技术测量基础.doc
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1、第2章技术测量基础2.1技术测量的基础知识2.1.1技术测量的基本概念在生产和科学实验中,经常要对一些现象和物体进行检测,以对其进行定量或定性的描述。在机械制造中,技术测量重要研究对零件的几何量(涉及长度、角度、表面粗糙度、几何形状和互相位置误差等)进行测量和检查,以拟定机器或仪器的零部件加工后是否符合设计图样上的技术规定。所谓测量是指为拟定被测对象的量值而进行的实验过程。即测量是将被测量与测量单位或标准量在数值上进行比较,从而拟定两者比值的过程。若以x表达被测量,以E表达测量单位或标准量,以q表达测量值,则有:q=x/E一个完整的几何量测量过程应涉及以下四个要素。被测对象:零件的几何量,涉及
2、长度、角度、形状和位置误差、表面粗糙度以及单键和花键、螺纹和齿轮等典型零件的各个几何参数的测量。计量单位:几何量中的长度、角度单位。在我国规定的法定计量单位中,长度的基本单位为米(m),其他常用的长度单位有毫米(mm),微米(m)。平面角的角度单位为弧度(rad)、微弧度(rad)及度()、分()秒()。测量方法:指测量时所采用的测量原理、计量器具和测量条件的综合,一般情况下,多指获得测量结果的方式方法。测量精度:指测量结果与真值的一致限度,即测量结果的可靠限度。在测量技术领域和技术监督工作中,还经常用到检查和检定两个术语。检查是拟定被检几何量是否在规定的极限范围内,从而判断其是否合格的实验过
3、程。检查通常用量规、样板等专用定值无刻度量具来判断被检对象的合格性,所以它不能得到被测量的具体数值。检定是指为评估计量器具的精度指标是否合乎该计量器具的检定规程的所有过程。例如,用量块来检定千分尺的精度指标等。2.1.2测量基准和尺寸传递系统1长度尺寸基准和传递系统在我国法定计量单位制中,长度的基本单位是米(m)。1983年第十七届国际计量大会的决议,规定米的定义为:1m是光在真空中,在1/s的时间间隔内的行程长度。国际计量大会推荐用稳频激光辐射来复现它,1985年3月起,我国用碘吸取稳频的0.633m氦氖激光辐射波长作为国家长度基准,其频率稳定度为1109,国际上少数国家已将频率稳定度提高到
4、10-14,我国于20世纪90年代初采用单粒子存贮技术,已将辐射频率稳定度提高到10-17的水平。在实际生产和科学研究中,不也许都直接运用激光辐射的光波长度基准去校对测量器具或进行零件的尺寸测量,通常要通过工作基准线纹尺和量块,将长度基准的量值准确地逐级传递到生产中应用的的计量器具和零件上去,以保证量值的准确一致。长度量值传递系统,如图2.1所示。图2.1长度量值传递系统2.角度尺寸基准和传递系统角度计量也属于长度计量范畴,弧度可用长度比值求得,一个圆周角定义为360,因此角度不必再建立一个自然基准。但在实际应用中,为了稳定和测量的需要,仍然必须要建立角度量值基准,以及角度量值的传递系统。以往
5、,常以角度量块作基准,并以它进行角度量值的传递;近年来,随着角度计量规定的不断提高,出现了高精度的测角仪和多面棱体。角度量值传递系统如图2.2所示。图2.2角度量值传递系统3.量块量块是一种无刻度的标准端面量具。其制造材料多为特殊合金钢,形状重要有长方六面体结构,六个平面中有两个互相平行的极为光滑平整的测量面,两测量面之间具有精确的工作尺寸。量块重要用作尺寸传递系统中的中间标准量具,或在相对法测量时作为标准件调整仪器的零位,也可以用它直接测量零件,如图2.3所示。(1)量块的尺寸量块长度是其一个测量面上任意一点(距边沿0.5mm区域除外)到与另一个测量面相研合的平晶表面的垂直距离。测量面上中心
6、点的量块长度L,为量块的中心长度,如图2.4所示。量块上标出的数字为量块长度的标称值,称为标称长度。尺寸6mm的量块,长度标记刻在测量面上;尺寸6mm的量块,长度标记刻在非测量面上,且该表面的左右侧面为测量面。图2.3量块图2.4量块长度量块按一定的尺寸系列成套生产,国家量块标准中规定了17种成套的量块系列,表2.1为从标准中摘录的几套量块的尺寸系列。在组合量块尺寸时,为获得较高尺寸精度,应力求以最少的块数组成所需的尺寸。例如,需组成尺寸为38.965mm,若使用83块一套的量块,参考表2.1,可按如下环节选择量块尺寸。表2.1成套量块的尺寸套别总块数级别尺寸系列/mm间隔/mm块数28300
7、,0,1,2,(3)0.511.0051.01,1.02,1.491.5,1.6,,1.92.0,2.5,9.510,20,100-0.010.10.51011149516103460,1,211.001,1.002,1.0091.01,1.02,1.091.1,1.2,1.92,3,910,20,100-0.0010.010.1110199981051000,0,10.991,0.992,10.0011061000,0,11,1.001,1.0090.00110注:带()的等级,根据定货供应38.965需要的量块尺寸- 1.005 第一块量块尺寸37.96- 1.46第二块量块尺寸36.5-
8、 6.5 第三块量块尺寸30第四块量块尺寸(2)量块的精度GB6093-85将量块的制造精度从高到低分为00、0、1、2、3和标准级K共6个级别。量块的分“级”重要是按量块的中心长度的极限偏差、长度变动量(量块长度的最大值与最小值之差)允许值、量块测量面的平面度、粗糙度及量块的研合性等质量指标划分的。各级量块长度的极限偏差和长度变动量允许值见表2.2。量块按检定精度由高到低分为16共六等。量块的分“等”重要是根据量块的中心长度的测量极限误差、平面平行性允许偏差和研合性等指标划分的。各等量块的中心长度测量的极限偏差及平面平行性允许偏差见表2.3。表2.2各级量块的精度指标标称长度mm00级0级K
9、级1级2级3级m100.060.070.100.120.140.200.250.300.050.050.060.060.070.080.090.100.120.140.200.250.300.400.500.600.100.100.100.120.120.140.160.160.200.300.400.500.600.801.001.200.050.050.060.060.070.080.090.100.200.300.400.500.600.801.001.200.160.160.180.180.200.200.250.250.450.300.801.001.201.602.002.400.
10、301.20.300.350.350.40.40.451.00.501.62.02.53.04.03.00.500.500.550.550.600.650.700.75102525505075075100100150150200200250注:量块长度的极限偏差();长度变动量允许值。表2.3各等量块的精度指标标称长度mm1等2等3等4等5等6等m10102525505075751001001501502002002500.020.020.030.040.040.050.060.070.050.050.060.060.070.080.090.100.060.070.080.090.100.12
11、0.150.180.100.100.100.120.120.140.160.160.110.120.150.180.200.250.300.350.160.160.180.180.200.200.250.250.220.250.300.350.400.500.600.700.300.300.300.350.350.400.400.450.60.60.80.91.01.21.51.80.50.50.550.50.60.650.70.752.12.32.62.93.23.84.45.00.50.50.550.550.60.650.70.75注:测量的总不拟定度();长度变动量允许值。(3)量块的使
12、用和检查量块的使用方法可分为按“级”使用和按“等”使用。量块按“级”使用时,是以量块的标称长度为工作尺寸,即不计量块的制造误差和磨损误差,但它们将被引入到测量结果中,使测量精度受到影响,但因不需加修正值,因此使用方便。量块按“等”使用时,是用量块经检定后所给出的实际中心长度尺寸作为工作尺寸。例如,某一标称长度为10mm的量块,经检定其实际中心长度与标称长度之差为-0.3m,则中心长度为9.997mm。这样就消除了量块的制造误差影响,提高了测量精度。但是,在检定量块时,不可避免的存在一定的测量方法误差,它将作为测量误差而被引入到测量结果中。2.1.3计量器具和测量方法1计量器具(1)计量器具的分
13、类测量仪器和测量工具统称为计量器具,按其原理、结构特点及用途可分为:基准量具用来校对或调整计量器具,或作为标准尺寸进行相对测量的量具称为基准量具。如量块等。通用计量器具能将被测量转换成可直接观测的指示值或等效信息的测量工具,按其工作原理可分类如下:1) 游标类量具,如游标卡尺、游标高度尺等。2) 螺旋类量具,如千分尺、公法线千分尺等。3) 机械式量仪,如百分表、千分表、齿轮杠杆比较仪、扭簧比较仪等。4) 光学量仪,如光学计、光学测角仪、光栅测长仪、激光干涉仪等。5) 电动量仪,如电感比较仪、电动轮廓仪、容栅测位仪等。6) 气动量仪,如水柱式气动量仪、浮标式气动量仪等。7) 微机化量仪,如微机控
14、制的数显万能测长仪和三坐标测量机等。极限量规类一种没有刻度的专用检查工具。如塞规、卡规、螺纹量规、功能量规等。检查夹具也是一种专用的检查工具,它在和相应的计量器具配套使用时,可方便地检查出被测件的各项参数,如检查滚动轴承用的各种检查夹具,可同时测出轴承套圈的尺寸及径向或端度面跳动等。(2)计量器具的度量指标是表征计量器具的性能和功用的指标,也是选择和使用计量器具的依据。分度值()计量器具刻尺或度盘上相邻两刻线所代表的量值之差。例如:千分尺的分度值=0.01mm。分度值是量仪能指示出被测件量值的最小单位。对于数字显示仪器的分度值称为分辨率,它表达最末一位数字间隔所代表的量值之差。刻度间距(a)量
15、仪刻度尺或度盘上两相邻刻线的中心距离,通常值取1-1.25mm。示值范围(b)计量器具所指示或显示的最低值到最高值的范围。测量范围(B)在允许误差限内,计量器具所能测量零件的最低值到最高值的范围。灵敏度(K)计量器具对被测量变化的反映能力。若用L表达被观测变量的增量,用X表达被测量的增量,则K=L/X。灵敏限(灵敏阈)能引起计量器具示值可觉察变化的被测量的最小变化值。测量力测量过程中,计量器具与被测表面之间的接触力。在接触测量中,希望测量力是一定量的恒定值。测量力太大会使零件产生变形,测量力不恒定会使示值不稳定。示值误差计量器具示值与被测量真值之间的差值。示值变动性在测量条件不变的情况下,对同
16、一被测量进行多次反复测量时,其读数的最大变动量。回程误差在相同测量条件下,对同一被测量进行往返两个方向测量时,量仪的示值变化。不拟定度在规定条件下测量时,由于测量误差的存在,对测量值不能肯定的限度。计量器具的不拟定度是一项综合精度指标,它涉及测量仪的示值误差、示值变动性、回程误差、灵敏限以及调整标准件误差等综合影响。常用计量器具的不拟定度值见表2.7、表2.8及表2.9。2测量方法及其分类(1) 按测得示值方式不同可分为绝对测量和相对测量绝对测量在计量器具的读数装置上可表达出被测量的全值。例如,用千分尺或测长仪测量零件直径或长度,其实际尺寸由刻度尺直接读出。相对测量在计量器具的读数装置上只表达
17、出被测量相对已知标准量的偏差值。例如用量块(或标准件)调整比较仪的零位,然后再换上被测件,则比较仪所指示的是被测件相对于标准件的偏差值。(2) 按测量结果获得方法不同分为直接测量和间接测量直接测量用计量器具直接测量被测量的整个数值或相对于标准量的偏差。例如,用千分尺测轴径,用比较仪和标准件测轴径等。间接测量测量与被测量有函数关系的其他量,再通过函数关系式求出被测量。例如,为求某圆弧样板的劣弧(通常把小于半圆的圆弧称为劣弧)半径R,可通过测量其弦高h和弦长s,按下式求出R,即R=(3) 按同时测量被测参数的多少可分为单项测量和综合测量单项测量对被测件的个别参数分别进行测量。例如,分别测量螺纹的中
18、径、螺距和牙型半角。综合测量同时检测工件上的几个有关参数,综合地判断工件是否合格。例如,用螺纹量规检查螺纹作用中径的合格性(综合检查其中径、螺距和牙型半角误差对合格性的影响)。此外,按被测量在测量过程中所处的状态可分为静态测量和动态测量;按被测表面与量仪间是否有机械作用的测量力可分为接触测量与不接触测量;按测量过程中决定测量精度的因素或条件是否相对稳定可分为等精度测量和不等精度测量等等。2.2测量误差及数据解决2.2.1.测量误差及其产生的因素1.测量误差测量误差是测得值与被测量真值之差。若以x表达测量结果,Q表达真值,则有=X-Q(2-1)一般说来,被测量的真值是不知道的。在实际测量时,常用
19、相对真值或不存在系统误差情况下的多次测量的算术平均值来代替真值使用。由式(2-1)所定义的测量误差又称为绝对误差,由于X也许大于或小于Q,故上式可表达为:Q=X(2-2)显然式(2-2)反映测得值偏离真值大小的限度。愈小,X愈接近Q,测量的准确度愈高。而对不同尺寸的测量准确度,则需用相对误差来评估。相对误差为测量的绝对误差的绝对值与被测量真值之比。常用百分数表达。即:=100100运用被测量之间的内在联系消除有些被测量各测量值之间存必然的关系。例如,多面棱体的各角度之和为封闭的,即360,因此在用自准仪检定其各角度时,可根据其角度之和为360这一封闭条件,消除检定中的系统误差。又如,在用齿距仪
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