精密测量技术1-绪论-几何测量

1、 精密测量技术主讲人：蒋永刚jiangyg1 现代制造的内涵2 微/纳机械系统E0512机构学与机器人E0501E0502传动机械学机械测试理论与技术E0511制造系统与自动化E0510E0503机械动力学零件加工制造E0509E0504机械结构强度学机械摩擦学与表面技术E0505E0508零件成形制造E0507E0506机械仿生学机械设计学NSFC机械学科代码划分3 可观测性是制造的前提！4 测量的概念5 测量技术的发展6 精密测量技术是机械工业发展的先决条件之一。从生产发展的历史来看，精密加工精度的提高总是与精密测量技术的发展水平相关的。由于有了千分尺类量具，使加工精度达到了0.01mm；

2、有了测微比较仪，使加工精度达到了1m左右；有了圆度仪等；测量仪器、使加工精度达到了0.1m;有了激光干涉仪，使加工精度达到了0.01m。目前国际上机床的加工水平已能稳定地达到1m的精度，正在向着稳定精度为纳米级的加工水平发展，表面粗糙度的测量则向亚纳米级的水平发展。纳米技术正在形成新的技术热点。材料、精密加工、精密测量与控制是现代精密机械工程的三大支柱。72014/11/3 目前在基础工业的某些领域，例如研究切削速度与进刀量对加工误差的影响、摩擦磨损等，精密测量已成为不可分割的重要组成部分。 X射线干涉仪的工作台能在10 nm的分辨力下连续移动，而且在50 mm的位移行程上的角偏量为千分之几的

3、秒级。在高纯度单晶硅的晶格参数测量中，以及对生物细胞、空气污染微粒、纳米材料等基础研究中，无不需要精密测量技术。82014/11/3 激光直写 DWL20009 计量技术发展的趋向有以下几个方面： 1、从实物基准到自然基准米的定义的沿革：“米”作为长度计量单位起源于1790年，当时法国国民议会采纳了达特兰提出的“以经过巴黎的地球子午线自北极至赤道这段弧长的一千万分之一为一米”的建议。 1799年，巴黎科学院完成了从法国的敦科尔克经过巴黎到西班牙的巴尔雪隆纳这一段子午线的实测工作，并按照测量结果所得的1米的长度制作了一把米尺，作为长度计量基准。这就是第一个米定义的实物基准称为档案米尺；10201

4、4/11/3 档案米尺经过近一百年的时间，由于损坏严重，于1880年国际计量局又制作了30多根(34)铂铱合金的高精度米尺：经过比对，以第6号尺取代档案米尺，作为国际长度计量基准，由国际计量局保存，并命名为“国际米原器”。其余的米尺则在1889年第一届国际计量大会上分发给缔约国，作为各国的长度基准器。当时米的定义为：米的长度等于在冰点温度下，米原器两端刻线间的距离。112014/11/3 国际米原器122014/11/3 1960年第11届国际计量大会通过了“米”的新86定义，以氦的同位素86K( )的波长作为长度r计量的自然基准，即原子在真空中的 能2p -5d105级跃迁时辐射光波的波长

5、= 0.60578021µm，一米为波长的1650763.73倍。这一自然标准是米的复现精度提高到。 1983年第17届国际计量大会通过了以光速常数为媒介的激光辐射的稳定波长作为长度基准，使长度基准的复现精度从10-9提高到10-11。米是光在真空中在1/299792458s的时间间隔内所行进的路程长度。132014/11/3 2、从静态到动态目前多数计量基准和标准是在静态条件下传递量值的。由于生产发展的要求，许多精密测量和校准工作要求在生产过程中进行，计量技术由静态向动态发展是必然趋势。例如，激光干涉自动量块检测仪可以实现对实物基准的动态检测。近年来，激光、光栅和感应同步器等新技术

6、的推广和应用，产生了各种类型的机、光、电相结合的自动检测仪器。特别是近年来微处理器的应用，为计量的自动化和智能化展示了广阔的背景。142014/11/3 3、从中间向两端扩展激光技术和量子学在测量中的应用，使测量从常规的中等长度向两端扩展。现在已能测量几百米的特大尺寸，其测量误差不超过几十微米。单晶金刚石刀具的圆弧半径、原子力显微镜的前端曲率半径测量现在也不成问题。152014/11/3 4、从手动向自动化扩展电子技术和计算机的广泛普及，不仅实现了自动显示和自动数据处理，而且实现了程序控制测量，从而改变了过去那种手摇、目测和笔算的落后局面。162014/11/3 精密测量的分类 1、按照测量过

7、程中是否接触分为： (1)接触式：测量过程中容易对被测对象产生干扰； (2)非接触式：测量过程中不对被测对象产生干扰，但是容易受到外界因素的干扰。接触式测量172014/11/3 非接触式测量例：雷达测速车载电子警察182014/11/3 接触测量测量器具的测头与零件被测表面接触后有机械作用力的测量。如用外径千分尺、游标卡尺测量零件等。为了保证接触的可靠性，测量力是必要的，但它可能使测量器具及被测件发生变形而产生测量误差，还可能造成对零件被测表面质量的损坏。非接触测量测量器具的感应元件与被测零件表面不直接接触，因而不存在机械作用的测量力。属于非接触测量的仪器主要是利用光、气、电、磁等作为感应元

8、件与被测件表面联系。如干涉显微镜、磁力测厚仪、气动量仪等。192014/11/3 2、按被测工件在测量时所处状态分类静态测量测量时被测件表面与测量器具测头处于静止状态。例如用外径千分尺测量轴径、用齿距仪测量齿轮齿距等。动态测量测量时被测零件表面与测量器具测头处于相对运动状态，或测量过程是模拟零件在工作或加工时的运动状态，它能反映生产过程中被测参数的变化过程。例如用激光比长仪测量精密线纹尺，用电动轮廓仪测量表面粗糙度等。202014/11/3 静态测量212014/11/3 动态测量地震测量振动波形222014/11/3 3、按测量方法分类测量的基本概念是把一个未知的被测量和一个已知的标准量相比

9、较，按照比较的方法可分为两类，即直接测量法和间接测量法。即(1)直接测量 (2)间接测量232014/11/3 直接测量电子卡尺242014/11/3 间接测量例如用“弦高法”测量大尺寸圆柱体的直径，由弦长S与弦高H的测量结果，可求得直径D的实际值，如图所示。由图可得S2D = + H4H对上式微分后，得到测量结果的测量误差为SS24HdD = 2HdS + 1 dH2式中dS弦长S的测量误差 dH弦高H的测量误差。252014/11/3 v4、按照测量过程是否在生产现场分为：(1)离线测量(2)在线测量离线测量产品质量检验262014/11/3 在线测量在流水线上，边加工，边检验，可提高产品

10、的一致性和加工精度。272014/11/3 5、按测量结果的读数值不同分类绝对测量从测量器具上直接得到被测参数的整个量值的测量。例如用游标卡尺测量零件轴径值。相对测量将被测量和与其量值只有微小差别的同一种已知量（一般为测量标准量）相比较，得到被测量与已知量的相对偏差。例如比较仪用量块调零后，测量轴的直径，比较仪的示值就是量块与轴径的量值之差。282014/11/3 教学内容 0绪论（2学时） 1、几何测量:（2学时）： 2、位移测量:（3学时）： 3、速度、转速、加速度 (3学时） 4、力学测量：（2学时）：力、扭矩、应力、 5、压力测量：（2学时）： 6、流体测量：（2学时）： 7、温度测量

11、：（2学时）： 8、磁场测量：（2学时）： 9、时间、频率测量：（2学时） 10、湿度与化学测量（2学时）： 11、材料测量（4学时） 12、生物测量技术（2学时）：细胞、蛋白质等。 13、MEMS测量技术（2学时）29 考核方式：大报告（80%）平时20参考书：Measurement Systems Application and DesignErnest O. Doebelin 著 (测量系统应用与设计)精密测量技术蒋建强、曹志宏主编，北京师范大学出版社。30 教学内容 0绪论（2学时） 1、几何测量:（2学时）： 2、位移测量:（3学时）： 3、速度、转速、加速度 (3学时） 4、力学测

12、量：（2学时）：力、扭矩、应力、 5、压力测量：（2学时）： 6、流体测量：（2学时）： 7、温度测量：（2学时）： 8、磁场测量：（2学时）： 9、时间、频率测量：（2学时） 10、湿度与化学测量（2学时）： 11、材料测量（4学时） 12、生物测量技术（2学时）：细胞、蛋白质等。 13、MEMS测量技术（2学时）31 第一章几何测量1.几何精密测量的基础理论2.形位误差的评定3.直线度的测量；4.平面度的测量；5.圆度的测量；32 加工精度的预测 Taniguchi 198333 （狭义）精密测量技术34 几何精密测量的发展趋势高精度：精度由微米级向纳米级发展，同时提高分辨率要求。大尺寸：

13、测量几米至几百米范围内物体的空间坐标(位置)、尺寸、形状、运动。高速度高效率：Renishow ML10激光干涉仪测量范围80m，测量速度1m/s、分辨率0.001m；点测量向面测量过渡。利用微制造技术、纳米技术、计算机技术、新材料等新技术，研究智能化、集成化、标准化、小型化仪器。数字化、网络化、自动化、虚拟仪器、傻瓜型实现各种溯源的要求。如自标定、自校准，特别是纳米溯源问题。测量的可靠性35 1、测量误差高斯分布NN(X X)2 Xiis = i=1实际上：X = i=1N 1N3 1、测量误差37 误差与精度的关系38 精密度(Repeatability)与准确度(Accuracy)Low

14、 AccuracyLow AccuracyHigh AccuracyLow repeatabilityHigh repeatabilityHigh repeatability39 测量原则：40 两个重要的测量原则在几何量测量中，有两个重要的原则，即长度测量中的阿贝原则和圆周分度测量的封闭原则。（1）阿贝测长原则在长度测量中，测量过程就是将被测工件的尺寸与作为标准量的线纹尺、量块等的尺寸进行比较的过程：由于在测量时，测量装置需要移动，而移动方向的正确性通常由导轨来保证：由于导轨制造和安装等误差，使测量装置在移动过程中产生方向偏差。为了减小这种方向偏差对测量结果的影响，1890年德国人艾恩斯特&

15、#183;阿贝(Ernst Abbe)提出了以下指导性的原则：被测尺寸与作为标准的尺寸应在同一条直线上，即按串联的形式排列。412014/11/3 并联的形式 = stan s串联的形式 = l(1cos ) 0.5l 242 （2）圆周封闭原则在圆周分度器件(如刻度盘、圆柱齿轮等)的测量中，利用在同一圆周上所有分度夹角之和等于360°，亦即所有夹角误差之和等于零的这一自然封闭特性，在没有更高精度的圆分度基准器件的情况下，采用“自检法”也能达到高精度测量的目的。432014/11/3 测量力引起的误差44 测量方法引起的误差热传导快，测量值偏低45 2.精密测量的数学方法46 2.精

16、密测量的数学方法47 第一章几何测量1.几何精密测量的基础理论2.表面粗糙度测量3.直线度的测量4.平面度的测量5.圆度的测量48 第一章几何测量49 二、表面粗糙度测量表面轮廓50 不同截止波长对轮廓的影响52 轮廓度：低通滤波器粗糙度：高通滤波器53 表面轮廓测量仪54 三、直线度的测量直线度：限制实际直线对理想直线变动量的一种形状公差。55 直线度误差的计算56 (a)所示是以平板作为测量基准.当百分表在测量基准上沿着箭头方向移动时，百分表测头划过被测表面，同时在百分表上反映出被测表面相对于测量基准的变化情况。 (b)是测量V形导轨的直线度。测量时将标准平尺与被测导轨并列，调整标准平尺两

17、端与被测导轨两端等高。百分表的支座做成倒V形，且直接放在V形导轨上。百分表的测头与作为测量其准的平尺直接接触。将V形表架从导轨的一端移至另一端，百分表测头在平尺上划过，其最大与最小读数之差即为直线度误差。这时相当于按两端点连线法评定的直线度误差。理想直线在测量中用平尺来体现。57 光学平直度检测仪记录卡58 平面度的测量测量平面度时，先测出若干截面的直线度，再把各测点的量值按平面度公差带定义(见形位公差)利用图解法或计算法进行数据处理即可得出平面度误差。打表测量法：打表测量法是将被测零件和测微计放在标准平板上，以标准平板作为测量基准面，用测微计沿实际表面逐点或沿几条直线方向进行测量。59 平面

18、度的评定：三点法：以通过实际被测平面上任选三点的平面作为理想评定基准面，作平行于该理想平面的二个包容实际平面的平面，则此二平行平面间的距离即为平面度误差。对角线法：以通过实际被测平面一条对角线的两端点且与另一条对角线两端点连线平行的平面作为理想评定基准面，作二个包容实际平面且平行于理想评定基准面的平面，则此二平行平面间的距离即为平面度误差。最小二乘法：以最小二乘平面作为理想评定基准面，作二个包容实际乎面且平行于最小二乘平面的平面，则此二平面间的距离即为平面度误差。最小区域法：两平行理想平面与被测实际平面的接触状态符合三角形准则、交叉准则、直线准则三种情况之一，则两平行平面间的区域为最小区域，两平行平面向的距离为平面度误差。60 平面度的测量平晶干涉法61 图