《互換性與技術測量》課件-第3章

第3章測量技術基礎3.1概述3.2常用量具簡介3.3測量數(shù)據(jù)處理3.4光滑極限量規(guī)的設計

3.1概述

3.1.1測量與檢驗

幾何量測量是機械制造業(yè)中最基本、最主要的檢測任務之一,也是保證機械產(chǎn)品加工與裝配質量必不可少的重要技術措施。測量技術主要是研究對零件的幾何量進行測量和檢驗的一門技術,其中零件的幾何量包括長度、角度、幾何形狀、相互位置、表面粗糙度等。圖3－1(a)~(i)所示為生產(chǎn)實踐中常見的一些幾何量測量的實例。圖3－1幾何量測量實例測量是指將被測量與一個作為測量單位的標準量進行比較,從而確定被測量量值的過程。

一個完整的測量過程包括以下四個方面的內容:

(1)測量對象:主要指零件上有精度要求的幾何參數(shù)。

(2)測量單位:也稱計量單位。我國規(guī)定的法定計量單位中,長度的計量單位為米(m),平面角的角度計量單位為弧度(rad)及度(°)、分(′)、秒(″)。

(3)測量方法:指測量時所采用的測量器具、測量原理以及檢測條件的綜合。

(4)測量精度:指測量結果與真值的一致程度。在測量過程中,不可避免地存在著測量誤差,測量精度和測量誤差是兩個相互對應的概念。測量誤差小,說明測量結果更接近真值,測量精度高;測量誤差大,說明測量結果遠離真值,測量精度低。對測量過程中誤差的來源、特性、大小進行定性和定量分析,以便消除或減小某種測量誤差或者明確測量總誤差的變動范圍,是保證測量質量的重要措施?！皺z驗”是一個比“測量”含義更廣泛的概念。對于金屬內部的檢驗、工件表面裂紋的檢驗等，就不能用“測量”這一概念。在幾何量測量技術中,檢驗一般指通過一定的手段,判斷零件幾何參數(shù)的實際值是否在給定的允許變動范圍之內,從而確定產(chǎn)品是否合格。在檢驗中,并不一定要求知道被測幾何參數(shù)的具體量值。例如:用塞規(guī)檢驗孔的尺寸時,只要量規(guī)的通端能通過被檢驗的孔,止端不能通過被檢驗的孔,就認為該孔的尺寸是合格的。3.1.2幾何量測量的目的和任務

在零件的加工過程中和在機器與儀器的裝配及調整過程中,不論是為了控制產(chǎn)品的最終質量,或者是為了控制生產(chǎn)過程中每一工序的質量,都需要直接或間接地進行一系列測量和檢驗工作,有的是針對產(chǎn)品本身的,有的是針對工藝裝備的,否則產(chǎn)品質量就得不到保證。因此,測量技術的目的就是為了保證產(chǎn)品的質量,保證互換性的實現(xiàn),同時也為了不斷提高制造技術水平,提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。幾何量測量的目的就是為了確定被測工件幾何參數(shù)的實際值是否在給定的允許范圍之內,因此幾何量測量的主要任務如下:

(1)根據(jù)被測工件的幾何結構和幾何精度的要求,合理地選擇測量器具和測量方法。

(2)按一定的操作規(guī)程,正確地實施檢測方案,完成檢測任務,并得出檢測結論。

(3)通過測量,分析加工誤差的來源與影響,以便改進工藝或調整裝備,提高加工質量。3.1.3長度基準與長度量值傳遞系統(tǒng)

1.長度基準的建立

為了保證工業(yè)生產(chǎn)中長度測量的精確度,首先要建立統(tǒng)一、可靠的長度基準。國際單位制中的長度單位基準為米(m),機械制造中常用的長度單位為毫米(mm),精密測量時多用微米(μm)為單位,超精密測量時則用納米(nm)為單位。它們之間的換算關系如下:1m=1000mm1mm=1000μm1μm=1000nm隨著科學技術的不斷進步和發(fā)展,國際單位“米”也經(jīng)歷了三個不同的階段。早在1791年,法國政府決定以地球子午線通過巴黎的四千萬分之一的長度作為基本的長度單位——米。1875年國際米尺會議決定制造具有刻線的基準米尺,1889年第一屆國際計量大會通過該米尺作為國際米原器,并規(guī)定了1米的定義為“在標準大氣壓和0℃時,國際米原器上兩條規(guī)定刻線間的距離”。國際米原器由鉑銥合金制成,存放在法國巴黎的國際計量局,這是最早的米尺。在1960年召開的第十一屆國際計量大會上,考慮到光波干涉測量技術的發(fā)展,決定正式采用光波波長作為長度單位基準,并通過了關于米的新定義:“米的長度等于氪(86Kr)原子的2p10與5d5能級之間躍遷所對應的輻射在真空中波長的1650763.73倍?！睆拇?實現(xiàn)了長度單位由物理基準轉換為自然基準的設想,但因氪(86Kr)輻射波長作為長度基準,其復現(xiàn)精度受到一定限制。隨著光速測量精度的提高,在1983年召開的第十七屆國際計量大會上審議并批準了又一個米的新定義:“米等于光在真空中在1/299792458秒的時間間隔內的行程長度?！泵椎男露x帶有根本性變革,它仍然屬于自然基準范疇,但建立在一個重要的基本物理常數(shù)(真空中的光速)的基礎上,其穩(wěn)定性和復現(xiàn)性是原定義的100倍以上,實現(xiàn)了質的飛躍。

米的定義的復現(xiàn)主要采用穩(wěn)頻激光,我國采用碘吸收穩(wěn)定的0.633μm氦氖激光輻射作為波長基準。

2.長度量值傳遞系統(tǒng)

用光波波長作為長度基準,雖然能夠達到足夠的準確性,但卻不便在生產(chǎn)中直接應用。為了保證量值統(tǒng)一,必須建立各種不同精度的標準器,通過逐級比較,把長度基準量值應用到生產(chǎn)一線所使用的計量器具中,用這些計量器具去測量工件,就可以把基準單位量值與機械產(chǎn)品的幾何量聯(lián)系起來。這種系統(tǒng)稱為長度量值傳遞系統(tǒng),如圖3－2所示。圖3－2長度量值傳遞系統(tǒng)3.1.4量塊

量塊是機械制造中精密長度計量應用最廣泛的一種實體標準,也是生產(chǎn)中常用的工作基準器和精密量具。量塊是一種沒有刻度的平面平行端面量具,其形狀一般為矩形截面的長方體或圓形截面的圓柱體(主要應用于千分尺的校對棒)兩種,常用的為長方體(見圖3－3)。量塊有兩個平行的測量面和四個非測量面,測量面極為光滑平整,非測量面較為粗糙一些。

量塊一般用鉻錳鋼或其他特殊合金制成,其線膨脹系數(shù)小,性質穩(wěn)定,不易變形,且耐磨性好。

量塊除了作為尺寸傳遞的媒介外,還廣泛用來檢定和校對量具、量儀;相對測量時用來調整儀器的零位;有時也可直接檢驗零件;同時還可用于機械行業(yè)的精密劃線和精密調整等。圖3－3量塊

1.量塊的中心長度

量塊長度是指量塊上測量面的任意一點到與下測量面相研合的輔助體(如平晶)平面間的垂直距離。量塊雖然精度很高,但其測量面并非理想平面,兩測量面也不是絕對平行的,可見量塊長度并非處處相等。因此,量塊的尺寸是指量塊測量面上中心點的量塊長度,用符號L來表示,即用量塊的中心長度尺寸代表工作尺寸。量塊的中心長度是指量塊上測量面的中心到與下測量面相研合的輔助體(如平晶)表面間的距離;量塊上標出的尺寸為名義上的中心長度,稱為標稱尺寸(或名義長度),如圖3－3所示。

2.量塊的精度等級

1)量塊的分級

按國標的規(guī)定,量塊按制造精度分為6級,即00級、0級、1級、2級、3級和K級。其中00級精度最高,3級精度最低,K級為校準級。各級量塊精度指標見附表3－1。

2)量塊的分等

量塊按其檢定精度,可分為1、2、3、4、5、6六等,其中1等精度最高,6等精度最低。各等量塊精度指標見附表3－2。

量塊按“級”使用時,以量塊的標稱尺寸作為工作尺寸,該尺寸包含了量塊的制造誤差。量塊按“等”使用時,以經(jīng)過檢定后的量塊中心長度的實際尺寸作為工作尺寸,該尺寸排除了量塊制造誤差的影響,僅包含檢定時較小的測量誤差。因此,量塊按“等”使用比按“級”使用精度高。

3.量塊的研合性

量塊的測量面非常光滑和平整,因此當表面留有一層極薄的油膜時,經(jīng)較輕的推壓作用使它們的測量平面互相緊密接觸,因分子間的親和力,兩塊量塊便能粘合在一起,量塊的這種特性稱為研合性,也稱為粘合性。利用量塊的研合性,就可以把尺寸不同的量塊組合成量塊組,從而得到所需要的各種尺寸。

4.量塊的組合

每塊量塊只有一個確定的工作尺寸,為了滿足一定范圍內不同尺寸的需要,量塊是按一定的尺寸系列成套生產(chǎn)的,一套包含一定數(shù)量不同尺寸的量塊,裝在一個特制的木盒內。GB6093—85《量塊》中共規(guī)定了17套量塊,常用的幾套量塊的尺寸系列見附表3－3。量塊的組合方法及原則如下:

(1)選擇量塊時,無論是按“級”測量還是按“等”測量,都應按照量塊的標稱尺寸進行選取。若為按“級”測量,則測量結果即為按“級”測量的測得值;若為按“等”測量,則可將測出的結果加上量塊檢定表中所列各量塊的實際偏差,即為按“等”測量的測得值。

(2)選取量塊時,應從所給尺寸的最后一位小數(shù)開始考慮,每選一塊量塊應使尺寸至少消去一位小數(shù)。

(3)使量塊塊數(shù)盡可能少,以減小積累誤差,一般不超過3~5塊。

(4)必須從同一套量塊中選取,決不能在兩套或兩套以上的量塊中混選。

(5)量塊組合時,不能將測量面與非測量面相研合。例如,要組成36.375的尺寸,若采用83塊一套的量塊,參照附表3－3,其選取方法如下:3.1.5測量方法和測量器具

1.測量方法

在測量中,測量方法是根據(jù)測量對象的特點來選擇和確定的,其特點主要指測量對象的尺寸大小、精度要求、形狀特點、材料性質以及數(shù)量等。機械產(chǎn)品幾何量的測量方法主要有以下幾種:間接測量：當被測幾何量無法直接測量時，可先測出與被測幾何量有函數(shù)關系的其它幾何量，然后，通過一定的函數(shù)關系式進行計算求得被測幾何量的數(shù)值。例如圖3-4所示，對兩孔的中心距y的測量，先用游標卡尺測出x1和x2的數(shù)值，然后按下式計算出孔心距y的數(shù)值：（3-1）通常為了減小測量誤差,都采用直接測量,但是當被測幾何量不易直接測量或直接測量達不到精度要求時,就不得不采用間接測量了。圖3－4間接測量孔中心距

(2)絕對測量與相對測量。

絕對測量(全值測量):測量器具的讀數(shù)值是被測量的全值。例如,用千分尺測量減速器輸出軸尺寸左端時,從千分尺上讀的數(shù)值?45.017就是被測量的全值。

相對測量(微差或比較測量):測量器具的讀數(shù)值是被測幾何量相對于某一標準量的相對差值。該測量方法有兩個特點:一是在測量之前必須首先用量塊或其他標準量具將測量器具調零;二是測得值是被測幾何量相對于標準量的相對差值。例如,用立式光學計測量軸徑。

一般地,相對測量的測量精度比絕對測量的測量精度高,但測量過程較為麻煩。

(3)接觸測量與非接觸測量。

接觸測量:測量器具的測量頭與工件被測表面以機械測量力直接接觸。例如,用游標卡尺測量軸徑、用百分表測量軸的圓跳動等。

非接觸測量:測量器具的測量頭與工件被測表面不直接接觸,不存在機械測量力。例如,用投影法(如萬能工具顯微鏡、大型工具顯微鏡等)測量零件尺寸。

接觸測量由于存在測量力,會使零件被測表面產(chǎn)生變形,引起測量誤差,使測量頭磨損以及劃傷被測表面等,但是對被測表面的油污等不敏感;非接觸測量由于不存在測量力,被測表面不產(chǎn)生變形誤差,因此特別適合薄壁結構易變形零件的測量。

(4)單項測量與綜合測量。

單項測量:單獨測量零件的各個幾何參數(shù)。例如,用螺紋千分尺、三針法僅能單獨測量螺紋的中徑。

綜合測量:檢測零件兩個或兩個以上相關幾何參數(shù)的綜合效應或綜合指標。例如,用螺紋塞規(guī)、環(huán)規(guī)可同時測量螺紋的中徑、螺距、牙型半角等。

一般綜合測量效率高,對保證零件互換性更為可靠,適用于只要求判斷零件合格性的場合;單項測量能分別確定每個參數(shù)的誤差,一般用于工藝分析(如分析加工過程中產(chǎn)生廢品的原因等)。

(5)靜態(tài)測量與動態(tài)測量。

靜態(tài)測量:測量時,測量器具的感受裝置與被測件表面保持相對靜止的狀態(tài)。

動態(tài)測量:測量時,測量器具的感受裝置與被測件表面處于相對運動的狀態(tài)。

2.測量器具

1)測量器具的分類

(1)量具:以固定的形式復現(xiàn)量值,帶有簡單刻度的測量器具,如量塊、卷尺、游標卡尺、千分尺等。它們大多沒有量值的放大傳遞機構,結構簡單,使用方便。

(2)量規(guī):一種沒有刻度的專用量具,如塞規(guī)、卡規(guī)、環(huán)規(guī)、螺紋塞規(guī)、螺紋環(huán)規(guī)等。它只能用來檢驗零件是否合格,而不能獲得被測幾何量的具體數(shù)值。

(3)量儀:將被測量轉換成可直接觀察的示值或信息的測量器具,如百分表、千分表、立式光學計、工具顯微鏡等。量儀一般由被測量感受裝置、放大傳遞裝置、顯示讀數(shù)裝置三大部分組成。它們結構復雜,操作要求嚴格,但用途廣泛,測量精度高。

(4)測量裝置:指為確定被測幾何量量值所必需的測量器具和輔助設備的總體,如連桿、曲軸、滾動軸承等零件可用專用的測量裝置進行測量。它能夠測量較多的幾何量和較復雜的零件,提高測量或檢驗效率,提高測量精度。

2)測量量具的主要技術指標

測量量具的主要技術指標是表征測量量具技術性能和功用的指標,也是選擇和使用測量量具的依據(jù)。

(1)分度值:也稱刻度值,是指測量量具標尺上一個刻度間隔所代表的測量數(shù)值。一般來說,測量量具的分度值越小,則該測量量具的測量精度就越高。

(2)示值范圍:測量量具標尺上全部刻度范圍所代表的被測量值。

(3)測量范圍:測量量具所能測出的最大和最小的尺寸范圍。

(4)靈敏度:能引起量儀指示數(shù)值變化的被測尺寸變化的最小變動量。

(5)示值誤差:量具或量儀上的示值與被測尺寸實際值之差。

(6)修正值:為消除系統(tǒng)誤差,用代數(shù)法加到示值上以得到正確結果的數(shù)值,其大小與示值誤差絕對值相等,而符號相反。

3.2常用量具簡介

對于中、低精度的軸和孔,當生產(chǎn)批量較小,或需要得到被測工件的實際尺寸時,常用各種通用量具進行測量。通用量具按其工作原理的不同,可分為游標類量具、螺旋測微類量具和機械類量具。

3.2.1游標類量具

應用游標讀數(shù)原理制成的量具叫游標類量具。常用游標類量具有游標卡尺(見圖3－5(a))、深度游標卡尺(見圖3－5(b))和高度卡尺(見圖3－5(c))。它們具有結構簡單、使用方便、測量范圍大等特點。

1.結構

游標類量具的結構如圖3－5(a)~(c)所示,其共同特征是都有主尺1、游標尺2以及測量爪6、7(或測量面),另外還有便于進行微量調整的微動機構3和鎖緊機構5等。深度游標卡尺和高度卡尺還有尺架4和底座8等。主尺上有毫米刻度,游標尺上的分度值分為0.1、0.05、0.02三種。圖3－5游標類量具

2.讀數(shù)原理

游標讀數(shù)(或稱為游標細分)是利用主尺刻線間距與游標刻線間距之差實現(xiàn)的。

在圖3－6(a)中,主尺刻度間隔a=1,游標刻度間隔b=0.9,則主尺刻度間隔與游標刻度間隔之差為游標讀數(shù)值i=a-b=0.1。讀數(shù)時,首先根據(jù)游標零線所處位置讀出主尺刻度的整數(shù)部分;其次判斷游標的第幾條刻線與主尺刻線對準,此游標刻線的序號乘上游標讀數(shù)值,則可得到小數(shù)部分的讀數(shù),將整數(shù)部分和小數(shù)部分相加,即為測量結果。在圖3－6(b)中,游標零線處在主尺11與12之間,而游標的第3條刻線與主尺刻線對準,所以游標卡尺的讀數(shù)值為11.3。圖3－6游標的讀數(shù)原理

3.正確使用

游標類量具雖然具有結構簡單、使用方便等特點,但讀數(shù)機構不能對毫米刻線進行放大,讀數(shù)精度不高,因此,只適用于生產(chǎn)現(xiàn)場中,對一些中、低等精度的長度尺寸進行測量。

游標卡尺適用于測量各種精度較低的尺寸,如圖1－3所示的徑向最大直徑?62軸徑測得da=62.2,為合格尺寸(因為未注公差為62±0.3);深度游標卡尺適用于測量槽和盲孔深度及臺階高度;高度游標卡尺除可測量零件高度外,還可用于零件的精密劃線。使用游標類量具時應注意以下幾點:

(1)使用前應將測量面擦拭干凈,兩測量爪間不能存在顯著的間隙,并校對零位。

(2)移動游框時,力量要適度,測量力不易過大。

(3)注意防止溫度對測量精度的影響,特別要防止測量器具與零件不等溫產(chǎn)生的測量誤差。

(4)讀數(shù)前一定將鎖緊機構鎖緊。

(5)讀數(shù)時,其視線要與標尺刻線方向一致,以免造成視差。

游標卡尺的示值誤差隨游標讀數(shù)值和測量范圍而變。例如,游標讀數(shù)值為0.02、測量范圍為0～300的游標卡尺,其示值誤差不大于±0.02。3.2.2螺旋測微類量具

應用螺旋微動原理制成的量具叫螺旋測微類量具。常用的螺旋測微類量具有外徑千分尺(見圖3－7(a))、內徑千分尺(見圖3－7(b))、深度千分尺(見圖3－7(c))等。外徑千分尺主要用于測量中等精度的圓柱、長度尺寸,內徑千分尺主要用于測量中等精度的孔、槽尺寸,深度千分尺則適于測量盲孔深度、臺階高度等。圖3－7螺旋測微類量具

1.結構

螺旋測微類量具的結構如圖3－7所示,其主要由尺架1、測量面2、固定套筒3、測微螺桿4、調節(jié)螺母5、微分筒6、調節(jié)螺母7、彈簧8、棘輪9、測量力裝置10、棘輪軸11和鎖緊機構12等組成。螺旋測微類量具的結構主要有以下特點:

(1)結構設計合理。

(2)以精度很高的測微螺桿的螺距作為測量的標準量,測微螺桿和調節(jié)螺母配合精密且間隙可調。

(3)固定套筒和微分筒作為示數(shù)裝置,用刻度線進行讀數(shù)。

(4)有保證測力恒定的棘輪棘爪機構。

外徑千分尺的示值范圍和測量范圍見表3－1。表3-1外徑千分尺的示值范圍和測量范圍（mm）

2.讀數(shù)原理

螺旋測微類量具主要應用螺旋副傳動,將微分筒的轉動變?yōu)闇y微螺桿的移動。一般測微螺桿的螺距為0.5,微分筒與測微螺桿連成一體,上刻有50條等分刻線。當微分筒旋轉一圈時,測微螺桿軸向移動0.5;而當微分筒轉過一格時,測微螺桿軸向移動0.5/50=0.01。千分尺的讀數(shù)方法首先應從固定套筒上讀數(shù)(固定套筒上刻線的刻度間隔為0.5),讀出0.5的整數(shù)倍,然后在微分筒上讀出其余小數(shù)。如圖3－8所示,最后一位數(shù)字是估讀得出的。圖3－8千分尺的讀數(shù)

3.正確使用

螺旋測微類量具具有較高放大倍數(shù)的讀數(shù)機構,具有測力恒定裝置且制造精度較高等優(yōu)點,所以測量精度要比相應的游標類量具高,在生產(chǎn)現(xiàn)場應用非常廣泛。如圖1－3所示,軸徑標注尺寸為?56r6,若測得da=56.051,則為合格尺寸。

外徑千分尺由于受測微螺桿加工長度的限制,示值范圍一般只有25mm,因此,其測量范圍分為0～25、25～50、50～75、75～100等,用于不同尺寸的測量。內徑千分尺因需把其放入被測孔內進行測量,故一般只用于大孔徑的測量。螺旋測微類量具使用時要注意以下幾點:

(1)使用前必須校對零位。

(2)手應握在隔熱墊處,測量器具與被測件必須等溫，以減少溫度對測量精度的影響。

(3)當測量面與被測表面將要接觸時,必須使用測力裝置。

(4)讀數(shù)前一定要將鎖緊機構鎖緊。

(5)測量讀數(shù)時要特別注意固定套筒上的0.5刻度。3.2.3機械類量具

1.百分表和千分表

百分表和千分表用于測量各種零件的線值尺寸、幾何形狀及位置誤差,也可用于找正工件位置,還可與其他儀器配套使用。

常用百分表的傳動系統(tǒng)是由齒輪、齒條等組成的,如圖3－9所示。測量時,帶有齒條的測量桿上升會帶動小齒輪Z2轉動,與Z2同軸的大齒輪Z3及小指針也跟著轉動,而Z3要帶動小齒輪Z1及其軸上的大指針偏轉。游絲的作用是迫使所有齒輪作單向嚙合,以消除由于齒側間隙而引起的測量誤差。彈簧是用來控制測量力的。圖3－9百分表的結構及工作原理圖3－10杠桿百分表的結構及工作原理杠桿百分表的結構及工作原理如圖3－10所示。測頭的左右移動引起測桿1和與之相連的扇形齒輪2繞支點0擺動,從而帶動齒輪3和與之相連的端面齒輪5的轉動,使與其嚙合的小齒輪4和指針7一起轉動,從而讀出表盤6上的示值數(shù),8為復位彈簧。

百分表的表盤上刻有100等分,分度值為0.01。當測量桿移動1時,大指針轉動一圈,小指針轉過一格。百分表的測量范圍一般為0～3、0～5及0～10,大行程百分表的行程可達50。精度等級分為0、1、2級。0~2級的百分表在整個測量范圍的示值誤差為0.01～0.03,任意1mm內的示值誤差為0.006～0.018。常用千分表的分度值為0.001,測量范圍為0～1。千分表在整個測量范圍內的示值誤差小于等于0.005,它適用于高精度測量。

由于機械類量具具有體積小、重量輕、結構簡單、造價低廉等特點,且又無須附加電源、光源、氣源等,還可連續(xù)不斷地感應尺寸的變化,也比較堅固耐用,因此應用十分廣泛。除可單獨使用外,還能安裝在其他儀器或檢測裝置中作測微表頭使用。因其示值范圍較小,故常用于相對測量以及某些尺寸變化較小的場合。使用機械類量具時應注意以下幾點:

(1)測頭移動要輕緩,距離不要太大,更不能超量程使用。

(2)測量桿與被測表面的相對位置要正確,防止產(chǎn)生較大的測量誤差。

(3)表體不得猛烈震動,被測表面不能太粗糙,以免齒輪等運動部件受損。

2.內徑百分表

內徑百分表是用相對測量法測量內孔的一種常用量儀。如圖3－11所示,杠桿式內徑百分表是由百分表和一套杠桿組成的。當活動量桿被工件壓縮時,通過等臂杠桿、推桿使百分表指針偏轉,指示出活動量桿的位移量。定位護橋起找正直徑位置的作用。圖3－11內徑百分表測量前,內徑百分表應根據(jù)被測孔的公稱尺寸,在千分尺或標準環(huán)規(guī)上調好零位。測量時,必須將量具擺動,讀取最小值,見圖3－11。

內徑百分表的分度值為0.01,其測量范圍一般為6～10、10～18、18～35、35～50、50～100、100～160、160～250、250～450等。漲簧式內徑百分表測量的最小孔徑可達到3左右。活動量桿的移動量很小,它的測量范圍是靠更換固定量桿來擴大的。當內徑百分表的測量范圍為18～35時,其示值誤差不大于0.015。 3.3測量數(shù)據(jù)處理

3.3.1測量誤差及其產(chǎn)生的原因

任何測量過程,無論采用如何精密的測量方法,其測得值都不可能為被測幾何量的真值,這種由于測量器具本身的誤差和測量條件的限制,而使測量結果與被測量真值之差,稱為測量誤差。3.3.1測量誤差及其產(chǎn)生的原因

任何測量過程,無論采用如何精密的測量方法,其測得值都不可能為被測幾何量的真值,這種由于測量器具本身的誤差和測量條件的限制,而使測量結果與被測量真值之差,稱為測量誤差。

測量誤差常用以下兩種指標來評定:

(1)絕對誤差δ:測量結果(X)與被測量(約定)真值(X0)之差,即δ=X-X0

(3－2)因測量結果可能大于或小于真值,故δ可能為正值也可能為負值,將式(3－2)移項可得下式:X0=X±δ

(3－3)

(2)相對誤差f:當被測幾何量相同時,不能再用絕對誤差δ來評定測量精度,這時應采用相對誤差來評定。所謂相對誤差,是指測量的絕對誤差δ與被測量(約定)真值(X0)之比,即(3－4)由上式可以看出,相對誤差f是一個沒有單位的數(shù)值,一般用百分數(shù)(%)來表示。例如:有兩個被測量的實際測得值X1=100,X2=10,δ1=δ2=0.01,則兩次測量的相對誤差為由此可知,兩個大小不同的被測量,雖然絕對誤差相同,但其相對誤差是不同的,由于f1<f2,因此前者的測量精度高于后者。

3.測量誤差產(chǎn)生的原因

測量誤差是不可避免的,但是由于各種測量誤差的產(chǎn)生都有其原因和影響測量結果的規(guī)律,因此測量誤差是可以控制的。要提高測量精確度,就必須減小測量誤差,而要減小和控制測量誤差,就必須對測量誤差產(chǎn)生的原因進行了解和研究。產(chǎn)生測量誤差的原因很多,主要有以下幾個方面:

(1)測量器具誤差:任何測量器具在設計制造、裝配、調整時都不可避免地產(chǎn)生誤差,這些誤差一般表現(xiàn)在測量器具的示值誤差和重復精度上。其解決方法是定期檢定或用更精密的儀器給出修正量。

(2)基準誤差:量塊或標準件存在誤差,相對測量時影響測量結果。

(3)溫度誤差:標準溫度20℃,實際測量時的溫度偏離引起的測量誤差。

(4)測量力誤差:測量力的存在會造成接觸變形,帶入測量誤差。

(5)讀數(shù)誤差:由不正確的讀數(shù)姿勢、習慣性的操作所引起的測量誤差。3.3.2測量誤差

1.隨機誤差

在相同條件下,以不可預知的方式變化的測量誤差,稱為隨機誤差。

隨機誤差的出現(xiàn)具有偶然性或隨機性,它的存在以及大小和方向不受人的支配與控制,即單次測量之間誤差的變化無確定的規(guī)律。隨機誤差是由測量過程中的一些大小和方向各不相同、又都不很顯著的誤差因素綜合作用造成的。例如,儀器運動部件間的間隙改變、摩擦力變化、受力變形、測量條件的波動等。由于此類誤差的影響因素極為復雜,對每次測得值的影響無規(guī)律可循,因此無法消除或修正。但在一定測量條件下,對同一值進行大量重復測量時,總體隨機誤差的產(chǎn)生滿足統(tǒng)計規(guī)律,即具有有界性、對稱性、抵償性、單峰性,如圖3－12所示。圖3－12隨機誤差的分布規(guī)律

(1)對稱性:絕對值相等的正、負誤差出現(xiàn)的概率相等。

(2)單峰性:絕對值小的誤差比絕對值大的誤差出現(xiàn)的次數(shù)多。

(3)有界性:絕對值很大的誤差出現(xiàn)的概率接近于零。

(4)抵償性:隨機誤差的算術平均值隨測量次數(shù)的增加而趨近于零。

因此,可以分析和估算誤差值的變動范圍,并通過取平均值的辦法來減小其對測量結果的影響。

2.系統(tǒng)誤差

在相同條件下多次測量同一量值時,誤差值保持恒定;或者當條件改變時,其值按某一確定的規(guī)律變化的誤差,稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差按其出現(xiàn)的規(guī)律又可分為定值系統(tǒng)誤差和變值系統(tǒng)誤差。

(1)定值系統(tǒng)誤差:在規(guī)定的測量條件下,其大小和方向均固定不變的誤差,如量塊長度尺寸的誤差、儀器標的誤差等。由于定值系統(tǒng)誤差的大小和方向不變,對測量結果的影響也是一定值,因此它不能從一系列測得值的處理中揭示,而只能通過實驗對比的方法去發(fā)現(xiàn),即通過改變測量條件進行不等精度測量來揭示定值系統(tǒng)誤差。例如,在相對測量中,用量塊作標準件并按其標稱尺寸使用時,由量塊的尺寸偏差引起的系統(tǒng)誤差,可用高精度的儀器對其實際尺寸進行檢定來得到,或用更高精度的量塊對其進行對比測量來發(fā)現(xiàn)。

(2)變值系統(tǒng)誤差:在規(guī)定的測量條件下,遵循某一特定規(guī)律變化的誤差,如測角儀器的刻度盤偏心引起的角度測量誤差、溫度均勻變化引起的測量誤差等。變值系統(tǒng)誤差可以從一組測量值的處理和分析中發(fā)現(xiàn),方法有多種。常用的方法之一是殘余誤差觀察法,即將測量列按測量順序排列(或作圖),觀察各殘余誤差的變化規(guī)律。若殘余誤差大體正、負相同,無顯著變化,則不存在變值系統(tǒng)誤差;若殘余誤差有規(guī)律地遞增或遞減,且其趨勢始終不變,則可認為存在線性變化的系統(tǒng)誤差;若殘余誤差有規(guī)律地增減交替,形成循環(huán)重復,則可認為存在周期性變化的系統(tǒng)誤差。

通過分析、實驗或檢定可以掌握一些系統(tǒng)誤差的規(guī)律,并加以消除、修正或減小。有的系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生原因或大小難以確定,只能大致估算其可能出現(xiàn)的范圍,故這類未定的系統(tǒng)誤差無法消除,也不能對測得值進行修正。

3.粗大誤差

由某種反常原因造成的、歪曲測得值的測量誤差,稱為粗大誤差。

粗大誤差的出現(xiàn)具有突然性,它是由某些偶爾發(fā)生的反常因素造成的。例如,外界的突然振動,測量人員的粗心大意造成的操作、讀數(shù)、記錄的錯誤等。這種顯著歪曲測得值的粗大誤差應盡量避免,且在一系列測得值中按一定的判別準則予以剔除。3.3.3測量精度

測量精度是指幾何量的測得值與其真值的接近程度。它與測量誤差是相對應的兩個概念。測量誤差越大,測量精度就越低;反之,測量誤差越小,測量精度就越高。為了反映系統(tǒng)誤差與隨機誤差的區(qū)別及其對測量結果的影響,以打靶為例進行說明。如圖3－13所示,圓心表示靶心,黑點表示彈孔。圖3－13(a)表現(xiàn)為彈孔密集但偏離靶心,說明隨機誤差小而系統(tǒng)誤差大;圖3－13(b)表現(xiàn)為彈孔較為分散,但基本圍繞靶心分布,說明隨機誤差大而系統(tǒng)誤差小;圖3－13(c)表現(xiàn)為彈孔密集而且圍繞靶心分布,說明隨機誤差和系統(tǒng)誤差都很小;圖3－13(d)表現(xiàn)為彈孔既分散又偏離靶心,說明隨機誤差和系統(tǒng)誤差都大。圖3－13測量精度分類示意圖

(a)精密度高;(b)正確度高;(c)精確度高;(d)精確度低

1.精密度

精密度是指在同一條件下對同一幾何量進行多次測量時,該幾何量各次測量結果的一致程度。它表示測量結果受隨機誤差的影響程度。若隨機誤差小,則精密度高。

2.正確度

正確度是指在同一條件下對同一幾何量進行多次測量時,該幾何量測量結果與其真值的符合程度。它表示測量結果受系統(tǒng)誤差的影響程度。若系統(tǒng)誤差小,則正確度高。

3.精確度(或稱準確度)

精確度表示對同一幾何量進行連續(xù)多次測量時,所得到的測得值與其真值的一致程度。它表示測量結果受系統(tǒng)誤差和隨機誤差的綜合影響程度。若系統(tǒng)誤差和隨機誤差都小,則精確度高。通常所說的測量精度指精確度。

按照上述分類可知,圖3－13(a)為精密度高而正確度低;圖3－13(b)為精密度低而正確度高;圖3－13(c)為精密度和正確度都高,因而精確度也高;圖3－13(d)為精密度和正確度都低,因而精確度也低。

3.4光滑極限量規(guī)的設計

3.4.1概述

當圓柱形孔、軸尺寸采用包容要求時,能對其進行既快又準地檢驗的測量器具是光滑極限量規(guī)(簡稱量規(guī))。量規(guī)因具有結構簡單,檢測穩(wěn)定,操作方便、快捷,對使用環(huán)境要求不高等特點,對直徑較小(500以下)的中、低精度的軸和孔,在大批量生產(chǎn)時的檢驗中應用非常廣泛。量規(guī)是一種無刻度的專用量具,由通規(guī)(T)和止規(guī)(Z)組成。通規(guī)用來模擬最大實體狀態(tài),檢驗孔或軸的作用尺寸是否超越最大實體尺寸;止規(guī)用來檢驗孔或軸的實際尺寸是否超越最小實體尺寸。用量規(guī)檢驗產(chǎn)品時,只能判斷其合格與否,不能獲得孔、軸的具體數(shù)值。量規(guī)的使用非常簡單,只需用通規(guī)和止規(guī)直接與被檢孔、軸進行比較,當通規(guī)通過了被檢尺寸而止規(guī)不能通過被檢尺寸時,零件才被認定為是合格的,如圖3－14和圖3－15所示。若不能同時滿足上述兩個條件,則認為被檢零件是不合格的。因此,根據(jù)不同的用途正確設計和選用量規(guī),是用量規(guī)有效檢驗孔、軸合格性的前提。圖3－14用塞規(guī)檢驗孔

(a)實際零件;(b)用塞規(guī)檢驗圖3－15用環(huán)規(guī)檢驗軸

(a)實際零件;(b)用環(huán)規(guī)檢驗3.4.2光滑極限量規(guī)的分類

量規(guī)按檢驗對象的不同可分為孔用量規(guī)和軸用量規(guī);按用途的不同可分為工作量規(guī)、驗收量規(guī)和校對量規(guī)。

1.按檢驗對象的不同分

(1)孔用量規(guī):稱為塞規(guī),用于檢驗孔的合格性。

(2)軸用量規(guī):分為環(huán)規(guī)和卡規(guī),用于檢驗軸的合格性。其中環(huán)規(guī)用于檢驗較小尺寸的軸徑,卡規(guī)用于檢驗較大尺寸或臺階形的軸徑。光滑極限量規(guī)的尺寸確定如下：

2.按用途的不同分

(1)工作量規(guī):是零件制造過程中生產(chǎn)工人使用的量規(guī)。

(2)驗收量規(guī):是檢驗人員或用戶代表驗收產(chǎn)品時所用的量規(guī)。

(3)校對量規(guī):是用以檢驗軸用工作量規(guī)中的環(huán)規(guī)是否合格的量規(guī)?？ㄒ?guī)因尺寸較大,不便用校對量規(guī)進行校驗,一般均用測量儀器直接對其精度進行檢查。塞規(guī)剛性好,不易變形和磨損,便于用通用測量器具檢測,因而不需要校對量規(guī)。3.4.3工作量規(guī)的公差帶

量規(guī)的制造精度比零件高得多,但不可能絕對準確地按某一指定尺寸制造。因此,對量規(guī)要規(guī)定制造公差。由于量規(guī)的實際尺寸與零件的極限尺寸不可能完全一樣,多少會有些差別,因此在用量規(guī)檢驗零件以決定是否合格時,實際上并不是根據(jù)零件規(guī)定的極限尺寸,而是根據(jù)量規(guī)的實際尺寸判斷的。為了確保產(chǎn)品質量,國標GB1957—2006規(guī)定了量規(guī)公差帶不得超越被檢零件的公差帶?？子煤洼S用工作量規(guī)的公差帶分布如圖3－16所示。圖中,T1為量規(guī)尺寸公差(制造公差),Z1為通規(guī)尺寸公差帶的中心到零件最大實體尺寸之間的距離,稱為位置要素。通規(guī)在使用過程中會逐漸磨損,為了使它具有一定的壽命,需要留出適當?shù)哪p儲量,即規(guī)定磨損極限,其磨損極限等于被檢驗零件的最大實體尺寸。因為止規(guī)遇到合格零件時不通過,磨損很慢,所以不需要磨損儲量。圖3－16量規(guī)的公差帶分布

(a)孔用工作量規(guī)的制造公差帶;

(b)軸用工作量規(guī)的制造公差帶3.4.4量規(guī)設計

1.量規(guī)設計原則

光滑極限量規(guī)依照極限尺寸判斷原則檢驗孔、軸尺寸的合格性。這一原則1905年最先由泰勒(WilliamTaylor)提出,因此也稱為“泰勒原則”。

1)極限尺寸判斷原則的內容

(1)作用尺寸(Matingsize)。作用尺寸是指在被測要素的給定長度上,與實際內表面體外相接的最大理想面或與實際外表面體外相接的最小理想面的直徑或寬度。對于單一要素,實際內、外表面的作用尺寸分別用Dfe、dfe表示,見圖3－17。圖3－17單一要素作用尺寸

(a)軸的作用尺寸;(b)孔的作用尺寸

(2)孔或軸的作用尺寸不允許超過最大實體尺寸。

對于孔,其作用尺寸應不小于它的最小極限尺寸;對于軸,其作用尺寸應不大于它的最大極限尺寸,即DM≥DmindM

≤dmax

(3－5)

(3)孔或軸任何部位的實際尺寸不允許超過最小實體尺寸。

對于孔,其實際尺寸應不大于它的最大極限尺寸;對于軸,其實際尺寸應不小于它的最小極限尺寸,即(3－6)這兩條內容體現(xiàn)了孔、軸尺寸公差帶的控制功能,即不論作用尺寸還是任一局部實際尺寸,均應位于給定公差帶內。極限尺寸判斷原則為綜合檢驗孔、軸尺寸的合格性提供了理論基礎,光滑極限量規(guī)就是由此而設計出來的:通規(guī)根據(jù)式(3－5)設計,體現(xiàn)最大實體尺寸控制作用尺寸;止規(guī)根據(jù)式(3