(第2章测量技术基础)机械精度设计与检测

第2章测量技术基础一、测量技术的基础知识本章主要内容二、测量误差与数据处理重点要求基本概念、测量器具、误差与数据处理1、测量定义：将被测量与作为单位或标准的量，在量值上进行比较，从而确定二者比值的实验过程。一、测量与检验基本的测量公式：§2.1测量技术的基本知识2、测量要素一个完整的测量过程应包含:测量对象、计量单位、测量方法、测量精度四个要素。测量对象几何量的测量，包括长度、角度、表面粗糙度、形状和位置误差以及螺纹、齿轮的各个几何参数等。dLα§2.1测量技术的基本知识角度：基本单位弧度（rad）常用单位度（°）分（′）秒（″）计量单位计量：实现单位统一，量值准确、可靠的活动。我国法定计量单位对长度和角度单位做了规定：长度：基本单位米（m）常用单位毫米（mm）（10-3m，工厂习惯上叫做“米厘”或“公厘”）微米（μm）（10-6m）纳米（nm）（10-9m）工厂常用的计量单位还有忽米，即10-2mm，亦称“丝”或“道”§2.1测量技术的基本知识测量方法进行测量时所采用的测量原理、计量器具和测量条件的综合如：用游标卡尺测量轴径的直接测量法；用量块和机械比较仪测量轴径的比较测量法；立式光学比较仪测量轴径。其它更多的方法测量精度表示测量结果的可靠程度，即测量结果与真值相一致的程度。一般用测量误差的大小来反映测量精度的高低。偏离远，测量误差大，测量精度低；反之，其测量精度高§2.1测量技术的基本知识3、检验检验：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。定性检验：只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。定量检验：又称为测量检验。它是将被检验对象与单位量(或标准量)相比较并确定其量值，再与设计规定的要求相比较，从而判定其合格性的方法，简称为“检测”。§2.1测量技术的基本知识二、测量基准和尺寸传递系统1、长度尺寸基准长度基准:为保证量值的统一和准确性而规定的一个基本的客观标准。国际单位制中，基本的长度单位有米制(metricsystem)和英制(Englishsystem)两种；我国法定长度的基本计量单位是“米”(meter)；机械工程图中常用的单位是“毫米”(micrometer)；米的定义：1米是光在真空中在1/299792458秒时间间隔内所传播的距离。§2.1测量技术的基本知识2.长度量值传递系统用光波波长作为长度基准，不便于生产中直接应用。为了保证长度量值的准确、统一，就必须把复现的长度基准量值逐级准确地传递到生产中所应用的计量器具和工件上。量块：端面量具系统线纹尺：刻线量具系统三、量块1、定义：一种无刻度的标准端面量具材料：特殊合金钢形状：长方六面体结构或圆柱体量块2、作用：尺寸传递系统的中间标准量具作为标准件调整仪器的零位直接测量零件§2.1测量技术的基本知识3、量块的尺寸量块长度（Li）：从量块一个测量面上任意一点（距边缘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。中心长度（L）：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。量块长度L4L3L2L量块L1平晶§2.1测量技术的基本知识标称长度：量块上标出的数字。尺寸6mm长度标记刻在测量面上；尺寸≥6mm长度标记刻在非测量面上；量块标称长度20LcLi§2.1测量技术的基本知识4、量块的“级”(classes)和“等”(grads)量块精度按照不同的测量精度要求，分“级”和“等”。划分方法：1）“级”：按制造精度分为00，0，K,1，2，3级。00级最高，3级最低，K级为校准级。（忽略了制造误差）2）“等”：按检定精度从高到低分为1，2，3，4，5，6六等。（忽略了检验误差）§2.1测量技术的基本知识按“级”使用：以量块的标称尺寸作为工作尺寸，包含了量块的制造误差。按“等”使用时：以检定后所给出的实际中心长度尺寸作为工作尺寸，包含了检定的测量误差。由于检定时的测量误差小于制造误差，所以：“按等使用”比“按级使用”精度高5、量块的选用§2.1测量技术的基本知识使用量块时，有时要进行组合：例如39.95308.5§2.1测量技术的基本知识28.935-1.00527.93-1.4326.5-6.520-200例如：要组成28.935mm的尺寸，采用83块一套的量块，按尾数消除法四、测量方法与测量器具1、绝对测量与相对测量(1)绝对测量仪器读数即为被测量的完整值。例如：游标卡尺测量轴(2)相对测量（微差测量）仪器读数为被测量相对于标准量的偏差。例如：机械比较仪测量零件光学比较仪测量零件(一)测量方法分类§2.1测量技术的基本知识2、直接测量与间接测量⑴直接测量从测量器具上获得的读数即为被测量大小。即y=x。如用游标卡尺、千分尺测量轴径。⑵间接测量先测出实测量，然后按相应的函数关系换算被测量，即y=f(x1,x2······)。用弓高弦长法间接测量圆弧样板的半径R282hhbRb§2.1测量技术的基本知识3、接触测量与非接触测量（1）接触测量：计量器具的测头与被测表面接触（2）非接触测量：测头不与被测表面接触4、单项测量与综合测量（1）单项测量：对工件的各被测量进行独立测量（2）综合测量：检测零件几个参数的综合结果5、主动测量与被动测量(1)主动测量：在加工过程中进行的测量。其测量结果直接用来控制零件的加工过程(2)被动测量；加工完成后进行的测量。其结果仅用于发现并剔除废品，所以又称消极测量。§2.1测量技术的基本知识(二)测量器具几何量的测量器具一般可以分为实物量具、测量仪器(仪表)、测量装置等。（1）实物量具具有固定形态，用来复现（或提供）一个或多个量值的测量器具称为实物量具，包括单值量具和多值量具。1、测量器具的种类量具一般没有可动的结构，不具有放大功能。我国习惯上将千分尺、游标卡尺等简单的测量仪器也称为“通用量具”。§2.1测量技术的基本知识机械式量仪用机械方法实现原始信号转换的量仪（2）测量仪器测量仪器是指能将被测几何量的量值转换成可直接观测的示值或等效信息的计量器具。计量仪器按原始信号转换的原理可分为以下几种：光学式量仪电动式量仪气动式量仪用光学方法实现原始信号转换的量仪将原始信号转换为电量形式的量仪用压缩空气实现原始信号转换的量仪§2.1测量技术的基本知识（3）测量装置计量装置是指为确定被测几何量量值所必需的计量器具和辅助设备的总体。专用量具§2.1测量技术的基本知识2、计量器具的技术指标（1）标称值与示值标称值：标注在量具上用以标明其特性或指导其使用的量值。例如量块标出的量块尺寸、仪器的刻线尺寸、角度量块的角度值等。示值：由测量器具所指示的被测量值。§2.1测量技术的基本知识标尺间距（a）：计量器具标尺或分度盘上相邻两刻线中心之间的距离或弧长。为适于人眼观察，一般为1～2.5mm（光学比较仪0.96mm）放大倍数：k=a/i（2）标尺间距与分度值1－2.5分度值（i）：指计量器具标尺或分度盘上每一标尺间距所代表的量值。（光学比较仪0.001mm）§2.1测量技术的基本知识(3)标尺示值范围测量范围示值范围:计量器具所能显示的被测几何量起始值到终止值的范围。（光学比较仪±0.1mm）测量范围:计量器具在允许的误差限内所能测出的被测几何量下限值到上限值的范围。（光学比较仪0~180mm）绝对测量与相对测量的仪器的示值范围有何不同？§2.1测量技术的基本知识灵敏度：测量器具对被测量微小变化的响应能力。若被测量的变化为△x，引起计量器具的响应变化为△L，则灵敏度S为：S=△L/△x当分子和分母为同种量时，灵敏度即放大倍数。k=a/i（4）灵敏度与鉴别力阈灵敏阈：使测量器具的示值产生可察觉变化的被测量值的最小变化值。一般与内外部的噪声、摩擦、阻尼、惯性等因素有关，又称鉴别力阈或灵敏限。§2.1测量技术的基本知识示值误差：指计量器具上的示值与被测量的真值的代数差。是测量结果中的系统误差之一。修正值：是指为了消除或减少系统误差，用代数法加到未修正测量结果上的数值。例如：千分尺测量20mm量块，读数为19.98mm示值误差＝19.98－20＝－0.02在测量结果19.98上应加上＋0.02才能消除该误差结论：修正值＝－示值误差（5）示值误差与修正值§2.1测量技术的基本知识在相同条件下，被测量值不变，测量器具沿正向和反向两次测量时，两示值之差的绝对值，称为回程误差，又称滞后误差或空回。回程误差是由测量器具中测量系统的间隙、变形和摩擦等原因引起的。为了减少回程误差的影响，应使测量器具的运动部件沿同一方向运动，即所谓“单向测量”。当要求往返或连续测量时，如测量跳动，则应选用回程误差较小的测量器具。如百分表用游丝消除侧隙。(6)回程误差§2.1测量技术的基本知识（7）稳定性（测量重复性）在相同的测量条件下，对同一被测量进行多次测量时，各测量结果之间的一致性。反映了测得值中随机误差的大小。（8）不确定度由于测量误差的存在，被测量值不能准确获得。这种偏离又是不确定的。表达测得值对真值偏离程度的量化参数，即为不确定度。对计量器具术语要比较记忆：标尺间隔与分度值；示值范围与测量范围；示值误差与修正值；示值误差与测量重复性§2.1测量技术的基本知识测量误差（measuringerror)：测得值与被测量的真值之差。绝对误差(absoluteerror):测量结果与被测量的真值之差=χ–χ0相对误差(relativeerror):评定不同被测量的测量精度0100%100%xx绝对误差测量结果被测量的真值用多次测量的算术平均值代替一、测量误差的概念§2.2测量误差与数据处理二、测量误差产生的原因1、测量器具的误差§2.2测量误差与数据处理2、测量方法误差3、环境误差4、人员误差（1）标准器具误差1、测量器具的误差计量器具不完善引起的误差。包括标准具、设计和制造的各项误差线纹尺、量块等代表标准量的标准器具本身制造和使用时存在的误差。例：立式光学比较仪（分度值为0.001mm）在尺寸为25~40mm范围内的测量不确定度为1μm，其中调零量块的不确定度为0.6μm。§2.2测量误差与数据处理（2）原理误差（阿贝误差）用近似的实际工作原理代替理论工作原理所产生的误差阿贝原则：要求被测长度与基准长度安置在同一直线上游标卡尺不符合阿贝原则，千分尺符合阿贝原则。在给定条件下，如S=30mm，φ=0.0003rad时，千分尺的测量误差为0.0027μm游标卡尺的测量误差为9μm（3）制造误差仪器在制造和装配调整时所产生的测量误差。如表盘制造误差、装配偏心、刻线不均匀等§2.2测量误差与数据处理2、测量方法误差测量方法的不完善引起的误差。（1）对准误差①尺寸对准误差ddd被测工件工作台测头偏移测量方向倾斜§2.2测量误差与数据处理②读数对准误差在明视距离处的对准误差角度值(″)线值(μm)对准方式简图在明视距离处的对准误差角度值(″)线值(μm)对准方式简图单实线重合单线线端对准±60±10~207512~25双线线端对准双线对准跨单线±5~10±57~127§2.2测量误差与数据处理3、环境误差环境条件不符合标准引起的测量误差。如温度、湿度、振动、电磁场等。（2）力变形误差采用接触测量时，为了保证可靠的接触，必须给测头施加一定的测量力。测量力将使得零件和测量器具的零部件产生弹性形变或其他状态的变化（如间隙、摩擦等），从而引起测量误差。在几何量测量中，基准温度是。当测量温度偏离基准温度或变动时、或测量器具与被测零件存在温差时都将产生误差。20C§2.2测量误差与数据处理4、人员误差测量人员人为引起的测量误差。包括视差、估读误差、观察误差、调整误差和对准误差等§2.2测量误差与数据处理三、测量误差的性质（分类）1、系统误差—在相同测量条件下，多次测量同一量值时，大小和符号均保持不变的测量误差，或者在测量条件改变时，按某一规律变化的误差。调零误差定值系统误差变值系统误差系统误差通常用修正的方法予以处理。§2.2测量误差与数据处理定值系统误差具有确切的大小和符号，通常用修正的