为△fpt=+19um。

4）计算齿轮的齿距累积误差。

将第三行的齿距偏差累计相加，即求得各齿的绝对齿距

累积误差，列于第四行。

在第四行数据中最大值减最小值便是被测齿轮的齿距累积误差△Fp，本例为△Fp=|+36|—|—28|=64um，发生在第4齿和第10齿之间。

表1

步

齿骤

序

一

二

三

四

测得齿距相对偏差△fpt相对

齿距相对偏差累积

△fpt相对

齿距偏差

△fpt相对—Kp

齿距累积误差

△fp

+13

+10

+22

+10

+20

+14

+36

—20

—16

+20

—10

—6

+14

—20

—30

—16

—2

—18

—48

—14

—16

—10

—58

—6

—22

—10

—68

—6

—28

+15

—53

+19

—9

—48

（2）作图法

作图法是直接利用测得的一系列△fpt相对画出曲线，如图5—18所示。

以纵坐标表示齿距相对偏差累积值，横坐标表示齿序n。

第一齿的△fpt相对为零，故纵坐标为0；第二齿的纵坐标为第一齿的纵坐标加上本齿序的△fpt相对值，第三齿的纵坐标为第二齿的纵坐标加上本齿序的△fpt相对值，按同样方法画出各齿的纵坐标并连成折线。

再将坐标原点与最末一点连成直线，该直线即为计算齿距累积误差的基准线，过

折线上的最高点和最低点作两平行于首尾两点连线的直线，该两平行线沿纵坐标方向的距离即为齿轮齿距累积误差△Fp。

4．实验操作（测量）步骤

①擦净被测齿轮，并装于顶尖之上；

②调整测量托架，使两测头进入齿间，与相邻的同侧齿面大约在分度圆上接触；

③在齿轮心轴上加挂重锤，使齿轮紧靠在定位测变；

④以任一齿距作为基节，调整指示表指针为零；

⑤退出测量托架，使齿轮转过一齿，两测头重新与下一对齿面接触，依次逐齿測量一周，从指示表读出被测齿距的相对偏差值；

⑥用计算法和作图法处理数据，查阅齿轮公差表格，并判断△fpt和△Fp是否合格。

5．思考题

测量△fpt和△Fp有何意义？

它们对齿轮传动有何影响？

“Kp”值说明什么？

在作图法中如何求得Kp值？

实验4—1齿轮齿距偏差△fpt和齿距累积误差△fp测量实验报告

系别专业年级班号学号姓名

指导教师任课教师实验日期成绩

一、实验目的

二、实验仪器设备

名称：

分度值：

测量范围：

三、实验（测量）原理

四、实验操作步骤

五、实验记录数据及计算数据

1．被测齿轮

编号：

模数m=齿数Z=齿形角а=

齿轮精度标注：

齿距极限偏差fpt=微米齿距累积公差FP=微米

2．测量记录与计算数据单位：

微米

齿序n

齿距相对偏差读数

△fPt相对

齿距相对偏差累积值

齿距偏差

△fPt相对—KP

齿距累积误差

△FP（0～n）

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