精密測(cè)量技術(shù)緒論-幾何測(cè)量

1、精密測(cè)量技術(shù)主講人：蔣永剛 HYPERLINK mailto: 現(xiàn)代制造的內(nèi)涵E0503機(jī)械動(dòng)力學(xué)E0504a械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度學(xué)E0507E0506機(jī)械仿生學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)NSFC機(jī)械學(xué)科代碼劃分3微/納機(jī) 械系統(tǒng)E0512機(jī)構(gòu)學(xué)與 機(jī)器人E0501機(jī)械測(cè)試 理論與技術(shù)E0511機(jī)械摩擦學(xué) 與表面技術(shù) E0505E0502 傳動(dòng)機(jī)械學(xué)零件加工制造E0509E0508 零件成形制造制造系統(tǒng)與自動(dòng)化E0510可觀測(cè)性是制造的前提! Improving Observability （改善可觀測(cè)性）/ From a control s perspective, observability is a measure

2、 for how well internal states （內(nèi) 部狀態(tài)）of a system can be inferred （推斷） by knowledge of its external expression （夕卜 部表征）；The ability to measure （or sense,測(cè)量） provides the physical basis （物理足礎(chǔ)）for gaining and improving observability;/ The concept of observability was introduced by American- Hungarian s

3、cientist Rudolf E. Kalman linear dynamic systems.測(cè)量的概念 Measure （測(cè)量）Profitniciation:/mcZHr/f verbascertain the sizcf anioimt, or degree of （soifictJiing） by using an（儀器）or devicemarked in standard units （標(biāo)定）or by comparing （比較）it imth an object of know） i size （已知量）Oxford Dictionaries OnlineChinese S

4、cale （秦衡）稱輕重也（I說文解字清陳昌治刻本）度其深所至謂之測(cè)JOy r說文解字注清段玉裁）測(cè)量技術(shù)的發(fā)展Crassbotv頊和“警機(jī)）QMDynmsfy （秦）Dynamo, designed by Hippolyte PixiiElectncally powered, reprodudbilityProgrammable, multiple functionsNew tooling, Metsl power energy freeform fsbrica tion230 B.C3000 BCEgyptian Ruler尺度標(biāo)定溫電效應(yīng)氣體壓力Piezo Sensor 1 Photod

5、iode I MEMS Sensor氏電轉(zhuǎn)換 光電轉(zhuǎn)換 機(jī)電微型化稀密測(cè)量技術(shù)是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的先決條件之一。湫生產(chǎn)發(fā)展的歷史來看，精密加工精度的提高總是與 精密測(cè)量技術(shù)的發(fā)展水平相關(guān)的。油于有了千分尺類量具，使加工精度達(dá)到了 0.01mm;有了測(cè)微比較儀，使加工精度達(dá)到了 1 g左右；年T了圓度儀等；測(cè)量?jī)x器、使加工精度達(dá)到了 0.1叩；年T了激光干涉儀，使加工精度達(dá)到了 0.01叩。?目前國(guó)際上機(jī)床的加工水平已能穩(wěn)定地達(dá)到1成的精度，正在向著穩(wěn)定精度為納米級(jí)的加工水平發(fā)展，表 面粗糙度的測(cè)量則向亞納米級(jí)的水平發(fā)展。納米技術(shù) 正在形成新的技術(shù)熱點(diǎn)。陽料、精密加工、精密測(cè)量與控制是現(xiàn)代精密機(jī)械工

6、 程的三大支柱。72014/11/3?目前在基礎(chǔ)工業(yè)的某些領(lǐng)域，例如研究切削速 度與進(jìn)刀量對(duì)加工誤差的影響、摩擦磨損等， 精密測(cè)量已成為不可分割的重要組成部分。? X射線干涉儀的工作臺(tái)能在10 nm的分辨力下連 續(xù)移動(dòng)，而且在50 mm的位移行程上的角偏量 為千分之幾的秒級(jí)。雄高純度單晶硅的晶格參數(shù)測(cè)量中，以及對(duì)生 物細(xì)胞、空氣污染微粒、納米材料等基礎(chǔ)研究 中，無不需要精密測(cè)量技術(shù)。8 2014/11/3貓光直寫 DWL2000附量技術(shù)發(fā)展的趨向有以下幾個(gè)方面：? 1、從實(shí)物基準(zhǔn)到自然基準(zhǔn)殊的定義的沿革：米”作為長(zhǎng)度計(jì)量單位起源于1790年，當(dāng)時(shí)法國(guó)國(guó)民議會(huì)采納了達(dá)特蘭 提出的 以經(jīng)過巴黎的地

7、球子午線自北極至赤 道這段弧長(zhǎng)的一千萬分之一為一米”的建議。? 179拜，巴黎科學(xué)院完成了從法國(guó)的敦科爾克 經(jīng)過巴黎到西班牙的巴爾雪隆納這一段子午線 的實(shí)測(cè)工作，并按照測(cè)量結(jié)果所得的1米的長(zhǎng)度102014/11/3制作了一把米尺，作為長(zhǎng)度計(jì)量基準(zhǔn)。這就是 第一個(gè)米定義的實(shí)物基準(zhǔn)稱為 一一檔案米尺;鏘案米尺經(jīng)過近一百年的時(shí)間，由于損壞嚴(yán) 重，于1880年國(guó)際計(jì)量局又制作了 30多根(34) 鉗鉞合金的高精度米尺：經(jīng)過比對(duì)，以第 6號(hào) 尺取代檔案米尺，作為國(guó)際長(zhǎng)度計(jì)量基準(zhǔn)， 由國(guó)際計(jì)量局保存，并命名為 國(guó)際米原器其余的米尺則在1889年第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上分發(fā)給締約國(guó)，作為各國(guó)的長(zhǎng)度基準(zhǔn) 器。號(hào)時(shí)

8、米的定義為：米的長(zhǎng)度等于在冰點(diǎn)溫度 下，米原器兩端刻線間的距離。11 2014/11/3洞際米原器12 2014/11/3? 196辭第11屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過了 米”的新 定義，以氨的同位素86Kf6）的波長(zhǎng)作為長(zhǎng)度計(jì)量的自然基準(zhǔn)，即原子在真空中的2d。能d5 級(jí)躍遷時(shí)輻射光波的波長(zhǎng) 0.60578021 m, 一米為 波長(zhǎng)的1650763.7潴。這一自然標(biāo)準(zhǔn)是米的復(fù) 現(xiàn)精度提高到。? 198穿第17屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過了以光速常數(shù) 搟!跳H牌I賁皮品 1港陶汜怵是光在真空中在1/299792458S勺時(shí)間間隔內(nèi) 所行進(jìn)的路程長(zhǎng)度。13 2014/11/3? 2、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)目前多數(shù)計(jì)量基準(zhǔn)和標(biāo)

9、準(zhǔn)是在靜態(tài)條件下傳遞量值 的。由于生產(chǎn)發(fā)展的要求，許多精密測(cè)量和校準(zhǔn) 工作要求在生產(chǎn)過程中進(jìn)行，計(jì)量技術(shù)由靜態(tài)向 動(dòng)態(tài)發(fā)展是必然趨勢(shì)。例如，激光干涉自動(dòng)量塊 檢測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)物基準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。近年來 ,激光、光柵和感應(yīng)同步器等新技術(shù)的推廣和應(yīng) 用，產(chǎn)生了各種類型的機(jī)、光、電相結(jié)合的自動(dòng) 檢測(cè)儀器。特別是近年來微處理器的應(yīng)用，為計(jì) 量的自動(dòng)化和智能化展示了廣闊的背景。142014/11/3? 3從中間向兩端擴(kuò)展激光技術(shù)和量子學(xué)在測(cè)量中的應(yīng)用，使測(cè)量從常規(guī) 的中等長(zhǎng)度向兩端擴(kuò)展?，F(xiàn)在已能測(cè)量幾百米的特大尺寸，其測(cè)量誤差不 超過幾十微米。?單晶金剛石刀具的圓弧半徑、原子力顯微鏡的前 端曲率半徑測(cè)量

10、現(xiàn)在也不成問題。15 2014/11/3? 4從手動(dòng)向自動(dòng)化擴(kuò)展?電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的廣泛普及，不僅實(shí)現(xiàn)了 自動(dòng)顯示和自動(dòng)數(shù)據(jù)處理，而且實(shí)現(xiàn)了程序 控制測(cè)量，從而改變了過去那種手搖、目測(cè) 和筆算的落后局面。16 2014/11/3精密測(cè)量的分類? 1、按照測(cè)量過程中是否 接觸分為：?(1髏觸式：測(cè)量過程中容易對(duì)被測(cè)對(duì)象產(chǎn) 生干擾；?(2養(yǎng)接觸式：測(cè)量過程中不對(duì)被測(cè)對(duì)象產(chǎn) 生干擾，但是容易受到 外界因素的干擾。接觸式測(cè)量17 2014/11/318 2014/11/3?(1)接觸測(cè)量測(cè)量器具的測(cè)頭與零件被測(cè)表面接觸后有機(jī)械作用力的測(cè)量。如用外徑千分尺、游標(biāo)卡尺測(cè) 量零件等。為了保證接觸的可靠性，測(cè)

11、量力是必要的 ，但它可能使測(cè)量器具及被測(cè)件發(fā)生變形而產(chǎn)生測(cè)量 誤差，還可能造成對(duì)零件被測(cè)表面質(zhì)量的損壞。常)非接觸測(cè)量測(cè)量器具的感應(yīng)元件與被測(cè)零件表面 不直接接觸，因而不存在機(jī)械作用的測(cè)量力。屬于非 接觸測(cè)量的儀器主要是利用光、氣、電、磁等作為感 應(yīng)元件與被測(cè)件表面聯(lián)系。如干涉顯微鏡、磁力測(cè)厚 儀、氣動(dòng)量?jī)x等。19 2014/11/3? 2、按被測(cè)工件在測(cè)量時(shí)所處狀態(tài)分類州）靜態(tài)測(cè)量測(cè)量時(shí)被測(cè)件表面與測(cè)量器具 測(cè)頭處于靜止?fàn)顟B(tài)。例如用外徑千分尺測(cè)量 軸徑、用齒距儀測(cè)量齒輪齒距等。*）動(dòng)態(tài)測(cè)量測(cè)量時(shí)被測(cè)零件表面與測(cè)量器 具測(cè)頭處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或測(cè)量過程是模 擬零件在工作或加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，它能

12、反 映生產(chǎn)過程中被測(cè)參數(shù)的變化過程。例如用 激光比長(zhǎng)儀測(cè)量精密線紋尺，用電動(dòng)輪廓儀 測(cè)量表面粗糙度等。20 2014/11/3靜態(tài)測(cè)量21 2014/11/3地震測(cè)量振動(dòng)波形動(dòng)態(tài)測(cè)量疇MH分）22 2014/11/323 2014/11/3? 3按測(cè)量方法分類?量的基本概念是把一個(gè)未知的被測(cè)量和一個(gè) 已知的標(biāo)準(zhǔn)量相比較，按照比較的方法可分為 兩類，即直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。方M1)直接測(cè)量?(2問接測(cè)量直接測(cè)量電子卡尺242014/11/3間接測(cè)量?列如用弦高法”測(cè)量大尺寸圓柱體的直徑， 由弦長(zhǎng)SI弦高H的測(cè)量結(jié)果，可求得直徑 D的實(shí)際值，如圖所示。由圖可得S2D 2 H兩上式彳分后，喝到測(cè)量

13、結(jié)果?勺測(cè)量誤差為dD 2H dS 1 S 2 dH2 24H求中dS-一弦長(zhǎng)S的測(cè)量誤差?dH-一弦高H的測(cè)量誤差。25 2014/11/3在線測(cè)量27 2014/11/3在流水線上，邊加工，邊檢驗(yàn), 可提高產(chǎn)品的一致性和加工精度。? S按測(cè)量結(jié)果的讀數(shù)值不同分類弱）絕對(duì)測(cè)量從測(cè)量器具上直接得到被測(cè)參數(shù) 的整個(gè)量值的測(cè)量。例如用游標(biāo)卡尺測(cè)量零件 軸徑值。?（2）相對(duì)測(cè)量將被測(cè)量和與其量值只有微小差 別的同一種已知量（一般為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)量）相比 較，得到被測(cè)量與已知量的相對(duì)偏差。例如比 較儀用量塊調(diào)零后，測(cè)量軸的直徑，比較儀的 示值就是量塊與軸徑的量值之差。28 2014/11/3教學(xué)內(nèi)容?睇論（

14、2學(xué)時(shí)） ? 1、幾何測(cè)量：（2學(xué)時(shí)）：? 2位移測(cè)量：（3學(xué)時(shí)）： ? 3速度、轉(zhuǎn)速、加速度（3學(xué)時(shí)）? 4力學(xué)測(cè)量? 5壓力測(cè)量? 6流體測(cè)量? 7、溫度測(cè)量磁場(chǎng)測(cè)量（2學(xué)時(shí)）（2學(xué)時(shí)）（2學(xué)時(shí)）（2學(xué)時(shí)）（2學(xué)時(shí)）力、扭矩、應(yīng)力、? 9時(shí)間、頻率測(cè)量：（2學(xué)時(shí)） ? 10濕度與化學(xué)測(cè)量（2學(xué)時(shí)）：? 11、材料測(cè)量（4學(xué)時(shí)）? 12生物測(cè)量技術(shù)（2學(xué)時(shí)）：細(xì)胞、蛋白質(zhì)等29? 13 MEMS測(cè)量技術(shù)（2學(xué)時(shí)）考核方式：大報(bào)告（80%） +平時(shí)20%? Measurement Systems Application and Design Ernest O. Doebelin著（測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用

15、與設(shè)計(jì)）?精密測(cè)量技術(shù)蔣建強(qiáng)、曹志宏主編，北京師 范大學(xué)出版社。30教學(xué)內(nèi)容?睇論（2學(xué)時(shí)） ? 1、幾何測(cè)量：（2學(xué)時(shí)）：? 2位移測(cè)量：（3學(xué)時(shí)）：? 3速度、轉(zhuǎn)速、加速度（3學(xué)時(shí)）? 4力學(xué)測(cè)量? 5壓力測(cè)量? 6流體測(cè)量? 7、溫度測(cè)量磁場(chǎng)測(cè)量（2學(xué)時(shí)）（2學(xué)時(shí)）（2學(xué)時(shí)）（2學(xué)時(shí)）（2學(xué)時(shí)）力、扭矩、應(yīng)力、? 9時(shí)間、頻率測(cè)量：（2學(xué)時(shí)） ? 10濕度與化學(xué)測(cè)量（2學(xué)時(shí)）：? 11、材料測(cè)量（4學(xué)時(shí)）? 12生物測(cè)量技術(shù)（2學(xué)時(shí)）：細(xì)胞、蛋白質(zhì)等31? 13 MEMS測(cè)量技術(shù)（2學(xué)時(shí)）第一章幾何測(cè)量.幾何精密測(cè)量的基礎(chǔ)理論.形位誤差的評(píng)定.直線度的測(cè)量；.平面度的測(cè)量；.圓度的測(cè)量；32iEp*CtM QuKJiTWn( vtr*wr c aiipxiOotctfcomoarMonOptcai or (Twqrwtc cvx com(M*tonX prwctsxkn itooi(EkKtrc or pnttMHAtc rHtcfonwteri)33加工精度的預(yù)測(cè) Taniguchi 1983t*Ctron 3cr肖維勒準(zhǔn)則：殘余誤差滿足MIZ