公差配合與幾何精度檢測-檢測理論基礎(chǔ)

技術(shù)測量基礎(chǔ)

本篇簡明、系統(tǒng)地介紹精度檢測的基本理論和基本方法，力求使學(xué)生獲得檢測技術(shù)的基本理論和基本技能，即學(xué)會運用恰當(dāng)?shù)臏y量原理、擬定合理的測量方案、掌握各種測量器具的正確使用方法、正確處理測量所得數(shù)據(jù)等技能，為步入工作崗位奠定基礎(chǔ)。圖4-0齒輪泵主動軸零件圖

檢測理論基礎(chǔ)

測量四要素4.1測量對象和測量單位4.2測量方法4.3測量精度4.44.1測量四要素

【本節(jié)要求】理解測量、檢驗、檢定的概念。熟悉測量四要素的概念。4.1.1幾何量檢測

測量：是把被測實際量與具有計量單位的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，從而確定被測量量值的操作過程。 檢驗：是將測量結(jié)果與圖紙上的技術(shù)要求進(jìn)行對比，從而判斷零件是否合格或超差多少的操作過程。 幾何量檢測：是對被測幾何量進(jìn)行測量和檢驗的總稱。4.1.2測量四要素

進(jìn)行任何測量，首先要明確被測對象和確定計量單位，其次要有與被測對象相適應(yīng)的測量方法，并且測量結(jié)果應(yīng)達(dá)到所要求的測量精度。 在生產(chǎn)中任何一個測量過程都包括測量對象、計量單位、測量方法及測量精度4個基本要素。 ①測量對象：在技術(shù)測量理論中研究的被測對象。 ②計量單位：測量時所用的計值單位。 ③測量方法：廣義上是指測量時采用的測量原理、測量器具、具體測量方法和測量條件的總和。 ④測量精度：是指測得值與真值的接近程度。4.2測量對象和測量單位【本節(jié)要求】了解長度傳遞和角度傳遞的含義。4.2.1測量對象 測量理論研究的測量對象是指零件的尺寸（包括長度、角度）、形狀位置、表面粗糙度等幾何量，以及典型零件的誤差評定參數(shù)。4.2.2計量單位（測量單位）1．長度單位 為了便于國際間交流，我國的法定長度計量單位采用國際單位。 米（m）是基本單位，米基準(zhǔn)的定義為：1m是指光在真空中，在（1/299792458）s時間間隔內(nèi)所行程的長度。 國際計量大會推薦采用穩(wěn)頻激光輻射來復(fù)現(xiàn)。 機械制造業(yè)中，常用的長度測量單位為毫米（1mm=1×10?3m），精密制造用微米（1μm=1×10?6m）、納米（1nm=1×10?9m）均為米的分?jǐn)?shù)單位。2．長度量值傳遞系統(tǒng) 為保證零、部件生產(chǎn)的互換性，必須確保量值的準(zhǔn)確、統(tǒng)一，為此我國建立了如圖4-1所示的從長度最高基準(zhǔn)到各級計量標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)密的量值傳遞系統(tǒng)，分別通過刻線量具（線紋尺）和端面量具（量塊）兩大平行系統(tǒng)逐級傳遞，由國家最高計量管理機構(gòu)國家計量局組織執(zhí)行。圖4-1長度基準(zhǔn)的量值傳遞系統(tǒng)3．角度及角度量值傳遞系統(tǒng) 角度是重要的幾何量之一。 角度單位為弧度（rad）和度（

）。 1rad是指在圓周上截取與半徑相等的弧長時所對應(yīng)的圓心角。1

=(

/180)rad。 1

=60′，1′=60″。 多面棱體用特殊合金鋼或石英玻璃精細(xì)加工而成。 有4面、8面、12面、24面、36面及72面等。 圖4-2所示為八面棱體。圖4-2八面棱體 以多面棱體作為角度基準(zhǔn)的量值傳遞系統(tǒng)，如圖4-3（a）所示，圖4-3（b）所示為生產(chǎn)中常用的角度量塊。圖4-3角度量值傳遞系統(tǒng)4.3測量方法

【本節(jié)要求】了解測量原理，掌握阿貝測長原則。掌握測量器具的分類。熟悉量塊的有關(guān)術(shù)語、精度分類及特點，熟練掌握量塊的組合使用方法。熟練掌握測量器具參數(shù)，它是選擇和使用計量器具的依據(jù)。了解測量方法的分類。 測量方法是指依據(jù)恰當(dāng)?shù)臏y量原理、運用適當(dāng)?shù)臏y量器具、采用合理的具體測量方法，在一定的測量條件下進(jìn)行的操作過程。 因此測量方法是測量原理、測量器具、具體測量方法和測量條件的綜合。 例如，在車間條件下用游標(biāo)卡尺測量軸徑的直接測量法，在計量室條件下用量塊和立式光學(xué)儀測量軸徑的比較測量法等。4.3.1測量原理（測量原則） 在實際生產(chǎn)中，同一被測量往往可以采用多種方法測量，為保證測得結(jié)果的一致性，應(yīng)遵守以下測量原則。1．阿貝測長原則 阿貝測長原則是指測量長度時，應(yīng)使被測長度量與測具中的標(biāo)準(zhǔn)長度量排列在同一直線上。圖4-4游標(biāo)卡尺不符合阿貝測長原則圖2．基準(zhǔn)統(tǒng)一原則 基準(zhǔn)統(tǒng)一原則是指測量基準(zhǔn)應(yīng)與加工基準(zhǔn)、設(shè)計基準(zhǔn)統(tǒng)一，即工序測量時應(yīng)以工藝基準(zhǔn)（加工基準(zhǔn)）作為測量基準(zhǔn)，終檢測量時應(yīng)以設(shè)計基準(zhǔn)作為測量基準(zhǔn)。3．最短鏈原則 最短鏈原則是指在間接測量中，被測量和與其具有函數(shù)關(guān)系的其他量組成測量鏈，鏈中環(huán)節(jié)越多測量誤差越大，因此應(yīng)盡量減少測量環(huán)節(jié)。4．最小變形原則 最小變形原則是指在測量過程中，要求被測零件與測量器具間的變形最小。4.3.2測量器具

1．測量器具分類 測量器具（也稱作計量器具，后面簡稱測具）是用于測出零件幾何參數(shù)量值的量具、測量儀器和測量工具的總稱。 通常把沒有傳動放大系統(tǒng)的測具稱為量具，如量塊、量規(guī)、游標(biāo)卡尺、直角尺等；把具有傳動放大系統(tǒng)的測具稱為量儀，如比較儀、測長儀和投影儀等。 也可按其測量原理、結(jié)構(gòu)特點及用途等分為4類：量具、量規(guī)、量儀和測量裝置。（1）量具。量具是一種具有固定形態(tài)、提供一個或多個已知量值的測具，分為定值量具和變值量具。 ①定值量具：無刻度的單一量值的量具，如量塊、角度量塊、角尺、曲線樣板等。 量塊是生產(chǎn)中廣泛使用的一種長度量具。為此在☆內(nèi)容中作專門介紹。 ②變值量具：有刻度的復(fù)現(xiàn)一定范圍內(nèi)計量單位的某些倍數(shù)和分?jǐn)?shù)的量具，如游標(biāo)卡尺、千分尺、百分表等，如圖4-5、圖4-6、圖4-7所示。圖4-5游標(biāo)卡尺1—內(nèi)測量爪；2—定位螺釘；3—測微緊固螺釘；4—主尺；5—深度尺；6—游標(biāo)尺；7—外測量爪圖4-6外徑千分尺

1—尺架；2—測砧；3—測微螺桿；4—隔熱裝置；5—鎖緊裝置；6—固定套管；7—微分筒；8—測力裝置圖4-7百分表

1—小齒輪；2，7—大齒輪；3—中間齒輪；4—彈簧；5—測量桿；6—指針；8—游絲（2）量規(guī)。量規(guī)是一種沒有刻度的專用測量器具，或稱為專用檢驗量具。量規(guī)只能判斷零件是否合格，而不能得出具體尺寸，在成批生產(chǎn)中用來檢驗零件加工的實際尺寸與幾何誤差的綜合效果是否在規(guī)定范圍內(nèi)。量規(guī)有光滑極限量規(guī)、位置量規(guī)、螺紋量規(guī)（見圖9-7）等。（3）測量儀器。測量儀器是將被測量值轉(zhuǎn)換成可直接觀測的指示值的測量器具，簡稱量儀，有以下種類。①機械量儀②光學(xué)量儀③氣動量儀④電動量儀圖4-10機械式測微比較儀圖4-11立式測長儀圖4-12扭簧比較儀1—指針；2—靈敏彈簧片；3—彈性杠桿；4—測量桿圖4-13工具顯微鏡圖4-14薄膜式氣動量儀（4）測量裝置。測量裝置（也稱計量裝置）是指為確定專門被測量值所必需的測具和輔助設(shè)備組成的系統(tǒng)。特點是能夠測量同一零件上較多的幾何量和形狀比較復(fù)雜的零件，有利于實現(xiàn)檢測自動化，如齒輪綜合精度檢查儀。2．測具的技術(shù)指標(biāo)（也稱度量指標(biāo)） 測具的度量指標(biāo)既反映了測具的性能，又是選擇和使用測具的依據(jù)，故只有充分理解其含義，才能在實測中熟練應(yīng)用。（1）刻度間距與分度值。 ①刻度間距：測具的刻度標(biāo)尺或刻度盤上相鄰兩刻線間的距離，考慮到人的視覺特點，一般為1～2.5mm。 ②分度值（刻度值）：測具的刻度尺或刻度盤上每一刻度間距所代表的量值。一般來說，分度值越小，計量器具的精度越高，如圖4-10（b）所示，表盤上的分度值是1μm。（2）示值范圍與測量范圍。 ①示值范圍：測具全部刻度所能顯示或指示的最小值到最大值的范圍。如圖4-10（b）所示的示值范圍是?20～+20μm。 ②測量范圍：測具所能測量零件的最小值到最大值的范圍，如圖4-10（a）所示。（3）靈敏度（也稱為放大比）。 ①靈敏度：指測具對被測量微小變化的反應(yīng)能力。若被測量變化為

L，測具上相應(yīng)變化為

X，則靈敏度S為S=

X/

L

②放大比：當(dāng)

L與

X為同一量類時，靈敏度又稱放大比K。對于一般長度測具，等于刻度間距c與分度值i之比，即K=c/i

一般來說，分度值越小，則計量器具的靈敏度就越高，即放大比越高。（4）示值誤差、修正值、回程誤差。 ①示值誤差：測具的示值與被測量真值的代數(shù)差。主要由測具制造誤差和測具調(diào)整誤差引起。一般來說，示值誤差越小，測具精度越高。 ②修正值：是指為消除示值誤差，加到測量結(jié)果上的代數(shù)值。其大小與示值誤差絕對值相等，而符號相反。例如，示值誤差為?0.004mm，則修正值為+0.004mm。 ③回程誤差：是指在相同測量條件下被測量值不變，測量器具行程方向不同時，兩示值之差的絕對值。主要由測具中零件間的間隙、變形和摩擦等原因引起。（5）關(guān)于測具的不確定度。測具的不確定度是指測具由于測量誤差的存在而對被測量值不能肯定的程度。這是一個綜合指標(biāo)，包括示值誤差、回程誤差等。4.3.3具體測量方法

在實際工作中，測量方法通常指獲得測量結(jié)果的具體方式，可按下述情況分類。1．根據(jù)被測量值能否直接從測具得出 ①直接測量：直接從測具上得出被測量值，例如用千分尺測量軸徑。 ②間接測量：測量與被測量有函數(shù)關(guān)系的其他量，通過計算得到該被測量值。圖4-15“弓高弦長法”2．根據(jù)測得示值是否是被測量值 ①絕對測量：測得示值就是被測量值，如用千分尺測量軸徑實際值（也屬于直接測量）。 ②相對測量（也稱比較測量）：測得示值是相對于標(biāo)準(zhǔn)量的偏差值，而被測實際值等于該偏差值與標(biāo)準(zhǔn)量值的代數(shù)和。3．根據(jù)測具測頭是否與被測表面接觸 ①接觸測量：在測量過程中測具的測頭始終與被測表面接觸，例如用機械式測微比較儀測量軸徑。 ②非接觸測量：在測量過程中測具的測頭不與被測表面接觸，如用光切顯微鏡測量表面粗糙度，用氣動量儀測量孔徑等。4．根據(jù)被測量是單項或綜合指標(biāo) ①單項測量：分別測量零件上被測量的單個指標(biāo)，如用工具顯微鏡分別測量螺紋的大徑、小徑、螺距和牙型半角等。 ②綜合測量：同時測量零件上幾個有關(guān)聯(lián)被測量的綜合指標(biāo)，以綜合判斷零件的合格性，如用螺紋量規(guī)檢驗螺紋的作用中徑是否合格。5．根據(jù)測量在工藝過程中所起作用 ①離線測量（被動測量）：在零件完工后進(jìn)行測量，作用是發(fā)現(xiàn)并剔除廢品。 ②在線測量（主動測量）：在零件加工過程中進(jìn)行測量，作用是控制加工質(zhì)量，根據(jù)測量結(jié)果決定是否繼續(xù)加工還是調(diào)整工藝系統(tǒng)。6．根據(jù)被測表面在測量過程中所處狀態(tài) ①靜態(tài)測量：在測量過程中被測表面與測具測頭處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，如用游標(biāo)卡尺測量軸徑。 ②動態(tài)測量：在測量過程中被測表面與測具測頭處于相對運動狀態(tài)，如用圓度儀測量圓度誤差。7．按測量時所處條件是否變化 ①等精度測量：在測量條件（測具、測量環(huán)境、測量人員）不變情況下對同一零件進(jìn)行多次重復(fù)的測量。 ②不等精度測量：在測量條件（測具、測量環(huán)境、測量人員）變化情況下對同一零件進(jìn)行多次重復(fù)的測量。4.3.4測量條件 測量條件是指測具、測量環(huán)境、測量人員的總稱。 在實際中主要指測量時零件和測具所處的環(huán)境條件，如溫度、濕度、振動和灰塵等。 測量時標(biāo)準(zhǔn)溫度為20℃。一般計量室的溫度是控制在20℃

（0.5～2）℃，精密計量室的溫度控制在20℃

（0.05～0.3）℃。 計量室的相對濕度應(yīng)為50%～60%為適宜，還應(yīng)遠(yuǎn)離振動源，清潔度要高等。4.4測量精度

【本節(jié)要求】理解絕對誤差和相對誤差的概念。了解測量誤差產(chǎn)生的原因。掌握定值系統(tǒng)誤差、變值系統(tǒng)誤差和粗大誤差的判斷及處理方法。掌握隨機誤差的測量結(jié)果評價公式。熟練掌握等精度測量列的數(shù)據(jù)處理的思路及步驟。 由于諸多因素的存在直接影響測量精度，使得測量結(jié)果與真實值不能完全一致，即出現(xiàn)測量誤差。 因此測量精度是由測量誤差反映出來的，討論測量精度即討論測量誤差。 測量誤差是在測量過程中產(chǎn)生的，由于有測具誤差、調(diào)整誤差、觀測誤差和環(huán)境條件等引起的誤差存在，使得每一個實際測得值是含有測量誤差的一個近似數(shù)，其數(shù)值若與真實值偏離過大則會對生產(chǎn)造成很大影響。 因此了解測量誤差的產(chǎn)生原因，分析其性質(zhì)，總結(jié)其規(guī)律，并采取相應(yīng)措施加以處理以提高測量精度顯然非常重要。 本節(jié)分析測量誤差產(chǎn)生的原因、分類及處理方法，以對在一定測量條件下測得結(jié)果的可靠性作出合理評價，盡可能使測得值接近于真實值，提高測量精度。4.4.1測量誤差的概念 測量誤差是指被測量的實際測得值與其真值的偏移量，用絕對誤差或相對誤差表示。1．絕對誤差 絕對誤差

是指測量值x與其真值x0之差，即 絕對誤差反映測得值偏離真值的程度，測量值可能大于或小于真值，用正值或負(fù)值表示。 但絕對誤差只能反映同一尺寸的測量精度，對不同尺寸測量進(jìn)行精度比較時就需用到相對誤差。2．相對誤差 對誤差f是指絕對誤差

與被測量真值x0之比。即 相對誤差主要用于相對比較，故

取絕對值，通常用百分比表示（無量綱）。4.4.2測量誤差產(chǎn)生的原因 分析測量誤差產(chǎn)生的原因，以提高測量精度。 在實際測量中影響因素主要有以下幾方面。1．測具誤差 測具誤差是指測具本身的誤差，包括測具的設(shè)計、制造和使用過程中的誤差，總和反映在示值誤差上。2．方法誤差 方法誤差是指由于測量方法的不完善引起的誤差，包括計算公式不準(zhǔn)確，測量方法選擇不當(dāng)，零件安裝、定位不準(zhǔn)確等原因。3．環(huán)境誤差 環(huán)境誤差是指測量時環(huán)境條件（溫度、濕度、氣壓、照明、振動等）不符合標(biāo)準(zhǔn)測量條件所引起的誤差。4．人員誤差 人員誤差是指測量人員人為的差錯，一是技術(shù)原因，如測量瞄準(zhǔn)不準(zhǔn)確、讀數(shù)或估讀錯誤等；二是責(zé)任心原因，如測量時注意力不夠集中等，都會產(chǎn)生測量誤差。4.4.3測量誤差分類與處理方法 根據(jù)測量誤差的特征，可分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差3類。1．系統(tǒng)誤差概念與處理方法（1）系統(tǒng)誤差概念。 系統(tǒng)誤差是指在一定測量條件下，多次重復(fù)測量同一量值時，誤差的大小和符號均保持不變，或者按某一規(guī)律變化的測量誤差。 又分為定值系統(tǒng)誤差和變值系統(tǒng)誤差。 ①定值系統(tǒng)誤差：在測量過程中誤差的大小和符號均保持不變的測量誤差。主要由測具誤差引起。 ②變值系統(tǒng)誤差：在測量過程中誤差的大小和符號按某一確定規(guī)律變化。按其變化不同，實際中可分為3類。線性系統(tǒng)誤差—在測量過程中隨著測量時間或量程的增減，誤差值呈比例增、減的誤差。例如零件材料隨溫度高低而出現(xiàn)的熱脹冷縮引起的線性系統(tǒng)誤差，如圖4-16（a）所示為溫度均勻升高時。周期性系統(tǒng)誤差—在測量過程中測得值隨著測量時間變化呈周期性變化的誤差，例如指示表回轉(zhuǎn)中心與刻度盤中心存在安裝偏心，指針表在一周過程中的轉(zhuǎn)角誤差呈周期性變化，如圖4-16（b）所示。復(fù)雜系統(tǒng)誤差—在測量過程中測得值按復(fù)雜函數(shù)規(guī)律變化，例如上述線性變化與周期性變化的疊加形成復(fù)雜函數(shù)變化的系統(tǒng)誤差，如圖4-16（c）所示。圖4-16變值系統(tǒng)誤差（2）處理方法。首先判斷誤差類型，常用方法是殘差觀察法。殘差即測量列中任一測得值Χi與測量列平均值的代數(shù)差vi。將測量列殘差按測量順序排列作圖，其規(guī)律與圖4-16相似，即可判斷出誤差類型。 消除誤差方法主要有下面幾種。修正法。抵消法。對稱法。半波法。2．粗大誤差概念與處理方法 粗大誤差是指超出一定測量條件下預(yù)計的測量誤差，是對測量結(jié)果產(chǎn)生明顯歪曲的測量誤差。 粗大誤差的產(chǎn)生有主觀原因，如測量人員疏忽造成的讀數(shù)誤差，也有客觀原因，如外界突然振動引起的測量誤差。 粗大誤差明顯歪曲測量結(jié)果，因此處理方法即從測量結(jié)果中將其剔除。3．隨機誤差概念與處理方法 隨機誤差是在同一條件下，多次重復(fù)測量同一量值時，誤差大小和符號以不可預(yù)定的方式變化的測量誤差。（1）隨機誤差的性質(zhì)。 對稱性—絕對值相等的正、負(fù)誤差出現(xiàn)的概率相等； 單峰性—絕對值小的誤差出現(xiàn)的概率大，隨機誤差為零時概率最高，此時測得值即是其真值； 抵償性—隨著測量次數(shù)的增加，隨機誤差的代數(shù)和趨于零；