第五章幾何量測量技術(shù)基礎(chǔ)

一、測量的定義和作用量值：指一個(gè)數(shù)和一個(gè)特定測量單位表示的量，例如：1m、5kg、10V。測量：指為確定被測對(duì)象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程。也就是將被測量與測量單位（標(biāo)準(zhǔn)量）在數(shù)值上相比較，確定其比值的過程。比值標(biāo)準(zhǔn)值被測量實(shí)現(xiàn)互換性生產(chǎn)的兩個(gè)必要條件：（1）制定和貫徹統(tǒng)一的公差與配合標(biāo)準(zhǔn)；（2）統(tǒng)一計(jì)量單位并采取相應(yīng)的計(jì)量措施。當(dāng)前1頁，總共35頁。幾何量測量的作用在制造過程中，通過測量進(jìn)行工藝分析，以便確定合理的加工參數(shù)，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，如誤差測量。在設(shè)計(jì)過程中測繪，獲得設(shè)計(jì)所需的參數(shù)。零件或產(chǎn)品完工后驗(yàn)收時(shí)，通過測量進(jìn)行合格性判斷。在計(jì)量器具檢定時(shí)，需要用更高精度的測量，以確保量值準(zhǔn)確可靠。當(dāng)前2頁，總共35頁。測量過程的四要素

測量對(duì)象：零件的幾何量，包括長度、角度、形狀和位置誤差、表面粗糙度等。

測量方法：測量時(shí)所采用的測量原理、計(jì)量器具和測量條件的綜合。

計(jì)量單位：幾何量中的長度、角度單位，如長度的基本單位米。

測量精度：測量結(jié)果與真值的一致程度。對(duì)于每一個(gè)測量值都應(yīng)給出相應(yīng)的測量誤差范圍，說明其可信度。當(dāng)前3頁，總共35頁。二、幾個(gè)有關(guān)概念

檢定的概念檢驗(yàn)是確定被測幾何量是否在規(guī)定的極限范圍內(nèi)，從而判斷其是否合格的實(shí)現(xiàn)過程。

檢驗(yàn)的概念檢驗(yàn)只能得到被檢驗(yàn)對(duì)象合格與否的結(jié)論，通常不要求得到其具體量值，如用量規(guī)檢驗(yàn)零件。檢定是為評(píng)定計(jì)量器具的精度指標(biāo)是否合乎該計(jì)量器具的檢定規(guī)程的全部過程。如：用量塊檢定千分尺的精度指標(biāo)。量規(guī)當(dāng)前4頁，總共35頁。三、長度、角度單位及基準(zhǔn)我國法定計(jì)量單位中，長度的基本單位是米m。機(jī)械制造中常用的長度單位是毫米mm。國際標(biāo)準(zhǔn)單位“米”是光在真空中在1/299792458秒的時(shí)間內(nèi)所經(jīng)過的路程。我國標(biāo)準(zhǔn)單位“米”采用碘吸收穩(wěn)定的0.663μm氦氖激光輻射作為波長標(biāo)準(zhǔn)。在機(jī)械制造中，建立從光波到生產(chǎn)中使用的各種測量器具、工件的尺寸傳遞系統(tǒng)。1、長度的量值傳遞光波干涉儀計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具計(jì)量器具工件當(dāng)前5頁，總共35頁。我國長度量值傳遞的主要標(biāo)準(zhǔn)器是量塊和線紋尺。當(dāng)前6頁，總共35頁。2、角度的量值傳遞角度的測量單位是弧度rad，可用長度比值求得。但實(shí)際應(yīng)用中，為了檢定和測量需要，仍要建立角度量值的基準(zhǔn)及傳遞系統(tǒng)，常用高精度的測角儀和多面棱體。當(dāng)前7頁，總共35頁。四、量塊是精密測量中經(jīng)常使用的標(biāo)準(zhǔn)器，分為長度量塊和角度量塊。又叫塊規(guī)，表面粗糙度Ra

μm，用鉻錳鋼等特殊合金鋼或其它線膨脹系數(shù)小、性能穩(wěn)定、耐磨以及不易變形的材料制成。常用的是長方體，兩個(gè)平行測量面，具有精確的尺寸。當(dāng)前8頁，總共35頁。8量塊的用途作為長度尺寸標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)物載體，體現(xiàn)測量單位；作為標(biāo)準(zhǔn)長度標(biāo)定量儀，檢定量儀的示值誤差；比較測量時(shí)用來調(diào)整儀器零位；可直接用于精密測量、精密劃線和機(jī)密機(jī)床的調(diào)整。當(dāng)前9頁，總共35頁。量塊的尺寸長方體的量塊有兩個(gè)平行的測量面，其余為非測量面，測量面極為光滑、平整，其表面粗糙度Ra值達(dá)0.012μm以上，兩測量面之間的距離為量塊的工作長度（也稱公稱長度）。工作長度<6mm的量塊長度標(biāo)記在測量面上工作長度≥6mm的量塊長度值刻印在面積較大的非測量面上當(dāng)前10頁，總共35頁。量塊的選用根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T6093-2001規(guī)定，我國成套生產(chǎn)的量塊共有17種套別，每套的塊數(shù)分別為91、83、46、38、12、10、8、6、5等。為減少量塊的組合誤差，應(yīng)盡量減少量塊的組合塊數(shù)，一般不超過4~5塊。選用量塊時(shí)，應(yīng)從所需組合尺寸的最后一位數(shù)開始，每選一塊至少應(yīng)減去所需尺寸的一位尾數(shù)。當(dāng)前11頁，總共35頁。

例為得到工作尺寸36.375mm的量塊組，從83塊組中選取量塊所需工作尺寸36.375mm剩下尺寸選第二塊剩下尺寸選第三塊剩下尺寸選第四塊選第一塊1.005mm35.37mm1.37mm34mm4mm30mm30mm當(dāng)前12頁，總共35頁。量塊的精度量塊的精度有兩種規(guī)定：按“級(jí)”劃分和按“等”劃分1、根據(jù)量塊的制造精度量塊分為0，1，2，3和K級(jí)共5級(jí)。其中，0級(jí)精度最高，3級(jí)精度最低，K級(jí)為校準(zhǔn)級(jí)，用來校準(zhǔn)0，1，2級(jí)量塊?！凹?jí)”主要根據(jù)量塊長度極限偏差、測量面的平面度、粗糙度及量塊的研合性等指標(biāo)來劃分的。量塊生產(chǎn)企業(yè)大都按“級(jí)”向市場銷售量塊。當(dāng)前13頁，總共35頁。2、根據(jù)量塊的檢定精度量塊分為1，2，3，4，5，6六等。其中，1等精度最高，6等精度最低。量塊使用一段時(shí)間后，原有的精度級(jí)別降低，要定期送專業(yè)部門按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其各項(xiàng)精度指標(biāo)進(jìn)行檢定，確定符合哪一“等”，并在檢定證書中給出長度尺寸的修正值。

量塊按“等”使用比按“級(jí)”使用的測量精度高。“等”主要依據(jù)量塊中心長度測量的極限偏差和平面平行性允許偏差來劃分的。當(dāng)前14頁，總共35頁。量塊的級(jí)與等量塊的“級(jí)”和“等”是從成批制造和單個(gè)檢定兩種不同的角度出發(fā)，對(duì)其精度進(jìn)行劃分的兩種形式。按“級(jí)”使用時(shí)，以標(biāo)記在量塊上的公稱尺寸作為工作尺寸。特點(diǎn)：該尺寸包含其制造誤差和磨損誤差，它們將被引入到測量結(jié)果中，使測量精度受到影響。但因不需加修正值，因此使用方便。

例某一量塊公稱長度為10mm，測量長度為10mm的零件時(shí)，此零件的長度為答案：10mm。當(dāng)前15頁，總共35頁。按“等”使用時(shí)，用量塊經(jīng)檢定后所給出的實(shí)際中心長度尺

寸作為工作尺寸。特點(diǎn)：該尺寸消除了量塊制造誤差的影響，包含檢定時(shí)的測量誤差，提高了測量精度，但使用不方便。

例某一量塊標(biāo)稱長度為10mm，經(jīng)檢定其實(shí)際中心長度與公稱長度之差為－0.003mm，用該量塊測量長度為10mm的零件時(shí)，此零件的實(shí)際長度為答案：10－0.003=9.997mm。當(dāng)前16頁，總共35頁。量塊使用的注意事項(xiàng)分清量塊的“級(jí)”與“等”，注意使用規(guī)則。量塊必須在使用有效期內(nèi)，否則應(yīng)及時(shí)送專業(yè)部門檢定。

不得用手直接接觸量塊，輕拿輕放，待量塊溫度與環(huán)境溫度相同后方可使用。使用環(huán)境良好，防止各種腐蝕性物質(zhì)及灰塵對(duì)測量面的損傷，影響其黏合性。使用完畢，應(yīng)用航空汽油清洗，擦干后涂上防銹脂存于干燥處。當(dāng)前17頁，總共35頁。五、計(jì)量器具分類及其度量指標(biāo)1、計(jì)量器具的分類機(jī)械式計(jì)量器具：百分表、千分尺電動(dòng)式式計(jì)量器具：電感測微儀光學(xué)式計(jì)量器具：光學(xué)儀氣動(dòng)式計(jì)量器具：水柱式氣動(dòng)量儀光電計(jì)量器具：光電顯微鏡按被測幾何量在測量過程中的變換原理的不同分機(jī)械測微儀水柱式氣動(dòng)量儀當(dāng)前18頁，總共35頁。2、計(jì)量器具的基本度量指標(biāo)（1）刻度間距C：計(jì)量器具標(biāo)尺或圓刻度盤上兩相鄰刻線中心之間的距離或圓弧長度，一般取0.75－2.5mm。（2）分度值（分辨力）l：計(jì)量器具刻尺或度盤上相鄰兩刻線所代表的量值之差（最小刻度），反映測量精度高低。（3）靈敏度S：計(jì)量器具對(duì)被測量變化的反應(yīng)能力。被測量的增量標(biāo)尺的增量當(dāng)前19頁，總共35頁。（4）示值范圍：

計(jì)量器具所指示或顯示的最低值到最高值的范圍。（5）測量范圍：在允許誤差限內(nèi)，計(jì)量器具所能測量的被測量最小值到最大值的范圍。說明：以上兩個(gè)概念的含義不同。有些器具如游標(biāo)卡尺、千分尺其示值范圍和測量范圍相同；有些器具二者是不一樣的，如立式光學(xué)比較儀的示值范圍是±0.1mm，測量范圍是0-180mm。（6）示值變動(dòng)性：在測量條件不變的情況下，對(duì)同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量時(shí)，其讀數(shù)的最大變動(dòng)量。當(dāng)前20頁，總共35頁。檢測系統(tǒng)在正、反行程的輸入輸出曲線不重合的程度，亦稱空程誤差、滯后。0正行程反行程（7）回程誤差：滿量程輸出值引起回程誤差的主要原因是量儀傳動(dòng)元件之間存在間隙。（8）測量力：測量過程中，計(jì)量器具與被測表面之間的接觸力。測量力太大會(huì)引起彈性變形，太小會(huì)影響接觸的穩(wěn)定性。當(dāng)前21頁，總共35頁。六、測量方法的分類1、按測量結(jié)果獲得方法不同分直接測量：被測量的數(shù)值直接由計(jì)量器具讀出。間接測量：先測出與被測量相關(guān)的參數(shù)，然后經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，求出被測量的數(shù)值。電子卡尺阿基米德測量皇冠的比重當(dāng)前22頁，總共35頁。2、按被測量是否與基準(zhǔn)量比較分絕對(duì)測量：由計(jì)量器具直接讀出被測量的數(shù)值。相對(duì)測量：先用標(biāo)準(zhǔn)件校準(zhǔn)零位，再由標(biāo)尺讀出被測幾何量相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件的偏差，被測幾何量=偏差+標(biāo)準(zhǔn)件量值。此方法一般比絕對(duì)測量精度高。3、按測量時(shí)被測零件所處的狀態(tài)分靜態(tài)測量：測量時(shí)被測表面與測頭之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)態(tài)測量：測量時(shí)被測表面與測頭之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)前23頁，總共35頁。4、按工件被測表面與計(jì)量器具是否接觸分接觸測量：儀器的測頭與工件被測表面直接接觸。非接觸測量：儀器的測頭與工件被測表面不接觸。

雷達(dá)測速車載電子警察當(dāng)前24頁，總共35頁。5、按測量結(jié)果對(duì)工藝過程起的作用不同分被動(dòng)測量：對(duì)完工零件進(jìn)行的測量，測量結(jié)果僅限于發(fā)現(xiàn)并剔除不合格品。主動(dòng)測量：在零件加工過程中進(jìn)行的測量，測量結(jié)果可直接用來控制加工過程，以防止廢品的產(chǎn)生。產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)在線測量當(dāng)前25頁，總共35頁。七、有關(guān)的測量原則1、阿貝測長原則在長度測量中，應(yīng)將標(biāo)準(zhǔn)長度量（標(biāo)準(zhǔn)線）安放在被測長度量（被測線）的延長線上。說明：減小導(dǎo)軌的制造與安裝誤差所造成移動(dòng)方向的偏斜對(duì)測量結(jié)果的影響。圖中，測量長度與基準(zhǔn)長度并排放置，在測量比較過程中由于制造誤差的存在，產(chǎn)生移動(dòng)方向的偏差，兩長度之間出現(xiàn)夾角而產(chǎn)生較大的誤差。當(dāng)前26頁，總共35頁。2、最短測量鏈原則由測量信號(hào)從輸入到輸出量值通道的各個(gè)環(huán)節(jié)所構(gòu)成的測量鏈，其環(huán)節(jié)越多測量誤差越大。因此，應(yīng)盡量減少測量鏈的組成環(huán)節(jié)，以保證測量精度。間接測量比直接測量組成的環(huán)節(jié)要多、測量鏈要長、測量誤差要大。因此，只有在不可能采用直接測量，或直接測量的精度不能保證時(shí)，才采用間接測量。例如：以最少數(shù)目的量塊組成所需尺寸的量塊組。當(dāng)前27頁，總共35頁。3、圓周封閉原則在圓周分度器件（如刻度盤、圓柱齒輪等）的測量中，利用在同一圓周上所有夾角之和等于360°，即所有夾角誤差之和等于零的封閉特性，在沒有更高精度的圓分度基準(zhǔn)器件的情況下，采用“自檢法”得到高精度測量的目的。例如：圓柱齒輪齒距誤差的測量。齒距的公稱值對(duì)應(yīng)于用齒數(shù)等分360°所得的圓心角，測得整個(gè)齒輪的全部實(shí)際齒距，其平均值即為其公稱值，則每一個(gè)實(shí)際齒距與它的差值即是各個(gè)齒的齒距偏差。當(dāng)前28頁，總共35頁。八、測量誤差基本概念1、測量誤差指實(shí)際測量結(jié)果與被測量真值之差，即（測量）誤差=測量結(jié)果－真值（1）真值：被測量的客觀真實(shí)值，是理想的概念，常用“約定真值”代替。實(shí)際值：利用高一等級(jí)精度的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器所復(fù)現(xiàn)的量值。約定真值：被測量的實(shí)際值、已修正過的算術(shù)平均值。（2）測量結(jié)果：由測量所得的被測量值。當(dāng)前29頁，總共35頁。誤差

絕對(duì)誤差相對(duì)誤差粗大誤差系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差表示形式性質(zhì)特點(diǎn)當(dāng)前30頁，總共35頁。（1）絕對(duì)誤差2、誤差的表示方法△＝測量值X－被測量真值Q說明：絕對(duì)誤差可為＋,－；測量真值可用多次測量的算術(shù)平均值代替。（2）相對(duì)誤差說明：相對(duì)誤差可為＋,－；相對(duì)誤差越小，測量精度越高。r＝△/Q

×100%當(dāng)前31頁，總共35頁。(1)隨機(jī)誤差(randomerror)次數(shù)統(tǒng)計(jì)分布密度3、誤差的分類產(chǎn)生原因：測量裝置、環(huán)境方面、人員方面等。正態(tài)分布的特征：單峰性、對(duì)稱性、抵償性、有界性。特點(diǎn)：大小和符號(hào)不可預(yù)知，分散程度稱為“精密度”。當(dāng)前32頁，總共35頁。1、算術(shù)平均值以及任一測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差算術(shù)平均值測量值隨機(jī)誤差單次測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差實(shí)際測量用殘余誤差代替真差δ貝塞爾公式求得σ的估計(jì)值處理方法當(dāng)前33