机械零件的精密测量.doc

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1、第五章机械零件几何量的精密测量5.1几何量精密测量基础5.1.1几个有关概念几何量：作为测量对象，它包括尺寸（长度、角度）、形状和位置误差、表面粗糙度等。计量：以保持量值准确统一和传递为目的的专门测量，习惯上称为计量（检定）。检验：是指判定被测量是否合格的过程，通常不一定要求得到被测量的具体数值。几何量检验即是确定零件的实际几何参数是否在规定的极限范围内，以作出合格与否的判断。测试：是指具有试验研究性质的测量。5.1.2几何量计量器具分类及其度量指标计量器具的分类 按被测几何量在测量过程中的变换原理的不同，计量器具可以分为：（）机械式计量器具：用机械方法来实现被测量的变换和放大的计量器具，如千

2、分尺（螺纹测微计）、百分表、杠杆比较仪等。（）光学式计量器具：用光学方法来实现被测量的变换和放大的计量器具，如光学计、光学分度头、投影仪、干涉仪等。（）电动式计量器具：将被测量先变换为电量，然后通过对电量的测量来完成被测几何量测量的计量器具，如电感测微仪、电容测微仪等。（）气动式计量器具：将被测几何量变换为气动系统的状态（流量或压力）的变化，检测此状态的变化来实现被测几何量测量的计量器具，如水柱式气动量仪、浮标式气动量仪。（）光电计量器具：用光学方法放大或瞄准，通过光电元件再转化为电量进行检测，以实现被测几何量测量的计量器具。如光栅式测量装置、光电显微镜、激光干涉仪等。 计量器具的基本度量指标

3、 图5-1比较仪及其刻度盘（）刻度间距C：计量器具标尺或圆刻度盘上两相邻刻线中心之间的距离或圆弧长度（图5-1）。刻度间距太小，会影响估读精度，太大则会加大读数装置的轮廓尺寸。为适于人眼观察，刻度间距一般为0.752.5mm。（）分度值i（亦称刻度值、分辨力）：每个刻度间距所代表的量值或指量仪显示的最末一位数字所代表的量值。在长度测量中，常用的分度值有0.01mm， 0.005mm， 0.002mm以及0.001mm等几种（图5-1中分度值为0.001mm）。对于有些量仪（如数字式量仪），由于非刻度盘指针显示，就不称为分度值，而称分辨力。（）灵敏度S：指针对标尺的移动量dL与引起此移动量的被测

4、几何量的变动量dX之比，即S=dL/dX。灵敏度亦称传动比或放大比，它表示计量器具放大微量的能力。（）示值范围：是指计量器具所能显示或指示的被测量起始值到终止值的范围。例如图5-1所示比较仪的示值范围为100mm。（）测量范围：是指计量器具的误差处于规定极限内，所能测量的被测量最小值到最大值的范围，如图5-1所示比较仪，悬臂的升降可使测量范围增大达到0180mm。（）示值误差：示值误差是指计量器具显示的数值与被测几何量的真值之差。示值误差是代数值，有正、负之分。一般可用量块作为真值来检定出计量器具的示值误差。示值误差愈小，计量器具的精度就愈高。（）示值变动性：在测量条件不作任何改变的情况下，同

5、一被测量进行多次重复测量读数，其结果的最大差异。（）回程误差：在相同情况下，计量器具正反行程在同一点示值上被测量值之差的绝对值。引起回程误差的主要原因是量仪传动元件之间存在间隙。（）测量力：接触测量过程中测头与被测物体之间的接触压力。过大的测量力会引起测头和被测物体的变形，从而引起较大的测量误差，较好的计量器具一般均设置有测量力控制装置。5.2 几何尺寸的精密测量 几何尺寸的精密测量常见于轴、孔直径的精密测量，或是线纹尺、量块的检定。测量、检定时所采用的计量仪器有比较仪、工具显微镜、测长仪、比长仪、激光干涉仪等。 a) b)图5-2 立式光学计 对于高精度的轴径，常用比较仪进行比较测量，比较仪

6、的基本结构如图5-1所示，但读数部分可有多种不同装置，有机械式、光学式、电动式，它们分别称为机械式测微仪，光学计，电动测微仪（又分为电感式、电容式）等。图5-1所示的是机械式比较仪，立式光学计如图5-2 a)所示，图中：1-悬臂锁紧螺丝；2-升降螺母；3-光管细调手轮；4-拨叉；5-工作台；6-被测工件； 7-光管锁紧螺钉； 8-测微螺丝9-目镜；10-反光镜。图5-2 b)所示为光路图。图5-3所示的是电感式比较仪。 5.2.1用比较仪测量轴类零件用比较仪测量轴类零件尺寸时，先用量块或标准件调好仪器的零位，然后将被测件放在工作台上进行测量。仪器指示值为被测轴径相对于仪器调零时所用基准的偏差值

7、，指示值加上基准值（量块或标准件尺寸）后即为被测轴径的值。仪器调零过程是通过调节仪器悬臂在立柱上的高低位置（粗调）、检测装置在悬臂上的安装位置（细调）以及可动表盘的刻度位置（微调），机械式比较仪以及指针显示式电感侧微仪的指示较容易观察，而光学计则要从目镜中观察。立式光学计的光路系统如图5-2 b）所示。以上各种测量仪器的特性及精度略有差别，可在仪器说明书中查到。 图5-3 电感式比较仪当采用比较仪测量圆柱直径时，由于被测面是一个圆弧面，若采用圆弧测量头测量时，被检圆柱应在工作台面来回滚动，找出读数的转折点，即读出接触点是轴径的最高点时的读数。因此，它比平面零件的测量要麻烦一些，测量者必须仔细地

8、观察指示装置，以减小由于测量头偏离直径处而引起的误差。 5.2.2用工具显微镜测量工件尺寸工具显微镜分为小型、大型和万能工具显微镜。基本结构如图5-4所示 图5-4 万能工具显微镜1-基座；2-纵向锁紧手轮；3-工作台纵滑板；4-纵向滑动微调；5-纵向读数显微镜；6-横向读数显微镜；7-立柱；8-支臂；9测角目镜；10-立柱倾斜手轮；11-小平台；12-立柱横向移动及锁紧手轮；13-横向移动微调工具显微镜的核心是具有纵横X 、Y方向的精密导轨，并在两方向均设有精密测量装置，工件在X 、Y坐标系中位置的变动，可由测量装置读得坐标值，然后可求得被测的尺寸。可左右摆动一定角度的立柱，安装有可升降调焦

9、距的目镜筒。测量过程中，工件的影像被放大投影在目镜上，加装上投影屏附件则可投影在小屏幕上。工件移动的位置是要通过影像在目镜中观察和定位的，有时为减少对线误差，需要借助测量刀或灵敏杠杆等辅助工具。工具显微镜可以对长度、角度等多种几何参数进行测量，特别是万能工具显微镜具有较大的测量范围和较高的测量精度，是常用的一种计量仪器。工具显徽镜是采用光学成像投影原理，以测量被测工件的影像来代替对轴径的接触测量，因而测量中无测量力引起的测量误差。然而应引起重视的是成像失真或变形，将会带来很大的测量误差。工具显徽镜的成像失真主要是因显微镜光源所发射出的光线不是平行光束，造成物镜中所成影像不但不清晰，而且大小也发

10、生变化。测量时，消除不平行光线的方法是正确地调整仪器后部光源附近的光圈，限制光源光线的散射(应注意：光圈太小易产生绕射)。最佳光圈直径可查工具显微镜说明书，无表可查时，可按下式计算光圈直径 D：式中， d为被测直径(mm)。为了减小成像误差，最好是按仪器所附的最佳光圈直径表的参数调整光圈，否则会产生较大的测量误差，例如测量一个直径70mm的轴，光圈从5mm变到25mm时，此项误差由+6mm变到-72mm,可见变化范围较大，不注意调好光圈是不行的。同时还应仔细调整显微镜焦距，使目镜内的成像达到最清晰。 测量过程中，定位被测目标有几种方法：1影像法 当被测件两端具有中心孔时，可采用这种非接触式测量

11、法，首先用调焦棒将立柱上的显微镜精确调焦，这时被测件物像最清晰。测量轴径时，由于圆柱面母线会有直线度误差，或有锥形误差，不能采用通常测量长度的压线法，而必须使用在母线上压点的方法，即将米字线中心压在轮廓母线的一点上进行坐标读数，然后横向移动工作台，使米字中心对准相对应的轮廓母线上。两次读数之差即为被测轴径。同时，还应在不同的横截面内进行多次测量，最后取其平均值作为测量结果。 在工具显微镜上进行影像法测量（不论是压线法还是压点法），这种方法必须按照外形尺寸大小调整光圈，它的测量精度会受到对准精度、轮廓的表面粗糙度等因素的影响。因此，这种方法似乎简单，实则麻烦，测量值的分散性较大，随着被测轴径的加

12、大，其测量误差也越大，因此，精密测量中较少采用影像法测量轴径。2测量刀法 在工具显微镜上，还可以用直刃测量刀接触测量轴径。在测量刀上距刃口0.3mm处有一条平行于刃口的细刻线，测量时，用这条细刻线与目镜中米字中心线平行的第一条虚线压线对准，由于此刻线靠近视场中心，因此处于显微镜的最佳成像部分，有较高的测量精度。测量时必须用3倍物镜，并在物镜的滚花圈处装上反射光光源，使用反射光照明。 采用测量刀法测量时，关键的一步是安放量刀，操作时必须十分仔细，否则，会产生接触误差或造成测量刀的损坏。应轻轻使刀刃与被测工件接触并摆动，使量刀刃口与轮廓线贴紧无光隙并固紧。 测量刀法的对线误差比影像法小，测量精度较

13、高。然而，测量刀在使用过程中容易磨损，因此，应注意对测量刀的保护。除避免由于操作不当而造成不应有的损坏外，安装前应仔细清洗刻线工作面，使用后应妥善放置，避免磕碰或锈蚀，还应注意定期检定。3灵敏杠杆接触法在工具显微镜上常用灵敏杠杆测量孔径。 在工具显微镜上用目镜米字线以影像法对孔径进行测量时，由于受工件高度的影响，使工件的轮廓投影影像不清晰，瞄准困难，故测量精度不高。为提高测孔精度，常在主物镜上装以光学灵敏杠杆附件，用接触法测量孔径。由于其测量力仅0.1 N，测量力引起的变形很小，故瞄准精度较高，可大大提高测量精度。 光学灵敏杠杆主要用于测量孔径，也可测量沟槽宽度等内尺寸，在特殊情况下，还可用于

14、丝杠螺纹和齿轮的测量工作。它在测量过程中主要起精确瞄准定位的作用。 光学灵敏杠杆的工作原理如图5-5所示。照明光源4照亮刻有3对双刻线的分划板 l，经透镜至反射镜2后，再经物镜组7成像在目镜米字线分划板上。平面反射镜2与测量杆3连结在一起，当它随测杆绕其中心点摆动时，3组双刻线在目镜分划板上的像也将随之左右移动。当测杆的中心线与显微镜光轴重合时，双刻线的影像将对称地跨在米字分划板的中央竖线上，若测头中心偏离光轴，则双刻线的影像将随之偏离视场中心。6为产生测力的弹簧，测力的方向(使测杆向左或向右)可通过外边的调整帽来改变。图5-5 光学灵敏杠杆原理图测量时，将测杆深入被测孔内，通过横向(或纵向)

15、移动，找到最大直径的返回点处，并从目镜8中使双刻线组对称地跨在米字线中间虚线的两旁，此时进行第一次读数n1，旋转调整帽，调整测力弹簧6的方向（由测力方向箭头标记），使测量头与被测工件的另一测点接触，双刻线瞄准后读出第二个读数n2，则被测孔的直径为： 式中： d为测量头直径，其数值在测量杆上有标示。用光学灵敏杠杆测量孔径，其测量误差约为0.002mm。测量时要注意尽可能保证被测工件的轴线与测量方向垂直，并在三个截面、两个相互垂直的方向作六次的测量，以提高测量精度。5.2.3用卧式测长仪测量内孔的测量，由于测量器具的结构尺寸和活动空间受到一定的限制，给测量中的调整与对准带来许多不便。因此，对中等尺

16、寸的孔和轴，即使相同的公差等级，孔的测量比轴的测量困难，特别是深孔、盲孔、小孔等，难度更大。 一般精度的孔径，常用量规或万能量具进行检验。对较高精度的孔径测量，除了可在工具显徽镜上用灵敏杠杆和在万能测长仪上用电眼装置进行测量之外，还有一种使用卧式测长仪的测量方法。卧式测长仪的读数装置用的是阿贝测量头，它可测量内、外尺寸，既可以测量光滑孔、轴，也可测量内、外螺纹，因其配备较多的测量附件，所以又称为万能测长仪。其结构如图5-6所示。图5-6 卧式测长仪卧式测长仪的分度值为0.001mm，刻度范围0100 mm，可作0100 mm外尺寸的绝对测量。 外尺寸比较测量时，不用顶针架0500 mm，用顶针

17、架时0180 mm。用单钩绝对测量内尺寸可测020 mm，用双钩作比较测量可测范围10200 mm，测量力1.52.5 N，示值稳定性0.4mm。其测量不确定度：对于外尺寸测量： mm对于内尺寸测量： mm式中， L为被测长度或直径(mm)。 图5-7 单钩测量内孔 在实际中，若利用与被测孔径相同的高精度的标准环规作比较测量，可使测量误差控制在0.001 mm左右。1利用电眼闪耀装置以单钩测量孔径利用电眼装置可测量120mm的孔径、小槽宽度、小尺寸的卡板之类的零件。如图5-7所示，首先把被测孔工件1安放在仪器工作台2上，旋转工作台上的测微鼓轮可使工件前后左右移动，利用电眼指示器，以切弦的方法或

18、找内孔最大直径点的方法，使测量头处于被测孔的直径位置上，然后粗调、微调测量臂6，使安装在臂上的测量头先在被测孔的一侧接触(实际上不接触，当间隙很小时由于电容放电原理，电眼即有显示)，记下第1次读数，然后在另一侧接触，记取第2次读数，如两次读数之差为 A，则被测孔的直径为： 式中， d为测量头的工作尺寸。测量头工作尺寸可直接用测量杆上标刻的尺寸，但由于当测量头并末与孔壁接触(存在一定间隙)时，电眼就发出闪耀指示，所以用测量杆上标注的尺寸作计算存在一定的误差。精密测量时可以采用比较法，用已知尺寸的标准精密环规进行一次测量，求出测量头的实际测得尺寸，以它作为上述计算式中的工作尺寸d，则其中已包含了放

19、电间隙。 图5-8 双测量钩测量内孔 电眼发生闪耀时测量头与被测件间的接触间隙一般为0.71.1mm，与测头直径、被测孔径以及仪器电压的大小、电压的稳定性都有关。通常仪器出厂时，在测量头上标刻的尺寸已适当考虑了修正。2用双测量钩测量孔径 卧式测长仪附有两对内尺寸测量钩，小测量钩可测 10100mm的孔径，深度为15mm，大测量钩能测50150mm的孔径，深度至50mm。 使用双测量钩测量孔径属于比较测量(如图5-8)，只要用一个标准环规调好零位后，就可对被测零件内孔进行比较测量，读得与认定零位的偏离值A，则被测直径为： 式中，D1为标准环规的实际直径。 5.2.4激光干涉仪测量长度 由于激光具

20、有良好的方向性、单色性和相干性等优点，采用激光器作为光源，以激光稳定的波长作基准，利用光波干涉原理实现大尺寸的精密测量是目前大尺寸测量中比较理想的方法。 1用单频激光干涉仪测量大尺寸 单频激光干涉仪是将同一激光器发出的光束，经分光镜后分成相同频率的参考光束和测量光束，它们分别经固定棱镜和随被测件移动的可动棱镜(如图5-9)反射，而在分光面上重新汇合而产生干涉，相应的被测长度，对应于干涉场的干涉条纹信号变化的次数，通过光电接收、转换和电路处理，求出相应被测长度的数值。图5-9 单频激光干涉仪原理 为了减少激光光源热辐射、振动等有害因素对其他部分的影响和满足大尺寸测量的客观需要，仪器的设计采用分开

21、式结构。如图5-9所示， l为激光器，包括激光管光源、光电转换系统和放大器系统；2为干涉装置，主要由分光学部件和固定棱镜部件组成；3为反射靶系统，包括移动棱镜以及和它同时运动的测量装置系统。 单频激光干涉仪一般没有专门的空气折射率测量装置，在进行大尺寸测量时，温度误差对测量结果将有较大的影响，故对测量环境应有一定的要求，必要时应对上述影响进行修正。 2双频激光干涉测量长度 （1）多普勒效应 实验证明，当光波接收装置相对光源作相对运动时，单位时间内接收装置所接收到的光波数(即频率f)，将与光源实际发出的光波数量(频率f0)有所不同。这种现象称为光的多普勒效应。 设光源固定不动，接收装置以速度v趋

22、向于光源，即接收装置迎着光波的传播方向移动，则相当于光波以 c + v射向接收装置， c为光波的传播速度。因此，单位时间内到达接收装置的光波数(即频率f)等于： 因为 1/T = f0所以 即接收装置的频率等于光源频率的倍。当接收装置以同样的速度远离光源时，运动的速度v规定为负，上式关系仍然成立。 （2）双频激光干涉测长仪的工作原理图5-10为双频激光干涉仪的光学系统。将氦氖激光器 l置于一轴向磁场之中，由于塞曼效应的作用，使激光谱线分为两个幅值相同、方向相反的左、右旋圆偏振光。又由于频率牵引的作用，使这两支光的频率f1和f2相差不大，一般为1.5 MHz左右，处在激光的可“拍”频差之内。良好

23、的干涉性能是激光优于普通光源的特点之一，对于激光而言，即使是两支频率有差异的光束也能较好地产生干涉，通常我们把这种激光独有的特殊干涉现象称之为“拍”。这两支频率分别为f1 、f2的圆偏振光，通过 4波片2之后，形成两个振动方向互相垂直的线偏振光(设f1平行于纸面，f2垂直于纸面)。它们经准直系统3扩束后，在分光镜4上被分为两部分：一小部分作为参考光束被反射，经45放置的检偏器产生拍频为(f1f2)的“拍”。该信号由光电管6接收并转换为电信号，进入前置放大器7后送计算机处理。另一大部分光透过分光镜4，沿原方向射向偏振分光镜8。互相垂直的频率为f1和 f2的偏振光，在分光面上分别被反射和透射至参考

24、镜9和测量镜10，然后再返射回并在分光面处汇合。其中，由测量镜返回的偏振光由于多普勒效应，频率变为f = f1十 f，其中f =，v为测量镜移动速度。这两支光汇合后，经棱镜11反射到45放置的检偏器12产生“拍”，信号由光电管接收，经前置放大器14后，送计算机处理。 图5-10 双频激光干涉测长仪光路 计算机将两路信号进行同步相减，得出多普勒频差f。 在时间 t内与被测长度对应的多普勒频差为 由于 、则 故被测长度L为 双频激光干涉仪以交变信号作为参考信号，可避免零点漂移，有较强的抗干扰能力，可在现场使用。测量长度可达60m左右。此外，如配以简单的附件，还可对角度、直线度等进行测量。双频激光干

25、涉仪的最小分辨率为0.08mm，最大位移速度为300mms，其测量精度已达到110-7L (L为被测量的长度)。 5.形状和位置误差的测量 5.3.1形状与位置误差检测原则我国国家标准规定的形状与位置公差项目共有14种，评定时要对应测出其误差，不同的误差项目需要采用不同的测量方法，而且在同一项目中，由于零件的精度要求不同，或是功能要求、形状结构、尺寸大小以及生产批量的不同，要求采用的测量方法和测量仪器也不同，所以，形状与位置误差的测量方法是很多的。但是，若按检测原则来分，则可归纳为五种测量原则，这些检测原则名称及相应的示例见表5-1。表5-1 五种检测原则编 号检测原则名称说明示例1与理想要素

26、比较原则将被测实际要素与其理想要素相比较，量值由直接法或间接法获得。理想要素用模拟方法获得2测量坐标值原则测量被测实际要素的坐标值（如直角坐标值、极坐标值、圆柱面坐标值），并经过数据处理获得形位误差值3测量特征参数原则测量被测实际要素上具有代表性的参数（即特征参数）来表示形位误差值4测量跳动原则被测实际要素绕基准轴线回转过程中，沿给定方向测量其对某参考点或线的变动量。变动量是指指示器最大与最小读数之差5控制实效边界原则检验被测实际要素是否超过实效边界，以判断合格与否第一种检测原则是：与理想要素相比较的检测原则。基于此原则的测量首先要得到理想要素，实际中常用实物体现出来。若想要得到理想直线，可用

27、刀口尺、平尺、光束、水平线、精密平台、导轨、拉紧的钢丝等实际直线来体现；如果想要得到理想平面，常用平晶，水平面，扫描光束、精密平台，复合运动的轨迹等来体现；如果想要得到理想圆，常用仪器精密轴系的回转轨迹、绕指定直线回转的运动轨迹、精密样件的回转表面等来体现；如果想要的理想要素为圆柱面，常用既绕精密轴系回转又沿轴向移动的运动轨迹来体现；非圆曲线或曲面，常用标准样板或按理论正确尺寸确定的点的轨迹来体现；如理想要素为点、轴线、中心线、中心平面等，则采用其相关的外轮廓间接方法体现。有的检测需要用到基准，且应是理想基准要素。然而实际基准是经过加工制造得到的，存在着形状误差。在实际检测中，要由实际基准要素

28、求得理想基准要素，或通过模拟体现获得理想基准要素。按形状与位置误差评定的有关规定，由实际基准要素建立、体现理想基准要素，要遵守最小条件。如：以包容实际基准线且距离为最小的两平行直线之一作为理想基准线；以包容实际基准面且距离为最小的两平行平面之一作为理想基准面；以包容实际基准轴线且直径为最小的圆柱轴线为理想基准轴线。实际检测中，基准要素可用模拟法、直接法、分析法和目标法得到。）模拟法：通常采用具有足够精确形状的表面来体现基准平面、基准轴线、基准点等。如与基准面紧贴的测量平板；刚好与基准孔相配的心轴等。 图5-11 直接基准）直接法：当实际基准要素具有足够的形状精度时，可将实际基准直接作为理想基准

29、进行检测。如图5-11所示。）分析法：对实际基准要素进行测量，取得数据后用图解或计算法按最小条件确定基准要素，如图5-12所示。）目标法：由基准目标建立基准，点目标用球端支承体现，线目标用刃口支承或圆棒素线体现，面目标可用具有相应大小的平面支承体现。通过支承得到基准线、基准面，用于位置误差的检测。图5-12 分析法求基准5.3.2直线度误差的测量 直线度误差的测量方法分为线差法和角差法两大类。 线差法的实质是：用模拟法建立理想直线，然后把被测实际线与它作比较，测得实际线各点的偏差值，最后通过数据处理求出直线度误差值。 理想直线可用实物、光线或水平面来体现。实物有刀口尺、标准平尺、拉紧的钢丝、光

30、学平晶等。1干涉法 对于小尺寸精密表面的直线度误差，可用干涉法测量。光学平晶工作面的平面度精度很高，其工作面可作为一理想平面，在给定方向上则体现一条理想直线。测量时，把平晶置于被测表面上，在单色光的照射下，两者之间形成等厚干涉条纹(如图5-13)，然后读出干涉条纹的弯曲度a及相邻两条纹的间距b值，被测表面的直线度误差为 (为光波波长)。表面凹凸的判别方法是以平晶与被测表面的接触线为准，条纹向外弯，表面是凸的，反之，则表面是凹的。图5-13 平晶下的干涉条纹图5-14 分段测量对于较长的研磨表面，如研磨平尺，当没有长平晶时，也可采用圆形平晶进行分段测量,即所谓3点连环干涉法测量，如图5-14所示

31、。若被测平尺长度为200mm，则可选用f100mm的平晶1，将平尺2分成4段进行测量，每次测量以两端点连线为准，测出中间的偏差。测完一次，平晶向前移动50mm(等于平晶的半径)。图中所示被测平尺只需测量3次即可。然后通过数据处理，得出平尺的直线度误差。2光轴法该法是以测微准直望远镜或自准直仪所发出的光线为测量基线(即理想直线)，测出被测直线相对于该理想直线的偏差量，再经数据处理求出被测线的直线度误差。 图5-15 准直仪测量直线度该法适用于大、中型工件及孔和轴的轴线的直线度误差测量。 测量方法如图5-15所示，图中1为准直仪。 (1)将被测线两端点连线调整到与光轴测量基线大致平行； (2)若被

32、测线为平面线，则x1代表被测线长度方向的坐标值，y1为被测线相对于测量基线的偏差值。沿被测线移动瞄准靶2，同时记录各点示值y1 （i=l，2，3）。 再经数据处理求出直线度误差值。3双频激光准直仪法图5-16 双频激光准直仪原理前面长度测量中介绍了双频激光干涉法的原理，这里介绍双频激光准直仪的特点。如图5-16所示，塞曼激光器 l发出频率为f1和f2的左、右旋圆偏振光，经固定分光镜2反射一小部分光经检偏器10由光电元件 D1接收，大部分光经分光镜2后经 l4波片，成为频率分别为f1和f2且偏振方向互相垂直的面偏振光。此面偏振光经反射镜4、分光镜5、渥拉斯特棱镜6后，分成夹角为f、频率为f1和f

33、2的两束面偏振光垂直射向夹角为180-f 的角反射镜7，再由反射镜7返回，经渥拉斯特棱镜6、分光镜5、反射镜8、检偏器9，最后到达光电接收器D。图5-17 反射镜的偏离测量时，若反射镜7沿被测表面安放，由于被测表面存在形状误差，因而使反射镜7在光轴上、下发生偏移，如图5-17所示。当反射镜7的顶点在光轴上时，频率为f1的偏振光在及R1点反射，频率为f2的偏振光在 R2点反射，则汇合光束的两个频率的光程差为零。当反射镜7的位置偏离光轴时(图中虚线，偏离量为E)，则频率为f1的偏振光在R1点反射，频率为f2的偏振光在 R2点反射，则汇合光束的两个频率的光程差 L4 (或)，由图5-17(b)可知：

34、 则 光程差L可以用双频激光干涉法作长度测量得到，从而测出反射镜7偏离光轴的量E值，最后获得被测表面相对于激光光轴的偏差。4角差测量法图5-18 合像水平仪 用自然水平面或一束光线作为测量基准，测量过程将被测表面分为若干段，每段长度为l，用小角度测量仪器采用节距法，逐段地测出每段前后两点连线与测量基准（水平面或光线）之间的微小夹角i(i l，2， n)，然后经过数据处理，求出直线度误差值。这种测量法属于角差测量法，常用的小角度测量仪器有水平仪和准直仪，其中水平仪又有框式水平仪、合象水平仪、电子水平仪几种，测得的读数都是被测直线与水平线的角度差。准直仪的读数则是被测直线与准直仪发出的一束光线的夹

35、角。机床、仪器导轨或其他窄而长的平面，常要控制其直线度误差，由于被测表面存在着直线度误差，把水平仪置于不同的被测部位上时，其倾斜角度就发生相应的变化。如果节距（相邻两测点的距离）一经确定，这个变化的微小倾角与被测相邻两点的高低差就有了确切的对应关系。通过逐个节距的测量，得出变化的角度，通过作图、计算，即可求出被测表面的直线度误差值。由于合象水平仪调节、读数方便，测量准确度高，测量范围大（10mmm），测量效率高，故在检测工作中得到了广泛的采用。 图5-19 节距法测量直线度现以合象水平仪为例介绍这一直线度误差的测量方法。合象水平仪外形如图5-18所示，用它采用节距法测量可按图5-19所示进行，

36、图中2为合象水平仪，它由底板和壳体组成外壳基体，其内部则由杠杆、水准器3、棱镜、调节系统（测微旋钮）以及观察透镜所组成。使用时将合象水平仪放于桥板1上相对不动，再将桥板放于被测表面4上。如果被测表面无直线度误差，并与自然水平面基准平行，此时水准器的气泡则位于两棱镜的中间位置，气泡边缘通过合象棱镜所产生的影象，在观察透镜中将出现如图5-20 a)所示的情况。但在实际测量中，由于被测表面安放位置不理想或被测表面本身不直，导致气泡移动，观察窗所见到的情况将如图5-20 b)所示，即左右两圆弧错位。此时可转动测微旋钮，使水准器转动一角度，从而使气泡返回棱镜组的中央位置，则图中两影象的错移量消失而恢复成

37、一个光滑的半圆头如图5-20 a）。此时便可从水平仪的测微旋钮的刻度盘上读得其数值。 a) b) 图5-20 合象水平仪观察窗整个直线度测量的操作步骤如下： （1）量出被测表面总长，确定相邻两测点之间的距离（节距L），按节距调整桥板的两支承腿中心点的距离。 （2）将合象水平仪放于桥板上，然后将桥板依次放在各节距的位置，每放一个节距后，要旋转测微旋钮，使观察透镜中出现如图5-20 a)所示的情况，此时即可进行读数。先在水平仪一端侧面的读数窗处读出百位的数字，它是反映测微旋钮的旋转圈数。水平仪测微旋钮上标有“、”旋转方向，旋转一圈为100格读数，它是水平仪总读数的十位数以下的读数。如此顺测（从首点

38、至终点）、回测（由终点至首点）各一次，回测时桥板及水平仪不能调头，各测点两次读数的平均值作为该点的测量数据。必须注意，如某测点两次读数相差较大，说明测量情况不正常，应检查原因并加以消除后重测。（3）为了作图的方便，最好将各测点计得的较大数字的平均值同减一个相同的数而得到一个小数字的相对差值，这一过程不会改变测量结果。 图5-21 数据作图（4）根据各测点的相对差，在坐标纸上取点，画出各段的倾斜情况。由于每一段有前后两点，测量读数时是把前一个点作为零，读得后一个点的高度差，故作图时不要漏掉首点（零点），同时后一测点的坐标位置是以前一点为基准，根据相邻差数取点的。然后连接各点，得出误差折线，如图5

39、-21所示。图示为分七段测量情况，测得的读数（已简化）为：+1；+2；+1；0；-1；-1；+1。为了作图方便，可以先把各点的相对差值与前面一些点的相对差值累加，得到的是以X轴为零点的本测点的绝对高度，即Y坐标值，其为：+1；+3；+4；+4；+3；+2；+3。作图时则不必以前一点作基础，而是直接按坐标值描点。图5-22 单位格含义测微旋钮旋转量可由刻度盘读出其数值。它以“格”来作单位，它代表一个比值，表明如图5-22 的关系，即读得1格读数时，被测直线与水平线成一夹角，若仪器所写的分度值为1格=0.02mm/m，则夹角大小是4，即在1米远处的高度为0.02mm。但是，在同样的倾斜时，被测点处

40、的高度并不等于0.02mm。因为，被测量的一段只有桥板的跨距那样长，末点的高度应由前后两点的距离决定，这样，“1格”倾斜导致水准器的转角，引起的后测点比前测点高则为： mm =0.02L(mm)式中: 为合象水平仪的分度值(mmm)； L为桥板节距（mm）。例5-1用合象水平仪测量一长1.6米的窄平面的直线度误差，仪器的分度值为0.01mmm，选用的桥板节距L200mm，则分为八段，共九个测点，八段测量的8个读数记录如表5-2。试评定该平面的直线度误差。 表5-2 测得度数值 测量点序号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 仪器读数（顺测） 298295300301302305299296仪器

41、读数（逆测） 296291298299300305297296 按上述直线度误差检测处理过程：第（2）（3）步计算平均值和简化数据得到表5-3数值。其中a值可取任意数，但要有利于相对差数字的简化，本例取a298格。表5-3 数据初处理测量点序号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 两次读数平均（格） 297293299300301305298296简化后的相对差aiai-a(格) -1-5+1+2+3+70-2累积值ai (格) -1-6-5-30+7+7+5按第（4）步直接按累积值作图，得到如图5-23所示折线图。它反映实际曲线的弯曲趋向，实际的直线度误差要根据坐标值，按评定方法计算求得。

42、图5-23 数据的坐标图表示5.3.3直线度误差的评定有了整理后的测量数据，画出误差折线图，即可按一定方法进行直线度误差的评定。按国家标准规定必须采用符合最小条件的评定方法，即最小包容区域法。实际中，为计算方便也有采用两端点联线法和最小二乘法的，但这两种方法不符合最小条件，评定出的直线度误差值会大于实际值，使用者可以得到更高的保证，但制造方会造成损失，故除非制造方愿意，否则不能采用。这些方法分别介绍如下：1按最小包容区域法的人工处理用两条平行直线包容误差折线，其中一条直线必须与误差折线两个最高（最低）点相切，在两切点之间，应有一个最低（最高）点与另一条平行直线相切。这两条平行直线之间的区域才是

43、最小包容区域。从平行于纵坐标方向画出这两条平行直线间的距离，此距离就是被测表面的直线度误差值f（格）。按例5-1所得的折线图如图5-23，取最小包容区如图5-24所示。包容区为两平行直线所夹区域，其中一根线过零点和第6个数值点两个点（高点），另一根线仅通过第3个数值点一个点（低点），且这个低点位于0与6点之间。本来两平行线之间的宽度应该是指它们间的垂直距离，但是，由于图中折线是歪曲了的实际曲线，其X轴缩小了很多倍，Y轴则放大了很多倍，而只有坐标的数字不会改变，因此，包容区的宽度因该是两平行线的Y坐标距离，即图5-24中的值。按下式计算包容区的宽度，得到以“格”为单位的直线度误差值： 图5-24

44、 平面内直线的最小包容区式中：、分别为两峰（高）点和一谷（低）点的纵坐标值； 、分别为两峰（高）点和一谷（低）点的横坐标值（即测点序号）。代入例5-1 的数值： （格）最后，还要进行单位换算，将误差值f（格）按下式折算成线性值f（mm）， f(0.01mm/m)Lf（mm）=(0.01X200X8.5)=17（mm）对于弯曲趋向与图5-24不同的情形，计算公式稍有不同，像图5-25的包容区，其Y坐标方向的宽度计算用以下公式： 图5-25 最小包容区域法误差评定式中：、分别为一峰（高）点和两谷（低）点的纵坐标值； 、分别为一峰（高）点和两谷（低）点的横坐标值（即测点序号）。上述处理方法，是利用人工寻找到最小包容区，并找到相关的点后，才套用公式求得直线度误差值。由于实际中折线的弯曲趋向是多种多样的，人工寻找到的包容区是否符合最小条件，要进行必要的判别。 要使包容实际轮廓线的两平行直线中的纵向距离为最小，在作包容时两平行直线之间的距离要由大到小作变化，同时，其倾斜的方向也要不断的变化，直到不能再缩小和摆动为止，且实际的折线绝对没有跑出包容区外的点。最后用下列判别准则判别是否符合最小条件。符合最小条件的包容区，其两平行线与折线的接触点有如下两种情形： （1）低一高一低相间接触(图5-26a), 即下包容线与折线的两个最低点相切；上包