机械精度设计与检测基础-第2章测量技术基础01

1内容提要1.测量、检验和检定的概念；2.测量过程的四要素：测量对象、测量单位、测量方法和测量精度；3.量块的“等”和“级”；4.计量器具的主要度量指标；5.产生测量误差的原因；6.系统误差的产生原因、发现和消除方法；7.随机误差的特性和处理方法；8.粗大误差的评定准则和处理方法；9.测量误差的合成方法和测量结果的表达式。第2章测量技术基础2第2章测量技术基础2.1测量的基本概念2.1.1测量、检验与检定1.测量测量为确定被测量x数值大小的过程。用公式表示为Exq即)()()(qEx测量值测量单位被测量机器或仪器的零、部件加工后是否符合设计图样的技术要求，需要经过测量来判定。32.测量的四要素：（1）被测对象x—几何参数（长度、角度、几何误差、表面粗糙度轮廓、及键、螺纹、齿轮等典型零件的各个几何参数）（2）计量单位—长度(m，mm，μm，nm)；角度【rad,μrad,(0°)、（'）、（）】（3）测量方法—测量时所采用的测量原理、计量器具和测量条件的综合,亦即获得测量结果的方式。（4）测量精度—测量结果与真值相一致的程度。测量精度的高低用测量极限误差或测量不确定度表示。测量结果应包括测量值和测量极限误差。完整的几何量测量应包公以下四个要素。。系：长度、角度单位换算关061,06rad,10174533.01rad,10radmm;110mmm,1101nm006-3-6-43.检验和检定检验是判断被检对象是否合格的过程。不要求出实际测量值。一般用量规、样板等专用定值量具来判断被检对象的合格性。例如用光滑极限量规来检验孔和轴。检定是指为评定计量器具的精度指标是否合乎该计量器具的检定规程的全部过程。例如用量块来检定千分尺的精度指标等。52.1.2测量基准和尺寸传递系统（1）长度单位—m,mm，μm，nm（2）长度基准—实物基准自然基准1m=4000000011889年（通过巴黎的地球子午线）1650763.73λ原子波长）年（86r1960K(s)29979245811983年（光在真空行程的长度）m101mmmm10m,1mm10nm1-3-3-6，过渡到1.长度尺寸基准和转递系统6(3)长度尺寸传递系统主基准（副基准）工作基准工作器具被测对象图2.1尺寸传递系统国际基准、国家基准。为了复现“m”,需建立的副基准。副基准——主基准——7测量零件所用的计量器具。被测对象——经过与国家基准或副基准比对，用来检定较低准确度的基准，或检定工作器具用的计量器具。工作基准——工作器具——例如量块、标准线纹尺等。如千分尺、比较仪、测长仪等。8长度量值传递系统图见图2-2图2-2长度量值传递系统9061,061rad0174533.01,rad10rad100-62.角度尺寸基准和传递系数（1）角度单位—rad、μrad,度、分、秒（2）角度基准—一个圆周角为360°，因此角度没有必要再一个自然基准。但在实际应用中，为了稳定和测量的需要，仍然需要建立角度量值基准（如量块）以及角度量值的转递系统。10（3）角度尺寸传递系统（见图2-3）图2-3角度量值传递系统112.1.3定值长度和定值角度的基准1.量块——长度基准（1）量块是一种无刻度的标准端面量具。量块按一定的尺寸系列成套生产。国家规定了17套量块，如表2-1所示（摘录4套：2、3、5、6）。成套量块的尺寸（摘自CB/T6093—2001中：第1套）1194951610————0.0010.010.10.5100.511.001，1.002，…，1.0091.01，1.02，…，1.491.5，1.6，…，1.92.0，2.5，…，9.510，20，…，1000，1911块数间隔/mm尺寸系列/mm级别总块数套别1213应用时，应力求用最少的块数组合所需的尺寸。如需组合51.995的尺寸,参照表2-1组合如下51.995需要的量块尺寸99.50005.15.4949.1405.9一般不超过四块。…………第一块………….第二块…………..第三块…………..第四块图量块组合（2）量块的组合方法14（3）有关量块的精度术语①量块长度l(见下图)量块长度是指量块一个测量面上的任意点到与其相对的另一测量面相研合的辅助体表面之间的垂直距离l。②量块的中心长度lc量块中心长度是指对应于量块未研合测量面中心点的长度。15③量块标称长度ln（见下图）量块标称长度是指在量块上，用以表明其与主单位（m)之间关系的量值（量块长度的示值）。图量块的精度指标④任意点的量块长度偏差e任意点的量块长度偏差是指任意点的量块长度与标称长度的代数差。即e=l–ln16图中为量块长度极限偏差。和eett图量块的精度指标合格条件为eetet⑤量块的长度变动量v量块测量面上任意点中的最大量块长度与最小量块长度之差。其允许值为tv。。合格条件：vtv17⑥量块测量面的平面度误差fd(见下图)量块测量面的平面度误差是指包容量块测量面的实际表面且距离为最小的两个平行平面之间的距离。其公差为td(见表2-4)。合格条件为图平面度误差≤500ddtf18（4）量块的精度等级①量块的分级（按JJG146—2003）按量块的制造精度分五级：K、0、1、2、3级，其中K级精度最高，精度依次降低，3级最低。各级的精度指标如表2-2所示。19②量块的分等(JJG146—2003)按量块的检定精度分五等，即1、2、3、4、5等。各等的精度指标如表2-3所示。20（5）量块的使用和检验量块的使用可分按级使用时，是以量块的标称长度ln为工作尺寸，不计量块的制造误差和磨损误差。按等使用时，是以量块经检定后给出的实际中心长度lc尺寸为工作尺寸。它排除了制造误差的影响，提高了测量精度。因此，量块按等使用比按级使用的测量精度要高。按级使用按等使用212.多面棱体多面棱体是角度的最常用的实物基准。它是用特殊的合金钢或石英玻璃制成的多面棱体。常见的有4、6、8、12、24、36、72面体等。如图2-5为正八面棱体，它所有相邻两工作面法线间夹角为450。图2-5正八面棱体因此，可以用作基准来测量任意的n×450的角度。222.2.1计量器具及其分类计量器具为测量仪器和测量工具的统称。1.计量器具分类按其原理、结构和用途分为:（1）基准量具定值基准量具，如量块、角度块。变值基准量具，如线纹刻线尺等。2.2计量器具和测量方法基准量具是指用来校对或调整计量器具，或者作为标准尺寸进行性对测量的量具。基准分：量具23(2)通用计量器具通用计量器具是指将被测量转换成可直接观测的示值或等效信息的测量工具。按其原理可分：①游标类量具——如游标卡尺等。②微动螺旋类量具——如千分尺等。③机械比较仪——如齿轮杠杆比较仪等。④光学量仪——如光学计、光学测角仪等。⑤气动量仪——如浮标式气动量仪的。⑥电动量仪——如电动轮廓仪等。⑦微机化量仪（机电一体化量仪）——如微机控制的数显测量仪:数显光学计、数显测长仪、三坐标测量机等。24（3）极限量规类极限量规类是指没有刻度（线）的用于检验被测量是否处于给定的极限偏差之内的专用量具。如光滑极限量规、螺纹量规、功能量规等。（4）检验夹具检验夹具是一种专用的检验工具，它与相应的计量器具配套使用时，可方便地检验出被测件的各项参数。2.计量器具的度量指标（1）分度值（i)分度值是指计量器具的刻尺或度盘上相邻两刻线所代表的量值之差。例如千分尺微分筒上分度值i=0.01mm。(2)刻度间距（a）刻度间距是指相邻两刻线中心之间的距离和圆弧长。为便于估读，其值为1~2.5mm。25（3）示值范围示值范围是指标尺所指示或显示的最低值到最高值的范围。例如机械比较议的示值范围为±100μm。（4）测量范围测量范围是指在允许误差范围内，测量器具所能测量零件的最低值到最高值的范围。例如某一千分尺的测量范围为25~50mm.（5）灵敏度（k）灵敏度是指计量器具示值装置对被测量变化的反应能力。灵敏度也称放大比，可用下式表示（2-2）iak26(6)灵敏限（灵敏阈）灵敏限是指能引起计量器具示值可能觉察变化的被测量的最小变化值。灵敏限越小，计量器具精度越高。（7）测量力测量力是指在测量过程中，计量器具与被测表面的接触力。（8）示值误差示值误差是指计量器具的示值与被测量真值之差。计量器具允许值可以从使用说明书或检定规程中查得，也可以用标准件检定出来。27（9）示值变动性示值变动性是指在测量条件不变的情况下，对同一被测量进行多次重复测量读数时（5~10次），其读数的最大变动量。（10）回程误差（滞后误差）回程误差是指在相同测量条件下，对同一被测量进行往返两个方向测量时，测量器具的示值变化量。（11）修正值修正值是指为了消除或减少系统误差，用代数法加到测量结果上的值。例如已知某千分尺的零位误差为+0.01mm,则其零位的修正值为-0.01mm。若测量时千分尺读数为20.04mm，则该被测件的测量结果为20.03mm0.01-20.04）（28（12）不确定度不确定度是指由于测量误差的存在而对被测量量值不能确定的程度。计量器具的不确定度是一项综合精度指标。它包括测量器具的示值误差、示值变动性、回程误差、灵敏限以及调整时用的标准件误差等。不确定度用误差界限表示。例如分度值为0.01的千分尺，在车间条件下，测量范围为0~50mm,其不确定度为±0.004mm。292.2.2三坐标测量简介三坐标测量机是20世纪六十年代发展起来的一种高精度，高效率的精密测量仪器，它是以精密机械为基础，综合运用计算机、电子、和光栅，激光等先进技术为原理进行测量。它借助高性能的计算机软件，可以进行箱体、导轨、齿轮、螺纹等复杂结构的测量。它的特点在于只要测头能达到的地方就可以通过测量该地方的某些特征点的三维坐标值，来测量零件的几何尺寸和几何要素的形状误差以及几何要素间的相互位置关系的误差。三坐标测量是获得空间某点三维坐标值的测量方法，通常用三坐标测量机（简称测量机）进行测量。30三坐标测量机具有互相垂直的三个测量方向X轴，Y轴和Z轴。从结构型式上分一般有悬臂式、桥框式、龙门式等种类。其中龙门式由于刚性好，装卸工作方便，操作性能好，测量精度较高，所以应用较普遍。1.三坐标测量机的基本结构三坐标测量机基本结式如图2.6所示。图2.6三坐标测量机1—Z轴部件，2—X向导轨，3—Y向导轨，4—立柱，5—底座，6—测量工作台,7—测量头。31三坐标机测量的特点是可以显示测头所在位置的三维坐标值，即测量机坐标系下的值（也可以认为是绝对坐标值），但是通常我们设计零件的有关尺寸，和要素的形状、方向和位置是相对于选定的零件上的一个坐标系的。2.三坐标测量前的准备工作（1）坐标变换我们希望测量机显示的坐标值是我们选定的零件上的坐标值，这样就需要建立零件上坐标系和测量机坐标系的关系，这个坐标转换关系由测量机的测量软件来完成。确定零件坐标系这个工作可以分为以面为基准来建立零件坐标系和以线为基准建立零件坐标系。以面为基准：选择零件上的一个面，对该面测量3个点，这样就确定了一个坐标面（YZ平面），然后选择与该平面垂直的零件上的另一个平面，对该平面测量两点。32过这两点做一个垂直于YZ平面的平面，就得到第二坐标平面XY平面，这两个确定的互相垂直的平面的交线确定为一个坐标轴（Y轴）。在零件上选择与前两个平面垂直的第三个面，对此平面测量一点，过此点做一平面垂直于已确定的坐标轴（Y轴），就得到第三个坐标平面XZ平面，此平面与Y坐标轴的交点即为原点O。这样就建立了以面为基准的零件坐标系。对于回转类的零件一般应建立以线为基准的坐标系，这样测量比较方便。以线为基准：一般情况下首先选定回转类零件的轴线作为一个坐标轴（X轴），然后在工件上任选一点，过该点作垂直于X轴的垂线，即为Y轴。X轴和Y轴的交点就是零件坐标系的原点O。过原点O作X轴和Y轴的垂线，就得到Z轴。这样就建立了以线为基准的零件坐标系。关于零件坐标系和测量机坐标系的换算由测量机的测量软件完成。而零件坐标系是随着零件