精密測量技術1-緒論-幾何測量

1、 精密測量技術主講人：蔣永剛jiangyg1 現(xiàn)代制造的內涵2 微/納機械系統(tǒng)E0512機構學與機器人E0501E0502傳動機械學機械測試理論與技術E0511制造系統(tǒng)與自動化E0510E0503機械動力學零件加工制造E0509E0504機械結構強度學機械摩擦學與表面技術E0505E0508零件成形制造E0507E0506機械仿生學機械設計學NSFC機械學科代碼劃分3 可觀測性是制造的前提！4 測量的概念5 測量技術的發(fā)展6 精密測量技術是機械工業(yè)發(fā)展的先決條件之一。從生產發(fā)展的歷史來看，精密加工精度的提高總是與精密測量技術的發(fā)展水平相關的。由于有了千分尺類量具，使加工精度達到了0.01mm；

2、有了測微比較儀，使加工精度達到了1m左右；有了圓度儀等；測量儀器、使加工精度達到了0.1m;有了激光干涉儀，使加工精度達到了0.01m。目前國際上機床的加工水平已能穩(wěn)定地達到1m的精度，正在向著穩(wěn)定精度為納米級的加工水平發(fā)展，表面粗糙度的測量則向亞納米級的水平發(fā)展。納米技術正在形成新的技術熱點。材料、精密加工、精密測量與控制是現(xiàn)代精密機械工程的三大支柱。72014/11/3 目前在基礎工業(yè)的某些領域，例如研究切削速度與進刀量對加工誤差的影響、摩擦磨損等，精密測量已成為不可分割的重要組成部分。 X射線干涉儀的工作臺能在10 nm的分辨力下連續(xù)移動，而且在50 mm的位移行程上的角偏量為千分之幾的

3、秒級。在高純度單晶硅的晶格參數(shù)測量中，以及對生物細胞、空氣污染微粒、納米材料等基礎研究中，無不需要精密測量技術。82014/11/3 激光直寫 DWL20009 計量技術發(fā)展的趨向有以下幾個方面： 1、從實物基準到自然基準米的定義的沿革：“米”作為長度計量單位起源于1790年，當時法國國民議會采納了達特蘭提出的“以經過巴黎的地球子午線自北極至赤道這段弧長的一千萬分之一為一米”的建議。 1799年，巴黎科學院完成了從法國的敦科爾克經過巴黎到西班牙的巴爾雪隆納這一段子午線的實測工作，并按照測量結果所得的1米的長度制作了一把米尺，作為長度計量基準。這就是第一個米定義的實物基準稱為檔案米尺；10201

4、4/11/3 檔案米尺經過近一百年的時間，由于損壞嚴重，于1880年國際計量局又制作了30多根(34)鉑銥合金的高精度米尺：經過比對，以第6號尺取代檔案米尺，作為國際長度計量基準，由國際計量局保存，并命名為“國際米原器”。其余的米尺則在1889年第一屆國際計量大會上分發(fā)給締約國，作為各國的長度基準器。當時米的定義為：米的長度等于在冰點溫度下，米原器兩端刻線間的距離。112014/11/3 國際米原器122014/11/3 1960年第11屆國際計量大會通過了“米”的新86定義，以氦的同位素86K( )的波長作為長度r計量的自然基準，即原子在真空中的 能2p -5d105級躍遷時輻射光波的波長

5、= 0.60578021µm，一米為波長的1650763.73倍。這一自然標準是米的復現(xiàn)精度提高到。 1983年第17屆國際計量大會通過了以光速常數(shù)為媒介的激光輻射的穩(wěn)定波長作為長度基準，使長度基準的復現(xiàn)精度從10-9提高到10-11。米是光在真空中在1/299792458s的時間間隔內所行進的路程長度。132014/11/3 2、從靜態(tài)到動態(tài)目前多數(shù)計量基準和標準是在靜態(tài)條件下傳遞量值的。由于生產發(fā)展的要求，許多精密測量和校準工作要求在生產過程中進行，計量技術由靜態(tài)向動態(tài)發(fā)展是必然趨勢。例如，激光干涉自動量塊檢測儀可以實現(xiàn)對實物基準的動態(tài)檢測。近年來，激光、光柵和感應同步器等新技術

6、的推廣和應用，產生了各種類型的機、光、電相結合的自動檢測儀器。特別是近年來微處理器的應用，為計量的自動化和智能化展示了廣闊的背景。142014/11/3 3、從中間向兩端擴展激光技術和量子學在測量中的應用，使測量從常規(guī)的中等長度向兩端擴展?，F(xiàn)在已能測量幾百米的特大尺寸，其測量誤差不超過幾十微米。單晶金剛石刀具的圓弧半徑、原子力顯微鏡的前端曲率半徑測量現(xiàn)在也不成問題。152014/11/3 4、從手動向自動化擴展電子技術和計算機的廣泛普及，不僅實現(xiàn)了自動顯示和自動數(shù)據處理，而且實現(xiàn)了程序控制測量，從而改變了過去那種手搖、目測和筆算的落后局面。162014/11/3 精密測量的分類 1、按照測量過

7、程中是否接觸分為： (1)接觸式：測量過程中容易對被測對象產生干擾； (2)非接觸式：測量過程中不對被測對象產生干擾，但是容易受到外界因素的干擾。接觸式測量172014/11/3 非接觸式測量例：雷達測速車載電子警察182014/11/3 接觸測量測量器具的測頭與零件被測表面接觸后有機械作用力的測量。如用外徑千分尺、游標卡尺測量零件等。為了保證接觸的可靠性，測量力是必要的，但它可能使測量器具及被測件發(fā)生變形而產生測量誤差，還可能造成對零件被測表面質量的損壞。非接觸測量測量器具的感應元件與被測零件表面不直接接觸，因而不存在機械作用的測量力。屬于非接觸測量的儀器主要是利用光、氣、電、磁等作為感應元

8、件與被測件表面聯(lián)系。如干涉顯微鏡、磁力測厚儀、氣動量儀等。192014/11/3 2、按被測工件在測量時所處狀態(tài)分類靜態(tài)測量測量時被測件表面與測量器具測頭處于靜止狀態(tài)。例如用外徑千分尺測量軸徑、用齒距儀測量齒輪齒距等。動態(tài)測量測量時被測零件表面與測量器具測頭處于相對運動狀態(tài)，或測量過程是模擬零件在工作或加工時的運動狀態(tài)，它能反映生產過程中被測參數(shù)的變化過程。例如用激光比長儀測量精密線紋尺，用電動輪廓儀測量表面粗糙度等。202014/11/3 靜態(tài)測量212014/11/3 動態(tài)測量地震測量振動波形222014/11/3 3、按測量方法分類測量的基本概念是把一個未知的被測量和一個已知的標準量相比

9、較，按照比較的方法可分為兩類，即直接測量法和間接測量法。即(1)直接測量 (2)間接測量232014/11/3 直接測量電子卡尺242014/11/3 間接測量例如用“弦高法”測量大尺寸圓柱體的直徑，由弦長S與弦高H的測量結果，可求得直徑D的實際值，如圖所示。由圖可得S2D = + H4H對上式微分后，得到測量結果的測量誤差為SS24HdD = 2HdS + 1 dH2式中dS弦長S的測量誤差 dH弦高H的測量誤差。252014/11/3 v4、按照測量過程是否在生產現(xiàn)場分為：(1)離線測量(2)在線測量離線測量產品質量檢驗262014/11/3 在線測量在流水線上，邊加工，邊檢驗，可提高產品

10、的一致性和加工精度。272014/11/3 5、按測量結果的讀數(shù)值不同分類絕對測量從測量器具上直接得到被測參數(shù)的整個量值的測量。例如用游標卡尺測量零件軸徑值。相對測量將被測量和與其量值只有微小差別的同一種已知量（一般為測量標準量）相比較，得到被測量與已知量的相對偏差。例如比較儀用量塊調零后，測量軸的直徑，比較儀的示值就是量塊與軸徑的量值之差。282014/11/3 教學內容 0緒論（2學時） 1、幾何測量:（2學時）： 2、位移測量:（3學時）： 3、速度、轉速、加速度 (3學時） 4、力學測量：（2學時）：力、扭矩、應力、 5、壓力測量：（2學時）： 6、流體測量：（2學時）： 7、溫度測量

11、：（2學時）： 8、磁場測量：（2學時）： 9、時間、頻率測量：（2學時） 10、濕度與化學測量（2學時）： 11、材料測量（4學時） 12、生物測量技術（2學時）：細胞、蛋白質等。 13、MEMS測量技術（2學時）29 考核方式：大報告（80%）平時20參考書：Measurement Systems Application and DesignErnest O. Doebelin 著 (測量系統(tǒng)應用與設計)精密測量技術蔣建強、曹志宏主編，北京師范大學出版社。30 教學內容 0緒論（2學時） 1、幾何測量:（2學時）： 2、位移測量:（3學時）： 3、速度、轉速、加速度 (3學時） 4、力學測

12、量：（2學時）：力、扭矩、應力、 5、壓力測量：（2學時）： 6、流體測量：（2學時）： 7、溫度測量：（2學時）： 8、磁場測量：（2學時）： 9、時間、頻率測量：（2學時） 10、濕度與化學測量（2學時）： 11、材料測量（4學時） 12、生物測量技術（2學時）：細胞、蛋白質等。 13、MEMS測量技術（2學時）31 第一章幾何測量1.幾何精密測量的基礎理論2.形位誤差的評定3.直線度的測量；4.平面度的測量；5.圓度的測量；32 加工精度的預測 Taniguchi 198333 （狹義）精密測量技術34 幾何精密測量的發(fā)展趨勢高精度：精度由微米級向納米級發(fā)展，同時提高分辨率要求。大尺寸：

13、測量幾米至幾百米范圍內物體的空間坐標(位置)、尺寸、形狀、運動。高速度高效率：Renishow ML10激光干涉儀測量范圍80m，測量速度1m/s、分辨率0.001m；點測量向面測量過渡。利用微制造技術、納米技術、計算機技術、新材料等新技術，研究智能化、集成化、標準化、小型化儀器。數(shù)字化、網絡化、自動化、虛擬儀器、傻瓜型實現(xiàn)各種溯源的要求。如自標定、自校準，特別是納米溯源問題。測量的可靠性35 1、測量誤差高斯分布NN(X X)2 Xiis = i=1實際上：X = i=1N 1N3 1、測量誤差37 誤差與精度的關系38 精密度(Repeatability)與準確度(Accuracy)Low

14、 AccuracyLow AccuracyHigh AccuracyLow repeatabilityHigh repeatabilityHigh repeatability39 測量原則：40 兩個重要的測量原則在幾何量測量中，有兩個重要的原則，即長度測量中的阿貝原則和圓周分度測量的封閉原則。（1）阿貝測長原則在長度測量中，測量過程就是將被測工件的尺寸與作為標準量的線紋尺、量塊等的尺寸進行比較的過程：由于在測量時，測量裝置需要移動，而移動方向的正確性通常由導軌來保證：由于導軌制造和安裝等誤差，使測量裝置在移動過程中產生方向偏差。為了減小這種方向偏差對測量結果的影響，1890年德國人艾恩斯特&

15、#183;阿貝(Ernst Abbe)提出了以下指導性的原則：被測尺寸與作為標準的尺寸應在同一條直線上，即按串聯(lián)的形式排列。412014/11/3 并聯(lián)的形式 = stan s串聯(lián)的形式 = l(1cos ) 0.5l 242 （2）圓周封閉原則在圓周分度器件(如刻度盤、圓柱齒輪等)的測量中，利用在同一圓周上所有分度夾角之和等于360°，亦即所有夾角誤差之和等于零的這一自然封閉特性，在沒有更高精度的圓分度基準器件的情況下，采用“自檢法”也能達到高精度測量的目的。432014/11/3 測量力引起的誤差44 測量方法引起的誤差熱傳導快，測量值偏低45 2.精密測量的數(shù)學方法46 2.精

16、密測量的數(shù)學方法47 第一章幾何測量1.幾何精密測量的基礎理論2.表面粗糙度測量3.直線度的測量4.平面度的測量5.圓度的測量48 第一章幾何測量49 二、表面粗糙度測量表面輪廓50 不同截止波長對輪廓的影響52 輪廓度：低通濾波器粗糙度：高通濾波器53 表面輪廓測量儀54 三、直線度的測量直線度：限制實際直線對理想直線變動量的一種形狀公差。55 直線度誤差的計算56 (a)所示是以平板作為測量基準.當百分表在測量基準上沿著箭頭方向移動時，百分表測頭劃過被測表面，同時在百分表上反映出被測表面相對于測量基準的變化情況。 (b)是測量V形導軌的直線度。測量時將標準平尺與被測導軌并列，調整標準平尺兩

17、端與被測導軌兩端等高。百分表的支座做成倒V形，且直接放在V形導軌上。百分表的測頭與作為測量其準的平尺直接接觸。將V形表架從導軌的一端移至另一端，百分表測頭在平尺上劃過，其最大與最小讀數(shù)之差即為直線度誤差。這時相當于按兩端點連線法評定的直線度誤差。理想直線在測量中用平尺來體現(xiàn)。57 光學平直度檢測儀記錄卡58 平面度的測量測量平面度時，先測出若干截面的直線度，再把各測點的量值按平面度公差帶定義(見形位公差)利用圖解法或計算法進行數(shù)據處理即可得出平面度誤差。打表測量法：打表測量法是將被測零件和測微計放在標準平板上，以標準平板作為測量基準面，用測微計沿實際表面逐點或沿幾條直線方向進行測量。59 平面

18、度的評定：三點法：以通過實際被測平面上任選三點的平面作為理想評定基準面，作平行于該理想平面的二個包容實際平面的平面，則此二平行平面間的距離即為平面度誤差。對角線法：以通過實際被測平面一條對角線的兩端點且與另一條對角線兩端點連線平行的平面作為理想評定基準面，作二個包容實際平面且平行于理想評定基準面的平面，則此二平行平面間的距離即為平面度誤差。最小二乘法：以最小二乘平面作為理想評定基準面，作二個包容實際乎面且平行于最小二乘平面的平面，則此二平面間的距離即為平面度誤差。最小區(qū)域法：兩平行理想平面與被測實際平面的接觸狀態(tài)符合三角形準則、交叉準則、直線準則三種情況之一，則兩平行平面間的區(qū)域為最小區(qū)域，兩平行平面向的距離為平面度誤差。60 平面度的測量平晶干涉法61 圖