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1、机械工程检测技术第9章 几何量误差检测 本章要求u 了解长度测量基准及尺寸传递系统 u 了解常用检测量仪的结构及功能 u 掌握尺寸误差检测方法 u 理解几何量误差与公差项目 u 掌握常用的几何量误差检测方法 u 了解三坐标测量机的工作原理及应用 第9章几何量误差检测9.1 长度测量基础知识9.2 尺寸误差的测量9.3 角度的测量9.4 几何量误差的测量9.5 跳动误差的测量9.6 螺纹误差的测量 9.7 表面粗糙度的测量9.8 三坐标测量机简介9.1 长度测量基础知识1.长度量值传递系统 为了进行长度测量，需要将基准的量值传递到实体计量器具上。为了保证量值的统一，必须建立从国家长度计量基准到生
2、产中使用的工作计量器具的量值传递系统。9.1.1 尺寸传递9.1.1 尺寸传递 2.量块 量块是长度量值传递系统中的实物标准，是机械制造中实际使用的长度基准。（1）量块的特点和用途 （2）量块的外形和尺寸 （3）量块的精度等级 （4）量块的使用 量块的研合 9.1.2 计量器具 1.计量器具的分类 （1）量具 （2）量规 （3）计量仪器 （4）计量装置9.1.2 计量器具 2.计量器具的技术指标 （1）刻线间距 （2）分度值 （3）分辨力 （4）示值范围 （5）测量范围 （6）灵敏度 （7）示值误差 （8）修正值 （9）不确定度 （10）测量重复性 9.1.2 计量器具3.测量器具的选择原则1
3、）按被测工件的外形、部位、尺寸的大小及被测参数特性来选择测量器具，使选择的测量器具的测量范围满足被测工件的要求。2）按被测工件的公差来选择测量器具。考虑到测量器具的误差将会带到工件的测量结果中，因此，选择测量器具所允许的极限误差约占被测工件公差的1/101/3，其中对低精度的工件采用1/10，对高精度的工件采用1/3甚至1/2。9.2 尺寸误差的测量 1.光滑极限量规 光滑极限量规（简称量规）指一种无刻度的、定值的专用检验工具。用量规检验工件方便简单、迅速高效、准确可靠。用量规检验工件，只能确定工件是否在允许的极限尺寸范围内，不能测出工件的实际尺寸及形状和位置误差的具体数值。9.2.1 普通计
4、量器具的测量原理、基本结构和功能用卡规检查轴 用塞规检查孔光滑极限量规（塞规）2.游标卡尺 游标卡尺是游标类量具的一种。游标类量具按测量面位置的不同，分为游标卡尺、游标深度尺、游标高度尺等。9.2.1 普通计量器具的测量原理、基本结构和功能游标卡尺的刻线原理与读数 三用游标卡尺 3.外径千分尺 外径千分尺是指利用螺旋副运动原理进行测量和读数的一种测微量具。千分尺的螺纹传动间隙和传动副的磨损会影响测量精度，因此主要用于测量中等精度的零件。9.2.1 普通计量器具的测量原理、基本结构和功能外径千分尺 外径千分尺的刻线原理与读数 深度千分尺杠杆千分尺结构 4.机械式量仪 机械式量仪是利用机械结构将直
5、线位移经传动、放大后，通过读数装置表示出量值的一种测量器具。主要用于长度的相对测量以及形状和相互位置误差的测量等。9.2.1 普通计量器具的测量原理、基本结构和功能百分表的结构 图9.13 杠杆百分表的结构1-齿轮 2-游丝 3-指针 4-扇形齿轮 5-杠杆测头 图9.14 内径百分表结构1-活动测头 2-可换测头 3-量脚 4-手把 5-转动杆 6-测力弹簧 7-百分表 8-杠杆 9-定位护桥 10-弹簧 5.电子数显量仪 电子数显量仪是带有采用容栅（光栅、电感等）传感器、大规模集成电路进行信号处理的数字显示的检测量仪。9.2.1 普通计量器具的测量原理、基本结构和功能图9.15 电子数显百
6、分表的结构 9.2.2 尺寸误差检测举例 1轴径的尺寸检测举例 2孔径的检测举例 9.3 角度的测量1.角度测量的封闭准则 封闭准则：一个圆应当是360，圆分度首尾相接，其间距误差的总和为零。圆分度误差的封闭条件为2.相对测量 （1）角度量块 （2）直角尺 （3）多面棱体 9.3.1 角度测量的基本方法与器具 3.绝对测量（1）测角仪（2）光学分度头（3）角度尺 4.间接测量（1）用正弦尺测量角度 9.3.1 角度测量的基本方法与器具 4.间接测量（2）测量外锥角和两外表面的夹角 9.3.1 角度测量的基本方法与器具9.3.2小角度测量 角度测量除了对圆周闭合的圆分度及非圆分度角度测量之外，还
7、应包括小角度测量技术。实现小角度测量的方法有水平仪测角；自准直仪测角；激光小角度测量仪测角。9.4几何量误差测量 任何机器设备都是由许多零件和部件组装而成的，而任何零件又都是由若干个实际表面所形成的几何实体。形位误差表面形状误差微观 表面粗糙度中间 波度（不常见）宏观 形状误差相对位置误差尺寸误差最基本的误差9.4.1 概述9.4.1概述 1形状误差、位置误差及其公差 9.4.1概述 2形位误差的检测原则（1）形状误差的评定原则 “最小条件”原则：当被测实际要素与其理想要素进行比较时，显然，理想要素可以处于不同的位置，这样就会得到不同大小的变动量。因此，评定实际要素的形状误差时，理想要素对于实
8、际要素的位置，必须有一个统一的评定准则，这个准则就是“最小条件”原则。所谓最小条件，是指被测实际要素对其理想要素的最大变动量为最小。9.4.1概述 2形位误差的检测原则（2）形位误差的检测原则 u 与理想要素比较原则u 测量坐标值原则u 测量特征参数原则u 测量跳动原则u 控制实效边界原则9.4.2 直线度误差的测量 直线度误差的定义是实际直线对理想直线的变动量，而理想直线的位置应符合最小条件。1.直线度误差的评定 （1）最小区域法 所谓“最小区域法”就是指被测实际要素对其理想要素的最大变动量为最小，并以此作为评定形状误差的依据。最小包容区域判别的方法是：当两条平行直线包容误差曲线时，若误差曲
9、线上的高低点与上下包容线成相间的三点接触时，如低-高-低，或高-低-高，如图所示，则此包容线的包容区域为最小区域。这一判别方法，常称为相间准则。1.直线度误差的评定 （2）两端点连线法 两端点连线法是以被测线段的首尾两点连线作为理想直线，被测实际直线对该理想直线的最大变动量为直线度误差，如图所示B、E两点连线为理想直线。9.4.2 直线度误差的测量 2.分段法测量直线度 分段测量直线度的方法又称节距法、跨距法，是一种间接测量方法。实际上是测量被测线段微小角度的变化量，即通过测量互相衔接的局部误差，再换算成线值量经过数据处理而得到直线度误差。主要用来测量精度要求较高而待测直线尺寸又较长的研磨或刮
10、研表面，如各种长导轨。（1）测量仪器 （2）数据处理 水平仪法测量直线度 9.4.3 圆度误差的测量 1.圆度误差的评定（1）最小包容区法 （3）最小外接圆法（2）最小二乘圆法 （4）最大内切圆法图9.26 最小包容区法评定圆度误差 图9.27 透明模板式样 图9.28 最小二乘圆法原理 9.4.3 圆度误差的测量 2圆度误差的测量（1）圆度仪测量法（2）极坐标测量法（3）直角坐标测量法图9.29 圆度仪测量法 图9.30 光学分度台测量圆度误差1-测头 2-被测件 3-工作台 4-读数显微镜图9.31 圆度测量曲线 9.4.6 同轴度误差的测量 同轴度误差是指被测实际轴线对其基准轴线的变动量
11、。使用通用测量器具测量同轴度误差，常用的方法有：1.心轴打表法 2.光轴法 3.圆度仪法 4.径向圆跳动替代法 9.4.6 同轴度误差的测量图9.32 心轴打表法测量同轴度误差9.4.6 同轴度误差的测量图9.33 光轴法测量同轴度误差1-准直望远镜 2-被测件基准孔 3-瞄准靶 4-被测孔 5-被测零件 6-可调支撑9.4.6 同轴度误差的测量图9.34 准直望远镜视场9.4.6 同轴度误差的测量图9.35 圆度仪法测量同轴度误差9.5 跳动误差的测量 跳动和其它形位项目不同，它在被测件上没有具体的几何特征，而是按测量方式来定义的。跳动误差的测量只限于被测件上的回转表面和回转端面上。测量跳动
12、所用的设备比较简单，可在一些通用检测仪器上测量，还可在一定条件下替代其它一些较难测的形位项目的检测。9.5.1跳动误差的测量方法 1.径向圆跳动与径向全跳动 被测件表面为圆柱面时，指示仪表测头的测量方向垂直于被测件基准轴线。径向圆跳动测量示意（心轴法）径向全跳动测量示意（套筒法）9.5.1跳动误差的测量方法 2.端面圆跳动与端面全跳动的测量 被测件表面是垂直于基准轴线的端面，指示仪表测头的测量方向平行于基准轴线。端面圆跳动测量示意 端面全跳动测量示意 9.5.1跳动误差的测量方法 3.斜向圆跳动的测量 测量时，测头必须垂直于被测表面。斜向圆跳动测量示意 9.5.2跳动测量基准的体现方式与比较
13、1.跳动测量基准的体现方式 （1）用两顶尖的公共轴线 （2）用V形块体现 （3）用套筒体现 2.跳动测量基准的比较 3.跳动测量的注意事项 9.6 螺纹精度的测量 1.螺纹公差 螺纹几何参数中大径和小径是限制性的结构参数，要求不严格，公差较大。由于螺纹结合仅在牙侧面接触，在顶径和底径处均有间隙，因此，保证螺纹互换性的主要因素是中径误差、螺距误差和牙型半角误差，通常对这三项参数规定了较严的公差并分项测量。2.作用中径的概念 螺纹的螺距误差和半角误差，实质上也是形位误差。螺纹的作用中径是指含有螺距误差和半角误差影响的实际配合时起作用的中径。9.6.1 概述 9.6.2 螺纹的样板检测 进行螺纹性质
14、和螺距的检测和判断工作可以使用螺纹样板来完成。螺纹样板一般为成套螺纹样板。9.6.3 螺纹的综合测量 对公制普通螺纹来说，主要是保证可旋合性，故国家标准只规定有中径公差（Td2，TD2），螺距误差和半角误差都是用中径公差带来综合限制。测量时可用螺纹量规综合测量。综合测量时，被检螺纹合格的标志是通端量规能顺利地与被检螺纹在全长上旋合，而止端量规不能完全旋合或不能旋入。9.6.4 螺纹的单项测量 对高精度螺纹的测量，用综合测量不能满足测量精度的要求，而要进行单项测量。1.千分尺测量螺纹中径 9.6.4 螺纹的单项测量 2.量针法测量中径 根据不同情况，可用三针、两针或单针三种方法。图9.43 用三
15、针测量螺纹中径9.7表面粗糙度的测量 9.7.1 表面糙度及其测量的一般概念 1.评定基准 （1）取样长度lr 取样长度就是评定表面粗糙度时所规定的一段基准线的长度。（2）评定长度ln 一个评定长度一般含有5个取样长度。（3）轮廓中线 一条用于计算表面粗糙度参数值的基准线，这条基准线叫做轮廓中线。9.7.1表面糙度及其测量的一般概念 2.评定参数 （1）轮廓的算术平均偏差 是在取样长度l内，轮廓偏距的绝对值的算术平均值。轮廓的算术平均偏差 9.7.1 表面糙度及其测量的一般概念 2.评定参数 （2）轮廓的最大高度Rz Rz是在一个取样长度内，轮廓的最大峰高与轮廓的最大谷深之和的高度。9.7.1
16、 表面糙度及其测量的一般概念 2.评定参数 （3）微观不平度十点高度 在GB/T3505-1983中，用于表示“微观不平度十点高度”。是在取样长度了内，5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均值之和。9.7.2 比较法评定表面粗糙度 比较法是车间常用方法，把被测零件的表面与粗糙度样板进行比较，从而确定零件表面粗糙度。1.比较样块 粗糙度比较样块是用比较法评定表面粗糙度的一种工作量具。9.7.2 比较法评定表面粗糙度 2.视觉比较法评定表面粗糙度 显微镜结构1、3-千分筒 2-短接筒 4-镜筒5-物镜组6-放大接管9.7.3用双管显微镜测量表面粗糙度 双管显微镜是利用光切法来测量表面
17、粗糙度的。1.光切法的测量原理 图9.51 光切法测量原理与双管显微镜的光学系统图1-光源 2-聚光镜 3-窄缝 4-被测工件表明 5-透镜 6-分划板 7-目镜 9.7.3 用双管显微镜测量表面粗糙度 2.测量方法和步骤 在取样长度范围内分别测出五个最高点（峰）和五个最低点（谷）的数值。然后按下式计算出h的数值。按下式求出计算结果。在评定长度范围内，共测出N个取样长度上的值，取它们的平均值作为被测表面的不平度平均高度。9.8 三坐标测量机简介9.8.1 三坐标测量机的工作原理 三坐标测量机是由三个相互垂直的运动轴X、Y、Z建立起一个直角坐标系，测头的一切运动都在这个坐标系中进行；测头的运动轨
18、迹由测球中心点来表示。测量时，把被测零件放在工作台上，测头与零件表面接触，三坐标测量机的检测系统可以随时给出测球中心点在坐标系中的精确位置。当测球沿着工件的几何型面移动时，就可以得出被测几何型面上各点的坐标值。将这些数据送入计算机，根据这些点的数值经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，再通过相应的软件进行数学计算得出形状、位置公差及其他几何量数据。9.8.2 三坐标测量机的特点及主要用途 三坐标测量机的主要用途体现在以下几个方面：1.机械零件测量 2.在线质量控制 3.实物编程 4.自动化设计 9.8.3 三坐标测量机的主要结构形式 1.桥式坐标测量机 桥式坐标测量机是使用最多的一种测量机，用
19、于中等测量空间，精度高，桥式坐标测量机分固定桥式和活动桥式两种。9.8.3 三坐标测量机的主要结构形式 图9.62 活动桥式式三坐标测 图9.63 固定桥式式三坐标测 9.8.3 三坐标测量机的主要结构形式图9.64 悬臂式三坐标测量机图9.65 水平臂式三坐标测量 9.8.3 三坐标测量机的主要结构形式图9.66 龙门式三坐标测量机图9.67 关节臂式三坐标测量 9.8.4 三坐标测量机的组成 三坐标测量机均由主机床身(含具有标尺的导轨)、测头系统和控制与驱动系统三大部分。图9.68 三坐标测量机的组成1-主机 2-控制系统 3-测头系统9.8.4 三坐标测量机的组成 1.主机 （1）框架结
20、构 （2）标尺系统 （3）导轨 （4）驱动装置 （5）平衡部件 （6）转台与附件 图9.69 三坐标测量机主机结构1-Z轴平衡部件 2-Z轴驱动 3-Z标尺 4-X轴驱动5-X标尺 6-框架 7-导轨 8-Y标尺 9-Y轴驱动9.8.4 三坐标测量机的组成 2.测头系统 测头系统主要由测头底座、加长杆、传感器和检测头（探针）组成。测头顶端的测球通常为红宝石，为确保测头的使用能够达到最大的测量精度，要求测杆尽量要短而且坚固，测球要尽量的大，测头底座可自由旋转。9.8.4 三坐标测量机的组成 3.控制系统 控制系统是三坐标测量机的核心，主要用于控制测量机的运动，并对测头系统采集的数据进行处理，将测量结果打印输出。控制系统主要包括（1）电气控制系统（2）计算机硬件部分（3）测量机软件（4）打印与绘图装置