精度實驗指導(dǎo)書x

1、制造科學(xué)與工程學(xué)院精 度 設(shè) 計 與 檢 測實 訓(xùn) 指 導(dǎo) 書金玉萍 主 編 西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院2015年3月目 錄實驗一 用立式光學(xué)計測量塞規(guī)實驗二 用自準(zhǔn)直儀測量直線度誤差實驗三 用光切顯微鏡測量表面粗糙度實驗四 幾何量綜合測量 實驗一 用立式光學(xué)計測量塞規(guī)一、實驗?zāi)康?. 了解立式光學(xué)計的測量原理，熟悉其使用方法。2. 熟悉量規(guī)公差標(biāo)準(zhǔn)及精度評定，掌握量塊的正確使用和維護(hù)方法。3. 熟悉軸直徑的測量方法。4. 初步掌握光滑工件尺寸的驗收極限的確定。5掌握數(shù)據(jù)處理方法和合格性判斷原則。二、實驗儀器和設(shè)備1. 投影立式光學(xué)計 一臺2. 被測件（光滑極限量規(guī)塞規(guī)） 一件3. 量塊

2、一塊三、實驗簡介 1儀器簡介 圖1.1刻線尺式立式光學(xué)計1-底座 2-支臂升降螺母 3-支臂 4-支臂緊固螺釘 5-立柱 6-直角光管 7-光管微動手輪 8-光管緊固螺釘9-測頭升降杠桿 10-測頭 11-工作臺立式光學(xué)計（立式光學(xué)比較儀）是一種精度較高、結(jié)構(gòu)簡單的光學(xué)儀器，一般采用相對法以量塊為長度基準(zhǔn)測量微差。除了用于測量精密的軸類零件外，還可以檢定5等和6等量塊。常見的立式光學(xué)計有兩種：刻線尺式立式光學(xué)計和JD3投影立式光學(xué)計，下面分別介紹:（l）刻線尺式立式光學(xué)計 儀器的基本技術(shù)性能指標(biāo)如下： 分度值 0.001mm 示值范圍（自中央µ虛線算起） 測量范圍 0180mm示值誤

3、差： 小于±0.06mm ±0.2µm大于±0.06mm ±0.25µm 儀器外形及主要部分功能見圖1.1.說明。（2）JD3投影立式光學(xué)計JD3投影立式光學(xué)計的基本技術(shù)性能指標(biāo)與刻線尺式立式光學(xué)計相同。 JD3立式光學(xué)計的外形及主要部分見圖1.22、測量原理光學(xué)杠桿放大原理兩種立式光學(xué)計都是利用光學(xué)杠桿放大原理進(jìn)行測量的，其光學(xué)系統(tǒng)如圖1.3所示。 圖1.2投影立式光學(xué)計 圖1.3 光學(xué)放大原理圖1.2：工作臺1、測頭2、測帽提升器3、微動固定螺釘4、讀數(shù)顯示窗5、投影燈6、微動螺釘7、橫臂8、橫臂固定螺釘9、升降螺母10、立柱11

4、、底盤12、變壓器13。圖1.3:光學(xué)放大原理：照明光線反射鏡1及三角棱鏡2照亮位于分劃板3左半部的標(biāo)尺4（共200格，分度值為1m），再經(jīng)直角棱鏡5及物鏡6后變成平行光束（分劃板3位于物鏡6的焦平面上），此光束被反射鏡7反射回來，再經(jīng)物鏡6、棱鏡5在分劃板3的右半部形成標(biāo)尺像。分劃板3右半部上有位置固定的指標(biāo)尺8，當(dāng)反射鏡7與物鏡6平行時，分劃板左半部的標(biāo)尺與右半部的標(biāo)尺像上下位置是對稱的，指標(biāo)尺8正好指向標(biāo)尺像的零刻線，如圖1.4（a）所示。當(dāng)被測尺寸變化，使測桿10推動反射鏡7繞其支承轉(zhuǎn)過某一角度時，則分劃板上的標(biāo)尺像將向上或向下移動一相應(yīng)的距離t，如圖1.4（b）所示。此移動量為被測尺

5、寸的變動量，可按指示所指格數(shù)及符號讀出。圖1.4 分劃板成像光學(xué)杠桿放大原理如圖1.5所示。S為被測尺寸變動量，t為標(biāo)尺像相應(yīng)的移動距離，物鏡及分劃板刻線面間的距離F為物鏡焦距，該測桿至反射鏡支承之間的距離為a，則放大比K為： 式中 F物鏡焦距； a測桿與支點(diǎn)間的距離。由于角一般很小，可取tan2=2,tan=，所以 K2F/a?？叹€尺式立式光學(xué)計一般光學(xué)計物鏡焦距F200mm，a5mm，則放大比K80。用12倍目鏡觀察時，標(biāo)尺像又放大12倍，因此總放大比n為： n12K=12 X 80 960當(dāng)測桿移動0.001mm時，在目鏡中可見到0.96mm的位移量。由于儀器的刻度尺刻度間距為0.96m

6、m ，即這個位移量相當(dāng)于刻度尺移動一個刻度距離， 所以儀器的分 圖1.5光學(xué)杠桿放大原理度值為1m 。 JD3投影立式光學(xué)計物鏡焦距F200mm，a5mm，則放大比K80。投影物鏡放大率18.75，讀數(shù)放大鏡的放大率1.1，總放大比n為： n1.1 X 18.75K=1.1 X 18.75 X 801650 當(dāng)測量桿移動微小距離0.001mm時，經(jīng)過1650 X的放大后，就相當(dāng)于在投影屏三所看到的1.65的距離。3、量塊的正確使用 量塊具有穩(wěn)定、耐磨、準(zhǔn)確和研合性。利用其研合性，可以在一定范圍內(nèi)，將不同尺寸的量塊進(jìn)行組合而形成所需的工作尺寸。量塊的正確使用：、選擇量塊，用竹夾子從量塊盒里夾出所

7、需用的量塊；、清洗：先用干凈棉花擦洗，在用沾上航空汽油的棉花擦洗，最后用綢布擦干量塊；、根據(jù)工作尺寸組合量塊。四、實驗步驟及內(nèi)容（參閱圖1.1） 以刻線尺式立式光學(xué)計為例說明其實驗步驟。1. 選擇測帽 測平面或圓柱面用球形測帽；測小于10mm的圓柱面用刀口形測帽；測球面用平測帽。2. 按被測的基本尺寸組合量塊組（用4等量塊）組合好的量塊放在工作臺上。 3. 調(diào)節(jié)零位粗調(diào)：松開鎖緊螺釘4，轉(zhuǎn)動粗調(diào)2，使測頭10與量塊上的測量面慢慢靠近，待兩者極為靠近時（約留出0.1mm，切勿接觸），將螺釘鎖緊。精調(diào)：松開螺釘8，轉(zhuǎn)動光管微調(diào)輪7，觀察目鏡視場，直至移動著的標(biāo)尺像處于零位附近時，再將螺釘8鎖緊。若

8、標(biāo)尺像不清晰，可調(diào)節(jié)目鏡視度環(huán)。微調(diào)：轉(zhuǎn)動微調(diào)輪7使標(biāo)尺像準(zhǔn)確對準(zhǔn)零位（圖1.6），然后用手輕輕按壓測頭升降杠桿9二至三次，檢查零位是否穩(wěn)定。若零位略有變化，可轉(zhuǎn)動微調(diào)輪7再次對零。4. 測量按壓測頭升降杠桿9，抬起測頭，取出量塊，將被測量規(guī)置于工作臺上，按圖1.7所要求的部位進(jìn)行測量?？上葘⒈粶y軸上點(diǎn)慢慢靠近測頭，并使其從測頭下慢慢滾過，由目鏡中讀取最大值（即讀數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)），此讀數(shù)就是被測尺寸相對量塊尺寸的偏差。讀數(shù)時注意正、負(fù)號。然后依次測量同一素線上的、點(diǎn)。用同樣的方法測量間隔的各條素線上的、點(diǎn)，將測量結(jié)果依次記入實驗報告中。測量完畢，復(fù)校零位，若差值超過半格必須重測。等精度測量：在通規(guī)的

9、同一部位重復(fù)測量10次，并記入報告中。 圖1.6 標(biāo)尺 圖1.7 測量示意圖五、實驗報告1. 根據(jù)測量數(shù)據(jù)判斷塞規(guī)通、止端是否合格（通規(guī)按使用過程來評定，各測量點(diǎn)數(shù)值均在極限尺寸范圍內(nèi)，該通規(guī)或止規(guī)合格。2. 等精度數(shù)據(jù)處理。根據(jù)測量的10次數(shù)據(jù)計算出測量值的平均值及測量算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，確定測量結(jié)果。 六、思考題1. 立式光學(xué)計測量塞規(guī)屬于何種測量方法2. 利用立式光學(xué)計說明什么是分度值，什么是刻度間距？實驗二 用自準(zhǔn)直儀測量直線度誤差一、實驗?zāi)康?.了解自準(zhǔn)直儀的工作原理和使用方法。2. 掌握自準(zhǔn)直儀測量直線度誤差的方法及數(shù)據(jù)處理。二、實驗儀器和設(shè)備1. 自準(zhǔn)直儀或精密雙向自準(zhǔn)直儀 一

10、臺2. 模擬的機(jī)床導(dǎo)軌（長約1100mm） 一個 三、實驗簡介自準(zhǔn)直儀是一種測量微小角度變化的儀器。儀器的基本技術(shù)性能指標(biāo)如下： 分度值 1”（1S）或 示值范圍 0-10 或 ±600S 測量范圍 0-8 m或0-5m本實驗采用測量全長垂直方向上的直線度誤差。自準(zhǔn)直儀有本體和反射鏡兩部分組成，如圖2.1。本體包括：平行光管、讀數(shù)顯微鏡和光學(xué)系統(tǒng)。 圖2.1自準(zhǔn)直儀的組成1讀數(shù)鼓輪 2目鏡 3、4分劃板 5轉(zhuǎn)動手輪 6-十字刻線分劃板 7濾光片 8光源 9立方棱鏡 10物鏡 11反射鏡 模擬導(dǎo)軌精密雙向自準(zhǔn)直儀的結(jié)構(gòu)與自準(zhǔn)直儀基本一樣，只是儀器可以改變測量方向。由自準(zhǔn)直儀光學(xué)系統(tǒng)（圖

11、2.1）可知，光源8發(fā)出的光線照亮了帶十字刻線的分劃板6，并通過立方棱鏡9及物鏡10形成平行光束投射到反射鏡11上。而經(jīng)反射鏡11返回之光線穿過物鏡10，投射到立方棱鏡9的半反光半透膜上，向上反射而匯聚在分劃板3和4上（兩個分劃板皆位于物鏡10的焦平面上）。其中件4是固定分劃板，上面刻有刻度線，而件3是可動分劃板，其上刻有一條指標(biāo)線。由于分劃板3、4都位于目鏡2的焦平面上，所以在目鏡視場中可以同時看到指標(biāo)線（黑色）、刻度線（不動的綠線）及十字刻線（可動的綠線）的影像。如果反射鏡11的鏡面與主光軸垂直，則光線由原路返回，在分劃板4上形成十字影像，此時若用指標(biāo)線對準(zhǔn)十字影像，則指標(biāo)線應(yīng)指在分劃板4

12、的刻線“10”上，且讀數(shù)鼓輪1的讀數(shù)正好為“0”（圖2.2（a）。當(dāng)反射鏡傾斜并與主光軸成a角時，也就是反射鏡鏡面與主光軸不垂直，此時，反射光線與主光軸成2a角。因此穿過物鏡后，在分劃板4上所成十字像偏離了中間位置。若移動指標(biāo)線對準(zhǔn)該十字像時，則指標(biāo)線不是指在“10”，而是偏離了一個值（圖2.l及圖2.2（b）。此偏離量與傾斜角a有一定關(guān)系，a的大小可以由分劃板4及鼓輪l的讀數(shù)確定。（a）讀數(shù)為1000格 (b)讀數(shù)為820格 圖2.2 分劃板及鼓輪的讀數(shù)鼓輪1上共有100個小格。而鼓輪每回轉(zhuǎn)周，分劃板3上的指標(biāo)線在視場內(nèi)移動l格，所以視場內(nèi)的l格等于鼓輪上的100個小格。讀數(shù)時，應(yīng)將視場內(nèi)讀

13、數(shù)與鼓輪上的讀數(shù)合起來。如圖22（a）。視場內(nèi)讀數(shù)為1000格，鼓輪讀數(shù)為0，合起來讀數(shù)應(yīng)為1000格。再如圖2.2（b），視場內(nèi)讀數(shù)為800格，鼓輪讀數(shù)為20格，故合起來讀數(shù)應(yīng)為820格。儀器的角分度值為l，即每小格代表l，故可容易地讀出傾斜角a的角度值。為了能直接讀出橋板與平臺兩接觸點(diǎn)相對于主光軸的高度差的數(shù)值（圖2.），可將格值轉(zhuǎn)化為線值來表示。此時，線分度值與反射鏡座（橋板）的跨距有關(guān)，當(dāng)橋板跨距為100mm時，則分度值就好為00005mm。（即 100mmx tanl”）。用自準(zhǔn)直儀測量直線度誤差，就是將被測要素與自準(zhǔn)直儀發(fā)出的平行光線（模擬理想直線）相比較，并將所得數(shù)據(jù)用作圖法或計

14、算法求出被測要素的直線度誤差值。四、實驗步驟及內(nèi)容自準(zhǔn)直儀本體l是固定的，通過移動帶有反射鏡2的橋板進(jìn)行測量，見圖2.3。1. 將自準(zhǔn)直儀本體和反射鏡座均放置在被測平面的一端，接通本體電源后左右微微轉(zhuǎn)動反射鏡座，使鏡面與儀器光軸垂直，此時從儀器目鏡中能看到從鏡面反射回來的十字亮帶。旋轉(zhuǎn)鼓輪，使活動分劃板上的水平刻線與十字亮帶的水平亮帶中間重合，并讀出鼓輪讀數(shù)（即01測點(diǎn)位置上讀數(shù)就是1點(diǎn)相對零點(diǎn)的高度差值）；2. 將橋板依次移到l2、23、34、45等各位置，并重復(fù)上述1、2之操作，記取各次讀數(shù)、等數(shù)值；3. 再將橋板按54、43、32、2l、l0的順序，依次回測，記下各次讀數(shù)、。若兩次讀數(shù)相

15、差較大，應(yīng)檢查原因后重測；4. 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并用作圖法求直線度誤差.五、實驗報告1. 及時編寫實驗報告書。2. 數(shù)據(jù)處理方法。舉例說明：如圖2.3所示，橋板的跨距e100mm，導(dǎo)軌長L500mm，可將測量的平臺分為5段，測得數(shù)據(jù)如表2.l所示。表2.1測量的數(shù)據(jù)測定點(diǎn)012345順測讀數(shù)0+3+14-4+38-20回測讀數(shù)0+1+16-6+42-20平均值0+2+15-5+40-20相對測點(diǎn)1的讀數(shù)00+13-7+38-22累積值00+13+6+44+22 圖 2.3測量儀器 圖2.4數(shù)據(jù)處理為了用最小條件法求出直線度誤差，可在直角坐標(biāo)上按累積坐標(biāo)值的方法畫出如圖3.4所示的誤差曲線。然后，用

16、兩條距離為最小的平行直線包容此誤差曲線，則兩平行線間按縱坐標(biāo)方向的距離即為直線度誤差，在此例中為。符合最小條件平行直線的畫法是：使曲線上所有點(diǎn)都處于兩條平行直線之間，且曲線有兩個最低點(diǎn)落在下邊直線上，而此兩點(diǎn)之間必有最高點(diǎn)落在上邊直線上（叫做“低一高一低”準(zhǔn)則）；或者曲線有兩個最高點(diǎn)落在上邊的直線上，而此兩點(diǎn)之間有最低點(diǎn)落在下邊的直線上（叫做“高一低一高”準(zhǔn)則）；或者連接曲線的首點(diǎn)和末點(diǎn)得一直線（叫做“端點(diǎn)連線”準(zhǔn)則，做平行線分別經(jīng)過曲線的高點(diǎn)和低點(diǎn)，則曲線包括在這兩條平行線之間。六、思考題為什么要累積值作圖？根據(jù)實驗所畫曲線，按兩端點(diǎn)連線法和最小包容區(qū)域法求得的誤差值是否相同？在所畫的誤差圖

17、形上，應(yīng)按包容線的垂直距離取值，還是縱坐標(biāo)方向取值？實驗三 用光切顯微鏡測量表面粗糙度一、實驗?zāi)康?.了解光切顯微鏡的基本技術(shù)性能和測量原理；2.學(xué)會使用光切顯微鏡測量Rz（微觀不平度十點(diǎn)高度）、（輪廓最大高度）和RSm（輪廓單元的平均寬度）；3.加深對評定數(shù)Rz、和RSm的理解。二、實驗儀器和設(shè)備1. 光切顯微鏡 一臺2. 被測粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣板 一個三、實驗簡介1. 儀器簡介光切顯微鏡是測量表面粗糙度的常用儀器之一，它主要用于測量評定參數(shù)Rz和。儀器附有四種放大倍數(shù)各不相同的物鏡，可以根據(jù)被測表面粗糙度之高低進(jìn)行更換。光切顯微鏡可以測量Rz為0.880的表面粗糙度參數(shù)。它的主要技術(shù)性能指標(biāo)見表

18、3.1所列。表3.1光切顯微鏡主要技術(shù)性能指標(biāo)物鏡放大倍數(shù)A總放大倍數(shù)視場直徑測量范圍目鏡套筒分度值C2.520801.251.36.3200.630.61.66.30.2940.31.01.60.1452. 測量原理光切法原理 雙管顯微鏡是根據(jù)光切法原理制成的光學(xué)儀器。其測量原理如圖3.l（a）所示。儀器有兩個光管：光源管及觀察管。由光源l發(fā)出的光線經(jīng)狹縫2及物鏡3以的方向投射到被測工件表面上，該光束如同一平面（也稱光切面）與被測表面角相截，由于被測表面粗糙不平，故兩者交線為一凸凹不平的輪廓線，見圖3.l（b）。該光線又由被測表面反射，進(jìn)人與光源管主光管軸相垂直的觀察管中，經(jīng)物鏡4成像在分劃

19、板5上，再通過目鏡6就可觀察到一條放大了的凸凹不平的光帶影像。由于此光帶影像反映了被測表面粗糙度之狀態(tài)，故可對其進(jìn)行測量。這種用光平面切割被測表面而進(jìn)行粗糙度測量的方法，叫光切法。 注：（在GB/T10311995中稱十點(diǎn)高度在GB/T35052000中沒有此參數(shù)，但我國目前仍在普遍使用，放在此提出供參考）。由圖3l（a）可知，被測表面的實際不平高度h與分劃板上光帶影像的高度h有下述關(guān)系 式中 A物鏡實際放大倍數(shù)光束投射方向 光學(xué)影像 觀察方向 觀察管、主光管 光源管、主光束 （a） 圖3.1測量原理 （b）光帶影像高度是用目鏡測微器（圖3.2（a）來測量的。目鏡測微器中有一塊固定分劃板和一塊

20、活動分劃板。固定分劃板上刻有08共9個數(shù)字和9條刻線。而活動分劃板上刻有十字線及雙刻線，轉(zhuǎn)動刻度套簡可使其移動。測量時轉(zhuǎn)動刻度套筒，讓十字線上的一條線（如圖3.2（b）中的水平線）先后與影像的峰、谷相切，由于十字線移動方向與影像高度方向成角，所以影像高度與十字線移動距離（即）有下述關(guān)系，因此，被測表面的實際不平度為： 上式中的就是測微器兩次讀數(shù)之差，還應(yīng)確定測微器的分度值是多大。由于目鏡測微螺桿的螺距為1mm，測微套筒上刻有100個格，故格值為0.01mm。，即10，因而上式可寫成。由于測量的是放大了的影像，所以需將格值換算到被測表面的實際粗糙度的高度上，則格值就不是 10 而是 10A。為了

21、簡化計算，將上 圖3.2讀數(shù)原理式中的也乘進(jìn)去，則分度值為:所以 表3.1所列目鏡套筒分度值C為理論計算值。分度值可有說明書給定或從表3.中查出。實際選用時通常用量儀附帶的標(biāo)準(zhǔn)刻線尺來校定。四、實驗步驟及內(nèi)容對照光切顯微鏡的外形圖（圖3.3）進(jìn)行操作?？v向千分尺工作臺緊固螺釘橫向千分尺工作臺被測試樣緊固螺釘微調(diào)手輪支臂鎖緊螺釘支臂升降調(diào)節(jié)螺母 圖3.3 光切顯微鏡的外形1. 估計或選擇被測試樣的粗糙度范圍，選用合適的物鏡組。優(yōu)先選用低倍組，并裝入儀器。 2. 接通電源，將表面擦凈后的被測試樣放在儀器工作臺上。應(yīng)使被測表面的加工紋理方向與投射在工件表面上的綠色光帶垂直。松開鎖緊螺釘8，緩緩轉(zhuǎn)動粗

22、調(diào)螺母9，使支臂帶動雙管慢慢下降，（注意：切勿使物鏡撞到工件表面上），注視工件被測表面，直至其上出現(xiàn)一條狹窄的綠色光帶后，再將螺釘8鎖緊。松開鎖緊螺釘6，轉(zhuǎn)動目鏡測微器，使十字線的一條線平行于光帶的輪廓中線（圖3.2），中線方向是估計的，然后擰緊螺釘6。. 進(jìn)行測量首先應(yīng)學(xué)會讀數(shù)方法。先由視場內(nèi)雙標(biāo)線所處位置確定讀數(shù)，然后讀取刻度套筒上指示的格數(shù)，并取兩者讀數(shù)之和。由于套筒每轉(zhuǎn)過一周（100個格），視場內(nèi)雙標(biāo)線移動一個格，若以套筒上的“格”作為讀數(shù)單位，則圖3.2（a）的讀數(shù)就是339格（視場內(nèi)讀數(shù)為300格，套筒讀數(shù)為39格）。（1）測量微觀不平度十點(diǎn)高度：旋轉(zhuǎn)目鏡測微器的套筒，在取樣長度范

23、圍內(nèi)，使目鏡中十字線的水平線在光帶清晰一邊分別與五個高峰和五個底谷相切，然后讀取10個讀數(shù)，如圖3.4（a）所示： 及 。根據(jù)微觀不平度十點(diǎn)高度定義有 式中C分度值。（2）求輪廓最大高度：在上述測得的5個峰值中找出最大峰高，在5個谷值中找出最低谷值，按照輪廓最大高度定義有 （3）輪廓單元的平均寬度RSm：用十字線中的垂直線對準(zhǔn)光帶影像的第一個峰頂，見圖3.4（b）所示，并由工作臺的縱向千分尺上讀取數(shù)S，然后移動工作臺，在取樣長度lr范圍內(nèi)用十字線中的垂直線數(shù)出輪廓峰的個數(shù)n，并對準(zhǔn)最后一個峰頂，即第n個峰，再讀取讀數(shù)Sn。按照輪廓單元的平均寬度RSm定義有：五、實驗報告1. 判斷合格性并說明理由。六、思考題何謂取樣長度，測量時是如何確定的？測量時如何估計中線的方向？為什么只測量光帶一邊的高峰和低谷？實驗四 幾何量綜合測量一、實驗?zāi)康?.了解三坐標(biāo)測量儀的工作原理和應(yīng)用范圍。2.學(xué)會使用三坐標(biāo)測量儀。3.培養(yǎng)學(xué)生對零件的綜合檢驗?zāi)芰?。二、實驗儀器和設(shè)