測量技術基礎

1、課題五 測量技術基礎精度測量的基本概念來源： http:/ n計量單位與量值傳遞 ：長度單位及其基準 、量塊、長度的量值傳遞n 測量器具與測量方法 ： 測量器具的分類、 測量器具的技術性能指標 、 測量方法分類n測量誤差 ：測量誤差及表達式 、誤差的分類 、 誤差的來源及減小其影響的措施、測量不確定度、 測量數(shù)據(jù)的處理 檢測的意義n為了滿足機械產(chǎn)品的功能要求，在正確合理地完成了可靠性、使用壽命、運動精度等方面的設計以后，還須進行加工和裝配過程的制造工藝設計，即確定加工方法、加工設備、工藝參數(shù)、生產(chǎn)流程及檢測手段。其中，特別重要的環(huán)節(jié)就是質量保證措施中的精度檢測。n“檢測”就是確定產(chǎn)品是否滿足設

2、計要求的過程，即判斷產(chǎn)品合格性的過程。檢測的方法可以分為兩類：定性檢驗和定量測試。定性檢驗的方法只能得到被檢驗對象合格與否的結論，而不能得到其具體的量值。因其檢驗效率高、檢驗成本低而在大批量生產(chǎn)中得到廣泛應用。定量測試的方法是在對被檢驗對象進行測量后，得到其實際值并判斷其是否合格的方法。測量的基本要素n“測量”是以確定量值為目的的全部操作。測量過程實際上就是一個比較過程，也就是將被測量與標準的單位量進行比較，確定其比值的過程。若被測量為L，計量單位為u，確定的比值為q，則測量可表示為nL=qun一個完整的測量過程應包含被測量、計量單位、測量方法（含測量器具）和測量精度等四個要素。被測量n被測量

3、在機械精度的檢測中主要是有關幾何精度方面的參數(shù)量，其基本對象是長度和角度。但是，長度量和角度量在各種機械零件上的表現(xiàn)形式卻是多種多樣的，表達被測對象性能的特征參數(shù)也可能是相當復雜的。因此，認真分析被測對象的特性，研究被測對象的含義是十分重要的。例如，表面粗糙度的各種評定參數(shù)，齒輪的各種誤差項目，尺寸公差與形位公差之間的獨立與相關關系等等。 計量單位n計量單位（簡稱單位）是以定量表示同種量的量值而約定采用的特定量。我國規(guī)定采用以國際單位制（SI）為基礎的“法定計量單位制”。它是由一組選定的基本單位和由定義公式與比例因數(shù)確定的導出單位所組成的。如“米”、“千克”、“秒”、“安”等為基本單位。機械工

4、程中常用的長度單位有“毫米”、“微米” 和“納米” ，常用的角度單位是非國際單位制的單位“度”、“分”、“秒”和國際單位制的輔助單位“弧度”、“球面度” 。n在測量過程中，測量單位必須以物質形式來體現(xiàn)，能體現(xiàn)計量單位和標準量的物質形式有：光波波長、精密量塊、線紋尺、各種圓分度盤等。 測量方法n測量方法是根據(jù)一定的測量原理，在實施測量過程中對測量原理的運用及其實際操作。n廣義地說，測量方法可以理解為測量原理、測量器具（計量器具）和測量條件（環(huán)境和操作者）的總和。n在實施測量過程中，應該根據(jù)被測對象的特點（如材料硬度、外形尺寸、生產(chǎn)批量、制造精度、測量目的等）和被測參數(shù)的定義來擬定測量方案、選擇測

5、量器具和規(guī)定測量條件，合理地獲得可靠的測量結果。 測量精度n測量結果與真值的一致程度。不考慮測量精度而得到的測量結果是沒有任何意義的。 n真值的定義為：當某量能被完善地確定并能排除所有測量上的缺陷時，通過測量所得到的量值。n由于測量會受到許多因素的影響，其過程總是不完善的，即任何測量都不可能沒有誤差。對于每一個測量值都應給出相應的測量誤差范圍，說明其可信度。檢測的一般步驟n確定被檢測項目 認真審閱被測件圖紙及有關的技術資料，了解被測件的用途，熟悉各項技術要求，明確需要檢測的項目。n設計檢測方案 根據(jù)檢測項目的性質、具體要求、結構特點、批量大小、檢測設備狀況、檢測環(huán)境及檢測人員的能力等多種因素，

6、設計一個能滿足檢測精度要求，且具有低成本、高效率的檢測預案。n選擇檢測器具 按照規(guī)范要求選擇適當?shù)臋z測器具，設計、制作專用的檢測器具和輔助工具，并進行必要的誤差分析。 檢測的一般步驟（續(xù)）n檢測前準備 清理檢測環(huán)境并檢查是否滿足檢測要求，清洗標準器、被測件及輔助工具，對檢測器具進行調(diào)整使之處于正常的工作狀態(tài)。n采集數(shù)據(jù) 安裝被測件，按照設計預案采集測量數(shù)據(jù)并規(guī)范地作好原始記錄。n數(shù)據(jù)處理 對檢測數(shù)據(jù)進行計算和處理，獲得檢測結果。n填報檢測結果 將檢測結果填寫在檢測報告單及有關的原始記錄中，并根據(jù)技術要求作出合格性的判定。長度單位與計量基準n在國際單位制及我國法定計量單位中，長度的基本單位名稱是

7、“米”，其單位符號為“m”。 n“米”的定義于18世紀末始于法國，當時規(guī)定“米等于經(jīng)過巴黎的地球子午線的四千萬分之一”。19世紀“米”逐漸成為國際通用的長度單位。1889年在法國巴黎召開了第一屆國際計量大會，從國際計量局訂制的30根米尺中，選出了作為統(tǒng)一國際長度單位量值的一根米尺，把它稱之為“國際米原器”。 n1983年第17屆國際計量大會又更新了米的定義，規(guī)定：“米”是在真空中在1/299792458s的時間間隔內(nèi)行進路程的長度。 量塊n使用波長作為長度基準，雖然可以達到足夠的精確度，但因對復現(xiàn)的條件有很高的要求，不便在生產(chǎn)中直接用于尺寸的測量。因此，需要將基準的量值按照定義的規(guī)定，復現(xiàn)在實

8、物計量標準器上。常見的實物計量標準器有量塊（塊規(guī)）和線紋尺。 n量塊用鉻錳鋼等特殊合金鋼或線膨脹系數(shù)小、性質穩(wěn)定、耐磨以及不易變形的其它材料制成。其形狀有長方體和圓柱體兩種，常用的是長方體。 量塊的構成n長方體的量塊有兩個平行的測量面，其余為非測量面。測量面極為光滑、平整，其表面粗糙度Ra值達0.012m以上，兩測量面之間的距離即為量塊的工作長度（標稱長度）。標稱長度到5.5mm的量塊，其公稱值刻印在上測量面上；標稱長度大于5.5mm的量塊，其公稱長度值刻印在上測量面左側較寬的一個非測量面上 量塊的用途n作為長度尺寸標準的實物載體，將國家的長度基準按照一定的規(guī)范逐級傳遞到機械產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)，實現(xiàn)

9、量值統(tǒng)一。n作為標準長度標定量儀，檢定量儀的示值誤差。n相對測量時以量塊為標準，用測量器具比較量塊與被測尺寸的差值。n也可直接用于精密測量、精密劃線和精密機床的調(diào)整。量塊的精度（級） n按國標GB6093-85，量塊按制造精度分6級，即00、0、1、2、3和K級，其中00級精度最高，3級最低，K級為校準級，主要根據(jù)量塊長度極限偏差、測量面的平面度、粗糙度及量塊的研合性等指標來劃分的。n量塊生產(chǎn)企業(yè)大都按“級”向市場銷售量塊。用量塊長度極限偏差（中心長度與標稱長度允許的最大誤差）控制一批相同規(guī)格量塊的長度變動范圍；用量塊長度變動量（量塊最大長度與最小長度之差）控制每一個量塊兩測量面間各對應點的長

10、度變動范圍。用戶則按量塊的標稱尺寸使用量塊。因此，按“級”使用量塊必然受到量塊長度制造偏差的影響，將把制造誤差帶入測量結果。量塊的精度（等）n制造高精度的量塊的工藝要求高、成本也高，而且即使制造成高精度量塊，在使用一段時間后，也會因磨損而引起尺寸減小，使其原有的精度級別降低。因此，經(jīng)過維修或使用一段時間后的量塊，要定期送專業(yè)部門按照標準對其各項精度指標進行檢定，確定符合哪一“等”，并在檢定證書中給出的標稱尺寸的修正值。 n標準規(guī)定了量塊按其檢定精度分為六等，即1、2、3、4、5、6等，其中1等精度最高，6等精度最低，“等”主要依據(jù)量塊中心長度測量的極限偏差和平面平行性允許偏差來劃分的。量塊的“

11、級”與“等”n量塊的“級”和“等”是從成批制造和單個檢定兩種不同的角度出發(fā)，對其精度進行劃分的兩種形式。n按“級”使用時，以標記在量塊上的標稱尺寸作為工作尺寸，該尺寸包含其制造誤差。n按“等”使用時，必須以檢定后的實際尺寸作為工作尺寸，該尺寸不包含制造誤差，但包含了檢定時的測量誤差。n就同一量塊而言，檢定時的測量誤差要比制造誤差小得多。所以，量塊按“等”使用時其精度比按“級”使用要高，且能在保持量塊原有使用精度的基礎上延長其使用壽命。量塊的選用n量塊是定尺寸量具，一個量塊只有一個尺寸。為了滿足一定范圍的不同要求，量塊可以利用其測量面的高精度所具有粘合性，將多個量塊研合在一起，組合使用。根據(jù)標準

12、GB609385規(guī)定，我國成套生產(chǎn)的量塊共有17中套別，每套的塊數(shù)分別為91、83、46、12、10、8、6、5、等。表3-4所列為83塊組和91塊組一套的量塊的尺寸系列。n粘合性：測量層表面有一層極薄的油膜，在切向推合力的作用下，由于分子間吸引力，使兩量塊研合在一起的特性。量塊的組合n為了減少量塊的組合誤差，應盡量減少量塊的組合塊數(shù)，一般不超過4塊。選用量塊時，應從所需組合尺寸的最后一位數(shù)開始，每選一塊至少應減去所需尺寸的一位尾數(shù)。例如，從83塊一套的量塊中選取尺寸為36.745mm的量塊組，選取方法為： 36.745 所需尺寸 1.005 第一塊量塊尺寸n 1.24 第二塊量塊尺寸 4.5

13、 第三塊量塊尺寸 n 30.0 第四塊量塊尺寸 35.7434.5量塊使用的注意事情項n量塊必須在使用有效期內(nèi)，否則應及時送專業(yè)部門檢定。n使用環(huán)境良好，防止各種腐蝕性物質及灰塵對測量面的損傷，影響其粘合性。n分清量塊的“級”與“等”，注意使用規(guī)則。n所選量塊應用航空汽油清洗、潔凈軟布擦干，待量塊溫度與環(huán)境溫度相同后方可使用。n輕拿、輕放量塊，杜絕磕碰、跌落等情況的發(fā)生。n不得用手直接接觸量塊，以免造成汗液對量塊的腐蝕及手溫對測量精確度的影響。n使用完畢，應用航空汽油清洗所用量塊，并擦干后涂上防銹脂存于干燥處。 長度的量值傳遞n量值傳遞是“將國家計量基準所復現(xiàn)的計量值，通過檢定（或其它方法）傳

14、遞給下一等級的計量標準（器），并依次逐級傳遞到工作計量器具上，以保證被測對象的量值準確一致的方式”。n我國長度量值傳遞系統(tǒng)如圖所示，從最高基準譜線向下傳遞，有兩個平等的系統(tǒng)，即端面量具（量塊）和刻線量具（線紋尺）系統(tǒng)。其中尤以量塊傳遞系統(tǒng)應用最廣。量值的傳遞n量值系統(tǒng)的建立和執(zhí)行，保證了國家計量行政機關自上而下的對量值進行合理的統(tǒng)一控制。企業(yè)要確保產(chǎn)品質量，增強市場競爭力，必須主動采取措施，保證量值的可靠。因此，在GB/T9000“質量管理和質量保證”系列標準中，對企業(yè)的測量設備（器具）提出了“溯源性”的要求，即測量結果必須具有能與國家計量基準或國際計量基準相聯(lián)系的特性。所用計量器具要獲得這一

15、特性，就必須經(jīng)過具有較高準確度的計量標準的檢定，而該計量標準又需受到上一級計量標準的檢定，逐級往上溯源，直至國家計量基準或國際計量基準，實現(xiàn)企業(yè)的量值在國際范圍內(nèi)的合理的統(tǒng)一。角度的量值傳遞n角度基準與長度基準有本質的區(qū)別。角度的自然基準是客觀存在的，不需要建立，因為一個整圓所對應的圓心角是定值（2rad或360）。因此，將整圓任意等分得到的角度的實際大小，可以通過各角度相互比較，利用圓周角的封閉性求出，實現(xiàn)對角度基準的復現(xiàn)。n為了檢定和測量需要，仍然要建立角度度量的基準 。測量器具的分類n 是一種具有固定形態(tài)、用以復現(xiàn)或提供一個或多個已知量值的器具。按用途的不同量具可分為以下幾類：n單值量具

16、 只能體現(xiàn)一個單一量值的量具?？蓙硇驼{(diào)整其它測量器具或作為標準量與被測量直接進行比較。如量塊、角度量塊等。n多值量具 可體現(xiàn)一組同類量值的量具。同樣能校對和調(diào)整其它測量器具或作為標準量與被測量直接進行比較。如線紋尺、90角尺等。測量器具的分類（續(xù)）n專用量具 專門用來檢驗某種特定參數(shù)的量具。常見的有：檢驗光滑圓柱孔或軸的光滑極限量規(guī)，判斷內(nèi)螺紋或外螺紋合格性的螺紋量規(guī)，判斷復雜形狀的表面輪廓合格性的檢驗樣板，用模擬裝配通過性來檢驗裝配精度的功能量規(guī)等等。n通用量具 我國習慣上將結構比較簡單的測量儀器稱為通用量具。如游標卡尺、外徑千分尺、百分表等。 測量器具的技術性能指標n量具的標稱值 標注

17、在量具上用以標明其特性或指導其使用的量值。如標在量塊上的尺寸，標在刻線尺上的尺寸，標在角度量塊上的角度等。n刻線間距 測量器具標尺或刻度盤上兩相鄰刻線中心間的距離。為便于讀數(shù)，一般做成刻線間距為0.752.5mm的等距離刻線。n分度值 測量器具的標尺上，相鄰兩刻線所代表的量值之差。如一外徑千分尺的微分筒上相鄰兩刻線所代表的量值之差為0.01mm，則該測量器具的分度值為0.01mm。分度值是一種測量器具所能直接讀出的最小單位量值，它反映了讀數(shù)精度的高低，從一個側面說明了該測量器具的測量精度高低。 測量器具的技術性能指標（續(xù)）n示值 由測量器具所指示的被測量值。n示值范圍 由測量器具所顯示或指示的

18、最低值到最高值的范圍。如機械式比較儀的示值范圍為-0.1+0.1mm（或0.1mm），如圖所示。n測量范圍 在允許不確定度內(nèi)，測量器具所能測量的被測量值的下限值至上限值的范圍。例如，外徑千分尺的測量范圍有025mm、2550mm等，機械式比較儀的測量范圍為0180mm，如圖所示。n測量力 在接觸式測量過程中，測量器具測頭與被測量面間的接觸壓力。測量力太大會引起彈性變形，測量力太小會影響接觸的穩(wěn)定性。 測量器具的技術性能指標（續(xù)）n靈敏度 計量器具反映被測幾何量微小變化的能力。如果被測參數(shù)的變化量為L，引起測量器具示值變化量為x，則靈敏度S=x/L。當分子分母為同一類量時，靈敏度又稱放大比K。n

19、靈敏閾 引起測量器具示值可覺察變化的被測量值的最小變化量。反映量儀對被測量值微小變動的不敏感程度。n重復性 在規(guī)定的使用條件下，重復用相同的激勵，測量儀器給予出非常相似響應的能力。反映的是測量儀器的工作穩(wěn)定性。測量器具的技術性能指標（續(xù)）n示值誤差 測量儀器的示值與被測量的真值之差。示值誤差是測量儀器本身各種誤差的綜合反映。因此，儀器示值范圍內(nèi)的不同工作點，示值誤差是不相同的。一般可用適當精度的量塊或其它計量標準器，來檢定測量器具的示值誤差。n回程誤差 在相同條件下，被測量值不變，測量器具行程方向不同時，兩示值之差的絕對值。它是由測量器具中測量系統(tǒng)的間隙、變形和磨擦等原因引起的。測量方法分類

20、n1、按所測得的量（參數(shù)）是否為欲測之量分類n直接測量 從測量器具的讀數(shù)裝置上得到欲測之量的數(shù)值或對標準值的偏差。例如用游標卡尺、外徑千分尺測量外圓直徑，用比較儀測量長度尺寸等。n間接測量 先測出與欲測之量有一定函數(shù)關系的相關量，然后按相應的函數(shù)關系式，求得欲測之量的測量結果。 相對法測量舉例n例如用“弦高法”測量大尺寸圓柱體的直徑，由弦長S與弦高H的測量結果，可求得直徑D的實際值，如圖所示。由圖可得n對上式微分后，得到測量結果的測量誤差為n式中 dS弦長S的測量誤差ndH弦高H的測量誤差。 HHSD42dHHSdSHSdD22412測量方法分類 （續(xù)）n2、按測量結果的讀數(shù)值不同分類n絕對測

21、量 從測量器具上直接得到被測參數(shù)的整個量值的測量。例如用游標卡尺測量零件軸徑值。n相對測量 將被測量和與其量值只有微小差別的同一種已知量（一般為測量標準量）相比較，得到被測量與已知量的相對偏差。例如比較儀用量塊調(diào)零后，測量軸的直徑，比較儀的示值就是量塊與軸徑的量值之差。 測量方法分類 （續(xù)）n3、按被測件表面與測量器具測頭是否有機械接觸分類n接觸測量 測量器具的測頭與零件被測表面接觸后有機械作用力的測量。如用外徑千分尺、游標卡尺測量零件等。為了保證接觸的可靠性，測量力是必要的，但它可能使測量器具及被測件發(fā)生變形而產(chǎn)生測量誤差，還可能造成對零件被測表面質量的損壞。n非接觸測量 測量器具的感應元件與被測零件表面不直接接觸，因而不存在機械作用的測量力。屬于非接觸測量的儀器主要是利用光、氣、電、磁等作為感應元件與被測件表面聯(lián)系。如干涉顯微鏡、磁力測厚儀、氣動量儀等。測量方法分類 （續(xù)）n4、按測量在工藝過程中所起作用分類n主動測量 在加工過程中進行的測量。其測量結果直接用來控制零件的加工過程，決定是否繼續(xù)加工或判斷工