(精品)3 测量技术基础.ppt

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1、本章教学重点本章教学重点：了解长度测量基准和尺寸传递系统掌握常用的计量器具和测量方法计量器具和测量方法计量器具和测量方法计量器具和测量方法了解新技术在长度计量中的应用了解新技术在长度计量中的应用了解新技术在长度计量中的应用了解新技术在长度计量中的应用能够对检测数据进行分析处理检测数据进行分析处理检测数据进行分析处理检测数据进行分析处理了解光滑工件尺寸的检验第三章第三章 测量技术基础测量技术基础第一节第一节 测量技术的基本概念测量技术的基本概念 “测量”是以确确定定量量值值为目的的全部操作。测量过程实际上就是一个比较过程，也就是将被被测测量量与与标标准准的的单单位位量量进进行行比比较较，确确定定

2、其其比比值值的过程的过程。若若被被测测量量为为L，计计量量单单位位为为E，确确定定的的比比值值为为q，则测量可表示为则测量可表示为 L=qE 一个完整的测量过程应包含被被测测对对象象、计计量量单位、测量方法和测量精度单位、测量方法和测量精度等四个要素。一、有关测量的基本概念一、有关测量的基本概念几何量测量几何量测量被测对象：在机械精度的检测中主要是有有关关几几何何精精度度方方面面的的参参数数量量，其其基基本本对对象象是是长长度度、角角度度、表面粗糙度、形位误差表面粗糙度、形位误差等等。计计量量单单位位：是是是是以以以以度度度度量量量量同同同同类类类类量量量量值值值值的的的的标标标标准准准准量量

3、量量。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“度度”、“分分”、“秒秒”。测量方法：指指测测量量原原理理、测测量量器器具具（计计量量器器具具）和测量条件（环境和操作者）的总和和测量条件（环境和操作者）的总和。测量精度：指测量结果与真值一致的程度测量结果与真值一致的程度。1、长度单位和基准单位和基准 在国际单位制及我国法定计量单位中，长度的基本单位是“米”，其单位符号为“m”。米的定义：1米是光在真空中于1/299792458秒的时间间隔内所经过的距离。实际中用“稳频激光”的波长来复现。二、长度单位、基准和尺寸传递二、长度单位、基准和尺寸传递2

4、、长度的量值传递 量值传递量值传递是“将国家计量基准所复现的计量值，通过将国家计量基准所复现的计量值，通过检定检定(或其它方法或其它方法)传递给下一等级的计量标准传递给下一等级的计量标准(器器)，并，并依次逐级传递到工作计量器具上，以保证被测对象的量依次逐级传递到工作计量器具上，以保证被测对象的量值准确一致的方式值准确一致的方式”。我国长度量值传递系统如图所示，从最高基准谱线向下传递，有两个平行的系统两个平行的系统，即端面量具端面量具（量块）系统和刻线量具刻线量具（线纹尺）系统。其中尤以量块传递系统量块传递系统应用最广。三、量块的基本知识量块的基本知识 量块是长度量值传递系统中的实实物物标标准

5、准，是实实现现从从光光波波波波长长（自自然然长长度度基基准准）到到测测量量实实践践之之间间长长度度值传递的媒介值传递的媒介，是机械制造中实际使用的长度基准长度基准。量块用铬铬锰锰钢钢等等特殊合金钢或线性膨胀系数小、性质稳定、耐磨以及不易变形的其它材料制成。1）量块的特点和用途特点特点：线性膨胀系数小，不易变形，耐磨性好线性膨胀系数小，不易变形，耐磨性好。量块的用途量块的用途作为长度尺寸标准的实物载体实物载体，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。作为标准长度标定计量仪器标准长度标定计量仪器，检定计量仪器的示值误差。相对测量时以量块为标准，用测量器具比较量块为标

6、准，用测量器具比较量块与被测尺寸的差值量块与被测尺寸的差值。也可直接用于精密测量、精密划线和精密机精密测量、精密划线和精密机床的调整床的调整。标称长度小于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。2）量块的外形和尺寸量块的外形和尺寸 量块形状有长长方方体体和和圆圆柱柱体体两种，通常是长六方面体，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Ra0.01mm。两个测量面之间有精确尺寸。中中心心长长度度：量量块块的的一一个个测测量量面面的的中中心心点点到到与与此此量量块块另另一个测量面相研合的面

7、的垂直距离一个测量面相研合的面的垂直距离。3 3）精度等级）精度等级量块的分级分级：制造精度分六级：00、0、1、2、3和和K级，级，00级最高。级最高。分级依据是：量块长度极限偏差极限偏差和量块长度变动量长度变动量的允许值。量块的分等分等：检定精度分为六等，1，2，3，4，5，6等等。分等依据是：中心长度测量极限误差和平面平行性允许偏差。量块按“级”使用：工作尺寸 量块长度的标称值。含有量块的制造误差制造误差。量块按“等”使用：工作尺寸 中心长度的实测值。含有较小的测量误差测量误差。量块按等等等等使用的测量精度比按级级级级使用的要高。4）量块的使用 研合性：两量块的测量面在少许压力相互推合下

8、，可以牢固的研合在一起。可单独使用，也可组合使用。根据标准GB/T60932001规定，我国成套生产的量块有91、83、46、38等几种规则。下表所列为83块组和91块组一套的量块的尺寸系列。为了减少量块的组合误差组合误差，应尽量减少量块的组合块数，一般不超过4 4块块。选用量块时，应从所需组合尺寸的最后一位数最后一位数开始，每选一块至少应减去所需尺寸的一位尾数。例如，从83块块一套的量块中选取尺寸为36.745mm的量块组，选取方法为:36.745 所需尺寸 1.005 第一块量块尺寸 35.74 1.24 第二块量块尺寸 34.5 4.5 第三块量块尺寸 30 第四块量块尺寸 量块的组合量

9、块的组合量具以固定形式复现量值的计量器具量块、线纹尺光滑极限量规螺纹量规位置量规量规检验零件要素实际尺寸和形位误差综合结果计量仪器能将被测量的量值转换成可以直接观测的指示值和等效信息。百分表电动轮廓仪计量装置一种专用的检验工具，可实现自动测量和自动控制，如自动分选机。第二节第二节 常用的计量器具和测量方法常用的计量器具和测量方法一、计量器具的分类计量器具计量器具是指：能直接和间接测出被测对象量值的测量装置。它是量具、量规、计量仪器和计量装置的统称量具、量规、计量仪器和计量装置的统称。二、计量器具的技术指标 是表征计量器具技术特性和功能的指标。1 1）刻度间距刻度间距刻度间距刻度间距 计量器具标

10、尺上相邻两刻度中心线间的间距。一般为12.5mm。2 2）分度值）分度值）分度值）分度值 标出上每一刻线间距所代表的量值。分度值越小精度越高。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。3 3）示值范围）示值范围）示值范围）示值范围 计量器具所能显示的被测量起始值到终止值的范围。4 4）测量范围）测量范围）测量范围）测量范围 计量器具所能测量计量器具所能测量的被测量最小值到最的被测量最小值到最大值的范围大值的范围。5 5）灵敏度）灵敏度）灵敏度）灵敏度 指计量器具对被测指计量器具对被测量变化的响应变化能量变化的响应变化能力力。分度值越小

11、，灵敏度越高。6）示值误差）示值误差 示值误差是指计量器具上的示值与被测量真值的代数差。7）测量的重复性误差测量的重复性误差 测量重复性是指在相同测量条件下，对同一被测量测量重复性是指在相同测量条件下，对同一被测量进行多次测量时，所有测得值的分散程度即为重复性进行多次测量时，所有测得值的分散程度即为重复性误差误差。它是计量器具本身各种误差的综合反映。8 8）不确定度）不确定度）不确定度）不确定度 不确定度，是指由于测量误差的存在而对被测量量值不能肯定的程度。三、测量方法的分类(1)直直接接测测量量法法:是是用用预预先先标标定定好好的的测测量量仪仪表表,对对某某一未知量直接进行测量一未知量直接进

12、行测量,得到测量结果得到测量结果.相相对对测测量量法法:又又称称比比较较测测量量法法,是是用用标标准准器器具具同同被被测测量量相相比比较较,得得到到被被测测量量与与标标准准器器具具的的偏偏差差,被被测测量量的的整整个个量量值值等等于于所所示示偏偏差差与与标标准准量量的的代代数和数和.绝绝对对测测量量法法:是是指指能能直直接接从从计计量量器器具具的的读读数数装装置上读出被测量整个数值的测量方法置上读出被测量整个数值的测量方法.间间接接测测量量法法:是是对对几几个个与与被被测测量量有有确确切切函函数数关关系系的的物物理理量量进进行行直直接接测测量量,然然后后把把所所得得的的数数据据代代入公式中进行

13、计算入公式中进行计算,从而求出被测物理量从而求出被测物理量.(2)(2)按按按按零零零零件件件件被被被被测测测测参参参参数数数数的的的的多多多多少少少少，可可可可分分分分为为为为单单单单项项项项测测测测量量量量和和和和综综综综合合合合测量测量测量测量。单单单单项项项项测测测测量量量量：分别测量零件的各个参数，如齿轮的齿形、齿距。综综综综合合合合测测测测量量量量：同同时时测测量量零零件件几几个个相相关关参参数数的的综综合合效效应应或或综合参数综合参数。(3)按按被被测测零零件件表表面面与与测测量量头头是是否否有有机机械械接接触触，分分为为接接触测量和非接触测量。触测量和非接触测量。(4)接触测量

14、：如用外径千分尺、游标卡尺外径千分尺、游标卡尺测量零件等。(5)非接触测量：属于非接触测量的仪器主要是利用光、气、电、磁等作为感应元件与被测件表面联系。如干涉显微镜、磁力测厚仪、气动量仪涉显微镜、磁力测厚仪、气动量仪等。第三节 新技术在长度计量中的应用 光栅技术光栅技术:计量光栅，莫尔条纹，光栅传感器计量光栅，莫尔条纹，光栅传感器 激激激激光光光光技技技技术术术术：新新型型的的光光源源，优优点点有有单单色色性性、方方向向性性、相相干干性性和和能能量量高高度度集集中中性性。常常见见的的激激光光测测长长仪仪实实质质上上是以激光作为光源的迈克尔逊干涉仪是以激光作为光源的迈克尔逊干涉仪。三三坐坐标标测

15、测量量机机：是是由由三三个个相相互互垂垂直直的的x、y、z建建立立的的直直角角坐坐标标系系，测测头头的的一一切切运运动动都都在在这这个个坐坐标标系系中中进进行行。优优点点有有通通用用性性强强、测测量量精精度度高高、可可方方便便的的进进行行数数据据处处理理与与程程序序控控制制、可可与与数数控控机机床床和和加加工工中中心心配配套套组组成生产线或柔性制造系统，促进了自动生产线的发展成生产线或柔性制造系统，促进了自动生产线的发展。CMM的主要结构形式活动桥式和固定桥式活动桥式和固定桥式CMMCMMCMM的组成的组成CMMCMM由由主机主机(含具有标尺的导轨含具有标尺的导轨)、测头系统、测头系统和控制系

16、统和控制系统三大部分组成。三大部分组成。1.主机主机(1)(1)框架结构：框架结构：工作台、立柱、桥框、壳体工作台、立柱、桥框、壳体等机械结构。等机械结构。(2)(2)测量系统分为三类测量系统分为三类(3)(3)机械式：精密丝杠加微分鼓轮、精密齿轮和齿条。机械式：精密丝杠加微分鼓轮、精密齿轮和齿条。(4)(4)光学式：刻度尺、光栅尺、光学编码器、激光干涉仪等。光学式：刻度尺、光栅尺、光学编码器、激光干涉仪等。(5)(5)电学式：感应同步器、变压器、磁尺等电学式：感应同步器、变压器、磁尺等。(6)(6)(3)(3)导轨导轨：实现：实现CMM的三维运动。的三维运动。(7)(7)(4)(4)驱动装置

17、驱动装置：实现测量机和程序控制伺服系统运动的：实现测量机和程序控制伺服系统运动的功能。功能。(8)(8)(5)(5)平衡部件平衡部件(9)(9)(6)(6)转台与附件转台与附件2.测头系统测头系统 测测头头系系统统是是CMMCMM的的关关键键部部件件之之一一，CMMCMM的的工工作作效效率和精度与其密切相关率和精度与其密切相关。测测头头系系统统主主要要由由测测头头底底座座、加加长长杆杆、传传感感器器和和检检测测头头（探针）（探针）组成。组成。测测头头顶顶端端的的测测球球通通常常为为红红宝宝石石，为为确确保保测测头头的的使使用用能能达达到到最最大大的的测测量量精精度度，要要求求测测杆杆尽尽量量短

18、短且且坚固，测球尽量大，测头底座可自由旋转坚固，测球尽量大，测头底座可自由旋转。测测头头系系统统的的基基本本功功能能是是测测测测微微微微和和和和触触触触发发发发瞄瞄瞄瞄准准准准并并并并过过过过零零零零发发发发讯讯讯讯。目前，使用最多的是。目前，使用最多的是电气测头电气测头电气测头电气测头。3.控制系统控制系统 控控制制系系统统是是CMMCMM的的核核心心，主主要要用用于于控控制制测测量量机机的的运运动动，并并对对测测头头系系统统采采集集的的数数据据进行处理，将测量结果打印输出进行处理，将测量结果打印输出。控控制制系系统统主主要要包包括括测测量量机机的的电电气气控控制制系系统统、计计算算机机硬硬

19、件件部部分分、测测量量机机软软件件及及打打印印与绘图装置与绘图装置。CMM的应用CMMCMM工作时，首先将工作时，首先将被测对象分解为基被测对象分解为基本几何元素，分别进行测量本几何元素，分别进行测量。然后评价。然后评价零件的零件的形位误差及尺寸误差形位误差及尺寸误差。此外，此外，CMMCMM还可以测量还可以测量二维曲线、三维二维曲线、三维曲线和自由曲面曲线和自由曲面。CMM CMM 与与与与“加工中心加工中心加工中心加工中心”相配合，具有相配合，具有相配合，具有相配合，具有“测量中心测量中心测量中心测量中心”之功能之功能之功能之功能。应用实例：第四节第四节 测量误差和数据处理测量误差和数据处

20、理一一、测量误差及其产生的原因、测量误差及其产生的原因测量误差是指测量结果与被测量的真值之差测量误差是指测量结果与被测量的真值之差。即。即测量误差测量误差；l l 测得值测得值；被测值的真值。被测值的真值。上式是绝对误差的表达式，相对误差为上式是绝对误差的表达式，相对误差为产生测量误差的因素：(1)计量器具的误差计量器具的误差(2)基准件误差基准件误差(3)测量方法误差测量方法误差(4)安装定位误差安装定位误差(5)环境条件所引起的测量误差环境条件所引起的测量误差二、测量误差的分类二、测量误差的分类(1)系系统统误误差差：在相同条件下，多次重复测量同一量值时，其测量误差的大小和符号保持不变；或

21、在条件改变时，误差按某一确定的规律变化，这种测量误差称为系统误差系统误差。(2)随随机机误误差差：在在相相同同条条件件下下多多次次重重复复测测量量同同一一量量值值时时，误误差差的的绝绝对对值值与与符符号号以以不不可可预预定定的的方方式式变变化化，但但误误差差出出现现的的整整体体是是服服从从统统计计规规律律的的，这类误差称为随机误差这类误差称为随机误差。(3)粗粗大大误误差差：指显显然然与与事事实实不不相相符符的的误误差差，若若存存在，应予剔除在，应予剔除。随机误差的分布规律随机误差的分布规律 假定对某个被测参量进行等精度(各种测量因素相同)重复测量n次，其测量示值分别为 则各次测量的测量偏差即

22、随机误差（假定已消除系统误差）分别为式中 真值。把各次测量偏差作平面图，其横坐标表示为偏差幅值（有正负），纵坐标标为偏差出现的次数。大量实验证明，上述随机误差整体上均具有下列统计特性：（1）有有界界性性 即各个随机误差的绝对值（幅度）均不超过一定的界限；（2）单单峰峰性性 即绝对值（幅度）小的随机误差总要比绝对值（幅度）大的随机误差出现的概率大；（3）对对称称性性 （幅度）等值而符号相反的随机误差出现的概率接近相等；（4）抵抵偿偿性性 当等精度重复测量次数时，所有测量值的随机误差的代数和为零，即:概率密度函数概率密度函数均方根误差公式均方根误差公式正态分布曲线正态分布曲线不同置信区间的概率分布

23、示意图不同置信区间的概率分布示意图三、测量精度三、测量精度测量精度是指测得值与真值的接近程度测量精度是指测得值与真值的接近程度。(1)精精密密度度：表表示示测测量量结结果果中中随随机机误误差差大大小小的的程程度度。简称简称“精度精度”。(2)正正确确度度：表表示示测测量量结结果果中中系系统统误误差差大大小小的的程程度度，是所有系统误差的综合是所有系统误差的综合。(3)精精确确度度：指指测测量量结结果果受受系系统统误误差差与与随随机机误误差差综综合合影影响响的的程程度度，它它表表示示测测量量结结果果与与真真值值的的一一致致程度。也称程度。也称“准确度准确度”。四、直接测量列的数据处理四、直接测量

24、列的数据处理(用例题说明用例题说明)第五节第五节 光滑工件尺寸的检验光滑工件尺寸的检验(GB/T3177-1997)一、检验范围使使使使用用用用普普普普通通通通计计计计量量量量器器器器具具具具，是是是是指指指指用用用用游游标标卡卡尺尺、千千分分尺尺及及车车间间使使用用的的比比较较仪仪等等等等，对对对对公公差差等等级级为为6-186-18级级，基基本本尺尺寸寸为为500mm500mm的光滑工件尺寸进行检验的光滑工件尺寸进行检验。二、验收原则及方法所所用用验验收收方方法法只只接接收收位位于于规规定定尺尺寸寸极极限限之之内内的的工工件件。多多数数计计量量器器具具只只用用于于测测量量尺尺寸寸，对对遵遵

25、守守包包容容要要求求的的尺尺寸寸，应应把把对对尺尺寸寸和和形形状状测测量量的的结结果果综综合合起起来来，以以判判定定工件是否超出最大实体边界工件是否超出最大实体边界。三、验收极限三、验收极限验收极限验收极限是检验工件尺寸时判断合格与否的尺寸界限是检验工件尺寸时判断合格与否的尺寸界限。1.验收极限尺寸的确定验收极限尺寸的确定2.2.(1)(1)内缩方式内缩方式 上验收极限上验收极限=最大极限尺寸最大极限尺寸(Dmax，dmax)-安全裕度安全裕度(A)下验收极限下验收极限=最小极限尺寸最小极限尺寸(Dmin，dmin)+安全裕度安全裕度(A)(2)(2)不内缩方式不内缩方式规定验收极限规定验收极限等于等于工件的最大实体极限工件的最大实体极限(MML)和和最小实体极限最小实体极限(LML)，即，即A等于零等于零。2.2.验收极限方式的选择验收极限方式的选择(1)(1)对对遵遵守守包包容容要要求求的的尺尺寸寸、公公差差等等级级高高的的尺尺寸寸，其验收极限要选其验收极限要选内缩方式内缩方式。(2)(2)对对非非配配合合和和一一般般公公差差的的尺尺寸寸，其其验验收收极极限限则则选选不内缩方式不内缩方式。四、计量器具的选择按照计量器具按照计量器具的的测量不确定度允许值测量不确定度允许值(u u1 1)选择选择计量器具计量器具。作业：3-23-3