3第三章--测量技术基础解析.ppt

机械工程学院秋学期学风建设重点提示机械工程学院秋学期学风建设重点提示 从我做起，从现在做起，请执行学生手册！v上课：杜绝迟到，旷课5次需重修、旷课3次考核总分打折。v课程：修满规定的学分和课程是毕业的前提。v考试：全院统一实施全覆盖课程考核，中期考试占40%、结束考试占4050%、平时占10%、实验占10%。v创新：创新学分必须完成，是毕业的刚性指标。v学籍：欠25学分泪别本班，欠35学分与盐工再见。v学位：考核均分达70分，英语四级380分，无处分。v纪律：考试作弊即获留校察看或开除学籍处分。v资源：主动获取教师与实验室资源，不用考虑费用。第三章第三章 测量技术基础测量技术基础第一节第一节 概述概述v为了满足机械产品的功能要求，在正确合理地完成了可靠性、使用寿命、运动精度等方面的设计以后，还须进行加工和装配过程的制造工艺设计，即确定加工方法、加工设备、工艺参数、生产流程及检测手段。其中，特别重要的环节就是质量保证措施中的精度检测。v“检测”就是确定产品是否满足设计要求的过程，即判断产品合格性的过程。检测的方法可以分为两类：定性检验和定量测试。定性检验的方法只能得到被检验对象合格与否的结论，而不能得到其具体的量值。因其检验效率高、检验成本低而在大批量生产中得到广泛应用。定量测试的方法是在对被检验对象进行测量后，得到其实际值并判断其是否合格的方法。一、技术测量的概念v“测量”是以确定量值为目的的全部操作。测量过程实际上就是一个比较过程，也就是将被测量与标准的单位量进行比较，确定其比值的过程。若被测量为L，计量单位为u，确定的比值为q，则测量可表示为vL=quv一个完整的测量过程应包含被测量、计量单位、测量方法（含测量器具）和测量精度等四个要素。被测量v被测量在机械精度的检测中主要是有关几何精度方面的参数量，其基本对象是长度和角度。但是，长度量和角度量在各种机械零件上的表现形式却是多种多样的，表达被测对象性能的特征参数也可能是相当复杂的。因此，认真分析被测对象的特性，研究被测对象的含义是十分重要的。例如，表面粗糙度的各种评定参数，齿轮的各种误差项目，尺寸公差与形位公差之间的独立与相关关系等。计量单位v计量单位（简称单位）是以定量表示同种量的量值而约定采用的特定量。我国规定采用以国际单位制（SI）为基础的“法定计量单位制”。它是由一组选定的基本单位和由定义公式与比例因数确定的导出单位所组成的。如“米”、“千克”、“秒”、“安”等为基本单位。机械工程中常用的长度单位有“毫米”、“微米”和“纳米”，常用的角度单位是非国际单位制的单位“度”、“分”、“秒”和国际单位制的辅助单位“弧度”、“球面度”。v在测量过程中，测量单位必须以物质形式来体现，能体现计量单位和标准量的物质形式有：光波波长、精密量块、线纹尺、各种圆分度盘等。测量方法v测量方法是根据一定的测量原理，在实施测量过程中对测量原理的运用及其实际操作。v广义地说，测量方法可以理解为测量原理、测量器具（计量器具）和测量条件（环境和操作者）的总和。v在实施测量过程中，应该根据被测对象的特点（如材料硬度、外形尺寸、生产批量、制造精度、测量目的等）和被测参数的定义来拟定测量方案、选择测量器具和规定测量条件，合理地获得可靠的测量结果。测量精度v测量结果与真值的一致程度。不考虑测量精度而得到的测量结果是没有任何意义的。v真值的定义为：当某量能被完善地确定并能排除所有测量上的缺陷时，通过测量所得到的量值。v由于测量会受到许多因素的影响，其过程总是不完善的，即任何测量都不可能没有误差。对于每一个测量值都应给出相应的测量误差范围，说明其可信度。检测的一般步骤v确定被检测项目 认真审阅被测件图纸及有关的技术资料，了解被测件的用途，熟悉各项技术要求，明确需要检测的项目。v设计检测方案 根据检测项目的性质、具体要求、结构特点、批量大小、检测设备状况、检测环境及检测人员的能力等多种因素，设计一个能满足检测精度要求，且具有低成本、高效率的检测预案。v选择检测器具 按照规范要求选择适当的检测器具，设计、制作专用的检测器具和辅助工具，并进行必要的误差分析。检测的一般步骤（续）v检测前准备 清理检测环境并检查是否满足检测要求，清洗标准器、被测件及辅助工具，对检测器具进行调整使之处于正常的工作状态。v采集数据 安装被测件，按照设计预案采集测量数据并规范地作好原始记录。v数据处理 对检测数据进行计算和处理，获得检测结果。v填报检测结果 将检测结果填写在检测报告单及有关的原始记录中，并根据技术要求作出合格性的判定。二、尺寸传递v在国际单位制及我国法定计量单位中，长度的基本单位名称是“米”，其单位符号为“m”。v“米”的定义于18世纪末始于法国，当时规定“米等于经过巴黎的地球子午线的四千万分之一”。19世纪“米”逐渐成为国际通用的长度单位。1889年在法国巴黎召开了第一届国际计量大会，从国际计量局订制的30根米尺中，选出了作为统一国际长度单位量值的一根米尺，把它称之为“国际米原器”。v1983年第17届国际计量大会又更新了米的定义，规定：“米”是在真空中在1/299792458s的时间间隔内行进路程的长度。三、量块的基本知识v使用波长作为长度基准，虽然可以达到足够的精确度，但因对复现的条件有很高的要求，不便在生产中直接用于尺寸的测量。因此，需要将基准的量值按照定义的规定，复现在实物计量标准器上。常见的实物计量标准器有量块（块规）和线纹尺。v量块用铬锰钢等特殊合金钢或线膨胀系数小、性质稳定、耐磨以及不易变形的其它材料制成。其形状有长方体和圆柱体两种，常用的是长方体。（一）量块的构成及术语v长方体的量块有两个平行的测量面，其余为非测量面。测量面极为光滑、平整，其表面粗糙度Ra值达0.012m以上，两测量面之间的距离即为量块的工作长度（标称长度）。标称长度到5.5mm的量块，其公称值刻印在上测量面上；标称长度大于5.5mm的量块，其公称长度值刻印在上测量面左侧较宽的一个非测量面上 两相互平行的测量面之间的距离为量块的工作长度，称为标称长标称长度度（量块上标出的长度）。从量块一个测量面上任意点到与这个量块另一个测量面相研合的面的垂直距离称为量块长量块长度度Li。从量块一个测量面中心点到与这个量块另一个测量面相研合的面的垂直距离称为量块的中心长度中心长度。L4L3L2L量块L1平晶图3-4量块（二）量块的用途v作为长度尺寸标准的实物载体，将国家的长度基准按照一定的规范逐级传递到机械产品制造环节，实现量值统一。v作为标准长度标定量仪，检定量仪的示值误差。v相对测量时以量块为标准，用测量器具比较量块与被测尺寸的差值。v也可直接用于精密测量、精密划线和精密机床的调整。（三）量块的精度（级）v按国标GB6093-85，量块按制造精度分6级，即00、0、1、2、3和K级，其中00级精度最高，3级最低，K级为校准级，主要根据量块长度极限偏差、测量面的平面度、粗糙度及量块的研合性等指标来划分的。v量块生产企业大都按“级”向市场销售量块。用量块长度极限偏差（中心长度与标称长度允许的最大误差）控制一批相同规格量块的长度变动范围；用量块长度变动量（量块最大长度与最小长度之差）控制每一个量块两测量面间各对应点的长度变动范围。用户则按量块的标称尺寸使用量块。因此，按“级”使用量块必然受到量块长度制造偏差的影响，将把制造误差带入测量结果。量块的精度（等）v制造高精度的量块的工艺要求高、成本也高，而且即使制造成高精度量块，在使用一段时间后，也会因磨损而引起尺寸减小，使其原有的精度级别降低。因此，经过维修或使用一段时间后的量块，要定期送专业部门按照标准对其各项精度指标进行检定，确定符合哪一“等”，并在检定证书中给出的标称尺寸的修正值。v标准规定了量块按其检定精度分为六等，即1、2、3、4、5、6等，其中1等精度最高，6等精度最低，“等”主要依据量块中心长度测量的极限偏差和平面平行性允许偏差来划分的。量块的“级”与“等”v量块的“级”和“等”是从成批制造和单个检定两种不同的角度出发，对其精度进行划分的两种形式。v按“级”使用时，以标记在量块上的标称尺寸作为工作尺寸，该尺寸包含其制造误差。v按“等”使用时，必须以检定后的实际尺寸作为工作尺寸，该尺寸不包含制造误差，但包含了检定时的测量误差。v就同一量块而言，检定时的测量误差要比制造误差小得多。所以，量块按“等”使用时其精度比按“级”使用要高，且能在保持量块原有使用精度的基础上延长其使用寿命。量块的选用v量块是定尺寸量具，一个量块只有一个尺寸。为了满足一定范围的不同要求，量块可以利用其测量面的高精度所具有粘合性，将多个量块研合在一起，组合使用。根据标准GB609385规定，我国成套生产的量块共有17中套别，每套的块数分别为91、83、46、12、10、8、6、5、等。表3-4所列为83块组和91块组一套的量块的尺寸系列。v粘合性：测量层表面有一层极薄的油膜，在切向推合力的作用下，由于分子间吸引力，使两量块研合在一起的特性。量块的组合v为了减少量块的组合误差，应尽量减少量块的组合块数，一般不超过4块。选用量块时，应从所需组合尺寸的最后一位数开始，每选一块至少应减去所需尺寸的一位尾数。例如，从83块一套的量块中选取尺寸为36.745mm的量块组，选取方法为：v 36.745 所需尺寸v -1.005 第一块量块尺寸v 35.74v -1.24 第二块量块尺寸v 34.5v -4.5 第三块量块尺寸v 30.0 第四块量块尺寸 量块使用的注意事情项v量块必须在使用有效期内，否则应及时送专业部门检定。v使用环境良好，防止各种腐蚀性物质及灰尘对测量面的损伤，影响其粘合性。v分清量块的“级”与“等”，注意使用规则。v所选量块应用航空汽油清洗、洁净软布擦干，待量块温度与环境温度相同后方可使用。v轻拿、轻放量块，杜绝磕碰、跌落等情况的发生。v不得用手直接接触量块，以免造成汗液对量块的腐蚀及手温对测量精确度的影响。v使用完毕，应用航空汽油清洗所用量块，并擦干后涂上防锈脂存于干燥处。第二节 计量器具和测量方法v 是一种具有固定形态、用以复现或提供一个或多个已知量值的器具。按用途的不同量具可分为以下几类：v单值量具 只能体现一个单一量值的量具。可来校对和调整其它测量器具或作为标准量与被测量直接进行比较。如量块、角度量块等。v多值量具 可体现一组同类量值的量具。同样能校对和调整其它测量器具或作为标准量与被测量直接进行比较。如线纹尺、90角尺等。测量器具的分类（续）v专用量具 专门用来检验某种特定参数的量具。常见的有：检验光滑圆柱孔或轴的光滑极限量规，判断内螺纹或外螺纹合格性的螺纹量规，判断复杂形状的表面轮廓合格性的检验样板，用模拟装配通过性来检验装配精度的功能量规等等。v通用量具 我国习惯上将结构比较简单的测量仪器称为通用量具。如游标卡尺、外径千分尺、百分表等。二、测量器具的基本度量指标v量具的标称值 标注在量具上用以标明其特性或指导其使用的量值。如标在量块上的尺寸，标在刻线尺上的尺寸，标在角度量块上的角度,量块的标注值等。v刻线间距 测量器具标尺或刻度盘上两相邻刻线中心间的距离。为便于读数，一般做成刻线间距为0.752.5mm的等距离刻线。v分度值 测量器具的标尺上，相邻两刻线所代表的量值之差。如一外径千分尺的微分筒上相邻两刻线所代表的量值之差为0.01mm，则该测量器具的分度值为0.01mm。分度值是一种测量器具所能直接读出的最小单位量值，它反映了读数精度的高低，从一个侧面说明了该测量器具的测量精度高低。测量器具的基本度量指标（续）v示值 由测量器具所指示的被测量值。v示值范围 由测量器具所显示或指示的最低值到最高值的 范 围。如 机 械 式 比 较 仪 的 示 值 范 围 为-0.1+0.1mm（或0.1mm），如图所示。v测量范围 在允许不确定度内，测量器具所能测量的被测量值的下限值至上限值的范围。例如，外径千分尺的测量范围有025mm、2550mm等，机械式比较仪的测量范围为0180mm，如图所示。v测量力 在接触式测量过程中，测量器具测头与被测量面间的接触压力。测量力太大会引起弹性变形，测量力太小会影响接触的稳定性。第二节第二节 常用计量器具的技术指标常用计量器具的技术指标1 1 刻度间距刻度间距(a)(a)：计量器具刻度标尺或度盘上两相邻刻线计量器具刻度标尺或度盘上两相邻刻线中心线间的距离。为了便于读数，刻度间距一般为中心线间的距离。为了便于读数，刻度间距一般为1 12.5 mm2.5 mm。刻度间距刻度间距仪器标尺仪器标尺+_ _2 2 分度值分度值(i)(i)：计量器具标尺上每刻线间距所代表的量值。计量器具标尺上每刻线间距所代表的量值。一般长度计量器具的分度值有一般长度计量器具的分度值有0.10.1、0.010.01、0.0010.001、0.0005 mm0.0005 mm。仪器标尺仪器标尺刻度间距刻度间距刻度值刻度值mmmm_ _+3 3 测量范围测量范围：在允许的误差极限内，计量器具所能在允许的误差极限内，计量器具所能测量的工件大小。测量范围测量的工件大小。测量范围 工件尺寸工件尺寸仪器测量范围仪器测量范围（0 0180180）mmmm仪器标尺仪器标尺_ _+4 4 示值范围示值范围：测量器具标尺上能显示的最低值到最测量器具标尺上能显示的最低值到最 高值的范围。示值范围高值的范围。示值范围 工件公差工件公差仪器标尺仪器标尺mmmm_ _+示值范围示值范围5 5 示值误差示值误差(i i)：计量器具示值减去被测量的真值所得计量器具示值减去被测量的真值所得的差值。即的差值。即i i =L Li i -LgLg6 6 修正量修正量()()：为消除系统误差，用代数法加到测量结：为消除系统误差，用代数法加到测量结果上的值。果上的值。=-=-i i ，修正后得修正后得 LgLg =L=Li i+7 7 示值的变动性：在相同的测量条件下，对同一被测量进示值的变动性：在相同的测量条件下，对同一被测量进行多次测量时，所测值的最大差异。行多次测量时，所测值的最大差异。8 8 灵敏度灵敏度:计量器具指针对被测量变化的反映能力。计量器具指针对被测量变化的反映能力。S=L/XS=L/X 放大比放大比 K=a/iK=a/i 9 9 不确定度：由于测量误差的存在而对被测量值不能肯定不确定度：由于测量误差的存在而对被测量值不能肯定的程度。的程度。测量器具的基本度量指标（续）v灵敏阈 引起测量器具示值可觉察变化的被测量值的最小变化量。反映量仪对被测量值微小变动的不敏感程度。v重复性 在规定的使用条件下，重复用相同的激励，测量仪器给予出非常相似响应的能力。反映的是测量仪器的工作稳定性。第三节第三节 测量方法的分类测量方法的分类一一 直接测量与间接测量直接测量与间接测量 1 1 直接测量：所测值就是被测量直接测量：所测值就是被测量游标卡尺游标卡尺被测件被测件2 2 间接测量：测量有关量，并通过一定的函数关系，求得间接测量：测量有关量，并通过一定的函数关系，求得被测量的量值。被测量的量值。LHR R=+L28HH2 二二 绝对测量与相对测量绝对测量与相对测量 1 1 绝对测量：从计量器具标尺上直接读出被测量的整个绝对测量：从计量器具标尺上直接读出被测量的整个 数值。数值。2 2 相对测量：计量器具标尺上指示的值是被测量相对于相对测量：计量器具标尺上指示的值是被测量相对于 标准量的偏差值。标准量的偏差值。标标准准值值被被测测件件调调零零偏差值偏差值三三 综合测量与单项测量综合测量与单项测量 1 1 综合测量：同时测量零件上的几个有关参数，从而综综合测量：同时测量零件上的几个有关参数，从而综合评定零件是否合格。合评定零件是否合格。minmin公差公差工工件件轴轴通端通端止端止端用用光滑极限量规光滑极限量规检验工件时检验工件时,通端通端能通过工件能通过工件,止端止端不能通过工件时不能通过工件时,则该工件是合格则该工件是合格的的.2 2 单项测量：分别测量零件的各个参数。单项测量：分别测量零件的各个参数。maxmax四四 接触测量与非接触测量接触测量与非接触测量1 1 接触测量：仪器的测量头与测量零件表面接触，并有接触测量：仪器的测量头与测量零件表面接触，并有机械作用力存在。机械作用力存在。被测表面被测表面杠杆测头轴线杠杆测头轴线测量线测量线2 2 非接触测量：仪器的测量头与被测量零件表面不接触，非接触测量：仪器的测量头与被测量零件表面不接触，没有机械作用力存在。没有机械作用力存在。五五 离线测量与在线测量离线测量与在线测量1 1 离线（被动）测量：零件加工后进行的测量离线（被动）测量：零件加工后进行的测量2 2 在线（主动）测量：零件在加工过程中进行的测量在线（主动）测量：零件在加工过程中进行的测量反反馈馈 六六 静态测量与动态测量静态测量与动态测量 1 1 静态测量：测量时，被测表面与测量头是相对静止的。静态测量：测量时，被测表面与测量头是相对静止的。测量头测量头测量表面测量表面 2 2 动态测量：测量时，被测表面与测量头有相对运动，动态测量：测量时，被测表面与测量头有相对运动，它能反映被测参数的变化过程。它能反映被测参数的变化过程。测量方法分类（续）v7、按测量中测量因素是否变化分类v等精度测量 在测量过程中，决定测量精度的全部因素或条件不变。例如，由同一个人，用同一台仪器，在同样的环境中，以同样方法，同样仔细地测量同一个量。在一般情况下，为了简化测量结果的处理，大都采用等精度测量。实际上，绝对的等精度测量是做不到的。v不等精度测量 在测量过程中，决定测量精度的全部因素或条件可能完全改变或部分改变。由于不等精度测量的数据处理比较麻烦，因此一般用于重要的科研实验中的高精度测量。第第三节三节 测量误差与数据处理测量误差与数据处理v一、测量误差的概述二、随机误差1.随机误差的分布规律及其特性 随机误差可用试验方法来确定。实践表明，大多数情况下，随机误差符合正态分布。为便于理解，现举例说明。测量误差系统误差+随机误差+粗大误差 测量精度：精密度（重复性）正确度（系统误差大小）精确度（准确度）表3-2 测量数据统计表尺寸分组区间/mm组号区间中心值/mm每组出现的次数（频数n i）频率（n i/n）19.99019.99219.99219.99419.99419.99619.99619.99819.99820.00020.00020.00220.00220.00420.00420.00620.00620.00820.00820.01020.01020.012123456789101119.99119.99319.99519.99719.99920.00120.00320.00520.00720.00920.0112410243745392312310.010.020.050.120.1850.2250.1950.1150.060.0150.005yO正态分布曲线教材图3-9频率直方图和正态分布曲线19.99120.0070.2250.120.01x=20.0 ni/n实际分布曲线从理论上讲，正态分布中心位置的均值代表被测量的真值Q，标准偏差代表测得值的集中与分散程度。不同的对应不同形状的正态分布曲线，越小，ymax值越大，曲线越陡，随机误差越集中，即测得值分布越集中，测量精密度越高；越大，ymax值越小，曲线越平坦，随机误差越分散，即测得值分布越分散，测量精密度越低。图3-10所示为123S （3-22）剔除具有粗大误差的测量值后，应根据剩下的测量值重新计算S，然后再根据3准则去判断剩下的测量值中是否还存在粗大误差。每次只能剔除一个，直到剔除完为止。在测量次数较少(小于10次）的情况下，最好不用3准则，而用其他准则。小结小结 本节课主要内容包括测量的基本概念；量块基本知识，随机误差的分布规律及其特性；测量列中随机误差的处理；测量结果的数据处理。第六节第六节 光滑工件尺寸的检测光滑工件尺寸的检测 国家标准极限与配合中测量与检验部分规定了这两种检测方法的国家标准：光滑工件尺寸的检验（GB/T31771997）光滑极限量规（GB/T19571981）一、通用计量器具测量工件一、通用计量器具测量工件 表3-4计量器具的极限误差计量器具名称分度值mm所用量块尺寸范围mm检定等别精度级别11010505080801201201801802600260360360500测量极限误差立式卧式光学计测外尺寸0.00145120.40.70.61.00.81.31.01.61.21.81.82.52.53.53.04.5立式卧式测长0.001绝对测量1.11.51.92.02.32.33.03.5仪测外尺寸卧式测长仪0.001绝对测量2.53.03.33.53.84.24.8测内尺寸测长机0.001绝对测量1.01.31.62.02.54.05.06.0万能工具显微镜0.001绝对测量1.522.52.533.5大型工具显微镜0.01绝对测量55接触式干涉仪0.1 验收极限的适用性图3-16Cp1采用包容要求时的验收极限Dmax(L)ADmin(M)上验收极限下验收极限孔公差带DM上验收极限下验收极限轴公差带dmax(M)Admin(L)dM3-17偏态分布时的验收极限下验收极限上验收极限 Admindmax轴公差带上验收极限下验收极限 ADminDmax孔公差带计量器具的选择计量器具的选择 表3-5 安全裕度（A）与计量器具的测量不确定度允许值（u1）注：u1分、档，一般情况下应优先选用档，其次选用档、档。二、用光滑极限量规检验工件二、用光滑极限量规检验工件 通孔公差孔最小极限尺寸止孔最大极限尺寸轴公差轴最大极限尺寸通轴最小极限尺寸止轴用卡规或环规 孔用塞规偏离泰勒原则量规的影响：偏离泰勒原则量规的影响：Dmin(b)不全形塞规Dm被检孔DaDmax被检孔(a)全形止规的影响量规形式及应用范围 止规通规3151850010002112片状塞规全形塞规球端杆规不全形塞规a)测孔量规的型式及应用范围 止规通规10050002112b)测轴量规的型式及应用范围 环规卡规25-0.0222-0.02460.080.0825-0.0386-0.04125f7“Z”“T”0.080.0825+0.0033+0.006725+0.0296+0.033“T”25H8“Z”量规工作图图3-23工作量规工作尺寸的标注本本 章章 小小 结结 1.测量技术的基础知识测量技术的基础知识主主要要内内容容包包括括量量值值传传递递系系统统，量量块块基基本本知知识识，测测量量器器具具的的分分类类及及其其主主要要技技术术指指标标，测测量量误误差差的的特特点点及及分分类类，测测量量误误差差的的处处理理方方法法，测测量量结结果的数据处理。果的数据处理。2.光滑工件尺寸的检测光滑工件尺寸的检测(1)用用通通用用计计量量器器具具测测量量工工件件（GB/T31771997）通通常常车车间间使使用用的的普普通通计计量量器器具具在在选选用用时时，应应使使所所选选择择的的计计量量器器具具不不确确定定度度u计计不不大大于于且且接接近近于于计计量量器器具具不不确确定定度度的的允允许许值值u 1；验验收收极极限限可可采采用内缩和不内缩两种方式来确定，见下表。用内缩和不内缩两种方式来确定，见下表。验收极限的确定确定验收极限的方式验收极限应用应用内缩方式将工件的验收极限从工件的极限尺寸向工件的公差带内缩一个安全裕度A上验收极限尺寸 最大极限尺寸A下验收极限尺寸 最小极限尺寸A主要用于采用包容要求的尺寸和公差等级较高的尺寸不内缩方式安全裕度A0上验收极限尺寸 最大极限尺寸下验收极限尺寸 最小极限尺寸主要用于非配合尺寸和一般公差尺寸