第二章 高精度测量仪器及其应用.docx

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第二章高精度测量仪器及其应用

第二章高精度测量仪器及其应用

培训要点本章重点介绍精密测量仪器的基本原理及其应用，通过学习本章，能够掌握合像水平仪、自准直光学量仪、经纬仪的应用，以及机械装配和维修中常见的精度测量。

第一节常用精密测量仪器的基本原理

一、合像水平仪

合像水平仪与普通水平仪相比较，它具有测量读数范围大的优点。

当被测工件的平面度误差较大、或因放置的倾斜度较大而又很难调整时，若使用框式水平仪就会因其水准气泡已偏移到极限位置而无法测量，而使用合像水平仪时，饮水平位置可以重新调整，所以能比较方便地进行测量，而且精度较高。

合像水平仪的水准器安装在杠杆上，转动调节旋钮可以调整其水平位置。

合像水平仪主要用于直线度、平面度的测量。

我国产主要型号有CH66,其刻度值为0.01mm/1000mm。

二．自准直光学量仪

自准直光学量仪是根据光学的自准直原理制造的测量仪器，有自准直仪、光学平直仪、测微准直望远镜及经纬仪等多种。

1.光学自准直原理

光学自准仪原理可以通过图2-3加以说明，也就是说在物镜焦平面上的物体，通过物镜及物镜后面反射镜的作用，仍可在物镜焦平面上形成物体的实像。

2.自准直仪

自准直仪又称为自准直平行光管。

自准直仪可用于直线度、平面度、垂直度等误差的测量。

3.光学平直仪

光学平直仪是由平直仪本体和反射镜组成。

光学平直仪是一种精密光学测量仪器，通过转动目镜，可以同时测出工件水平方向和水平垂直的方向的直线性，还可测出滑板运动的直线性。

用标准角度量块进行比较，还可以测量角度。

光学平直仪可以用于对较大尺寸、高精度的工件和机床导轨进行测量和调整，尤其适用于各种导轨的测量，具有测量精度高、操作简便的优点。

4．测微准直望远镜

测微准直望远镜是根据光学的自准直原理制造的测量仪器，主要用来提供一条测量用的光学基准线。

5.自准直光学量仪的使用和调整方法

6.经纬仪

（1）经纬仪的结构和工作原理经纬仪的光学原理与测微准直望远镜的光学原理没有本质上的区别。

它的特点是具有竖轴和横轴，可以使瞄准望远镜管在水平方向作360°的方向转动，也可以在垂直面内作大角度的俯仰。

其水平面和垂直面的转角大小分别由水平度盘和垂直度盘示出，并由测微尺细分，测角精度为2″。

经纬仪是一种高精度的测量仪器，主要用于机床精度检查，如坐标镗床的水平转台、万能转台、以及精神滚齿机和齿轮磨床的精度的测量，它常与自准直光学量仪组成光学系统来被一起使用。

（2）经纬仪的使用和调整方法

三、激光干涉仪

由于激光具有良好的方向性、单色性和能量集中、相干性强等优点，因而用激光作光源，以激光稳定的波长作基准，利用光波干涉计数的原理对大尺寸进行精密测量，已经得到广泛的应用。

1、单频激光干涉仪

2、双频激光干涉仪

3、激光干涉仪的应用举例

四、三坐标测量机

三坐标测量机是一种高效的精密测量仪器。

它广泛地用于机械和仪器制造、电子工业、汽车和航空工业中，用于对零件和部件的几何尺寸和相互位置的测量。

除此之外，它还可以划线、定中心孔、钻孔、铣切模型和样板、刻制光栅及线纹尺、光刻集成线路板等，并可以对连续曲面进行扫描。

由于它的测量范围大、精度高、效率快、性能好，已经成为一种大型精密仪器，具有测量中心之称号。

1、基本原理

2、机械结构及测量系统

（1）结构形式三坐标测量机的三个轴互成直角配置。

三个坐标轴的相互配置位置（即总体布局形式）对测量机的精度及对测量工件的适用性关系很大，目前常用的结构形式有以下几种：

1）立轴式，类似于万能工具显微镜的结构。

测量范围小，但测量精度较高。

2）卧轴式，适用于测量与工作台面相垂直的工件端面上的检测项目，操作方便。

这种结构适用于中型精密测量机。

3）悬臂式，这种结构工作面开阔，工件可以从三个方面不受限制地装卸，测量，有利于测量操作。

4）桥式，这种结构刚性好，三个坐标测量范围较大时也可以保证测量精度，因而适宜作大型测量机的结构。

5）龙门式，龙门式可以分为龙门移动式和龙门固定式两种，优缺点同桥式相似。

龙门固定式不适宜测量重型工件，否则工作台运动时惯性太大，不易克服，因此只能作为中型测量机的结构。

第二节机械装配维修中的精度测量

一、直线度误差测量

1、直线度误差测量方法直线度误差测量是形状误差测量中最基本的测量项目，也是平面度误差测量的基础。

直线度误差的测量方法主要分为两大类：

一类是直接测量法，即将被测物体与选定的不同形式的基准进行比较，直接测出其直线度误差；另一类是间接测量法，即不用预先选定的基准，而是通过两个或两个以上被测件的相互比较，用误差分离的方法求得各表面的直线度误差。

直线度可分为在给定平面内、在给定方向上和在任意方向上的三种情况。

在机械装配维修中常用在给定平面内的直线度。

2、直线度误差的评定根据国家形位公差标准规定，直线度误差应按最小条件评定。

在满足零件使用功能的条件下，允许采用近似的评定方法。

1）两端点连线评定法

2）最小条件评定法

二、平面度误差测量

同直线度误差的测量一样，平面度误差的测量方法也主要分为两大类：

一类是直接测量法，该方法主要适用于对较小平面的测量，即用足够精度的实际平面，如平晶工作面、标准平板等为基准，用干涉法、斑点法或平板测微法直接测得各点对基准平面的坐标值；另一类是间接测量法，该方法主要适用于较大尺寸平面的测量，常用水平仪或自准仪等仪器进行测量。

这种方法的特点是用测量直线度误差的方法实现平面度误差的测量。

平面度误差是指被测量实际表面相对理想表面的变动量。

三、垂直度误差的测量

1、垂直度误差的测量方法基本上分为三大类：

平面和轴心线间垂直度误差测量；平面和轴心线垂直度误差测量；轴心线间（包括平面内或空间内轴心线）垂直度误差测量

第三章机械振动和零部件的平衡

第一节机械振动

一、振动的基本特性

旋转机械的种类繁多，这类机械的主要功能都是由旋转动作完成的，只要转子一开始转动，就不可避免地要产生振动。

机械产生振动后，会造成一定的危害，它使机械工作性能降低或使机械根本无法工作；它使某些零件因受附加的动载荷而加速磨损、疲劳，甚至破裂，从而影响寿命或造成事故；振动还将产生噪声而危害人身健康。

1、转子涡动一般情况下，旋转机械的转子轴心线是水平的，转子的两个支承点在同一水平线上。

2、转子的监界转速与转子固有频率相对应的转速，称为转子的临界转速。

临界转速的值并不等于转子的固有频率，而且在临界转速时发生的剧烈振动与共振是不同的物理现象。

转子的质量越大、刚度越小时，其临界转速越低，反之则越高。

如果机器蝗工作转速小于一阶临界转速，则转轴称为刚性轴。

使转子产生干扰力的因素，最基本的就是由于不平衡而引起的离心力。

离心力的作用频率（为每转一次）就等于转子的转速频率，因此，旋转机械的工作转速不应等于或接近临界转速，否则将使转子产生剧烈振动而可能带来严重后果。

3、影响转子临界转速的因素

（1）陀螺力矩对转子临界转速的影响陀螺力矩对转子临界转速的影响是：

正进动时，它提高了临界转速；反进动时，它降低了临界转速。

（2）弹性支承对转子临界转速的影响弹性支承可使转子的进动角速度或临界转速降低；减小支承刚度可以使临界角速度显著降低。

另外，转子在油膜刚度、基础刚度等改变时，其临界转速数值也要有一定的变化。

二、旋转机械振动标准

振动标准从使用者的角度分为两类，即运行管理标准和制造厂出厂标准。

从故障诊断的角度还可以将振动标准划分为绝对标准和相对标准两种。

绝对标准是指判断设备状态的振动绝对数值；相对标准是指设备自身振动值变化率的允许值。

振动烈度就是振动速度的有效值。

用振动烈度来评定机械振动水平时，与机械的旋转速度无关，因为振动烈度与转速已有一定的关系，因此振动烈度能反映出振动的能量，这种标准比较合理。

电动机和泵的振动标准是以振动烈度表示的，其余特定机种的振动标准，大多数以轴承、转轴振动位移双幅值表示。

用振动位移值来评定机械振动水平时，是按照转速的高低来规定允许的振幅大小。

转速低、允许振幅大；转速高，允许的振幅小。

这是因为当同样振幅时，对于高速旋转机械将会带来较大的危害。

三、振动测量

速度型传感器主要是磁电式速度计。

这是种接触式传感器用于测量轴承座、壳体等振动。

速度传感器主要用于测量低频振动。

加速度型传感器也是接触式传感器，主要用来测量轴承振动。

加速度传感器不仅能测低频振动，也能测中、高频振动。

通过电子同回路积分，也能测振动速度和振动位移，所以应用广泛。

一般来说，接触式传感器中，速度型传感器适用于测量不平衡、不对中、松动接触等引起的低频振动，用它测量振动位移，可以得到稳定的数据；加速度传感器适用于测量齿轮、轴承故障等引起的中、高频振动信号，但用它测量振动位移，往往不太稳定。

因此，加速度传感器测量仪一般只用于测振动速度。

第二节旋转零部件的平衡

常用机械中包含着大量的作旋转运动的零部件。

作旋转运动的零部件，可以统称为回转体。

不平衡的形式：

静不平衡、准静不平衡、偶不平衡、动不平衡

平衡的方法：

对旋转零件或部件作消除不平衡的工作，叫做平衡。

回转体的轴线与中心主惯性轴线必须相重合，使得围绕其轴线旋转的物体的离心力尽可能地小，为此必须做到两点：

其一，借助质量校正，使中心惯性线与轴线重合，或处在某些特殊情况下；其二，直接在中心主惯线轴线的位置上构成轴线，这种情况下，在加工支承轴颈以前，必须先测出中心主惯性轴线的位置，并用中心钻将此位置固定下来，这种办法称为定中心平衡（质量中心）。

平衡分为静平衡和动平衡两种。

静平衡是使回转轴线通过回转体的重心，消除由于质量偏心引起的离心力；而动平衡除了要求达到力的平衡外，还要求校正由于力偶的作用而使主惯性轴绕回转轴线产生的倾斜。

对于柔性回转体，必须要进行动平衡。

校正方法：

不论是刚性回转体，还是柔性回转体，不论是静平衡，还是动平衡，校正方法均可划分为加重、去重或调整校正质量三类方法。

1、加重就是在已知该校正面上折算的不平衡量U的大小及方向后，有意在U的负方向上给回传体附加上一部分质量m，并使质量m到旋转轴线的距离r与质量m的乘积。

加重可采用补焊、喷镀、胶接、铆接和螺纹联接等多种工艺方法加配质量。

2、去重就是在已知该校正面上折算的不平衡量U的大小及方向后，有意在U的的正方向上从回转体上去除一部分质量M。

去重可采用钻、磨、铣、錾及激光打孔等多种工艺方法去除质量。

3、不论是哪一种校正方法，要求加上、或去掉、或进行高速的不平衡量的大小和方向应该准确。

检查静不平衡的设备有要有静平衡架、平衡心轴和静平衡试验机。

其中平行导轨式静平衡架应用最广。

导轨截面有刃口形、圆形、菱形等多种形式。

刚性回转的动平衡。

动平衡的方法有两种：

平衡机法和现场平衡法。

1、平衡机法平衡机法的优点是可以高效地、精确地平衡转子；租用于平衡失衡较大的、不能在运行转速下平衡的回转体、不能在现场校正的回转体、不能在现场进行无损检测的回转体、以及大修中由于其他原因已经吊出机器的转子。

2、现场平衡法在现场平衡中，需要直接测出转子的振动情况作为平衡操作的原始依据。