第2章-測量技術基礎

第2章測量技術基礎

本章講述6個學時本章基本要求1.本章主要內容2.本章基本要求3.本章重點難點

本章基本要求本章主要研究對零件的幾何參數(shù)進行測量和檢驗的問題。檢驗和測量可以概括為檢測。正確進行檢測，能夠保證產品質量及互換性生產。要進行檢驗就必須保證計量單位的統(tǒng)一，在全國范圍內規(guī)定嚴格的量值傳遞系統(tǒng)以及相應的測量方法和測量器具，以保證必要的測量精度。測量精度和測量誤差是從兩個不同角度說明了同一個概念。造成測量誤差的因素主要有計量器具誤差、測量方法誤差和測量環(huán)境誤差等。測量誤差的種類可以分為隨機誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差三種。隨機誤差和系統(tǒng)誤差均有一定的規(guī)律，是不可避免的誤差，但可以通過相應的方法來減小測量的誤差。粗大誤差是可以避免產生的。由于測量誤差的存在，所以必須對測量結果進行數(shù)據(jù)處理，找出被測量最可信的數(shù)值以及評定這一數(shù)值所包含的誤差。保證測量結果的置信概率為99.73%。另外，在測量的時候也要注意合理的使用測量器具，正確的運用公式等。（1）掌握測量方法的選用，測量誤差的判斷。（2）能夠正確的使用量塊，掌握檢驗與測量的區(qū)別。本章重點掌握測量方法及測量誤差；難點在于掌握量塊的使用以及計量器具的度量指標。2.1.1測量技術的概念在機械制造行業(yè)中，測量技術主要是研究機器或儀器上的零部件加工后是否符合設計圖樣（零件圖）的技術要求，從而保證其精度和互換性。那么就需要經(jīng)過測量來判定。所以測量是指為確定被測幾何量的量值而進行的操作試驗過程。測量的實質是將被測幾何量L與作為計量單位的標準量E進行比較，從而獲得兩者的比值q的過程，即q=L/E。由上述公式可知，被測量量值的精度與標準量E有關，而且根據(jù)測量的概念可知，一個完整的測量過程包括測量對象、計量單位、計量方法和測量精度四個方面。（1）測量對象：在本課程中測量對象主要指幾何量，包括長度、角度、表面形狀和位置誤差、表面粗糙度、螺紋和齒輪等零件的幾何參數(shù)等。（2）計量單位：現(xiàn)各國所使用的長度單位有公制和英制兩種，我國實行公制單位。長度的基本單位為米，符號為m。1983年，第十七屆國際計量大會正式通過米的定義如下：“米是光在真空中（1/299792458）s時間間隔內所經(jīng)路徑的長度”。常用的角度計量單位有弧度（rad）、度（°）、分（′）、秒（″）。度、分、秒的關系采用60等分制，即1°=60′、1′=60″、1°=0.0174533rad。（3）測量方法：在進行測量時所采用的測量器具、測量原理以及測量條件的總和統(tǒng)稱為測量方法。測量條件即被測零件和測量器具所處的環(huán)境，如溫度、震動和灰塵等。（4）測量精度：最終測量結果與被測量真值的一致程度。當測量結果越接近真值測量的精度越高，反之測量精度越低，測量的準確才能保證互換性生產的順利進行，所以測量技術的基本要求是：①在測量過程中，應保證計量單位的統(tǒng)一和量值的準確；②應將測量誤差控制在允許的范圍內，以保證測量結果的精度；③應正確、經(jīng)濟、合理地選擇計量器具和測量方法，以保證一定的測量條件。結合測量技術，分析零件加工工藝，積極采取措施，避免廢品的產生。為了確定被測量是否達到預期要求的測量稱為檢驗，只有通過檢測才能判定零件是否合格，但是不一定得出具體量值。檢驗與測量概念相似，但是檢驗的含義更廣一些。例如，對金屬內部缺陷的檢驗就不能用測量。2.1.2長度基準和量值傳遞1.長度基準為了進行長度的測量，必須建立統(tǒng)一可靠的長度單位基準。我國所使用的計量單位為米制。采用碘吸收穩(wěn)定的0.633μm氦氖激光輻射作為波長標準來復現(xiàn)“米”的定義。常用的長度單位有米（m）、毫米(mm)、微米(μm)、納米（nm）。2.尺寸傳遞在實際生產和科學研究中，不便用光波作為長度基準進行測量，而是采用各種計量器具進行測量。為了保證量值的統(tǒng)一，必須把長度基準的量值準確地傳遞到生產中應用的計量器具和工件上去，因此必須建立一套從長度的最高基準到被測工件的嚴密完整的長度尺寸傳遞系統(tǒng)。量塊（端面量具）和線紋尺（線紋量具）是實現(xiàn)光波長度到測量實踐之間的尺寸傳遞媒介，其中以量塊為媒介的傳遞系統(tǒng)應用較廣。長度量值傳遞系統(tǒng)

2.1.3量塊的基本知識量塊是沒有刻度的橫截面為矩形的平面平行端面量具。量塊除了作為長度基準的傳遞媒介以外，也可以用于計量器具的校準和鑒定，精密設備的調整、精密劃線和精密工件測量等。

2.1.3量塊的基本知識1.量塊的材料、形狀和尺寸量塊是用特殊合金鋼或陶瓷制成，具有線膨脹系數(shù)小，不易變形，硬度高，耐磨性好，工作面粗糙度值小以及研合性好等特點。量塊的形狀通常為長方形六面體，它有2個測量面和4個非測量面。標稱長度（標稱在量塊上的尺寸值，也叫做名義尺寸）小于6mm的量塊，尺寸值標記在測量面上；尺寸值大于6mm的量塊，尺寸值標記在非工作面上。尺寸小于10mm的量塊，其截面尺寸為30mm×9mm，尺寸為10mm～1000mm的量塊截面尺寸為35mm×9mm。量塊中心長度L是指量塊的一個測量面上中心點至相研合的輔助體表面之間的垂直距離；量塊的長度L1是指量塊上測量面上任意一點到與下測量面研合的平晶表面之間的垂直距離；量塊長度變動量是指量塊測量面上最大量塊長度和最小量塊長度之差。2.量塊的精度為滿足不同的使用場合，量塊可做成不同的精度等級，GB/T6093—2001規(guī)定量塊的精度可劃分為“級”和“等”兩種。量塊的制造精度分為00、0、1、2、3級五個級別，其中00級的精度最高，精度依次降低，3級精度最低，此外還有一個校準級——K級。根據(jù)量塊中心長度的極限偏差和測量面的平面度公差精度指標，量塊的檢定精度分為1、2、3、4、5、6等六個等，其中1等的精度最高，用高一等的量塊作為檢定低一等量塊的基準，一等一等地將尺寸傳遞下去，直至傳遞到工件，6等的精度最低。量塊按“級”使用時，是以量塊的標稱長度作為工作尺寸，該尺寸包含了量塊的制造誤差，制造誤差將被引用到測量結果中去，但是因為不需要加修正值，所以使用較方便；量塊按“等”使用時，是以檢定后所給出的量塊中心長度的實際尺寸作為工作尺寸，該尺寸排除了量塊制造誤差的影響，僅包含檢定時較小的測量誤差。雖然按“等”使用量塊比按“級”使用在測量上要麻煩一些，但是由于消除了量塊尺寸制造誤差的影響，因此可用制造精度較低的量塊進行較精密的測量。量塊按“等”使用的測量精度比按“級”使用的測量精度高。3.量塊的使用量塊是定值量具，一個量塊只有一個尺寸。為了滿足一定尺寸范圍的不同尺寸要求，量塊可以組合使用。為了能用較少的塊數(shù)組合成所需要的尺寸，量塊按一定的尺寸系列成套生產供應。根據(jù)GB/T6093-2001規(guī)定，我國成套生產的量塊共有17種套別。量塊在進行選取時一定要從同一套量塊組中進行選取，選取時要根據(jù)從低數(shù)位到高數(shù)位選取的順序進行選取，并且一定要盡量使用少塊數(shù)的量塊進行組合，這樣才能保證組合尺寸的最小誤差。由于量塊的一個測量面與另一個量塊的測量面之間具有能夠研合的特性，因此可以從成套的各種不同尺寸的量塊中選取幾塊適當?shù)牧繅K組成所需要的尺寸。為了減小量塊組的長度累積誤差，選取的量塊數(shù)量要盡量少，通常不超過四塊。選取量塊時，從消去所需要尺寸最小的尾數(shù)開始，逐一選取。例如，使用83塊一套的量塊組，從中選取量塊組成28.785mm。按照下面的步驟選?。?/p>

即28.785=1.005+1.28+6.5+20研合量塊組時，首先用優(yōu)質汽油將選用的各塊量塊清洗干凈，用潔布擦干，然后以大尺寸量塊為基礎，順次將小尺寸量塊研合上去（由大到小，由下往上）。研合方法：將量塊沿著其測量面長邊方向，先將兩塊量塊測量面的端緣部分接觸并研合，然后稍加壓力，將一塊量塊沿著另一塊量塊推進，使兩塊量塊的測量面全部接觸，并研合在一起。使用量塊時要小心，避免碰撞或跌落，切勿劃傷測量面，否則會導致量塊的精度下降甚至報廢。

2.2測量方法的分類2.2.1常用6種分類方法1.按實測幾何量是否是被測幾何量分類（1）直接測量即直接從計量器具獲得被測量的量值的測量方法。（2）間接測量即先測量出與被測量有已知函數(shù)關系的量，然后通過函數(shù)關系計算出被測量的測量方法。2.按實測量是否是被測量的整個量值分類（1）絕對測量能夠由計量器具讀數(shù)裝置上讀出被測量的整個量值的測量方法，（2）相對測量是指從計量器具上僅讀出被測量與已知標準量的偏差值，而被測量的量值為計量器具的示值與標準量的代數(shù)和。3.按測量時計量器具的測頭與被測量表面之間是否有機械作用的測量力分類（1）接觸測量計量器具在測量時，測頭與被測量工件表面直接接觸的測量。（2）非接觸測量計量器具在測量時，測頭與被測量工件表面不直接接觸的測量。非接觸測量沒有機械測量力存在。4.按同時測量被測量的多少分類（1）單項測量分別測量工件的各個參數(shù)。例如，分別測量螺紋工件的螺紋中徑、螺距及牙型半角。（2）綜合測量同時測量工件上某些相關的幾何量的綜合結果，以綜合判斷結果是否合格，這種測量方法稱為綜合測量。其目的在于保證被測工件在規(guī)定極限輪廓內，以達到互換性的要求。單項測量便于工藝分析，但是綜合測量效率比單項測量效率高，綜合測量反映結果比較符合工件的實際工作情況，實際測量時應根據(jù)需要適當進行選擇。5.按被測量是否在加工過程中分類（1）在線測量零件在加工過程中或者在機床上進行的測量叫做在線測量。此時測量的結果直接用來控制零件的加工過程，或決定是否繼續(xù)加工。這樣能夠及時防止與消除廢品。（2）離線測量零件加工完成后在檢驗站進行的測量。此時測量的結果僅限于發(fā)現(xiàn)并剔除廢品。6.按被測工件在加工過程中所處的狀態(tài)分類（1）靜態(tài)測量測量時被測表面與計量器具處于靜止狀態(tài)。（2）動態(tài)測量測量時被測工件表面與計量器具之間處于相對運動狀態(tài)。

2.3測量誤差和數(shù)據(jù)處理2.3.1測量誤差的概念測量誤差是測量值與被測量真值之間的差值，在數(shù)值上表現(xiàn)為測量誤差。測量誤差可分為絕對誤差和相對誤差。1.絕對誤差絕對誤差δ是指被測量的測得值（儀表的指示值）χ與其真值之差的絕對值，即因為測量誤差可能是正值也可能是負值。這樣，真值可以用下列公式表示：

=χ±δ2.相對誤差相對誤差f是指絕對誤差δ與真值之比。由于真值不知道，因此在實際中常以被測量的測得值χ代替真值進行估算。即f=δ/×100%≈δ/χ×100%2.3.2測量誤差的來源產生測量誤差的原因很多，主要有以下幾個方面：1.計量器具的誤差2.測量方法誤差3.測量環(huán)境誤差4.人員誤差計量器具的誤差是指計量器具本身的設計、制造、裝配和調整不準確而引起的誤差。此外，相對測量時使用的標準量，如量塊、線紋尺等誤差，也將直接反映到測量結果中，這些誤差是不可避免的。測量方法誤差是指測量方法不完善如計算公式不準確、測量方法選擇不當、測量基準不統(tǒng)一、工件安裝不合理以及測量力引起的誤差等所導致的差錯。測量環(huán)境誤差是指測量時的環(huán)境條件不符合標準條件所引起的誤差。環(huán)境條件是指溫度、濕度、振動、氣壓、照明及灰塵等。其中溫度的影響最大。在長度計量中，標準溫度為室溫20℃。若不是在標準溫度條件下進行測量，則引起的測量誤差為△L=L〔α2（t2-20）-α1（t1-20）〕人員誤差是指測量人員的主觀因素引起的，如測量人員技術不熟練、視覺偏差、讀數(shù)錯誤等失誤引起的誤差?？傊?，造成測量誤差的因素很多，有些誤差是可以避免的。測量時應采取相應的措施，設法保證測量的精度，盡量減小或消除上述誤差對測量結果的影響。

2.3.3測量誤差的種類1.隨機誤差隨機誤差是指在一定測量條件下，多次測量同一量值時，其數(shù)值大小和符號以不可預定的方式變化的誤差。2.系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差是指在一定的測量條件下，多次測量同一量值時，誤差的大小和符號均保持不變或按一定規(guī)律變化的誤差。3.粗大誤差粗大誤差是指由于主觀疏忽大意或客觀條件發(fā)生突然變化而發(fā)生的誤差。通常情況下，這類誤差的數(shù)值都比較大，使測量結果明顯歪曲。隨機誤差的分布規(guī)律及其特性對稱性、單峰性、抵償性、有界性按其變化規(guī)律的不同，變值系統(tǒng)誤差又分為以下三種類型：（1）線性變化的系統(tǒng)誤差是指在整個測量過程中，隨著測量時間或量程的增減，誤差值成比例增大或減小的誤差。（2）周期性變化的系統(tǒng)誤差是指隨著測得值或時間的變化呈周期性變化的誤差。（3）復雜變化的系統(tǒng)誤差按復雜函數(shù)變化或按實驗得到的曲線圖變化的誤差。

2.3.4測量精度的三個概念測量精度是指被測量的測得值與真值的接近程度，測量精度和測量誤差是以兩個不同角度說明了同一概念。誤差越大測量精度越低，由于誤差分系統(tǒng)誤差和隨機誤差，所以籠統(tǒng)的精度概念已不能反映誤差的差異，從而引出如下概念。1.精密度指在一定的條件下進行多次測量時，所得測量結果彼此之間的符合程度，即測量數(shù)據(jù)的離散程度，表示測量結果中的隨機誤差大小的程度。隨機誤差越小，則精密度越高，精密度一般簡稱精度，通常用隨機不確定度表示。2.正確度指在規(guī)定條件下，測得值偏離其真值的程度，它是所有系統(tǒng)誤差綜合在測量結果中的反應，系統(tǒng)誤差越小，則正確度越高，反之亦反。理論上對已定系統(tǒng)誤差可用修正值來消除，對未定系統(tǒng)誤差可用系統(tǒng)不確定度來評估。3.準確度指連續(xù)多次測量時，所有測得值與真值的一致程度。它是測量結果中系統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合，若系統(tǒng)誤差與隨機誤差都小，則準確度高。若已修正所有已定系統(tǒng)誤差，則準確度可用不確定度表示。一般準確度高時，精密度和正確度必定都高；但精密度高的，正確度不一定高；正確度高的，精密度不一定高。

2.3.5測量結果的數(shù)據(jù)處理在相同的測量條件下，對同一被測量進行多次連續(xù)測量，得到一個測量列。測量列中隨機誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差可能都同時存在，因此必須對測量結果進行數(shù)據(jù)處理，以便找出被測量最可信的數(shù)值及評定這一數(shù)值所包含的誤差。1.測量列中隨機誤差的處理（1）計算算數(shù)平均值（2）計算殘差vi（3）計算標準偏差σ（4）計算測量列算術平均值的標準偏差（5）測量列的極限誤差δlim（）和測量結果2.系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)和消除系統(tǒng)誤差可以用計算或實驗對比的方法確定，從數(shù)據(jù)處理的角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的方法有多種，直觀的方法是“殘余誤差觀察法”，即根據(jù)測量值的殘余誤差，列表或作圖進行觀察。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差后需采取措施加以消除誤差或減小誤差，實際生產中常用的方法如下：（1）從產生誤差根源上消除（2）用加修正值的方法消除（3）用兩次讀數(shù)方法消除（4）用對稱法消除（5）用半波法消除3.粗大誤差的剔除粗大誤差的特點是數(shù)值比較大，對測量結果產生明顯的歪曲，也稱疏失誤差或粗差，應從測量數(shù)據(jù)中將其剔除。剔除粗大誤差不能憑主觀臆斷，應根據(jù)判斷粗大誤差的準則予以確定。2.4計量器具2.4.1計量器具的種類按用途分類（1）標準計量器具是指測量時體現(xiàn)標準量的測量器具。通常用來校對和調整其他計量器具，或作為標準量與被測量進行比較。如線紋尺、量塊、多面棱體等。（2）通用計量器具是指通用性大，可用來測量某一范圍內各種尺寸（或其他幾何量），并能獲得具體數(shù)值的計量器具。如千分尺、千分表、比較儀等。（3）專用計量器具是指用于專門測量某種或某個特定幾何量的計量器具。如各種極限量規(guī)、圓度儀、基節(jié)儀等。

2.4計量器具按工作原理分類（1）機械式計量器具是指通過機械結構實現(xiàn)對被測量的感應、傳遞和放大的計量器具。例如機械式比較儀、指示表和扭簧比較儀等。（2）光學式計量器具是指用光學方法實現(xiàn)對被測量的轉換和放大的計量器具。例如光學比較儀、投影儀、自準直儀和工具顯微鏡、光學分度頭和干涉儀等。（3）氣動式計量器具是指靠壓縮空氣通過氣動系統(tǒng)的狀態(tài)（流量或壓力）變化來實現(xiàn)對被測量的轉換的計量器具。例如水柱式和浮動式氣動量儀等。（4）電動式計量器具是指將被測量通過傳感器轉變?yōu)殡娔埽俳?jīng)變換而獲得讀數(shù)的計量器具。例如電動輪廓儀和電感測微儀、圓度儀。（5）光電式計量器具是指利用光學方法放大或瞄準，通過光電組件再轉換為電量進行檢測，以實現(xiàn)幾何量的測量的計量器具。例如光電顯微鏡、光電測長儀等。按結構特點分類（1）量具指以固定形式復現(xiàn)量值的計量器具，分單值量具和多值量具兩種。單值量具是指復現(xiàn)幾何量的單個量值的量具。比如量塊。多值量具是指復現(xiàn)一定范圍內的一系列不同量值的