機(jī)械精度設(shè)計與測量技術(shù) 第5章 幾何參數(shù)檢測技術(shù)基礎(chǔ).ppt

1、第五章 幾何參數(shù)檢測技術(shù)基礎(chǔ),第一節(jié)技術(shù)測量概述 在機(jī)械制造中，技術(shù)測量主要是研究對零件幾何參數(shù)進(jìn)行測量和檢驗(yàn)的問題。所謂測量是指為確定被測對象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程，就是將被測量（如長度、角度、表面粗糙度、幾何形狀和相互位置誤差等）與復(fù)現(xiàn)計量單位的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，從而確定兩者比值的過程。 如果用x表示被測量，用E表示計量單位或標(biāo)準(zhǔn)量，以q表示測量值，則有q與x、E的關(guān)系式： qxE 從而有 x = qE 一個完整的幾何量的測量過程應(yīng)該包括四個要素，即：被測對象、計量單位、測量方法和測量精度。,第二節(jié) 長度和角度計量單位與量值傳遞系統(tǒng) 一、米的定義與量值傳遞系統(tǒng) 我國法定基本計量單位是米(m)

2、，在機(jī)械制造中的常用單位有毫米(mm)和微米(m)，1m103mm，1mm103m。 在實(shí)際應(yīng)用中，除特別精密零件的測量外，一般不直接用基準(zhǔn)光波波長測量零件。為了保證量值的統(tǒng)一，必須把國家基準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的長度計量單位量值準(zhǔn)確地傳遞到生產(chǎn)中的計量器具和工件上去，以保證對被測對象所測得的量值的準(zhǔn)確和一致。為此需要在全國范圍內(nèi)從組織到技術(shù)上建立起一套嚴(yán)密而完整的體系，即長度量值傳遞系統(tǒng)，如圖5.1所示。這個系統(tǒng)的傳遞媒介是量塊和線紋尺，它們是機(jī)械制造中的實(shí)用長度標(biāo)準(zhǔn)，由國家技術(shù)監(jiān)督局到地方各級計量管理機(jī)構(gòu)逐級傳遞和定期檢定。,圖5.1 尺寸量值傳遞系統(tǒng),二. 量塊(gauge block) 量塊又稱為塊

3、規(guī)，是一種無刻度的標(biāo)準(zhǔn)端面量具。其制造的材料為特殊合金鋼（一般為CrWMn）制成，材料穩(wěn)定，硬度高，線膨脹系數(shù)小，不易變形。量塊主要用作尺寸傳遞系統(tǒng)中的中間標(biāo)準(zhǔn)量具，或者用相對法測量時作為標(biāo)準(zhǔn)件調(diào)整儀器的零位，也可以用它直接測量零件。 量塊的形狀是長方六面體結(jié)構(gòu)，六個平面中有兩個互相平行的極為光滑平整的測量面，兩測量面之間具有精確的工作尺寸，如圖5.2所示。,圖5.2 量塊外形,圖5.3 量塊長度,1.量塊的尺寸 量塊的長度是其一個測量面上任意一點(diǎn)(距邊緣05 mm區(qū)域除外)到與另一個測量面相研合的平晶表面的垂直距離。測量面上中心點(diǎn)的量塊長度L為量塊的中心長度，如圖5.3所示。量塊上標(biāo)出的數(shù)字

4、為量塊長度的標(biāo)稱值，稱為標(biāo)稱長度。尺寸6 mm的量塊，長度標(biāo)記刻在測量面上；尺寸6 mm的量塊，長度標(biāo)記刻在非測量面上，并且該表面的左、右側(cè)面為測量面。 2.量塊的研合性 由于量塊的測量面都是經(jīng)過超精研磨制成的，所以測量面十分光滑和平整。如果將一量塊的測量面沿著另一量塊的測量面滑動，同時用手稍加壓力，兩個量塊便能粘合在一起，量塊的這種通過分子吸力的作用而粘合的性能稱為量塊的研合性。由于量塊具有研合性，所以量塊可以組合使用，即將幾個量塊研合在一起組成所需要的尺寸。 量塊是按一定的尺寸系列成套生產(chǎn)的，國家量塊標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了17種成套的量塊系列，表5-1是從標(biāo)準(zhǔn)中摘錄的幾套量塊的尺寸系列。,表5-1

5、成套量塊的尺寸(摘自GB60931985),3.量塊的精度 國家標(biāo)準(zhǔn)GB 60931985將量塊的制造精度從高到低分為00、0、1、2、3和標(biāo)準(zhǔn)級K共6個級別。量塊的分“級”主要是按量塊的中心長度的極限偏差、長度變動量(量塊長度的最大值與最小值之差)允許值、量塊測量面的平面度、粗糙度及量塊的研合性等質(zhì)量指標(biāo)劃分的。各級量塊長度的極限偏差和長度變動量允許值見表5-2。 量塊按檢定精度由高到低分為l，2，3，4，5，6共六等。量塊的分“等”主要是根據(jù)量塊的中心長度的測量極限誤差、平面平行性允許偏差和研合性等指標(biāo)劃分的。各等量塊的中心長度測量不確定度和長度變動量的允許值見表5-3。,表5-2 各級量

6、塊長度極限偏差和變動量（摘自JJG1461994）,表5-3 各等量塊長度測量極限偏差和變動量（摘自JJG1461994）,4.量塊的使用 量塊的使用方法可分為按“級”使用和按“等”使用兩種。 量塊按“級”使用時，是用量塊的標(biāo)稱長度作為工作尺寸，即不計算量塊的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，但是因?yàn)椴恍杓有拚?，所以使用起來比較方便。 量塊按“等”使用時，是用量塊經(jīng)檢定后所給出的實(shí)際中心長度尺寸作為工作尺寸，這樣就消除了量塊的制造誤差的影響，提高了測量精度，測量結(jié)果中僅包含有量塊檢定時較小的檢定誤差和檢定后的磨損誤差，從而得到了較高的測量精度。,三. 角度單位

7、與多面棱體 角度也屬于幾何參數(shù)。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定角度的計量單位為弧度(rad)和度()、分()、秒()。由于圓周角的定義是360,因此角度不需要象長度那樣再建立一個自然基準(zhǔn)。在高精度的分度中，一般以多面棱體作為角度基準(zhǔn)。 多面棱體是用特殊合金鋼或者石英玻璃經(jīng)過精細(xì)加工而成。常見的有4、6、8、12、24、36、72等正多面體。圖5.4所示的是八面棱體，在任意軸切面內(nèi)相鄰兩面法線間的夾角為45，它可以作為45n（n1，2，3，)角度的測量基準(zhǔn)。,圖5.4 多面棱體,第三節(jié) 計量器具與測量方法的分類 一、計量器具的分類 計量器具可分為量具和量儀兩大類。 1. 量具 量具是以固定形式復(fù)現(xiàn)量值的計量器具，

8、它包括標(biāo)準(zhǔn)量具、專用量具和通用量具等。 標(biāo)準(zhǔn)量具是用作計量標(biāo)準(zhǔn)，供量值傳遞用的量具、例如量塊、線紋尺等。 專用量具是用來專門檢測某種幾何量的測量器具，例如光滑極限量規(guī)、花鍵量規(guī)、螺紋量規(guī)等。 通用量具是指應(yīng)用范圍廣，通用性強(qiáng)，可以測量一定尺寸范圍內(nèi)的幾何量，并且能獲得具體數(shù)值的測量器具，例如游標(biāo)卡尺、千分尺等。 2. 量儀 量儀是指能將被測的量轉(zhuǎn)換成可直接觀測的指示值或等效信息的計量器具。按照工作原理和結(jié)構(gòu)特征，量儀可分為機(jī)械式、光學(xué)式、氣動式以及它們的組合形式，例如光電式等。,二、測量方法的分類 根據(jù)不同的測量目的，測量方法有不同的分類。 1. 按測量結(jié)果獲得的方法不同可分為直接測量和間接測

9、量 直接測量就是用計量器具直接測量被測量的整個數(shù)值或相對于標(biāo)準(zhǔn)量的偏差，例如用千分尺測軸徑等。 間接測量就是測量與被測量有函數(shù)關(guān)系的其它量，再通過函數(shù)關(guān)系式求出被測量，例如求一個圓的面積可通過測量其直徑，再通過公式得出。 直接測量的測量過程簡單，并且其測量精度只與這一測量過程有關(guān)，而間接測量比較麻煩，其測量精度不僅取決于有關(guān)量的測量精度，還與計算精度有關(guān)，所以一般情況下當(dāng)被測尺寸不易直接測量或用直接測量達(dá)不到精度要求時，才可以采用間接測量。 2. 按測得示值的方式不同可分為絕對測量和相對測量 絕對測量就是在計量器具的讀數(shù)裝置上可表示出被測量的全值，例如用千分尺或測長儀測量零件直徑或長度，其實(shí)際

10、尺寸由刻度尺直接讀出。 相對測量就是在計量器具的讀數(shù)裝置上只表示出被測量相對于已知標(biāo)準(zhǔn)量的偏差值，例如用量塊(或標(biāo)準(zhǔn)件)調(diào)整比較儀的零位，然后再換上被測件，則比較儀所指示的是被測件相對于標(biāo)準(zhǔn)件的偏差值。 一般說來，相對測量的測量精度比較高，但是測量比較麻煩。,3.按被測表面與計量器具的測量頭是否接觸可分為接觸測量和非接觸測量。 接觸測量就是計量器具的測量頭與被測表面直接接觸，并存在一定的機(jī)械測量力，例如用千分尺或卡尺測量工件的尺寸等。 非接觸測量就是計量器具的測量頭與被測表面不直接接觸。非接觸測量沒有測量力引起的誤差，倒如用光切顯微鏡測量表面的粗糙度。 按零件上同時被測的參數(shù)多少可分為單項(xiàng)測量

11、和綜合測量 單項(xiàng)測量就是分別單獨(dú)測量零件的各個參數(shù)。例如，用工具顯微鏡分別測量螺紋的實(shí)際中徑、螺距和牙型半角等。 綜合測量就是測量反映零件有關(guān)參數(shù)的綜合指標(biāo)。例如，用螺紋量規(guī)綜合檢驗(yàn)螺紋各參數(shù)。 按技術(shù)測量在加工過程中所起的作用可分為主動測量和被動測量 主動測量就是在零件加工過程中進(jìn)行的測量，其測量結(jié)果直接用來控制零件的加工過程，從而防止廢品的產(chǎn)生。 被動測量就是在零件加工后進(jìn)行的測量，此種測量只能判別零件是否合格，此時只能發(fā)現(xiàn)并剔除廢品。 6. 按被測零件在測量過程中所處的狀態(tài)可分靜態(tài)測量和動態(tài)測量 靜態(tài)測量就是測量時被測表面與測量頭是相對靜止的，例如用千分尺或卡尺測量工件的尺寸等。 動態(tài)測

12、量就是測量時被測表面與測量頭處于相對運(yùn)動狀態(tài)，例如用動態(tài)絲杠檢查儀測量絲杠的參數(shù)。,第四節(jié) 計量器具度量指標(biāo),（1）分度值（i）：計量器具刻度尺或刻度盤上兩相鄰刻線間的距離所代表的量值。例如千分尺的分度值i0.01 mm。分度值是計量器具能指示出被測件量值的最小單位。數(shù)字顯示儀器的分度值稱為分辨率，它表示最末一位數(shù)字間隔所代表的量值之差。 （2）刻度間距（a）：計量器具刻度尺或刻度盤上兩相鄰刻線的中心距離。為了便于眼力觀察，一般刻度間距在11.25mm之間。 （3）示值范圍（b）：由計量器具所顯示或指示的最低值到最高值的范圍。 （4）測量范圍（B）：在允許誤差限內(nèi)，計量器具所能測出的被測量的范

13、圍。測量范圍和示值范圍不能混淆，測量范圍不僅包括示值范圍，而且還包括儀器的、懸臂或尾座等的調(diào)節(jié)范圍。 （5）靈敏度(k) ：計量器具對被測量變化的反應(yīng)能力。如果用L表示被測變量的變化， 用x表示計量器具的變化，則靈敏度。當(dāng)L和x為同一量時，靈敏度又稱為放大比。,（6）靈敏限(靈敏閾) ：能引起計量器具示值可覺察變化的被測量的最小變化值。 （7）示值誤差：計量器具的示值與被測量的真值之間的差值。 （8）示值變動性：在相同的測量條件下，對同一被測量進(jìn)行多次重復(fù)測量時，計量器具所指示的最大差值。 （9）回程誤差：在相同的測量條件下，當(dāng)被測量不變時，計量器具沿正、反行程在同一測量點(diǎn)上所指示的最大差值。

14、 （10）測量力：測量過程中測量器具與被接觸工件之間的接觸力。測量力太大或者太小都將影響測量精度，所以大小要適宜。 （11）計量器具的不確定度：在規(guī)定條件下測量時，由于測量誤差的存在，對測量值不能肯定的程度。計量器具的不確定度是一項(xiàng)綜合精度指標(biāo)，它包括測量儀的示值誤差、示值變動性、回程誤差、靈敏限以及調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)件誤差等綜合影響。,第五節(jié) 測量誤差和數(shù)據(jù)處理,一、測量誤差及其產(chǎn)生的原因 1. 測量誤差的概念 不管我們使用多么精確的測量器具，采用多么可靠的測量方法，都不可避免地會產(chǎn)生一些誤差。測量誤差是指測量結(jié)果x與被測量的真值xo之差，即 xxo 由于x可能大于xo，也可能小于xo，因此測量誤差可

15、能是正值也可能是負(fù)值 。測量誤差絕對值的大小決定了測量精度的高低，誤差的絕對值愈大，測量精度愈低，反之愈高。 上述測量誤差又稱為絕對誤差，絕對誤差有它的局限性。如果對大小不同的同類量進(jìn)行測量，要比較其精度，就需采用測量誤差的另一種表示方法，即相對誤差，它等于測量的絕對誤差與被測量的真值之比，即,2. 測量誤差產(chǎn)生的原因 測量誤差產(chǎn)生的原因歸納起來有以下幾個方面： 基準(zhǔn)件誤差 計量器具誤差 方法誤差 環(huán)境誤差 人為誤差 二、測量誤差的分類及處理 1.隨機(jī)誤差 隨機(jī)誤差是指在相同的條件下，多次測量同一量值時，絕對值和符號以不可預(yù)定的方式變化著的誤差。隨機(jī)誤差是由許許多多微小的隨機(jī)因素造成的，在單次

16、測量中，其誤差出現(xiàn)是無規(guī)律可循的，但是如果進(jìn)行多次重復(fù)測量時，則發(fā)現(xiàn)隨機(jī)誤差完全服從統(tǒng)計規(guī)律，其誤差的大小和正負(fù)符號的出現(xiàn)具有確定的概率，因此常用概率論和統(tǒng)計原理對它進(jìn)行分析和處理。,2.系統(tǒng)誤差 系統(tǒng)誤差對測量結(jié)果的影響很大，所以在實(shí)際測量中，應(yīng)該設(shè)法避免產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，如果難以避免則應(yīng)該設(shè)法加以消除或減小系統(tǒng)誤差。下面介紹幾種常用的方法： 從產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的根源消除 用加修正值的方法消除 用兩次讀數(shù)法消除 利用被測量之間的內(nèi)在聯(lián)系消除 3. 粗大誤差 粗大誤差是指由于測量不正確等原因所引起的明顯超出規(guī)定條件下預(yù)期的誤差。粗大誤差的產(chǎn)生主要是由于某些不正常的原因所造成的，例如測量者的粗心大意，測

17、量儀器和被測件的突然振動，以及讀數(shù)或記錄錯誤等。由于粗大誤差一般數(shù)值較大，它會顯著地歪曲測量結(jié)果，因此是不允許存在的，如果發(fā)現(xiàn)有粗大誤差，則應(yīng)該按一定準(zhǔn)則加以剔除。 發(fā)現(xiàn)和剔除粗大誤差的準(zhǔn)則有：拉依達(dá)準(zhǔn)則、肖維勒準(zhǔn)則、格拉布斯準(zhǔn)則等，常用的是拉依達(dá)準(zhǔn)則。,三、 測量精度 測量精度是測量誤差的相對概念，指的是測量結(jié)果偏離真值的程度。由于測量誤差包含著系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩個部分，因此籠統(tǒng)的測量精度概念不能反映系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的差異，從而引出以下的概念。 1.精密度 表示測量結(jié)果中的隨機(jī)誤差大小的程度。它是指在一定的條件下進(jìn)行多次測量時，所得測量結(jié)果彼此之間的符合程度。 2.正確度 表示測量結(jié)果中

18、的系統(tǒng)誤差大小的程度，理論上可用修正值來消除。 3. 精確度（或稱準(zhǔn)確度） 表示測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差的綜合反映，說明測量結(jié)果與真值的一致程度。,四、測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理 對于比較重要的測量，完整的測量結(jié)果不但要給出正確的測量值，而且還應(yīng)該給出該測量值的準(zhǔn)確程度，也就是給出測量方法的極限誤差lim。對于一般的簡單的測量，可以從儀器的使用說明書或檢定規(guī)程中查得儀器的測量不確定度，以此作為測量極限誤差，而對于一些比較復(fù)雜的測量，或者對于專門設(shè)計的測量裝置，沒有現(xiàn)成的資料可供查閱，只能分析測量誤差的組成項(xiàng)并計算其數(shù)值，然后按一定方法綜合成測量方法極限誤差，這個過程就叫做測量誤差的合成，也就是測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理。測量誤差的合成包括兩類：直接測量法測量誤差的合成和間接測量法測量誤差的合成。 1直接測量結(jié)果的合成 在相同的測量條件下多次重復(fù)測量的測量值中，可能同時存在隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差，也可能只存在一種或兩種誤差；無論哪種情況為了得到正確的測量結(jié)果，首先應(yīng)該用3準(zhǔn)則判別是