第2章-测量技术基础

第2章测量技术基础

本章讲述6个学时本章基本要求1.本章主要内容2.本章基本要求3.本章重点难点

本章基本要求本章主要研究对零件的几何参数进行测量和检验的问题。检验和测量可以概括为检测。正确进行检测，能够保证产品质量及互换性生产。要进行检验就必须保证计量单位的统一，在全国范围内规定严格的量值传递系统以及相应的测量方法和测量器具，以保证必要的测量精度。测量精度和测量误差是从两个不同角度说明了同一个概念。造成测量误差的因素主要有计量器具误差、测量方法误差和测量环境误差等。测量误差的种类可以分为随机误差、系统误差和粗大误差三种。随机误差和系统误差均有一定的规律，是不可避免的误差，但可以通过相应的方法来减小测量的误差。粗大误差是可以避免产生的。由于测量误差的存在，所以必须对测量结果进行数据处理，找出被测量最可信的数值以及评定这一数值所包含的误差。保证测量结果的置信概率为99.73%。另外，在测量的时候也要注意合理的使用测量器具，正确的运用公式等。（1）掌握测量方法的选用，测量误差的判断。（2）能够正确的使用量块，掌握检验与测量的区别。本章重点掌握测量方法及测量误差；难点在于掌握量块的使用以及计量器具的度量指标。2.1.1测量技术的概念在机械制造行业中，测量技术主要是研究机器或仪器上的零部件加工后是否符合设计图样（零件图）的技术要求，从而保证其精度和互换性。那么就需要经过测量来判定。所以测量是指为确定被测几何量的量值而进行的操作试验过程。测量的实质是将被测几何量L与作为计量单位的标准量E进行比较，从而获得两者的比值q的过程，即q=L/E。由上述公式可知，被测量量值的精度与标准量E有关，而且根据测量的概念可知，一个完整的测量过程包括测量对象、计量单位、计量方法和测量精度四个方面。（1）测量对象：在本课程中测量对象主要指几何量，包括长度、角度、表面形状和位置误差、表面粗糙度、螺纹和齿轮等零件的几何参数等。（2）计量单位：现各国所使用的长度单位有公制和英制两种，我国实行公制单位。长度的基本单位为米，符号为m。1983年，第十七届国际计量大会正式通过米的定义如下：“米是光在真空中（1/299792458）s时间间隔内所经路径的长度”。常用的角度计量单位有弧度（rad）、度（°）、分（′）、秒（″）。度、分、秒的关系采用60等分制，即1°=60′、1′=60″、1°=0.0174533rad。（3）测量方法：在进行测量时所采用的测量器具、测量原理以及测量条件的总和统称为测量方法。测量条件即被测零件和测量器具所处的环境，如温度、震动和灰尘等。（4）测量精度：最终测量结果与被测量真值的一致程度。当测量结果越接近真值测量的精度越高，反之测量精度越低，测量的准确才能保证互换性生产的顺利进行，所以测量技术的基本要求是：①在测量过程中，应保证计量单位的统一和量值的准确；②应将测量误差控制在允许的范围内，以保证测量结果的精度；③应正确、经济、合理地选择计量器具和测量方法，以保证一定的测量条件。结合测量技术，分析零件加工工艺，积极采取措施，避免废品的产生。为了确定被测量是否达到预期要求的测量称为检验，只有通过检测才能判定零件是否合格，但是不一定得出具体量值。检验与测量概念相似，但是检验的含义更广一些。例如，对金属内部缺陷的检验就不能用测量。2.1.2长度基准和量值传递1.长度基准为了进行长度的测量，必须建立统一可靠的长度单位基准。我国所使用的计量单位为米制。采用碘吸收稳定的0.633μm氦氖激光辐射作为波长标准来复现“米”的定义。常用的长度单位有米（m）、毫米(mm)、微米(μm)、纳米（nm）。2.尺寸传递在实际生产和科学研究中，不便用光波作为长度基准进行测量，而是采用各种计量器具进行测量。为了保证量值的统一，必须把长度基准的量值准确地传递到生产中应用的计量器具和工件上去，因此必须建立一套从长度的最高基准到被测工件的严密完整的长度尺寸传递系统。量块（端面量具）和线纹尺（线纹量具）是实现光波长度到测量实践之间的尺寸传递媒介，其中以量块为媒介的传递系统应用较广。长度量值传递系统

2.1.3量块的基本知识量块是没有刻度的横截面为矩形的平面平行端面量具。量块除了作为长度基准的传递媒介以外，也可以用于计量器具的校准和鉴定，精密设备的调整、精密划线和精密工件测量等。

2.1.3量块的基本知识1.量块的材料、形状和尺寸量块是用特殊合金钢或陶瓷制成，具有线膨胀系数小，不易变形，硬度高，耐磨性好，工作面粗糙度值小以及研合性好等特点。量块的形状通常为长方形六面体，它有2个测量面和4个非测量面。标称长度（标称在量块上的尺寸值，也叫做名义尺寸）小于6mm的量块，尺寸值标记在测量面上；尺寸值大于6mm的量块，尺寸值标记在非工作面上。尺寸小于10mm的量块，其截面尺寸为30mm×9mm，尺寸为10mm～1000mm的量块截面尺寸为35mm×9mm。量块中心长度L是指量块的一个测量面上中心点至相研合的辅助体表面之间的垂直距离；量块的长度L1是指量块上测量面上任意一点到与下测量面研合的平晶表面之间的垂直距离；量块长度变动量是指量块测量面上最大量块长度和最小量块长度之差。2.量块的精度为满足不同的使用场合，量块可做成不同的精度等级，GB/T6093—2001规定量块的精度可划分为“级”和“等”两种。量块的制造精度分为00、0、1、2、3级五个级别，其中00级的精度最高，精度依次降低，3级精度最低，此外还有一个校准级——K级。根据量块中心长度的极限偏差和测量面的平面度公差精度指标，量块的检定精度分为1、2、3、4、5、6等六个等，其中1等的精度最高，用高一等的量块作为检定低一等量块的基准，一等一等地将尺寸传递下去，直至传递到工件，6等的精度最低。量块按“级”使用时，是以量块的标称长度作为工作尺寸，该尺寸包含了量块的制造误差，制造误差将被引用到测量结果中去，但是因为不需要加修正值，所以使用较方便；量块按“等”使用时，是以检定后所给出的量块中心长度的实际尺寸作为工作尺寸，该尺寸排除了量块制造误差的影响，仅包含检定时较小的测量误差。虽然按“等”使用量块比按“级”使用在测量上要麻烦一些，但是由于消除了量块尺寸制造误差的影响，因此可用制造精度较低的量块进行较精密的测量。量块按“等”使用的测量精度比按“级”使用的测量精度高。3.量块的使用量块是定值量具，一个量块只有一个尺寸。为了满足一定尺寸范围的不同尺寸要求，量块可以组合使用。为了能用较少的块数组合成所需要的尺寸，量块按一定的尺寸系列成套生产供应。根据GB/T6093-2001规定，我国成套生产的量块共有17种套别。量块在进行选取时一定要从同一套量块组中进行选取，选取时要根据从低数位到高数位选取的顺序进行选取，并且一定要尽量使用少块数的量块进行组合，这样才能保证组合尺寸的最小误差。由于量块的一个测量面与另一个量块的测量面之间具有能够研合的特性，因此可以从成套的各种不同尺寸的量块中选取几块适当的量块组成所需要的尺寸。为了减小量块组的长度累积误差，选取的量块数量要尽量少，通常不超过四块。选取量块时，从消去所需要尺寸最小的尾数开始，逐一选取。例如，使用83块一套的量块组，从中选取量块组成28.785mm。按照下面的步骤选取：

即28.785=1.005+1.28+6.5+20研合量块组时，首先用优质汽油将选用的各块量块清洗干净，用洁布擦干，然后以大尺寸量块为基础，顺次将小尺寸量块研合上去（由大到小，由下往上）。研合方法：将量块沿着其测量面长边方向，先将两块量块测量面的端缘部分接触并研合，然后稍加压力，将一块量块沿着另一块量块推进，使两块量块的测量面全部接触，并研合在一起。使用量块时要小心，避免碰撞或跌落，切勿划伤测量面，否则会导致量块的精度下降甚至报废。

2.2测量方法的分类2.2.1常用6种分类方法1.按实测几何量是否是被测几何量分类（1）直接测量即直接从计量器具获得被测量的量值的测量方法。（2）间接测量即先测量出与被测量有已知函数关系的量，然后通过函数关系计算出被测量的测量方法。2.按实测量是否是被测量的整个量值分类（1）绝对测量能够由计量器具读数装置上读出被测量的整个量值的测量方法，（2）相对测量是指从计量器具上仅读出被测量与已知标准量的偏差值，而被测量的量值为计量器具的示值与标准量的代数和。3.按测量时计量器具的测头与被测量表面之间是否有机械作用的测量力分类（1）接触测量计量器具在测量时，测头与被测量工件表面直接接触的测量。（2）非接触测量计量器具在测量时，测头与被测量工件表面不直接接触的测量。非接触测量没有机械测量力存在。4.按同时测量被测量的多少分类（1）单项测量分别测量工件的各个参数。例如，分别测量螺纹工件的螺纹中径、螺距及牙型半角。（2）综合测量同时测量工件上某些相关的几何量的综合结果，以综合判断结果是否合格，这种测量方法称为综合测量。其目的在于保证被测工件在规定极限轮廓内，以达到互换性的要求。单项测量便于工艺分析，但是综合测量效率比单项测量效率高，综合测量反映结果比较符合工件的实际工作情况，实际测量时应根据需要适当进行选择。5.按被测量是否在加工过程中分类（1）在线测量零件在加工过程中或者在机床上进行的测量叫做在线测量。此时测量的结果直接用来控制零件的加工过程，或决定是否继续加工。这样能够及时防止与消除废品。（2）离线测量零件加工完成后在检验站进行的测量。此时测量的结果仅限于发现并剔除废品。6.按被测工件在加工过程中所处的状态分类（1）静态测量测量时被测表面与计量器具处于静止状态。（2）动态测量测量时被测工件表面与计量器具之间处于相对运动状态。

2.3测量误差和数据处理2.3.1测量误差的概念测量误差是测量值与被测量真值之间的差值，在数值上表现为测量误差。测量误差可分为绝对误差和相对误差。1.绝对误差绝对误差δ是指被测量的测得值（仪表的指示值）χ与其真值之差的绝对值，即因为测量误差可能是正值也可能是负值。这样，真值可以用下列公式表示：

=χ±δ2.相对误差相对误差f是指绝对误差δ与真值之比。由于真值不知道，因此在实际中常以被测量的测得值χ代替真值进行估算。即f=δ/×100%≈δ/χ×100%2.3.2测量误差的来源产生测量误差的原因很多，主要有以下几个方面：1.计量器具的误差2.测量方法误差3.测量环境误差4.人员误差计量器具的误差是指计量器具本身的设计、制造、装配和调整不准确而引起的误差。此外，相对测量时使用的标准量，如量块、线纹尺等误差，也将直接反映到测量结果中，这些误差是不可避免的。测量方法误差是指测量方法不完善如计算公式不准确、测量方法选择不当、测量基准不统一、工件安装不合理以及测量力引起的误差等所导致的差错。测量环境误差是指测量时的环境条件不符合标准条件所引起的误差。环境条件是指温度、湿度、振动、气压、照明及灰尘等。其中温度的影响最大。在长度计量中，标准温度为室温20℃。若不是在标准温度条件下进行测量，则引起的测量误差为△L=L〔α2（t2-20）-α1（t1-20）〕人员误差是指测量人员的主观因素引起的，如测量人员技术不熟练、视觉偏差、读数错误等失误引起的误差。总之，造成测量误差的因素很多，有些误差是可以避免的。测量时应采取相应的措施，设法保证测量的精度，尽量减小或消除上述误差对测量结果的影响。

2.3.3测量误差的种类1.随机误差随机误差是指在一定测量条件下，多次测量同一量值时，其数值大小和符号以不可预定的方式变化的误差。2.系统误差系统误差是指在一定的测量条件下，多次测量同一量值时，误差的大小和符号均保持不变或按一定规律变化的误差。3.粗大误差粗大误差是指由于主观疏忽大意或客观条件发生突然变化而发生的误差。通常情况下，这类误差的数值都比较大，使测量结果明显歪曲。随机误差的分布规律及其特性对称性、单峰性、抵偿性、有界性按其变化规律的不同，变值系统误差又分为以下三种类型：（1）线性变化的系统误差是指在整个测量过程中，随着测量时间或量程的增减，误差值成比例增大或减小的误差。（2）周期性变化的系统误差是指随着测得值或时间的变化呈周期性变化的误差。（3）复杂变化的系统误差按复杂函数变化或按实验得到的曲线图变化的误差。

2.3.4测量精度的三个概念测量精度是指被测量的测得值与真值的接近程度，测量精度和测量误差是以两个不同角度说明了同一概念。误差越大测量精度越低，由于误差分系统误差和随机误差，所以笼统的精度概念已不能反映误差的差异，从而引出如下概念。1.精密度指在一定的条件下进行多次测量时，所得测量结果彼此之间的符合程度，即测量数据的离散程度，表示测量结果中的随机误差大小的程度。随机误差越小，则精密度越高，精密度一般简称精度，通常用随机不确定度表示。2.正确度指在规定条件下，测得值偏离其真值的程度，它是所有系统误差综合在测量结果中的反应，系统误差越小，则正确度越高，反之亦反。理论上对已定系统误差可用修正值来消除，对未定系统误差可用系统不确定度来评估。3.准确度指连续多次测量时，所有测得值与真值的一致程度。它是测量结果中系统误差与随机误差的综合，若系统误差与随机误差都小，则准确度高。若已修正所有已定系统误差，则准确度可用不确定度表示。一般准确度高时，精密度和正确度必定都高；但精密度高的，正确度不一定高；正确度高的，精密度不一定高。

2.3.5测量结果的数据处理在相同的测量条件下，对同一被测量进行多次连续测量，得到一个测量列。测量列中随机误差、系统误差和粗大误差可能都同时存在，因此必须对测量结果进行数据处理，以便找出被测量最可信的数值及评定这一数值所包含的误差。1.测量列中随机误差的处理（1）计算算数平均值（2）计算残差vi（3）计算标准偏差σ（4）计算测量列算术平均值的标准偏差（5）测量列的极限误差δlim（）和测量结果2.系统误差的发现和消除系统误差可以用计算或实验对比的方法确定，从数据处理的角度出发，发现系统误差的方法有多种，直观的方法是“残余误差观察法”，即根据测量值的残余误差，列表或作图进行观察。发现系统误差后需采取措施加以消除误差或减小误差，实际生产中常用的方法如下：（1）从产生误差根源上消除（2）用加修正值的方法消除（3）用两次读数方法消除（4）用对称法消除（5）用半波法消除3.粗大误差的剔除粗大误差的特点是数值比较大，对测量结果产生明显的歪曲，也称疏失误差或粗差，应从测量数据中将其剔除。剔除粗大误差不能凭主观臆断，应根据判断粗大误差的准则予以确定。2.4计量器具2.4.1计量器具的种类按用途分类（1）标准计量器具是指测量时体现标准量的测量器具。通常用来校对和调整其他计量器具，或作为标准量与被测量进行比较。如线纹尺、量块、多面棱体等。（2）通用计量器具是指通用性大，可用来测量某一范围内各种尺寸（或其他几何量），并能获得具体数值的计量器具。如千分尺、千分表、比较仪等。（3）专用计量器具是指用于专门测量某种或某个特定几何量的计量器具。如各种极限量规、圆度仪、基节仪等。

2.4计量器具按工作原理分类（1）机械式计量器具是指通过机械结构实现对被测量的感应、传递和放大的计量器具。例如机械式比较仪、指示表和扭簧比较仪等。（2）光学式计量器具是指用光学方法实现对被测量的转换和放大的计量器具。例如光学比较仪、投影仪、自准直仪和工具显微镜、光学分度头和干涉仪等。（3）气动式计量器具是指靠压缩空气通过气动系统的状态（流量或压力）变化来实现对被测量的转换的计量器具。例如水柱式和浮动式气动量仪等。（4）电动式计量器具是指将被测量通过传感器转变为电能，再经变换而获得读数的计量器具。例如电动轮廓仪和电感测微仪、圆度仪。（5）光电式计量器具是指利用光学方法放大或瞄准，通过光电组件再转换为电量进行检测，以实现几何量的测量的计量器具。例如光电显微镜、光电测长仪等。按结构特点分类（1）量具指以固定形式复现量值的计量器具，分单值量具和多值量具两种。单值量具是指复现几何量的单个量值的量具。比如量块。多值量具是指复现一定范围内的一系列不同量值的