第6章 角度测量技术

1、1第六章第六章 角度测量技术角度测量技术 第一节第一节 角度检测概述角度检测概述第二节第二节 角度测量角度测量第三节第三节 圆分度误差测量圆分度误差测量2第一节、角度测量概述第一节、角度测量概述1 1、角度的单位：、角度的单位：国际单位制：弧度国际单位制：弧度(rad(rad) ) 分析、计算分析、计算非国际单位：度非国际单位：度( () )、分、分( ( ) )、秒、秒() () 实际应用（加工、测试）实际应用（加工、测试）换算：换算：1 1= 60= 60 , 1, 1 = 60, 1rad = 180/= 60, 1rad = 180/ 57.296 57.296角度自然基准：角度自然基

2、准：360360圆周（绝对准确，没有误差）圆周（绝对准确，没有误差）一、角度的单位和自然基准一、角度的单位和自然基准2 2、角度的自然基准：、角度的自然基准：整圆周上所有角分度的误差之和等于零整圆周上所有角分度的误差之和等于零圆周封闭原则：圆周封闭原则：在圆分度测量中，利用圆周封闭原则，可以提高测在圆分度测量中，利用圆周封闭原则，可以提高测量精度。量精度。3二、角度的实物基准二、角度的实物基准1、角度块规：、角度块规：形状：三角形（形状：三角形（1 1个角度）个角度） 长方形（长方形（4 4个角度）个角度）材料：与量块相同（稳定、耐磨）材料：与量块相同（稳定、耐磨）基准：工作面的夹角基准：工作

3、面的夹角应用：测量零件角度，相对测量基准应用：测量零件角度，相对测量基准精度：精度：0级级3，1级级10，2级级30，42、多面棱体：、多面棱体：精度：精度：0.50.511形状：正棱柱体形状：正棱柱体面数：面数：4、6、8、12、24、36、72基准：各工作面法线的夹角基准：各工作面法线的夹角应用：测量圆分度误差（自准直仪）应用：测量圆分度误差（自准直仪）1 - 被测度盘；被测度盘；2 - 24面体；面体；3 - 工作台；工作台；4 - 自准直仪；自准直仪；5 - 读数显微镜；读数显微镜；6 - 底座底座53、多齿分度盘：、多齿分度盘：组成：上齿盘、下齿盘，组成：上齿盘、下齿盘， 直径、齿数

4、、齿形相同直径、齿数、齿形相同 齿数：齿数：360360、720720、14401440精度：精度：0.1 0.1 （弹性变形实现误差平均效应）（弹性变形实现误差平均效应）原理：下齿盘固定不动，原理：下齿盘固定不动， 上齿盘抬起脱离啮合后，上齿盘抬起脱离啮合后， 即可绕其主轴旋转，即可绕其主轴旋转， 再次啮合，即可根据转过的再次啮合，即可根据转过的 齿数多少进行精确分度齿数多少进行精确分度64、圆光栅：、圆光栅：组成：一对光栅盘：组成：一对光栅盘： 定光栅、动光栅定光栅、动光栅, , 直径、栅距相同直径、栅距相同 精度：精度：0.2 0.2 （误差平均效应）（误差平均效应）原理：偏心叠合在一起

5、，产生莫尔条纹；原理：偏心叠合在一起，产生莫尔条纹；当光栅盘相对转动时，莫尔条纹同步移动。当光栅盘相对转动时，莫尔条纹同步移动。分辨力：分辨力：1010、2020 分类：径向光栅、切向光栅、环形光栅分类：径向光栅、切向光栅、环形光栅环形圆光栅75、光电编码器：、光电编码器：组成：组成：光源：产生平行光光源：产生平行光 码盘：光学玻璃，透光码盘：光学玻璃，透光/不透光，不透光， 同心圆环同心圆环 - 码道码道 光电元件：每个码道对应一个光电元件光电元件：每个码道对应一个光电元件精度：优于分辨力的一半精度：优于分辨力的一半原理：平行光源原理：平行光源码盘码盘 光电元件光电元件电信号输出电信号输出

6、每个码道上：透光每个码道上：透光=1，不透光，不透光=0，多个码道：多个码道： 0101 - 绝对码绝对码分辨力：与码盘的码道数有关：分辨力：与码盘的码道数有关： 例：例：1919位编码器，分辨力为位编码器，分辨力为:360:360/2/21919=2.47=2.47n2/3608编码数：编码数：2 2n n96、圆感应同步器：、圆感应同步器：组成：组成：转子转子(a)：激励绕组，连续绕组：激励绕组，连续绕组 定子定子(b)：感应绕组：感应绕组 正弦绕组、余弦绕组正弦绕组、余弦绕组 精度：低于圆光栅精度：低于圆光栅原理：转盘相对定盘转动，在绕组中产生感应电势；原理：转盘相对定盘转动，在绕组中产

7、生感应电势； 经过电路处理，可获得转角信号。经过电路处理，可获得转角信号。 基准：基准：360，圆周封闭准则，圆周封闭准则应用：抗干扰能力强，适于加工现场使用。应用：抗干扰能力强，适于加工现场使用。N 为极数，即转子连续绕组导体数；为转子转角 107、高精度度盘、高精度度盘n 在圆盘的某一圆周上刻有一系列的等分刻线以实现圆在圆盘的某一圆周上刻有一系列的等分刻线以实现圆周等分的器件称为度盘。周等分的器件称为度盘。n 度盘的角间隔一般为度盘的角间隔一般为1o, 30 , 20 , 10 , 5 和和4 几种。几种。n 用于角度及圆分度误差的静态测量。用于角度及圆分度误差的静态测量。11第二节、角度

8、及角位移测量第二节、角度及角位移测量一、角度的直接测量一、角度的直接测量1 1、测角仪测角仪：精密仪器，精密仪器，最小分辨率可达最小分辨率可达0.010.01 直接测量：测量直接测量：测量0 0360360之间的任意角度之间的任意角度构成：构成：1 1工作台：固定被测件工作台：固定被测件 4 4自准直光管：对准目标自准直光管：对准目标 5 5读数装置：瞄准读数读数装置：瞄准读数 原理：先瞄准被测件的一个平面，读数原理：先瞄准被测件的一个平面，读数1 1 转动工作台，再次瞄准另一个平面，读数转动工作台，再次瞄准另一个平面，读数2 2， 被测角度：被测角度：角度基准：分度盘、圆光栅、码盘角度基准：

9、分度盘、圆光栅、码盘)(18012ABC测量对象：角度块、多面棱体测量对象：角度块、多面棱体 被瞄准平面具有较高的反射率被瞄准平面具有较高的反射率121、测角仪法、测角仪法13自准直仪的分度值有自准直仪的分度值有0.1、0.2和和1几种。几种。 1、测角仪法、测角仪法1、光源2、自准直分划板3、物镜4、反射物体5、测微分划板6、目镜光学自准直仪结构举例光学自准直仪结构举例光学自准直原理光学自准直原理141、测角仪法、测角仪法152、影像测量法、影像测量法对象：平板类零件对象：平板类零件影像测量仪影像测量仪：原理：光源原理：光源目标目标镜头镜头CCDCCD图像图像 计算机计算机数据处理数据处理测

10、量结果测量结果特点：快速可以直接获取角度值；特点：快速可以直接获取角度值； 智能无需瞄准和对准，自动测量；智能无需瞄准和对准，自动测量； 精准高放大倍率、亚像素细分精准高放大倍率、亚像素细分光源准直透镜工作台物镜CCD摄像机零件163、激光干涉小角度测量、激光干涉小角度测量构成：激光器抗干扰；构成：激光器抗干扰； 角锥棱镜两个，差动测量；角锥棱镜两个，差动测量； 转台被测转角；转台被测转角； 原理：激光器发出的激光被分光镜分为两束，原理：激光器发出的激光被分光镜分为两束， 分别投射到两个角锥棱镜，分别投射到两个角锥棱镜， 被反射镜反射后由光电接收器接收，被反射镜反射后由光电接收器接收， 产生干

11、涉条纹，并随转台转动而移动。产生干涉条纹，并随转台转动而移动。分辨力：分辨力：0.002范围：范围：10应用：小角度测量基准（美国、日本、德国、俄罗斯）应用：小角度测量基准（美国、日本、德国、俄罗斯）17构成：旋转工作台：固定被测件构成：旋转工作台：固定被测件 标准角度块：角度基准标准角度块：角度基准 自准直仪：测量角度偏差自准直仪：测量角度偏差 原理：先放置标准角度块，自准直仪瞄准读数原理：先放置标准角度块，自准直仪瞄准读数1 1； 放置被测工件，自准直仪再次瞄准读数放置被测工件，自准直仪再次瞄准读数2 2； 被测角度：被测角度：角度基准：自准直仪角度基准：自准直仪测量对象：被瞄准平面具有较

12、高的反射率测量对象：被瞄准平面具有较高的反射率)(1204、自准直仪法（相对测量法）、自准直仪法（相对测量法）18二、角度的间接测量二、角度的间接测量间接测量：测量其他量，计算得出角度。间接测量：测量其他量，计算得出角度。原理：利用三坐标测量机测量两端截面；原理：利用三坐标测量机测量两端截面； 分别获得两个截面的直径分别获得两个截面的直径d dA A、d dB B和距离和距离L L； 被测锥度：被测锥度：精度：一般可以高于直接测量角度。精度：一般可以高于直接测量角度。1 1、坐标测量法坐标测量法：LddKAB/ )(201201201201)()(22)()(22BBBBBBAAAAAAyyx

13、xrdyyxxrd19双坐标测量仪双坐标测量仪12()/KDDH二、角度的间接测量二、角度的间接测量20二、角度的间接测量二、角度的间接测量原理：测量高度，计算角度：原理：测量高度，计算角度： 存在高度差时：存在高度差时：范围：范围：45，在测量小于在测量小于30的角度时，精确度可达的角度时，精确度可达352 2、正弦规测量法正弦规测量法：按正弦原理工作：按正弦原理工作LH /sin0210()/nnl21第三节、圆分度误差测量第三节、圆分度误差测量一、圆分度误差的概念一、圆分度误差的概念圆分度：将整个圆周进行若干等分。圆分度：将整个圆周进行若干等分。 例：若将圆周例：若将圆周n n等分，每分

14、度等分，每分度360360 /n/n 圆分度误差：圆分度误差：分度要素的实际位置相对于理想位置的偏差，用分度要素的实际位置相对于理想位置的偏差，用i表示表示。00021022 2 2零起分度误差零起分度误差 以零刻线的实际位置为基准，确定全部刻线的理论位置，以零刻线的实际位置为基准，确定全部刻线的理论位置，并由此求得的分度误差称为零起分度误差，用并由此求得的分度误差称为零起分度误差，用 表示。零起分度误差的一般表达式为表示。零起分度误差的一般表达式为0,i010010, 0siisiis10,00,0,0()/siiiiis0, 0ii23 3分度间隔误差分度间隔误差 度盘上相邻两刻线之间的角

15、距离称为间隔。实际间隔角度值度盘上相邻两刻线之间的角距离称为间隔。实际间隔角度值 与理论间隔角度值与理论间隔角度值 0之差即为分度间隔误差，用之差即为分度间隔误差，用fi表示。分度间表示。分度间隔误差的一般表达式为：隔误差的一般表达式为：,1i iii 1ifi0,i 10,ifs 1ii 0f0任意两刻线组成的间隔称为任意两刻线组成的间隔称为任意间隔任意间隔。最大分度间隔误差最大分度间隔误差Fmax 度盘的一个重要评定指标度盘的一个重要评定指标maxmaxmin - iiF244、直径误差：、直径误差：直径位置两个分度值取平均，两条刻线分度误差的平均直径位置两个分度值取平均，两条刻线分度误差

16、的平均值，叫做直径误差，用值，叫做直径误差，用( i)表示表示2/ )()(2/siii要点：要点：刻线误差用来评定单边读数的度盘，而直径误差则用以评定对径读数的度盘。刻线误差用来评定单边读数的度盘，而直径误差则用以评定对径读数的度盘。刻线误差的封闭条件为刻线误差的封闭条件为0-360，而直径误差的封闭条件则为，而直径误差的封闭条件则为0-180， 即即0180和和180360区域内刻线的直径误差完全相同。区域内刻线的直径误差完全相同。直径误差能减小度盘圆分度误差对测量的影响；直径误差能减小度盘圆分度误差对测量的影响； 25二、圆分度误差的直接测量二、圆分度误差的直接测量直接测量法：直接测量法

17、： 将被测圆分度器件与标准圆分度器件同轴安装，将被测圆分度器件与标准圆分度器件同轴安装， 直接比较被测件与基准，求得圆分度偏差。直接比较被测件与基准，求得圆分度偏差。原理：驱动主轴转动原理：驱动主轴转动 显微镜显微镜3粗定位粗定位 显微镜显微镜4精瞄准定位（精瞄准定位（5路信号的合成信号为路信号的合成信号为0） 读显微镜读显微镜5光电式度盘检查仪光电式度盘检查仪：组成：组成：2 2被测度盘：由被测度盘：由2 2个光电显微镜个光电显微镜5 5瞄准读数；瞄准读数； 1 1基准度盘：由基准度盘：由5 5个光电显微镜个光电显微镜4 4精瞄准，精瞄准， 由光电显微镜由光电显微镜3 3粗定位；粗定位； 误

18、差：标准件误差、瞄准误差、读数误差。误差：标准件误差、瞄准误差、读数误差。261、基准度盘、基准度盘2、被测度盘、被测度盘3、粗瞄准光电显微镜、粗瞄准光电显微镜4、精瞄准光电显微镜、精瞄准光电显微镜5、读数显微镜、读数显微镜27在度盘刻线圆周上均布在度盘刻线圆周上均布m个读数装置同时读数，取个读数装置同时读数，取m个读数个读数的平均值作为测得值，则该测得值包含的刻线误差为：的平均值作为测得值，则该测得值包含的刻线误差为：/11sin()s mkmkmkAkmB /55151sin(5)skkkAkB 光电式度盘检查仪的标准度盘上，采用了五个均匀分布的光电光电式度盘检查仪的标准度盘上，采用了五个均匀分布的光电显微镜，即显微镜，即m=5，取其合成信号等于零作精确定位时，瞄准的，取其合成信号等于零作精确定位时，瞄准的是是5根刻线的平均位置，其所包含的刻线误差为：根刻线的平均位置，其所包含的刻线误差为： 二、圆分度误差的直接测量二、圆分度误差的直接测量28圆分度误差数据处理圆分度误差数据处理度