长度计量第六章_角度及角位移测量

第六章角度及角位移测量本章主要内容:1.角度的量值传递系统及圆封闭原则2.角度的各种测量方法3.圆分度误差的测量和评价第一节概述一．角度单位及量值传递角度单位：度（°），分（′），秒（″）和弧度（rad)角度测量：将被测角度与标准角度进行比较并确定被测角度的量值。角度量值的传递过程：逐级用高精度角度标准检定低精度角度标准。二．角度的自然基准和圆周封闭原则自然基准：360°圆周角圆周封闭原则：整圆周上所有角间隔的误差之和为零（圆周内误差封闭的原理）三．实物基准实物基准：传统的角度实物基准是角度块规，后来是以高精度等分360o的圆分度器件.包括：高精度度盘、圆光栅、圆感应同步器、角编码器、多面棱体、多齿分度盘1.高精度度盘：常用于角度及圆分度误差的静态测量。2.圆光栅：光栅盘的分辨率多为10,20,用于动态测量。因其能自动瞄准读数，常用于高精度智能化仪器及加工机械中。3.圆感应同步器：包括激磁绕组（固定盘）和感应绕组（动盘）两部分。由于抗干扰能力强，常用于加工现场的测量。4.角编码器：将角位置定义成数字代码的装置，使用方便，但难以实现微小分度。编码盘大多用光学玻璃制成，上面有许多同心码道，每个码道上有许多透光和不透光的部分，它们相间排列。如果透光=1，不透光=0，那么光电接收器的信号可以用数码表示：0101…----绝对码码盘的分辨力与码盘的码道数关系：=360/2n如：3位编码器，分辨力为：360/23=45o5.多面棱体：形状是正棱柱体，体面数：4、6、8、12、36、72以各工作面法线的夹角体现角度基准，分度精度可达0.5～1。常用于检定安装后的分度器件。常与自准直仪等读数系统配合使用。应用于测量圆分度误差。多面棱体结构示意图1.被测度盘2.多面棱体3.工作台4.自准直仪5.读数显微镜6.底座8图5－3多齿分度盘结构示意图a)整体结构b)弹性齿c)刚性齿6.多齿分度盘：结构：上齿盘、下齿盘，直径、齿数、齿形相同齿数：360、720、1440原理：下齿盘固定不动，上齿盘抬起脱离啮合后，即可绕其主轴旋转；再次啮合，即可根据转过的齿数多少进行精确分度。特点：精度高，可达±0.1”的分度精度。具有自动定心、操作简单、寿命长等优点。实现小分辨率分度值可采用差动方式，如实现l的分辨率时上：36060/864=25，下：36060/900=24。利用多齿分度盘测量角度块第二节单一角度尺寸的测量直接测量1.测角仪（绝对测量）2.工具显微镜（绝对测量）3.自准直仪(相对测量）4.激光干涉小角度测量仪（相对测量）间接测量坐标测量平台测量其他测量方法角度的直接测量法：将被测角度与标准角度相比较而直接确定其实际角度或偏差的方法。凡带有圆周角度刻度盘及其细分读数装置的量仪均可用做角度的直接测量。如光学分度盘、圆光栅等，这些仪器大多采用自准直光管瞄准，也有少数仪器采用影象法瞄准或采用接触式瞄难。1.测角仪测量范围：角度量块、多面棱体、棱镜的角度、光楔的楔角及平板玻璃两平面的平行度等。用测角仪测量的工件一般用平行于被测角平面的端平面定位，且要求构成被测角的被瞄准平面具有较高的反射率。71.工作台2.分度盘3.主轴4.自准直光管5.读数显微镜6.转臂7.平行光管8.底座9.工件手动旋转自动读数测角仪的瞄准方式示意图测量时先用瞄准器瞄准被测件上组成被测角的第一个几何要素(可能是点、线、面)(如图中ABC所示位置)，由读数装置读得读数1，然后使圆分度器件、主轴、工作台及被测件一起回转，直至瞄准器瞄准组成被测角的第二个几何要素(如图A’B’C’所示位置)，读得读数2。根据被测角的定义作简单的数据处理，便可得被测角度值。21180()oABC2.工具显微镜测量范围：角度样板、螺纹的牙型角、齿条上的齿形角以及刀具锥柄的锥角等。采用影像法瞄准时，成像的平行光应与被测角度所在平面垂直，必须正确调焦使轮廓影像清晰。由于对线精度高于压线精度，所以，用分划板上的米线瞄准角轮廓时，采用如图所示的对线方法，即让米字虚线与轮廓边缘保持一个狭窄光隙，以上光隙的宽度是否一致来判断是否对准。影像法测角的瞄准方法结构示意图相对测量单一角度的相对测量，是将被测角与角度块规或其它角度基准进行比较，用小角度测量仪测得偏差值，小角度测量仪的示值范围较小，一般的为10′，较大的可至30′，也有更小的仅为1′。1.光学自准直仪组成：体外反射镜、带有物镜组的光管部件、自准直测微目镜部件。原理：自准直分化板2和测微分划板5都位于物镜3的焦平面上。光源1发出的光束照射自准直分划板2，由物镜3将分划板像成至无穷远；经反射镜或工件表面反射后，自准直分划板2的像有由物镜再次成像在目镜测微分划板5的刻划面上，用目镜6可观察到自准直分划板像与测微分划板零位的相对位置，由此可确定反射面4的法线与光轴的夹角。1.光源2.自准直分划板3.物镜4.反射面5.测微分划板6.目镜图a中，光源S发出的光，照亮了位于物镜焦面上的分划板，经物镜后成平行光束，这样的简单光学装置即平行光管。垂直于光轴的反射镜反射回来的平行光束通过物镜仍在分划板上的原来位置成一实象。这种现象称为“自准直”。平行光管与反射镜即构成自准直光管（准直仪）自准直法就是通过将被测量转换为反射镜的倾斜量进行测量的，如测量直线度、平面度误差。aαf2t,fttg2αt与角的关系为:如图b所示，当反射镜倾斜一a角时，则按光的反射定律，将在分划板上距O点为t的O’点成象，被测量就是通过t反映出来的。测量时，使标准角度块和被测角度块的定位面处于同一位置定位，然后依次对构成标准角和被测角的另一平面瞄准。若瞄准标准角度块时，调整自准直仪光轴的方位使读数为零，则瞄准被测角度块时的读数即为被测角相对于标准角的偏差值。2.激光小角度测量仪测量原理：测量被测角与标准角的微小差角的对边，然后应用正弦原理求出这个微小的差角。H)1063281976.0()(0000197756.032323mmradRNRNRHNH上式中的R是仪器的设计值。该仪器设计采用了两次光学倍频，实现了8细分，在后续处理电路中实现了电学4细分，共实现32细分20.0;03：仪器测量精度：仪器测量范围瞄准：采用白光双光束干涉瞄准白光光源发出的光，经准直透镜后成为平行光，由分光镜H分为两束，经反射镜M1，M2透到工件表面，并被工件返回，在交会处产生干涉条纹；一边调整工件方位，一边用调焦望远镜观察干涉条纹直到零级黑色条纹出现为止。二、角度和锥度的间接测量法在有的情况下对角（锥）度的直接测量很不方便或难以达到测量精度的要求时，就要采用间接测量的方法。角（锥）度的间接测量，是直接测量与该角（锥）度有关的若干长度量，再通过它们之间的函数关系计算得到被测角（锥）度。(一)坐标测量凡是带有二维或三维坐标测量装置的测长仪器，均可实现平面角度的坐标测量，而一维测长仪器一般仅用于后述的平台测量。由于长度测量可以达到很高精度，所以间接测角方法要比一般测角方法精度更高，这在小角度测量时表现的更为突出。三坐标测量机测量外锥体锥度测量时应尽可能选择靠近锥体两端的横截面A、B为测量截面，即使轴向间距L尽可能的大，每个截面上各测三点坐标(x1，y1,z1)、(x2，y2，z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)、(x5，y5,z5)、(x6,y6,z6)求得直径dA和dB，则锥体的锥度又可用下式求得/ABKddl双坐标测量仪测量内锥锥度在工具显微镜上，用光学灵敏杠杆测孔径的方法可测得内锥体的锥度，测量原理如图所示。将锥体在工作台上定位，且必须锥孔大端朝上。先在靠近大端处测得直径D1，再在被测锥的下面垫上尺寸为H的量块，并保持测头纵向位置不变，测得靠近锥体小端处的截面直径D2，则所测内锥的锥度即为12()/KDDH(二)平台测量平台测量一般是利用通用的量具量仪(千分尺、卡尺、百分表、比较仪等)、长度基准(量块)、辅助量具(平板、平尺、直角尺、正弦规等)和其它辅具(圆柱、心轴等)来测量零件的长度尺寸和角度尺寸。由于测量在作为测量基准的平板上进行，因此称为平台测量。1．用标准圆柱测量内燕尾槽的斜角可用两对不等直径或一对相等直径标准圆柱测量。用两对不等直径圆柱测量时，将半径为r1和r2的圆柱先后塞进燕尾槽内，并紧靠燕尾槽两内斜面，用量块组试塞的方法确定或用测孔径量具测定圆柱间的间距M1和M2，内燕尾槽的斜角a可由下式确定用一对等径圆柱测量时，先测出M1，再在两圆柱下垫上尺寸为a的量块，测出M2，则内燕尾槽的斜角为：21arctan[()/2]MMao211221902arctan{2(rr)/[MM2(rr)]}2．用标准钢球测量内锥角Dd2NMN1R2RDdNdDtgsincos])2/[()2/(180)90(200式中：)]()/[()(arcsin22121RRNMRR1RNM2R3．用正弦规测量角（锥）度正弦规的结构如图所示。正弦规的上表面为工作面，在正弦规主体1下方固定有两个直径相等且互相平行的圆柱体2，它们下母线的公切面与上工作面平行。在主体侧面和前面分别装有可供被测件定位用的侧挡板4和前挡板3，它们分别垂直和平行于两圆柱的轴心线。正弦规按正弦原理工作，即在平板工作面与正弦规一侧的圆柱之间安放一组尺寸为H的量块，使正弦规工作面相对于平板工作面的倾斜角度0等于被测角(锥)度的公称值，(如图所示)。量块尺寸H由下式决定0sin/HL将被测件安放在正弦规工作面上，用正弦规前挡板或侧挡板正确定位，使被测角位于与正弦规圆柱轴线垂直的平面内。若被测角的实际值与公称值一致，则角度块表面或圆锥的上素线与平板工作面平行；若被测角有偏差即则在平台上移动测微计，可测得被测角上边线两端的高度差。设两个测量位置的间距为，测微计在测角块的小端和大端两个位置的读数值分别为，则被测角偏差为021()/nnll21,nn由此，用正弦规测量角度的误差由标准角度α0的误差和测量Δα时的误差两部分组成。（1）标准角度α0的误差主要由以下四项组成1）正弦规两圆柱中心偏差引起的误差δα01。两圆柱中心矩偏差可用中心矩制造公差值δL（即偏差的最大值）来表示。如果采用高精度的测量方法将两圆柱中心矩实际值L测出，中心局偏差ΔL引起的角度系统误差即可被修正掉。2）所用量块组的尺寸偏差δH引起的误差δα02，它们之间的关系是01tgLLsin0LHHLsec023）正弦规工作面对两圆柱下公切面的平行度误差δh引起的误差δα03,它们之间的关系是如果在第1次测量以后，将量块组换置在正弦规另一个圆柱下面，组成标准角后再进行第2次测量，并取两次测得值的平均数作为测量结果，则可以消除δh引起的测角误差。4）平板平面度误差引起的误差δα04这里δp是指放置正弦规和量块组区域内的平面度误差。应将规程中所给整个平板的平面度误差值适当缩小，作为δp值。为提高正弦规测角精度，应采用零级平板。031hL04secpL因此，标准角度的误差为由前面几式联立可以看出，欲减小标准角度的误差，需选择两圆柱中心矩L较大的正弦规。而且被测角度α越小时，标准角度的精度越高。由于角度的正切与正割两函数在超过45o以后增加变快，为保证测角精度，正弦规和平板间形成的标准角度不宜超过45o。2222001020304环形激光器的基本结构如图所示，其由等边三角形（或四边形等）的光学谐振腔1和位于腔管内的氦一氖气体放电管4组成。谐振腔由腔管和反射镜组成闭合回路，反射镜2、3是全反镜，反射镜5允许少量光线透射。气体放电管的两端都发出激光，一束顺时针方向传播，另一束逆时针方向传播，棱镜6将两束光中透过反射镜5的部分合成一束，射向接收器。接收器由光电转换元件和频率检测装置组成。其他测量方法——环形激光器测量