精密测量技术1绪论几何测量文档格式.docx
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•目前国际上机床的加工水平已能稳定地达到1μm的精
度,正在向着稳定精度为纳米级的加工水平发展,表
面粗糙度的测量则向亚纳米级的水平发展。
纳米技术
正在形成新的技术热点。
•材料、精密加工、精密测量与控制是现代精密机械工
程的三大支柱。
7
2014/11/3
•目前在基础工业的某些领域,例如研究切削速
度与进刀量对加工误差的影响、摩擦磨损等,
精密测量已成为不可分割的重要组成部分。
•X射线干涉仪的工作台能在10nm的分辨力下连
续移动,而且在50mm的位移行程上的角偏量
为千分之几的秒级。
•在高纯度单晶硅的晶格参数测量中,以及对生
物细胞、空气污染微粒、纳米材料等基础研究
中,无不需要精密测量技术。
8
•激光直写DWL2000
9
•计量技术发展的趋向有以下几个方面:
•1、从实物基准到自然基准
•米的定义的沿革:
“米”作为长度计量单位起
源于1790年,当时法国国民议会采纳了达特兰
提出的“以经过巴黎的地球子午线自北极至赤
道这段弧长的一千万分之一为一米”的建议。
•1799年,巴黎科学院完成了从法国的敦科尔克
经过巴黎到西班牙的巴尔雪隆纳这一段子午线
的实测工作,并按照测量结果所得的1米的长度
制作了一把米尺,作为长度计量基准。
这就是
第一个米定义的实物基准称为——档案米尺;
10
•档案米尺经过近一百年的时间,由于损坏严
重,于1880年国际计量局又制作了30多根(34)
铂铱合金的高精度米尺:
经过比对,以第6号
尺取代档案米尺,作为国际长度计量基准,
由国际计量局保存,并命名为“国际米原器
”。
其余的米尺则在1889年第一届国际计量
大会上分发给缔约国,作为各国的长度基准
器。
•当时米的定义为:
米的长度等于在冰点温度
下,米原器两端刻线间的距离。
11
•国际米原器
12
•1960年第11届国际计量大会通过了“米”的新
86
定义,以氦的同位素86K()的波长作为长度
r
计量的自然基准,即原子在真空中的能
2p-5d
级跃迁时辐射光波的波长λ=0.60578021µ
m,一米为
波长的1650763.73倍。
这一自然标准是米的复
现精度提高到。
•1983年第17届国际计量大会通过了以光速常数
为媒介的激光辐射的稳定波长作为长度基准,
使长度基准的复现精度从10-9提高到10-11。
•米是光在真空中在1/299792458s的时间间隔内
所行进的路程长度。
13
•2、从静态到动态
目前多数计量基准和标准是在静态条件下传递量值
的。
由于生产发展的要求,许多精密测量和校准
工作要求在生产过程中进行,计量技术由静态向
动态发展是必然趋势。
例如,激光干涉自动量块
检测仪可以实现对实物基准的动态检测。
近年来
,激光、光栅和感应同步器等新技术的推广和应
用,产生了各种类型的机、光、电相结合的自动
检测仪器。
特别是近年来微处理器的应用,为计
量的自动化和智能化展示了广阔的背景。
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•3、从中间向两端扩展
激光技术和量子学在测量中的应用,使测量从常规
的中等长度向两端扩展。
•现在已能测量几百米的特大尺寸,其测量误差不
超过几十微米。
•单晶金刚石刀具的圆弧半径、原子力显微镜的前
端曲率半径测量现在也不成问题。
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•4、从手动向自动化扩展
•电子技术和计算机的广泛普及,不仅实现了
自动显示和自动数据处理,而且实现了程序
控制测量,从而改变了过去那种手摇、目测
和笔算的落后局面。
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精密测量的分类
•1、按照测量过程中是否
接触分为:
•
(1)接触式:
测量过
程中容易对被测对象产
生干扰;
•
(2)非接触式:
测量
过程中不对被测对象产
生干扰,但是容易受到
外界因素的干扰。
接触式测量
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非接触式测量
例:
雷达测速
车载电子警察
18
•⑴接触测量测量器具的测头与零件被测表面接触后
有机械作用力的测量。
如用外径千分尺、游标卡尺测
量零件等。
为了保证接触的可靠性,测量力是必要的
,但它可能使测量器具及被测件发生变形而产生测量
误差,还可能造成对零件被测表面质量的损坏。
•⑵非接触测量测量器具的感应元件与被测零件表面
不直接接触,因而不存在机械作用的测量力。
属于非
接触测量的仪器主要是利用光、气、电、磁等作为感
应元件与被测件表面联系。
如干涉显微镜、磁力测厚
仪、气动量仪等。
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•2、按被测工件在测量时所处状态分类
•⑴静态测量测量时被测件表面与测量器具
测头处于静止状态。
例如用外径千分尺测量
轴径、用齿距仪测量齿轮齿距等。
•⑵动态测量测量时被测零件表面与测量器
具测头处于相对运动状态,或测量过程是模
拟零件在工作或加工时的运动状态,它能反
映生产过程中被测参数的变化过程。
例如用
激光比长仪测量精密线纹尺,用电动轮廓仪
测量表面粗糙度等。
20
静态测量
21
动态测量
地震测量
振动波形
22
•3、按测量方法分类
•测量的基本概念是把一个未知的被测量和一个
已知的标准量相比较,按照比较的方法可分为
两类,即直接测量法和间接测量法。
•即
(1)直接测量
•
(2)间接测量
23
直接测量
电子卡尺
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间接测量
•例如用“弦高法”测量大尺寸圆柱体的直径,
由弦长S与弦高H的测量结果,可求得直径D的
实际值,如图所示。
由图可得
S
D=+H
4H
•对上式微分后,得到测量结果
•的测量误差为
dD=2H
dS+1−
dH
•式中dS——弦长S的测量误差
•dH——弦高H的测量误差。
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4、按照测量过程是否在生产现场分为:
(1)离线测量
(2)在线测量
离线测量
产品质量检验
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在线测量
在流水线上,边加工,边检验,
可提高产品的一致性和加工精度。
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•5、按测量结果的读数值不同分类
•⑴绝对测量从测量器具上直接得到被测参数
的整个量值的测量。
例如用游标卡尺测量零件
轴径值。
•⑵相对测量将被测量和与其量值只有微小差
别的同一种已知量(一般为测量标准量)相比
较,得到被测量与已知量的相对偏差。
例如比
较仪用量块调零后,测量轴的直径,比较仪的
示值就是量块与轴径的量值之差。
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教学内容
•0绪论(2学时)
•1、几何测量:
(2学时):
•2、位移测量:
(3学时):
•3、速度、转速、加速度(3学时)
•4、力学测量:
力、扭矩、应力、
•5、压力测量:
•6、流体测量:
•7、温度测量:
•8、磁场测量:
•9、时间、频率测量:
(2学时)
•10、湿度与化学测量(2学时):
•11、材料测量(4学时)
•12、生物测量技术(2学时):
细胞、蛋白质等。
•13、MEMS测量技术(2学时)
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考核方式:
大报告(80%)+平时20%
参考书:
•《MeasurementSystemsApplicationandDesign》
ErnestO.Doebelin著(测量系统应用与设计)
•《精密测量技术》蒋建强、曹志宏主编,北京师
范大学出版社。
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31
第一章几何测量
1.几何精密测量的基础理论
2.形位误差的评定
3.直线度的测量;
4.平面度的测量;
5.圆度的测量;
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加工精度的预测Taniguchi1983
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(狭义)精密测量技术
34
几何精密测量的发展趋势
①高精度:
精度由微米级向纳米级发展,同时提高分辨率要
求。
②大尺寸:
测量几米至几百米范围内物体的空间坐标(位置)、
尺寸、形状、运动。
③高速度高效率:
RenishowML10激光干涉仪测量范围80m,
测量速度1m/s、分辨率0.001μm;
点测量向面测量过渡。
④利用微制造技术、纳米技术、计算机技术、新材料等新技
术,研究智能化、集成化、标准化、小型化仪器。
——数
字化、网络化、自动化、虚拟仪器、傻瓜型
⑤实现各种溯源的要求。
如自标定、自校准,特别是纳米溯
源问题。
———测量的可靠性
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1、测量误差
•高斯分布
N
∑(
X−X
)2
∑Xi
i
s=i=1
实际上:
X=i=1
N−1
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误差与精度的关系
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•精密度(Repeatability)与准确度(Accuracy)
LowAccuracy
HighAccuracy
Lowrepeatability
Highrepeatability
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测量原则:
40
•两个重要的测量原则
•在几何量测量中,有两个重要的原则,即长度测量
中的阿贝原则和圆周分度测量的封闭原则。
•
(1)阿贝测长原则
•在长度测量中,测量过程就是将被测工件的尺寸与作为标准
量的线纹尺、量块等的尺寸进行比较的过程:
由于在测量时
,测量装置需要移动,而移动方向的正确性通常由导轨来保
证:
由于导轨制造和安装等误差,使测量装置在移动过程中
产生方向偏差。
为了减小这种方向偏差对测量结果的影响,
1890年德国人艾恩斯特·
阿贝(ErnstAbbe)提出了以下指导性
的原则:
•被测尺寸与作为标准的尺寸应在同一条直线上,即
按串联的形式排列。
41
并联的形式
∆=stanϕ≈sϕ
串联的形式
∆=l(1−cosϕ)≈0.5lϕ2
42
•
(2)圆周封闭原则
在圆周分度器件(如刻度盘、圆柱齿轮等)的测
量中,利用在同一圆周上所有分度夹角之和
等于360°
,亦即所有夹角误差之和等于零
的这一自然封闭特性,在没有更高精度的圆
分度基准器件的情况下,采用“自检法”也
能达到高精度测量的目的。
43
测量力引起的误差
44
测量方法引起的误差
热传导快,测量值偏低
45
2.精密测量的数学方法
46
47
2.表面粗糙度测量
3.直线度的测量
4.平面度的测量
5.圆度的测量
48
49
二、表面粗糙度测量
表面轮廓
50
不同截止波长对轮廓的影响
52
轮廓度:
低通滤波器
粗糙度:
高通滤波器
53
•表面轮廓测量仪
54
三、直线度的测量
•直线度:
限制实际直线对理想直线变动量的一种形状公差。
55
直线度误差的计算
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•(a)所示是以平板作为测量基准.当百分表在测量基准上沿着箭
头方向移动时,百分表测头划过被测表面,同时在百分表上
反映出被测表面相对于测量基准的变化情况。
•(b)是测量V形导轨的直线度。
测量时将标准平尺与被测导轨
并列,调整标准平尺两端与被测导轨两端等高。
百分表的支
座做成倒V形,且直接放在V形导轨上。
百分表的测头与作为
测量其准的平尺直接接触。
将V形表架从导轨的一端移至另一
端,百分表测头在平尺上划过,其最大与最小读数之差即为
直线度误差。
这时相当于按两端点连线法评定的直线度误差
。
理想直线在测量中用平尺来体现。
57
光学平直度检测仪
记录卡
58
平面度的测量
•测量平面度时,先测出若干截面的直线度,再把各测点的
量值按平面度公差带定义(见形位公差)利用图解法或计算
法进行数据处理即可得出平面度误差。
•打表测量法:
打表测量法是将被测零件和测微计放在标准
平板上,以标准平板作为测量基准面,用测微计沿实际表
面逐点或沿几条直线方向进行测量。
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平面度的评定:
•三点法:
以通过实际被测平面上任选三点的平面作为理想
评定基准面,作平行于该理想平面的二个包容实际平面的
平面,则此二平行平面间的距离即为平面度误差。
•对角线法:
以通过实际被测平面一条对角线的两端点且与
另一条对角线两端点连线平行的平面作为理想评定基准面
,作二个包容实际平面且平行于理想评定基准面的平面,
则此二平行平面间的距离即为平面度误差。
•最小二乘法:
以最小二乘平面作为理想评定基准面,作二
个包容实际乎面且平行于最小二乘平面的平面,则此二平
面间的距离即为平面度误差。
•最小区域法:
两平行理想平面与被测实际平面的接触状态
符合三角形准则、交叉准则、直线准则三种情况之一,则
两平行平面间的区域为最小区域,两平行平面向的距离为
平面度误差。
60
•平晶干涉法
61
图中a用平晶测量平面得到的干涉
条纹的干涉条纹是直的,而且间距
相等,只在周边上稍有弯曲。
这说
明被检验表面是平的,但与光学
平晶不平行。
图b中的干涉条纹弯曲而且间隔不
相等,表明被检验表面是球形的,
平晶有微小倾斜条纹弯曲度约为
条纹间距的1.5倍,表示平面度误差
为1.5×
0.3μm=0.45μm。
图中c的干涉条纹呈圆形,同样表
明被检验表面是球形表面。
将条
纹数目乘以所用光束波长的一半
,即得所求的平面误差为
1.5×
图中d的干涉条纹成椭圆形排列,
说明被检验表面是桶形的可以把
干涉图案作为被检验表面的等高
线,因此可以画出该表面的形状。
62
圆度的测量
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评定方法:
•最小平方圆:
用最小二乘圆法求出实际轮廓的平均圆作为
基准圆,实际轮廓最高点和最低点到基准圆的距离的绝对
值之和为圆度误差。
•最小区域圆:
作实际轮廓的两个同心包容圆,包容圆的最
小半径差即为最小区域法的圆度误差
•最大内切圆:
用实际轮廓的最大内切圆作为基准圆,轮廓
上的点到基准圆的最大径向偏差为圆度误差。
•最小外接圆:
用实际轮廓的最小外接圆作为基准圆,轮廓
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现代化的检测仪器和设备
•坐标测量机
坐标测量机功能多,
可以对复杂的零件
外形进行测量,运
动速度块,分辨率
高((0.25μm)。
接触式探针
激光测量头
测量复杂零件的测量机
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拥有两个测量头,可以测量各类车身尺寸的大型坐标测量机
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- 关 键 词:
- 精密 测量 技术 绪论 几何