1、仪表原理及使用方法要点 实验四 技术测量实验实验1 直线度误差测量一、实验目的 (1)了解合像水平仪或自准直仪的结构并熟悉使用它测量直线度方法；(2)掌握给定平面内直线度误差值的评定方法；(3)掌握按两端点连线和最小条件作图求解直线度误差值的方法。二、直线度误差的评定直线度误差是指实际被测直线对其理想直线的变动量,理想直线的位置符合最小条件。最小条件是指实际被测直线对其理想直线(评定基准)的最大变动量为最小。测量数据可以用指示表测量实际被测直线上均匀布置的各测点相对平板(测量基准)的高度来获得,也可以用水平仪或自准直仪对实际被测直线均匀布点测量,测量两相邻测点之间的高度差来获得。然后，按照最小
2、条件或以首、尾两个测点的连线(两端点连线)评定基准，由获得的测量数据用作图或计算的方法求解直线度误差值。三、用合像水平仪测量直线度误差(1)量仪说明和测量原理合像水平仪是一种精密测角仪器,用自然水平面为测量基准。合像水平仪的结构见图 1，它的水准器8是一个密封的玻璃管，管内注入精镏乙醚，并留有一定量的空气，以形成气泡。管的内壁在长度方向具有一定的曲率半径。气泡在管中停住时,气泡的位置必然垂直于重力方向。就是说，当水平仪倾斜时，气泡本身并不倾斜，而始终保持水平位置。利用这个原理，将水平仪放在桥板上使用，便能测出实际被测直线上相距一个桥板跨距的两点间高度差，如图 2所示。在水准器玻璃管管长的中部，
3、从气泡的边缘开始向两端对称地按弧度值(mm/m)刻有若干条等距刻线。水平仪的分度值i用角秒和mm/m表示。合像水平仪的分度值为2，该角度相当于在1m长度上，对边高0.01mm的角度，这时分度值也用0.01mm/m或0.01/1000表示。1底板；2杠杆；3支承；4壳体；5支承架；6放大镜；7棱镜；8水准器；9微分筒；10测微螺杆；11放大镜；12刻线尺图 1 合像水平仪I桥板；水平仪；实际被测直线；L桥板跨距；0,1,2,n测点序号图 2 用水平仪测量直线度误差时的示意图参看图 1和图 3，测量时，合像水平仪水准器8中的气泡两端经棱镜7反射的两半像从放大镜6观察。当桥板两端相对于自然水平面无高
4、度差时，水准器8处于水平位置。则气泡在水准器8的中央，位于棱镜7两边的对称位置上，因此从放大镜6看到的两半像相合(如图 3(a)所示)。如果桥板两端相对于自然水平面有高度差,则水平仪倾斜一个角度,因此，气泡不在水准器8的中央，从放大镜6看到的两半像是错开的(如图3(b)所示),产生偏移量。 (a)相合 (b)错开图 3 气泡的两半像为了确定气泡偏移量A的数值，转动测微螺杆10使水准器8倾斜一个角度，以使气泡返回到棱镜7两边的对称位置上。从放大镜中观察到气泡的两半像恢复成图 3(a)所示相合的两半像。偏移量A先从放大镜11由刻线尺12读数，它反映测微螺杆10转动的整圈数；再从测微螺杆手轮9(微分
5、筒)的分度盘读数(该盘每格为刻线尺一格的百分之一)；它是螺杆10转动不足一圈的细分读数。读数取值的正负由测微螺杆手轮9指明。测微螺杆10转动的格数、桥板跨距L(mm)与桥板两端相对于自然水平面的高度差h之间的关系为： (2)实验步骤1) 测量时，水平仪放置在实际被测直线的两端，把实际被测直线调整到大致水平，使水平仪在两端的示值不要相差太大。然后在实际被测直线旁标出均匀布置的各测点的位置。2)根据两相邻测点间的距离选择跨距适当的桥板。将水平仪安放在桥板上，然后沿着实际被测直线把桥板放在该实际被测直线的一端，记下水平仪第一个示值1(格数)。按各测点画的位置依次逐段地移动桥板，同时记录各测点的示值i
6、(格数)。注意每次移动时，应使桥板的支承在前后位置上首尾相接，而且水平仪不得相对于桥板产生位移。由始测点顺测到终测点后，再由终测点返测到始测点。返测时，桥板切勿调头。3)将在各个测量间隔记录的两次示值的平均值分别作为各个测量间隔的测量数据，求解直线度误差值。若某个测量间隔两次示值的差异较大，则表明测量不正常，查明原因重测。(3)直线度误差值的评定方法1)按最小条件评定 直线度误差值应该采用最小包容区域来评定。参看图 4，由两平行直线包容实际被测直线时，实际被测直线的测点中应至少有三个测点分别与这两条直线接触(成高底一高三极点或低一高一低三极点相间接触)，则位于实际被测直线体外的那条包容直线的位
7、置符合最小条件，它就是评定基准。这两条平行直线之间的区域称为最小包容区域(简称最小区域)。最小包容区域宽度即为符合最小条件的直线度误差值fMZ。 (a)高低高三极点 (b)低高低三极点高极点；低极点图 4 直线度误差最小包容区域判别准则2)按两端点连线评定 参看图 5，以实际被测直线两端点B和E的连线lBE作为评定基准，取各测点相对于该连线的偏离值hi中的最大偏离值hmax与最小偏离值hmin之差fBE作为直线度误差值。测点在连线lBE上方的偏离值取正值，测点在连线lBE下方的偏离值取负值。即 按最小条件评定的误差值小于或等于按两端点连线评定的误差值，因此前者可以获得最佳的技术经济效益。(4)
8、数据处理1)按两端点连线法图解直线度误差 参看图 6，在坐标纸上用横坐标轴x表示测量间隔(各测点的序号)，用纵坐标轴y表示测量方向上的数值。将它们分别按缩小和放大的比例把各测点标在坐标纸上，然后把各测点连成一条误差折线，该折线可以表示实际被测直线。在误差折线上，连接其两个端点B、E，得到两端点连线lBE。从误差折线上找出各测点中相对于两端点连线的最高点和最低点。从坐标纸上分别量取这两个测点至两端点连线的y坐标距离，它们的代数差即为直线度误差值fBE。图 5 以两端点连线作为评定基准图 6 图解直线度误差值2)按最小条件图解直线度误差值 参看图 6，从误差折线上确定低高低（或高低高）相间的三个极
9、点。过两个低极点（或两个高极点）作一条直线，再过高极点（或低极点）作一条平行与上述直线的直线，包容这条误差折线，从坐标纸上量取这两条平行线间的坐标距离，它的数值即为直线度误差值fMZ。3)图解法处理数据示例 用分度值为0.01mm/m的合像水平仪测量工作长度为1400mm的导轨的直线度误差。所采用的桥板跨距为200mm，将导轨分成7段（8个测点）进行测量。测量数据见表43第二行所列的示值。表43 直线度误差测量数据测点序号i01234567示值i(格数)01210111示值累积值01344323 参看图 6，按表43所列各测点的示值累积值，在坐标纸上画出误差折线。作通过误差折线首、尾两点的直线
10、lBE。从该坐标纸上量得误差折线相对于直线lBE的最大偏离值hmax=+2.7格，最小偏离值hmin=-0.6格。因此，按两端点连线评定的直线度误差值为fBE=0.01(2.7+0.6)200=6.6m从误差折线上找出两个低极点(0，0)和(6，+2)及一个高极点(3，+4)。作通过两个低极点的直线，再作过高极点且平行于两低极点连线的直线，得到最小包容区域。从该坐标纸上量得该区域的y坐标宽度为3格。因此,按最小条件评定的直线度误差值为fMZ=0.013200=6m四、用自准直仪测量直线度误差(1)量仪说明和测量原理自准直仪是一种精密测角仪器，用一束光线作为测量基准。它由本体和反身射镜两部分组成
11、，本体包括光管和读数显微镜。测量时，本体安放在被测工件之外的固定位置上，反射镜则安放在桥上，并把桥放置在实际被测表面上。图 7为自准直仪的光学系统图。光线由光源5发出，经滤光片6照亮十字分划板4，再经立方棱镜7及物镜8形成平等光束，将十字分划板4的十字技射在平面反射镜9上，经反射后，成像在目镜分划板2上。若反射镜9与平行光束互相垂直，则平行光束沿原光中反射后成像在目镜分划板的影像(亮十字影像)经立方棱镜7并被其中的半透明膜向上反射到目镜分划板2，且与目镜分划板2的指示线重合(见图 8(a)。如果被测表面凸凹不平，使桥板10连同反射镜9倾斜一个角度，那么反射光轴与入射光轴成2角，使亮十字影像相对
12、于目镜分划板2的指示线产生相应的偏移量(见图 8(b)。偏移量的数值由固定分划板3和读数鼓轮1读出。读数鼓轮1有100格等分的圆周刻度，读数鼓轮每转一转，就使目镜分划板2上的指示线相对于固定分划板3上的刻线尺移动一个刻度间距。若读数鼓轮每格的角值分度值为1，则其线值分度值用0.005mm/m或0.005/1000表示。如果所使用桥板10的跨距L为200mm,则读数鼓轮每格的实际分度值i =2000.005/1000=0.001mm=1m。这样，就可以由影像偏移量(格数)计算出被测表面与桥板两端的两个触点相对于光轴的高度差h。因此，hi（m）。(2)实验步骤(参看图 7)1)沿工件被测直线的方向
13、将自准直仪本体安放在工件体外，在被测直线旁标出均匀布点的各测点的位置。将反射镜9安放在桥板上，然后，将桥板分别放置在被测直线的两端接通电源，使光线照准安放在桥板上的反射镜。2)调整自准直仪本体的位置，使十字分划4的影像在反射镜9位于被测直线的两端时均能进入现场。然后，将本体的位置加以固定。1读数鼓轮；2、3、4分划板；5光源；6滤光片；7立方棱镜；8物镜；9反射镜；10桥板图 7 自准直仪的光学系统图 (a)起始示值(998格) (b)第二次示值(800格)图 8 测量时示值的读取3)将安放着反射镜的桥板10移到靠近自准直仪本体的被测直线那一端。调整目镜分划板2的指示线位置，使它位于亮十字像的
14、中间(图 8(a)，从固定分划板3的刻线尺及读数鼓板1上读出并记录起始示值i(格数)。4)按各测点的位置依次逐段地移动桥板。注意桥板每次移动时，应使桥板的支承在前、后位置上首尾相接，并且反射镜不得相对于桥板产生位移。观察并记录目镜中亮十字影像相对于指示线的偏移量(图 8(b)。每测量一次时偏移量的示值为i(格数)，i表示测点序号。由始测点顺测到终测点后，再由终测点返测到始测点。返测时桥板切勿调头。5)将在各个测量间隔上记录的两次示值的平均值分别人微言轻各个测量间隔的测量数据。若某个测量间隔两次示值的差异较大，则表明测量不正常，查明原因后重测。6)按最小条件和两端点连线法处理测数据，求解直线度误
15、差值。数据处理方法与前述合像水平仪测量数据处理方法相同。实验2 箱体位置误差测量一、实验目的(1)理解有关位置公差的定义(2)掌握应用普通测量器具对箱体位置误差的测量方法二、测量原理箱体上一般选用平面或轴心作为基准。测量时常用平板或检验心轴来模拟基准，用精度合适的测量器具来测量被测实际要素上各点对平板的平面或检验心轴的轴线之间的距离，按照各项位置误差定义来评定位置误差。如图 9所示的箱体上标有七项位置公差，将取一零件作被测件。选取几个项目进行测量。图 9 箱体三、测量器具主要有平板、标准心轴、直角尺、塞尺、方箱(或方铁)、杠杆百分表、表架、平行垫铁、同轴度量规和位置度量规等。四、实验步骤(1)
16、 测量孔轴线对基面B的平行度误差1)如图 10所示，将箱体3放置在平板1上，使箱体底面与平板面稳定接触。2)将标准心轴2插入被测孔，并以此模拟被测轴线。3)在标准心轴的最高素线距离为L2的a、b两点上进行测量。设两点上测得的读数分别为Ma和Mb，则被测轴线对底平面的平行度误差f为：f =L1/L2|MaMb | 式中L规定的测量长度，此例中为100mm。(2)测量端面圆跳动误差图 10 平行度误差的测量1)如图379所示，将箱体5置于平板1上。用标准心轴4插入基准孔中，在其顶尖孔中放一钢球3，并用方箱（或方铁）2使心轴的轴向位置固定不动。图 11 端面圆跳动误差的测量2)将杠杆百分表6安装在标
17、准心轴的左端面上，调整百分表的位置，使测量头尽可能与被测断面的最大半径处接触（一般距边缘12mm），并将表针预压半圈。3)将心轴回转一周，取百分表上的最大读数与最小读数之差作为被测端面的圆跳动误差f。若f0.05mm，则该项指标合格。(3)测量径向全跳动误差图 12 径向全跳动误差的测量1)如图380所示，将标准心轴2插入基准孔30H6中。在心轴的左端面装上杠杆百分表4，使其测量头与被测孔的孔壁接触，并将表针预压半圈左右。2)将标准心轴一边回转，一边沿轴向移动，使测量头在孔壁上所走过的轨迹为一条螺旋线。取整个测量过程中百分表上的最大读数与最小读数之差作为被测孔的径向全跳动误差f,若f0.08m
18、m，则此项指示合格。(4)测量垂直度误差1)如图 13(a)所示，将表座3置于垫铁2上。用直角尺(本图例用素线与端面垂直的垂直度验棒)调整百分表4，使测量头、表座圆弧侧面在验棒的同一素线上接触，再将表针预压半圈左右。转动表盘，使零刻度线与表针对齐，此时读数为零。图 13垂直度误差的测量2)如图 13(b)所示，将调整好的表座圆孤侧面和百分表测量头同时靠向箱体的被测面。在表座圆弧侧面与箱体被测面保持接触的条件下移动表座，取各次读数中绝对值最大者作为垂直误差f。测量需在箱体的左、右两侧分别进行，若f0.10mm ，则此项指标合格。(5)测量对称度误差1)如图 14所示，将箱体4的左侧面置于平板上，
19、再将杠杆百分表3的换向手柄朝上拨，调整百分表的位置，使表会预压半圈。图 14对称度误差的测量2)分别测量槽面上3处高度1、b1、c1，记下读数Mal 、Mb1、Mc1。将箱体右侧面置于平板上，保持百分表原有高度，再分别测量另一槽面上3处高度处a2、b2、c2,记下读数Ma2、Mb2、Mc2则各对应点的对称度误差为：fa=|Ma1 Ma2|fb=|Mb1 Mb2|fc=|Mc1Mc2|取其中的最大值作为被测面对基准面的对称度误差f。若f0.20mm，则该项指标合格。 实验3 双管显微镜测Rz和Ry一、实训目的(1)了解双管显微镜的结构并熟悉其使用方法；(2)熟悉用光切法测量表面粗糙度的原理；(3
20、)加深对微观不平度十点高度Rz、轮廓最大高度Ry的理解。二、测量原理双管显微镜是利用光切原理测量表面粗糙度的量仪，用于测量0.880m的微观不平度十点高度Rz值和轮廓最大高度Ry值，也可用于测量轮廓单峰平均间距S值。其测量原理参见图383，双管显微镜有两个轴线相互垂直的光管,左光管为观察管，右光管为照明管。在照明管中，由光源3发出的光经过聚光镜2，穿过狭缝1形成平行光束，该光束再经物镜4以45入射角投射到被测表面上，形成窄长的光带，通过观察管进行观察。观察管内装有物镜5、目镜6和分划板7。若被测表面粗糙不平，光带就弯曲。设被测表面的微观不平度高度为h,则光带弯曲高度，而在目镜中看到的是放大的光
21、带影像的高度,则 (41) 式中K观察管的放大倍数。光带影像的弯曲高度用测微目镜头测量,其结构简图见图 16(a),下层的固定分划板3上的刻线尺刻有9条等距刻线，分别标着0、1、2、3、4、5，6、7、8等9个数字；上层的活动分划板2上刻有一对双纹刻线和互相垂直的十字线，前者的中心线通过后者的交点，且该中心线与后者的任一条直线间成450角。当转动测微鼓轮1利用螺杆移动分划板2时，位移的大小从鼓轮1上读出。当鼓轮1旋转一转(100格)时，双纹刻线和十字线交点便相对于固定分划板3上量的刻线尺移动一个刻度间距。为了测量和计算的方便，活动分划板2上的十字线与其移动方向成450角，如图 16(b)所示。
22、鼓轮1转动的格数H与光带影像的弯曲高度h之间的关系为： (42)1狭缝；2聚光镜；3光源；4、5物镜；6目镜；7分划板图 16 光切原理图由式(41)和式(42)得到被测表面微观不平度的高度h与鼓轮1读数格数H之间的关系如下：式中i =1/2K，表示使用不同放大倍数的物镜时鼓轮1的分度值。它由量仪说明书给定或从表34查出，实际应用时通常用量仪附带的标准刻线尺来校订。 (a)结构简图 (b)十字线移动方向1测微鼓轮；2活动分划板；3固定分划板图 16 测微目镜头表44 物镜放大倍数K与可测Rz值的关系物镜放大倍数量仪的总放大倍数分度值i(m/格)目镜视场直径mm可测范围Rz/m7601.282.
23、52080141200.161.36.320302600.290.61.66.3605100.160.30.81.6 表45 Ra、Rz、Ry的取样长度l和评定长度ln的选用值轮廓算术平均偏差Ra/m微观不平度时点高度Rz轮廓最大高度Ry/m取样长度mm评定长度ln=5l/mm40801603208402040801601020408051020402.512.52.5510201.252.56.3100.84.00.631.253.26.30.320.631.63.20.160.320.81.60.080.160.40.80.251.250.040.080.20.40.020.040.10.
24、20.010.020.050.10.080.40.0080.010.0250.051光源；2立柱；3锁紧螺钉；4微调手轮；5横臂；6升降螺母；7底座；8工作台纵向移动千分尺；9工作台固定螺钉；10工作台横向移动千分尺；11工作台；12物镜组；13手柄；14壳体；15测微鼓轮；16测微目镜头；17紧固螺钉；18照相机插座图 17 双管显微镜三、微观不平度十点高度Rz的测量步骤(1)选定取样长度l，选择并安装物镜按表面粗糙度标准样块评估的被测表面粗糙度参数值来确定取样长度l和评定长度ln(见表45)。由表44选择适当放大倍数的一对物镜并将它们安装在量仪上。(2)接通电源，粗调焦通过变压器接通电源，
25、点亮光源l。把被测工件放置在工作台11上。松开螺钉3，旋转螺母6，使横臂5沿立柱2下降(注意物镜头和被测表面之间必须留有微量的间隙)，进行粗调焦，直至目镜视场中出现绿色光带为止。转动工作台11，使光带与被测表面的加工痕迹垂直，然后锁紧螺钉3和螺钉9(3)微调焦从目镜16观察光带。旋转手轮4进行微调焦，使目镜视场中央出现最窄且有一边缘较清晰的光带。(4)调整视场松开螺钉17，转动目镜头16，使视场中十字线中的水平线与光带总的方向平行，然后紧固螺钉17，使目镜头16位置固定。(5)在一个取样长l范围内测量，计算Rz转动目镜测微鼓轮15，在取样长度l范围内使十字线中的水平线分别与5个最大的轮廓峰高和
26、5个最大的轮廓谷深相切(见图 18)。从目镜测微鼓轮15上分别读出这5个最高点至基准线A的距离h1、h2、h3、h4、h5和这5个最低点至基准线A的距离h6、h7、h8、h9、h10。(切勿在取样长度l范围内任意或按任意顺序找5个峰、5个谷，而必须找出5个最高峰和5个最低谷)微观不平度十点高度Rz按下列公式计算： 式中，h1的单位为格；分度值i的数值由表44查出，其单位为m/格。图 18 5个最高点和5个最低点至基准线的距离(6)评定长度ln范围内测量，计算Rz平均值由于被测表面各部分的表面粗糙度不一定均匀一致，为了充分反映整个表面的表面粗糙度特性，取评定长度范围内的几个Rz值的平均值作为测量
27、结果。(7)判断合格性按图样的规定，判定实际被测表面的表面粗糙度是否符合要求。四、轮廓最大高度Rz的测量按上述测量Rz值的实验步骤1)、2)、3)、4)调整量仪，然后转动目镜测微鼓轮15(图 17)，在取样长度l范围内，使十字线中的水平线分别与所有轮廓峰中的最高峰和所有轮廓谷中的最深谷相切，分别测取最大值hp和最小值hv(如图387所示)，然后按下式计算Ry值:取评定长度范围内测得的几个Ry值的平均值作为测量结果。A轮廓峰顶线；B轮廓谷底线；C基准线图 19 轮廓的最高峰和最深谷 实验4 齿距偏差和齿距累积误差测量一、实训目的(1)学会使用齿距仪测量齿轮齿距偏差和齿距累积误差的方法及测量数据的
28、处理方法(2)加深理解齿轮齿距偏差和齿距累积误差的定义。二、测量原理和量仪介绍(1)测量原理齿距偏差fpt是指在齿轮分度圆上实际齿距与公称齿距之差(图 20)。采用相对测量法测量fpt时，取所有实际齿距的平均值作为公称齿距。齿距累积误差Fp是指在齿轮分度圆上任意两个同侧齿面间的实际弧长与公称弧长的差值中的最大绝对值 (图 21)。由于齿轮分度圆不易确定，允许在齿高中部测量。(2)量仪介绍Pt实际齿距；Pt公称齿距图 20齿距偏差fpt本节按相对测量法用手提式齿距仪测量以fpt和Fp 。此测量方法是以任一齿距作为基准齿距，来调整量仪指示表示值零位，然后用调整好示值零位的齿距仪沿整个齿圈逐齿地测量
29、其他齿距对基准齿距的偏差，通过数据处理求解fpt和Fp的数值。手提式齿距仪如图 22所示。它以被测齿轮的瞅瞅瞅圆定位，用固定量爪4和活动量爪3分别与相邻两个同侧齿面接触来进行测量。 (a)分度圆上齿距的分布 (b)误差曲线L0公称弧长；L一实际弧长；z齿序；轮齿实际位置对理想位置的偏差图 21 齿距累积误差Fp 和k个齿距积累误差FPk三、测量步骤用手提式齿距仪测量(参看图 22),测量步骤如下：1基体；2定位支脚；3活动量爪；4位置可调整的固定量瓜;5支脚2的固紧螺钉；6量爪4的固紧螺钉；7指示表图 22手提式齿距仪 (1)调整固定量爪位置据被测齿轮的模数，调整固定量爪4的位置到模数标尺的相
30、应刻线上，然后用螺钉6紧固。(2)调整基准齿距将齿距仪以底面上的三个圆销放置在平板上，使活动量爪3和固定量爪4能与被测齿轮相邻两个同侧齿面在分度圆附近接触，同时调整两个定位支脚2的位置，使它们与被测齿轮的齿顶圆接触，并拧紧四个螺钉5(注意：指示表指针应有一定的压缩量)。旋转指示表的表盘，使零刻线对准指针。然后将齿距仪的量爪和定位支脚稍稍移开齿轮，使其重新接触,以检查指示表示值的稳定性，重复三次，待指示表示值稳定后，重新调整示值零位。以所测齿距作为测量其余齿距的基准齿距(3)逐个测量齿距逐齿测量各个齿距相对于基准齿距的偏差Pi(对每个齿距测量两次，取两次指示表示值的平均值)，列表记录指示表的示值(测完所有的齿距后，复查指示表示值零位)。(4)处理测量数据可用计算法和图解法处理
