1、一一.长度单位：米的定义长度单位：米的定义 米米原器原器量块的技术指标：量块的技术指标：中心长度的允许偏差中心长度的允许偏差表面平行性表面平行性表面研合性。表面研合性。黑白透射光栅黑白透射光栅计量光栅计量光栅长光栅：长光栅：25线线/毫米毫米100线线/毫米毫米 (W=40um10um)圆光栅：一周内刻线数为圆光栅：一周内刻线数为540064800（分（分 辨角辨角420）WB W初相位初相位向移动的位移向移动的位移长度方长度方指示光栅沿标尺光栅指示光栅沿标尺光栅000 )2cos(,xWxIIIWBm 指示光栅指示光栅标尺光栅标尺光栅容栅容栅A长容栅：包含定尺和动尺长容栅：包含定尺和动尺圆容
2、栅：片状圆容栅（包括固定圆盘和可动圆盘）圆容栅：片状圆容栅（包括固定圆盘和可动圆盘）柱状圆容栅（包含有定子和转子）柱状圆容栅（包含有定子和转子）BA,B面金属栅极形状面金属栅极形状W绝缘绝缘金属金属 片状圆容栅片状圆容栅A，B面栅极形状面栅极形状 ab面面之之间间介介质质的的介介电电常常数数BA,-,max banC maxCCxoWaa3a5 感应同步器的绕组感应同步器的绕组感应同步器感应同步器长感应同步器：由定尺和滑尺组成长感应同步器：由定尺和滑尺组成圆感应同步器：由定子和转子组成圆感应同步器：由定子和转子组成正弦绕组正弦绕组余弦绕组余弦绕组鉴相方式鉴相方式鉴幅方式鉴幅方式工作方式工作方式
3、鉴相方式：鉴相方式：)2cos(cos)2cos(sin)2sin(cossinWxtUkeeetWxUketWxUketUutUumvcsmvcmvsmcms 定尺上总感应电势：定尺上总感应电势：电势：电势：两绕组在定尺上的感应两绕组在定尺上的感应余弦绕组励磁电压：余弦绕组励磁电压：正弦绕组励磁电压：正弦绕组励磁电压：鉴幅方式：鉴幅方式：tWxUkeeetWxUketWxUketUutUumvcsmvcmvsmcms sin)452sin(sin)2cos(sin)2sin(sinsin0 定尺上总感应电势：定尺上总感应电势：电势：电势：两绕组在定尺上的感应两绕组在定尺上的感应余弦绕组励磁电
4、压：余弦绕组励磁电压：正弦绕组励磁电压：正弦绕组励磁电压：现以并联线纹比长仪和串联线纹比长仪加以说明：现以并联线纹比长仪和串联线纹比长仪加以说明：sL 标准线纹尺标准线纹尺被检线纹尺被检线纹尺ummmLradmmsLstgsL1001.00001.0100 )02(0001.0 ,100 则：则：例：设例：设的一次方程比例的一次方程比例与与误差：误差：并联线纹比长仪并联线纹比长仪 AA 并并串串差的情况下差的情况下比较在相同的直线度误比较在相同的直线度误例：例：的二次方成正比的二次方成正比与与误差误差很小，很小，LLummmLradmmAALAAAAAAL 2582222105.0105.01
5、0100021)02(0001.0,1000L2142sin,1cos cos2sin2coscos1cos LLLttLttLLttt 温度温度标准件的线胀系数和标准件的线胀系数和度度工件的线胀系数和温工件的线胀系数和温被测工件长度测量值被测工件长度测量值1122011022,)20()20(长度尺寸测量方法分类：长度尺寸测量方法分类：直接测量直接测量间接测量间接测量绝对测量绝对测量相对测量相对测量测量的主要步骤：定位，瞄准，读数，数据测量的主要步骤：定位，瞄准，读数，数据 处理，给出测量结果等处理，给出测量结果等工作台工作台工件工件固定侧头固定侧头可动侧头可动侧头V形架形架工件工件测头测头
6、定位心轴定位心轴工件工件工件工件测头测头测头测头顶尖顶尖内圆定位内圆定位外圆定位外圆定位平面定位平面定位顶尖定位顶尖定位选择定位面应考虑下面原则：选择定位面应考虑下面原则：1尽可能与测量基面，工艺基面，装配基面统一。尽可能与测量基面，工艺基面，装配基面统一。2选取尺寸和形状精度高的面为定位面。选取尺寸和形状精度高的面为定位面。3定位面应保证定位稳定。定位面应保证定位稳定。4 多参数测量时应避免多次定位。多参数测量时应避免多次定位。5测量系统中多有辅助定位系统，如可调工作台，可调测测量系统中多有辅助定位系统，如可调工作台，可调测 头等。被测工件装夹后，应正确调整仪器的辅助定位系头等。被测工件装夹
7、后，应正确调整仪器的辅助定位系 统，统，找到最佳定位点。找到最佳定位点。有三个自由度使有三个自由度使得被测线与测量得被测线与测量线一致线一致可升降可升降工作台工作台V型架型架三自由度调三自由度调整工作台整工作台底座底座调整螺钉调整螺钉可动侧头可动侧头固定侧头固定侧头立柱立柱量块夹量块夹量块量块升降工升降工作台作台被测工件被测工件三自由度调三自由度调整工作台整工作台V型架型架二直接测量中常用的量具与量仪二直接测量中常用的量具与量仪Vernier Caliper 图图42所示为三用卡尺，其所示为三用卡尺，其测量范围一般为测量范围一般为0125和和0一一150mm两种。两种。其读数方法如下：其读数方
8、法如下：首先读出首先读出游标零刻线所指示的左边游标零刻线所指示的左边尺身上尺身上的的毫米刻毫米刻线整数线整数；然后；然后观察观察游标刻线与尺身刻线游标刻线与尺身刻线对准时的格数对准时的格数，将游标对准的将游标对准的格数乘以游标读数值，即为毫米小数格数乘以游标读数值，即为毫米小数；最；最后将毫米整数与毫米小数后将毫米整数与毫米小数相加相加，即得被测工件的尺寸读，即得被测工件的尺寸读数。数。如图如图4 42 2所示，游标读数值为所示，游标读数值为0.10mm0.10mm，则被测工件尺寸为则被测工件尺寸为2十十0.302.30mm。2 4600对游标卡尺读数分析如下：对游标卡尺读数分析如下：在游标上
9、对在游标上对19mm进行了进行了10等分，则每等分，则每一等分表示一等分表示1.9mm，这与尺身每两格相差，这与尺身每两格相差0.1mm，当游标上的第一个刻度与尺身的第二，当游标上的第一个刻度与尺身的第二个刻度重合时，尺身的个刻度重合时，尺身的0刻度与游标的刻度与游标的0刻度相刻度相差差0.1mm，当游标上的第二个刻度与尺身的第，当游标上的第二个刻度与尺身的第四个刻度重合时，尺身的四个刻度重合时，尺身的0刻度与游标的刻度与游标的0刻度刻度相差相差0.2mm 当游标上的第当游标上的第n个刻度与尺身的第个刻度与尺身的第2n个刻度个刻度重合时，尺身的重合时，尺身的0刻度与游标的刻度与游标的0刻度相差
10、刻度相差0.1n(mm)问题：如果游标对问题：如果游标对9mm9mm进行了进行了1010等分，游等分，游 标的读数也是标的读数也是0.1,0.1,两种等分方法哪个更好，两种等分方法哪个更好，为什么？为什么？0.03mm0.05mm测微量具是机械制造中常用的精密量具，它是利用测微量具是机械制造中常用的精密量具，它是利用精密螺旋副精密螺旋副进行测量，而以进行测量，而以微分筒和固定套筒微分筒和固定套筒上的上的刻度进行读数的一种机械式量具。精密螺旋副的螺刻度进行读数的一种机械式量具。精密螺旋副的螺距为距为0.5mm0.5mm，由于测微螺杆的精度受到制造工艺的由于测微螺杆的精度受到制造工艺的限制，其移动
11、量通常为限制，其移动量通常为 25 mm25 mm。Outside Micrometers 外径千分尺外径千分尺2.测微量具测微量具测微量具是应用螺旋副传动原理，将角位移转变为测微量具是应用螺旋副传动原理，将角位移转变为直线位移，直线位移的各行程与螺旋转角成正比，直线位移，直线位移的各行程与螺旋转角成正比，其数学表达式为其数学表达式为L测微螺杆的移动距离（测微螺杆的移动距离（mmmm）测微螺杆的旋转角度（测微螺杆的旋转角度（radrad）P P 测微螺杆的螺距（测微螺杆的螺距（mmmm）2LP读数：读数：14.100mm测微量具的读数机构和读数方法测微量具的读数机构和读数方法读数机构由固定套筒
12、和微分筒组成，如图所示。在固读数机构由固定套筒和微分筒组成，如图所示。在固定套筒上刻有纵刻线，纵刻线上下方各刻有定套筒上刻有纵刻线，纵刻线上下方各刻有2525个分度，个分度，每个分度的刻线间距为每个分度的刻线间距为1mm1mm，微分量具中测微螺杆的微分量具中测微螺杆的螺距一般都是螺距一般都是0.5mm0.5mm，微分筒圆周斜面上刻有，微分筒圆周斜面上刻有5050个个分度，因此当微分筒旋转一周时，测微螺杆轴向位移分度，因此当微分筒旋转一周时，测微螺杆轴向位移0.5mm0.5mm，微分筒旋转一个分度时，测微螺杆移动，微分筒旋转一个分度时，测微螺杆移动0.01mm0.01mm，故常用千分尺的读数值为
13、，故常用千分尺的读数值为0.01mm0.01mm。钟表式百分表钟表式百分表分度值为分度值为0.01mm 杠杆齿轮式测微仪杠杆齿轮式测微仪图图(a)仪器的仪器的外形外形图图(b)仪器结仪器结构原理构原理图图测杆微小的直线位移经杠杆齿轮机构放大后测杆微小的直线位移经杠杆齿轮机构放大后变为指针的大位移。变为指针的大位移。此种仪器一般用于比较此种仪器一般用于比较测量，因此刻度尺的示值范围多取为测量，因此刻度尺的示值范围多取为0.1mm0.1mm其放大比其放大比K K为为:被测件最大长度被测件最大长度:180mm光较仪管是自准直光管和正切杠光较仪管是自准直光管和正切杠杆机构的组合杆机构的组合。在物镜焦平
14、面上的焦点在物镜焦平面上的焦点C C发出的发出的一束光，经物镜后变成一束平行一束光，经物镜后变成一束平行光射到平面反射镜。光射到平面反射镜。若平面反射若平面反射镜与光轴垂直，则经过平面反射镜与光轴垂直，则经过平面反射境反射的光仍按原路汇聚到发光境反射的光仍按原路汇聚到发光点点C C处，即发光点处，即发光点C C与象点与象点CC重重合。若反射镜与光轴不垂直而偏合。若反射镜与光轴不垂直而偏转一个转一个a a角，根据反射定律则反角，根据反射定律则反射光束与入射光束间的夹角为射光束与入射光束间的夹角为2 2 a a。此时反射光束汇聚于象点。此时反射光束汇聚于象点 CC，C C与与 C”C”之间的距离应
15、之间的距离应按下式计算：按下式计算：测量时，应先用标准器具调整零位，即平面测量时，应先用标准器具调整零位，即平面反射镜的镜面与光较仪中的光轴相垂直。由反射镜的镜面与光较仪中的光轴相垂直。由于采用比较测量法，因此当被测尺寸和标准于采用比较测量法，因此当被测尺寸和标准尺寸有差异时，测杆就将沿着导轨做直线移尺寸有差异时，测杆就将沿着导轨做直线移动，从而推动平面反射镜动，从而推动平面反射镜P P绕支点绕支点OO摆动。测摆动。测杆移动的距离为杆移动的距离为s s时，反射镜偏转了时，反射镜偏转了a a角，其角，其关系为关系为 式中，式中，b b为测杆到支点为测杆到支点OO的距离。的距离。sbtg这样，测杆
16、的微小移动这样，测杆的微小移动S S就可以通过就可以通过正切杠杆机正切杠杆机构和光学装置放大构和光学装置放大，变成光点和象点间的距离，变成光点和象点间的距离CC”CC”，其放大比为，其放大比为光学计的目镜放大倍数为光学计的目镜放大倍数为K K2 2，因此光学计的总，因此光学计的总放大倍数为放大倍数为KKKK2 2倍。倍。测长仪和测长机结构中带有测长仪和测长机结构中带有长度标尺长度标尺，通常是线纹尺，通常是线纹尺，也可以是光栅尺。测量时，也可以是光栅尺。测量时，用此尺作为标准尺与被测长用此尺作为标准尺与被测长度做比较，通过显微镜读数以得到测量结果度做比较，通过显微镜读数以得到测量结果。量程较短的
17、称为测长仪量程较短的称为测长仪。根据测量座在仪器中的布置。根据测量座在仪器中的布置分分立式测长仪立式测长仪和和卧式万能测长仪卧式万能测长仪（简称万能测长仪）两（简称万能测长仪）两种。立式测长仪用于测量外尺寸；卧式测长仪除能测量种。立式测长仪用于测量外尺寸；卧式测长仪除能测量外尺寸外，主要用于测量内尺寸。外尺寸外，主要用于测量内尺寸。量程在量程在500mm500mm以上的仪器体形较大，称为测长机以上的仪器体形较大，称为测长机。测长机常用于绝对测量。测长机常用于绝对测量。5测长仪和测长机测长仪和测长机工作台工作台1 1上放置被测件上放置被测件2 2，通过测，通过测量轴体量轴体4 4上的可换测量头上
18、的可换测量头3 3与被测与被测件接触测量。测量轴体件接触测量。测量轴体4 4是一个是一个高精度圆柱体，在精密滚动轴承高精度圆柱体，在精密滚动轴承支持下，通过钢带支持下，通过钢带8 8，滑轮，滑轮9 9，平，平衡锤衡锤1212和阻尼油缸和阻尼油缸1313完成平稳的完成平稳的轴向升降运动。配重轴向升降运动。配重7 7用来调整用来调整测量力。测量力。测量轴体的轴线上固定有基准测量轴体的轴线上固定有基准标尺标尺(玻璃刻尺玻璃刻尺)5)5，其上有，其上有l01l01条条刻线，刻度间隔为刻线，刻度间隔为1mm1mm。由光源。由光源11 11发出的光，经透镜发出的光，经透镜1010，再透过，再透过基准玻璃刻
19、尺，将毫米刻线影象基准玻璃刻尺，将毫米刻线影象投射入螺旋读数显微镜投射入螺旋读数显微镜6 6，进行，进行读数。读数。目镜目镜6 6的显微读数镜头中，可看的显微读数镜头中，可看到三种刻线重合在一起：到三种刻线重合在一起：一种是玻璃刻线尺一种是玻璃刻线尺5 5上的刻度上的刻度（图中的（图中的 7 7、8 8），其间距为），其间距为 lmmlmm；一种是目镜视野中间隔为一种是目镜视野中间隔为 0.lmm0.lmm的刻度（图的刻度（图 中的中的 0 0至至1010）一种是有一种是有1010圈多一点的阿基米德圈多一点的阿基米德螺旋线刻度（图中上部的螺旋线刻度（图中上部的3535、4040、4545），螺
20、旋线的螺距为），螺旋线的螺距为 0.1 0.1 mmmm，螺旋线里面的圆周上刻有，螺旋线里面的圆周上刻有100100格圆周刻度，因此每格圆周格圆周刻度，因此每格圆周刻度代表刻度代表0.001mm0.001mm。图的读数为图的读数为 7.1410 mm。不确定度：不确定度：（1.5+L/100）um 卧式测长仪卧式测长仪 卧式测长仪又称为万能测长仪。卧式测长仪又称为万能测长仪。万能测万能测长仪是把测量座作卧式布置，测量轴线成长仪是把测量座作卧式布置，测量轴线成水平方向的测长仪器。万能测长仪除了水平方向的测长仪器。万能测长仪除了对对外尺寸进行直接和比较测量外尺寸进行直接和比较测量之外，还可配之外，
21、还可配合仪器的内测附件合仪器的内测附件测量内尺寸测量内尺寸,测量范围是测量范围是0100mm。卧式测长仪的毫米刻线尺和测量轴水平卧放在卧式测长仪的毫米刻线尺和测量轴水平卧放在仪器的底座上，并可在底座的导轨上作左右方仪器的底座上，并可在底座的导轨上作左右方向的移动；它主要由向的移动；它主要由底座底座7 7、测座、测座1 1、万能工作、万能工作台台5 5和尾座和尾座6 6组成。组成。1.测量座测量座 2.测量轴测量轴 3.电眼电眼 4.被测孔被测孔 5.绝缘工作台绝缘工作台 6.尾座尾座 7.底座底座卧式测长仪（万能测长仪）卧式测长仪（万能测长仪）6工具显微镜工具显微镜显微镜法是将被测件的尺寸、轮
22、廓或用光干涉显微镜法是将被测件的尺寸、轮廓或用光干涉法产生的干涉条纹等，经过显微放大，以便于法产生的干涉条纹等，经过显微放大，以便于观察测量。观察测量。被测件被测件ABAB位于物镜的物方焦点位于物镜的物方焦点F1F1之外，但不超过距物之外，但不超过距物镜两倍焦距的距离，被测件被物镜放大成一倒立的实镜两倍焦距的距离，被测件被物镜放大成一倒立的实象象A AB B，此实象位于目镜的物方焦面右方的，此实象位于目镜的物方焦面右方的分划板上分划板上，经目镜再次放大在经目镜再次放大在明视距离明视距离J J250mm250mm处成一可从目镜处成一可从目镜视场中看到的虚象视场中看到的虚象AB AB 显微镜光学系
23、统显微镜光学系统物镜放大倍率为物镜放大倍率为目镜放大倍率为目镜放大倍率为显微镜的放大倍率为显微镜的放大倍率为非接触瞄准非接触瞄准照明光源射出的光经照明光源射出的光经滤色片滤色片2 2、可变光阑、可变光阑3 3、反射镜反射镜4 4和聚光镜和聚光镜5 5后后变为平行光照明被测变为平行光照明被测工件。经物镜放大后工件。经物镜放大后的工件轮廓成象在分的工件轮廓成象在分划板划板11 11上，再经目镜上，再经目镜放大后观察。根据所放大后观察。根据所要求的放大倍数，可要求的放大倍数，可更换物镜。在分划板更换物镜。在分划板前设置一正象棱镜，前设置一正象棱镜，使视野内所观察的象使视野内所观察的象为正象。目镜头可
24、以为正象。目镜头可以更换更换.图为万能工具显微镜图为万能工具显微镜接触瞄接触瞄准准系统系统光学灵敏杠杆的光学灵敏杠杆的工作原理示意图。由照明光工作原理示意图。由照明光源源1 1照亮的分划板照亮的分划板2 2上的三对上的三对双刻线，经透镜双刻线，经透镜3 3后由与测后由与测杆相连的反射镜杆相连的反射镜4 4反射，再反射，再经物镜经物镜5 5放大，最后成像在放大，最后成像在测角目镜分划板测角目镜分划板6 6上。反射上。反射镜镜4 4随测杆摆动时，三组双随测杆摆动时，三组双刻线的象随之左右移动。仅刻线的象随之左右移动。仅当测杆中心线与显微镜光轴当测杆中心线与显微镜光轴重合时，双刻线的象位于米重合时，
25、双刻线的象位于米字分划板的中心位置。字分划板的中心位置。在工具显微镜在工具显微镜上用光学灵敏上用光学灵敏杠杆测量端面杠杆测量端面定位孔的直径定位孔的直径时，可用两种时，可用两种方法确定采样方法确定采样点的位置。点的位置。1.找拐点法找拐点法 2.测弦找中点法测弦找中点法21Dxxd立式接立式接触式干触式干涉仪是涉仪是一种高一种高精度测精度测微仪。微仪。7立式接触式干涉仪立式接触式干涉仪用接触式干涉仪测量时使用白光，即移出滤色片，用接触式干涉仪测量时使用白光，即移出滤色片，使视场中出现零级黑条纹。根据测头先后与标准使视场中出现零级黑条纹。根据测头先后与标准件及被测件接触时件及被测件接触时零级条纹
26、位置零级条纹位置间的距离，即可间的距离，即可测得被测量相对于标准量的偏差值。测得被测量相对于标准量的偏差值。例如检定量块：测头与标准量块接触时，零级条例如检定量块：测头与标准量块接触时，零级条纹位于纹位于a al l（格），测头与被检量块接触时，（格），测头与被检量块接触时，零级条纹位于零级条纹位于a=+4a=+4格，若仪器分辨力格，若仪器分辨力i=0.1umi=0.1um，则被测量块相对于标准量的中心长度偏差为则被测量块相对于标准量的中心长度偏差为i i(a(a2 2-a-a1 1)=+0.5um)=+0.5um接触式干涉仪测量方法：接触式干涉仪测量方法：干涉测长是激光在几何量测量中最重要的
27、干涉测长是激光在几何量测量中最重要的应用。光波干涉法作为精密测量长度和位应用。光波干涉法作为精密测量长度和位移的有力手段问世已久其测量精度很高。移的有力手段问世已久其测量精度很高。但在激光问世以前，由于缺乏亮度高、单但在激光问世以前，由于缺乏亮度高、单色性好的光源，干涉法的应用有着许多局色性好的光源，干涉法的应用有着许多局限性，激光的出现则为干涉测长提供了极限性，激光的出现则为干涉测长提供了极好的相干光源。好的相干光源。(激光具有激光具有方向性好、能方向性好、能量高度集中、单色性好、干涉能力强量高度集中、单色性好、干涉能力强的优的优点）。点）。8激光干涉测长仪激光干涉测长仪激光干涉测长仪原理图
28、激光干涉测长仪原理图辐射源辐射源被测物被测物探测器探测器h0IhI透射式透射式X射线测厚仪原理图射线测厚仪原理图被测厚度被测厚度衰减系数，衰减系数，hueIIuhh 0hhI探测器探测器被测物被测物辐射源辐射源0I反射式反射式X射线测厚仪原理图射线测厚仪原理图如测量锅炉壁厚如测量锅炉壁厚6160.721345图图5-11 便携式超声波测厚仪便携式超声波测厚仪1.双晶测头双晶测头 2.电缆电缆 3.压电晶体发射的超声波脉冲压电晶体发射的超声波脉冲 4.被反射的超声波脉冲被反射的超声波脉冲 5.被测工件被测工件 6.二次仪表二次仪表 cth21 总结：总结：绝对测量法绝对测量法：仪器示值为被测量的
29、绝对值，常以刻度尺、仪器示值为被测量的绝对值，常以刻度尺、光栅尺等作为测量基准，一般具有光栅尺等作为测量基准，一般具有绝对零位，示值范围较大绝对零位，示值范围较大。如游标卡尺、千分尺、测长仪、测长机、工具显微镜等。如游标卡尺、千分尺、测长仪、测长机、工具显微镜等。相对测量法相对测量法：仪器示值为被测量相对于某一定值标准量仪器示值为被测量相对于某一定值标准量的偏差值。的偏差值。标准量应尽可能与被测量具有相同定义及公称值标准量应尽可能与被测量具有相同定义及公称值。用于相对测量的仪器多称作测微仪或比较仪，一般具有用于相对测量的仪器多称作测微仪或比较仪，一般具有放大放大倍数大，示值范围较小、测量精度高
30、、零位可调倍数大，示值范围较小、测量精度高、零位可调的特点。如的特点。如杠杆百分表，光学比较仪、接触式干涉仪、电感测微仪等。杠杆百分表，光学比较仪、接触式干涉仪、电感测微仪等。直接测量法：直接测量法：将被测量直接和标准量进行比较。将被测量直接和标准量进行比较。可分为绝对测量和相对可分为绝对测量和相对测量测量三三.间接测量法常用装置：间接测量法常用装置：测量得到的量值是采样点的坐标（坐标测量测量得到的量值是采样点的坐标（坐标测量法）或其他与被测量有确定函数关系的参量，法）或其他与被测量有确定函数关系的参量，被测量的值须通过计算求得。被测量的值须通过计算求得。大直径的间接测量大直径的间接测量坐标测
31、量法坐标测量法微小尺寸的间接测量微小尺寸的间接测量如图所示为手持式测量装如图所示为手持式测量装置。在装置置。在装置基体基体1 1的中央放的中央放着着指示表指示表4 4；两侧装有带；两侧装有带滚滚柱柱3 3的支杆的支杆2 2。这种装置在测量前应在这种装置在测量前应在平板上进行调整指示表的平板上进行调整指示表的零位，即两个滚柱与平板零位，即两个滚柱与平板表面接触，而在指示表的表面接触，而在指示表的量杆下端，垫以适当的块量杆下端，垫以适当的块规。规。(一一)大尺寸的测量大尺寸的测量1.1.用弓高弦长法测量大直径的孔和轴用弓高弦长法测量大直径的孔和轴22()22DdDdHlHHlDdHlHD )1(2
32、22对上式微分得对上式微分得:22()22DdDdHlHHlDdHlHD )1(222图图5-13，5-14L0图5-15放光盘激光扫描仪测量原理激光扫描仪测量原理激光扫描测量仪主要工作部件介绍激光扫描测量仪主要工作部件介绍 理论上用三坐标测量机可测不经过定理论上用三坐标测量机可测不经过定位调整的任何工件的任意参数，位调整的任何工件的任意参数，实现测量实现测量的关键的关键是建立采样点与被测参量在坐标测是建立采样点与被测参量在坐标测量中坐标的关系模型，量中坐标的关系模型，即通过测量被测几即通过测量被测几何要素上若干个点的位置坐标继而求得被何要素上若干个点的位置坐标继而求得被测参量。测参量。包括采
33、样读数和数据处理两个步包括采样读数和数据处理两个步骤。骤。(二二)坐标测量法坐标测量法三坐标测量机三坐标测量机三坐标测量机机架结构三坐标测量机机架结构三坐标测量机的主体主要由以下各部分组成：底座、三坐标测量机的主体主要由以下各部分组成：底座、测量工作台、立柱、测量工作台、立柱、X X及及Y Y向支撑梁和导轨、向支撑梁和导轨、Z Z轴部件轴部件及测量系统（感应同步器、激光干涉仪、精密光栅尺及测量系统（感应同步器、激光干涉仪、精密光栅尺等）、计算机及软件等）、计算机及软件。Chameleon Chameleon 7107 7107 三坐标三坐标测量机测量机 美国布朗美国布朗夏普夏普公司制造公司制造
34、测量范围测量范围:650650100010006 65050CMM采样读数：采样读数：获得采样点坐标值获得采样点坐标值数据处理主要包括两部分：数据处理主要包括两部分：（1 1）建立工件坐标系：工件）建立工件坐标系：工件随意放在工作台上，不需要定随意放在工作台上，不需要定位调整，这样需要根据测量工位调整，这样需要根据测量工件的基准点，线，面将坐标测件的基准点，线，面将坐标测量机的坐标点，坐标轴，坐标量机的坐标点，坐标轴，坐标面经过坐标的平移和旋转与工面经过坐标的平移和旋转与工件的去重合。这个过程称为建件的去重合。这个过程称为建立工件坐标系。立工件坐标系。（2 2）由采样点的坐标值计算）由采样点的
35、坐标值计算被测量被测量例题：如下图，计算孔例题：如下图，计算孔C，孔，孔D中心与孔中心与孔A，B中中 心连线间的距离心连线间的距离DCLL ,OO ABCDxyx y xyo的情况相同的情况相同对与孔对与孔三点坐标：三点坐标：的某一圆周截面上获取的某一圆周截面上获取在孔在孔DCBzyxzyxzyxAAAAAAAAA,),(),(),(A332211连连线线重重合合轴轴与与孔孔心心旋旋转转坐坐标标系系使使其其的的圆圆心心重重合合平平移移坐坐标标系系，使使其其与与孔孔方方法法求求的的：孔孔的的圆圆心心坐坐标标用用同同样样的的圆圆心心坐坐标标：则则孔孔BAxzzyyyxxxAzyxBzzyyxxyy
36、xxyyxxxxyyxxxxyxxyyxxyyxxyyyyxxyyyyxAAABBBAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA,),()()(2)()()()(2)()(0000003121213123212321212221222131031212131232123212122212221310 DCDCDDDCCCABABABAABAABABABAABALLABDCyyzyxzyxDCzzyyxxxxyyyyxxyyyxxyyyyxxxxx,:),(),(,)()()()()()()()(0000000020020000000020020000
37、0000连连线线距距离离至至孔孔心心就就是是孔孔代代入入上上式式获获得得的的中中心心坐坐标标分分别别将将孔孔标标系系之之间间的的关关系系为为：工工件件坐坐标标系系与与测测量量机机坐坐 随着科学技术和工业生产的发展，产品的小型随着科学技术和工业生产的发展，产品的小型化或微型化越来越成为一个重要的分支，因而微化或微型化越来越成为一个重要的分支，因而微小尺寸的测量越来越多：如细丝、小孔、镀层厚小尺寸的测量越来越多：如细丝、小孔、镀层厚度、集成电路中的氧化层厚度、各元件间的微小度、集成电路中的氧化层厚度、各元件间的微小距离、计算机中磁头与磁盘间的微小间隙等等；距离、计算机中磁头与磁盘间的微小间隙等等；
38、而且精度要求也越来越高，如超大规模集成电路而且精度要求也越来越高，如超大规模集成电路中要求位置的测量精度为中要求位置的测量精度为0.lum0.lum的数量级。显然，的数量级。显然，现有的传统测量方法和仪器是难以完成任务的，现有的传统测量方法和仪器是难以完成任务的，迫切地要求提出新的测量方法，下面将介绍几个迫切地要求提出新的测量方法，下面将介绍几个测量方法的实例。测量方法的实例。(三三)微小尺寸测量微小尺寸测量 一般的钢丝直径常用电感测微仪以接一般的钢丝直径常用电感测微仪以接触法进行测量，这种方法受测量力的影触法进行测量，这种方法受测量力的影响很大，即使在测量力较小的情况下，响很大，即使在测量力
39、较小的情况下，其相对测量误差也是较大的，而且容易其相对测量误差也是较大的，而且容易引起细丝的弯曲变形。此外，如测力过引起细丝的弯曲变形。此外，如测力过小，也由于测量不稳定而无法保证测量小，也由于测量不稳定而无法保证测量精度。近年来由于激光技术的发展，为精度。近年来由于激光技术的发展，为测量细丝直径提供了新的测量原理和方测量细丝直径提供了新的测量原理和方法。法。1、用激光衍射法测量金属细丝直径、用激光衍射法测量金属细丝直径夫琅和费衍射原理夫琅和费衍射原理当光源和衍射场当光源和衍射场(即屏幕即屏幕P)P)都距衍射物都距衍射物(小孔、狭小孔、狭缝等缝等)无限远时的衍射称为无限远时的衍射称为夫琅和费衍
40、射夫琅和费衍射(或平行或平行光衍射光衍射)，实际上只要光源、屏幕离衍射物有，实际上只要光源、屏幕离衍射物有足够足够大的距离大的距离部可认为是夫琅和费衍射。部可认为是夫琅和费衍射。式中式中 K1，2正整数。正整数。正负号表示亮暗条纹对正负号表示亮暗条纹对称地分布在中央亮条纹称地分布在中央亮条纹的两侧，的两侧，0给出了中给出了中央亮条纹央亮条纹P0的中心位置。的中心位置。由图可见，随着衍射角由图可见，随着衍射角 的增加，亮条纹的光强的增加，亮条纹的光强将迅速降低，暗点位置将迅速降低，暗点位置是等距分布的。如采用是等距分布的。如采用激光作为光源，由于能激光作为光源，由于能量高度集中，条纹可以量高度集
41、中，条纹可以更加清晰，衍射级次也更加清晰，衍射级次也更高更高(即能见到的衍射条即能见到的衍射条纹致目多纹致目多)。狭缝的衍射条纹光强分布图狭缝的衍射条纹光强分布图kasin如图所示，设被测细丝为如图所示，设被测细丝为 d d，相当于狭缝。我们采，相当于狭缝。我们采用激光作为光源，由于其发散角很小，可认为是平用激光作为光源，由于其发散角很小，可认为是平行光，所以可免除透镜行光，所以可免除透镜L1L1；并将衍射屏幕放置离细丝；并将衍射屏幕放置离细丝较远处较远处(譬如譬如l l500mm)500mm)，这样又可免除透镜，这样又可免除透镜L2L2。于。于衍射场衍射场P P处即可获得一组明暗相间的衍射条
42、纹，只要处即可获得一组明暗相间的衍射条纹，只要测得衍射条纹距屏幕中心的距离测得衍射条纹距屏幕中心的距离S Sk k，便可求得细丝直，便可求得细丝直径。由于径。由于la(la(即即 d)d)，此时，此时 角很小，故可取角很小，故可取:为衍射条纹级数为条纹间距；式中：可得或者由于于是可得：故：足的条件是：由于衍射条纹极小值满ksdslasksdslkaklsaakalskkkk,/sinsintansin2光纤直径的测量光纤直径的测量 激光能量法激光能量法 形位误差测量是将被测要素和理想要素进行形位误差测量是将被测要素和理想要素进行比较，从而用数值描述实际要素与理想要素形状比较，从而用数值描述实际
43、要素与理想要素形状或位置上的差异。每个参数的测量过程包括或位置上的差异。每个参数的测量过程包括测量测量和评定和评定两个阶段。两个阶段。被测要素体现方法：被测要素体现方法：在实际测量中，被测要素用在实际测量中，被测要素用有限个测量数据表征的测得要素来代替有限个测量数据表征的测得要素来代替,对于中心对于中心要素要素,可通过测量相应的轮廓要素计算求的。可通过测量相应的轮廓要素计算求的。理想要素：理想要素：理想要素的方向和位置大多用基准要理想要素的方向和位置大多用基准要素来体现，但工件的基准要素总有形状误差，测素来体现，但工件的基准要素总有形状误差，测量时应尽可能减小对测量结果的影响。量时应尽可能减小
44、对测量结果的影响。第三节第三节 形位误差的测量形位误差的测量常用的基准体现有三种方法：常用的基准体现有三种方法：仪器原理：仪器原理：壳体壳体调整螺钉调整螺钉磁钢磁钢两组线圈两组线圈张丝张丝测量方法：测量方法：桥板桥板水平仪水平仪155 n0123456 iiiiiiiiiiiaclylamlcammclaradccc1166005.0)(005.0)(105)(105 值用下式求得：值用下式求得：坐标坐标在该坐标系中各测点的在该坐标系中各测点的横轴建立坐标系，横轴建立坐标系，以过起测点的水平线为以过起测点的水平线为桥板两端点距离桥板两端点距离仪器格值，仪器格值，桥板两端点的高度差：桥板两端点的
45、高度差：（角秒）（角秒）（角秒）：（角秒）：仪器分度值仪器分度值格格分段读数分段读数iaumi/各段高度差各段高度差i分段数分段数umyi/坐标值坐标值各采样点各采样点mml250误差评定：误差评定：510151 2345iyo6510151 2345iyo6二二 圆度误差圆度误差圆度误差指包容同一正截面实际轮廓且半圆度误差指包容同一正截面实际轮廓且半径差为最小的两同心圆的距离径差为最小的两同心圆的距离f fm mmaxminmfRR1最小包容区域法最小包容区域法:以包容实际轮廓且半径差为最小的两以包容实际轮廓且半径差为最小的两 同心圆的圆心为理想圆的圆心同心圆的圆心为理想圆的圆心,即理想圆的
46、位置是符合即理想圆的位置是符合 最小条件的。如图最小条件的。如图a2最小外接圆法：最小外接圆法：以包容实际轮廓且半径为最小的外接以包容实际轮廓且半径为最小的外接 圆圆心为理想圆的圆心。如图圆圆心为理想圆的圆心。如图b3最大内切圆法：以内切于实际轮廓且半径为最大的内最大内切圆法：以内切于实际轮廓且半径为最大的内 切圆圆心为理想圆的圆心。如图切圆圆心为理想圆的圆心。如图c4最小二乘方圆法：以实际轮廓上相应各点至圆周距离最小二乘方圆法：以实际轮廓上相应各点至圆周距离 的平方和为最小的圆的圆心为理想圆的圆心。如图的平方和为最小的圆的圆心为理想圆的圆心。如图d圆度误差的四种评定方法圆度误差的四种评定方法
47、最小包容最小包容区域法最区域法最小，最小小，最小二乘法稍二乘法稍大大圆度仪测量法圆度仪测量法转台式圆度仪转台式圆度仪传感器回转式圆度仪传感器回转式圆度仪测量轴测量轴测微器测微器工作台工作台第四节表面粗糙度测量第四节表面粗糙度测量定义定义：表面粗糙度是一种微观几何形状误差表面粗糙度是一种微观几何形状误差,它的大小关系到机械零部件的寿命、震动、它的大小关系到机械零部件的寿命、震动、噪音等，所以对它的测量显得尤为重要。噪音等，所以对它的测量显得尤为重要。特点特点：波距量值小（小于：波距量值小（小于1mm)1mm)，变化频率高，所以粗糙度，变化频率高，所以粗糙度测量方法必须具有测量方法必须具有分辨率高
48、和频响快分辨率高和频响快的特性。的特性。测量方法：测量方法：1.接触式轮廓仪（触针式轮廓仪）接触式轮廓仪（触针式轮廓仪）电感式轮廓仪、激光干涉式轮廓仪电感式轮廓仪、激光干涉式轮廓仪、压电式轮廓仪。压电式轮廓仪。表面粗糙度的测量基准线原则上要求与被测表面的理想形状表面粗糙度的测量基准线原则上要求与被测表面的理想形状一致，但在实际测量中难以实现。比较常见的是利用与传感一致，但在实际测量中难以实现。比较常见的是利用与传感器壳体安装成一体的导头建立相对测量基准。器壳体安装成一体的导头建立相对测量基准。P104 图图5-37激光干涉仪、压电式轮廓仪激光干涉仪、压电式轮廓仪压电式轮廓仪测量原理图压电式轮廓
49、仪测量原理图2、非接触式轮廓仪、非接触式轮廓仪光学轮廓仪（离焦式、共焦式）光学轮廓仪（离焦式、共焦式）国家标准中规定的国家标准中规定的评定评定基准为轮廓中线基准为轮廓中线：最小：最小二乘中线和算术平均中二乘中线和算术平均中线。线。表面粗糙度的高度表面粗糙度的高度评定评定参数：参数：轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差:1()/naiiRyn微观不平度十点高度：微观不平度十点高度：5511()/5zpiviiiRyy轮廓最大高度轮廓最大高度：maxmaxypvRyy表面粗糙度的评定方法表面粗糙度的评定方法 中线 ln lr lr lr lr lr 取样长度取样长度lrlr是测量或评定表面粗糙度所是测
50、量或评定表面粗糙度所规定的一段基准线长度，至规定的一段基准线长度，至少包含少包含5 5个微峰和个微峰和5 5个微谷。个微谷。评定长度评定长度lnln取标准评定长度取标准评定长度lnln5lr5lr。若被测表面比较均匀，可选。若被测表面比较均匀，可选lnln5lr5lr；若均匀性差，可选若均匀性差，可选lnln5lr5lr。一大位移量测量一大位移量测量1脉冲测距法脉冲测距法:光电探测器振荡器放大整形脉冲激光发生器电子门控制电路数字显示复位电路滤色镜开关置零脉冲发射脉冲接收脉冲参考脉冲返回脉冲整形后脉冲电子门控制脉冲时钟脉冲计数脉冲ctL21光电探测器光电探测器振荡器振荡器放大整形放大整形脉冲激光
