第三章長(zhǎng)度尺寸的測(cè)量基本內(nèi)容長(zhǎng)度尺寸的常用測(cè)量?jī)x器及方法：軸類零件尺寸測(cè)量孔類零件尺寸測(cè)量大尺寸測(cè)量微小尺寸測(cè)量納米測(cè)量思考題1、舉例說(shuō)明長(zhǎng)度尺寸測(cè)量?jī)x器的測(cè)量原理，分析其結(jié)構(gòu)組成和精度。2、設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線的測(cè)量方法，包括方案、儀器、步驟、注意事項(xiàng)。3、設(shè)計(jì)細(xì)絲/光纖直徑測(cè)量系統(tǒng)，畫出系統(tǒng)原理框圖。系統(tǒng)要求：自動(dòng)在線檢測(cè)，實(shí)時(shí)給出測(cè)量結(jié)果，并對(duì)不合格尺寸予以報(bào)警。一、軸類零件尺寸測(cè)量我國(guó)“公差與配合”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中定義：軸是指一切外尺寸的統(tǒng)稱。常用測(cè)量?jī)x器千分尺、卡尺——絕對(duì)測(cè)量，精度不高。對(duì)于高精度的軸徑，常用各種光學(xué)計(jì)量?jī)x器，機(jī)械式測(cè)微儀，電動(dòng)測(cè)微儀等進(jìn)行比較測(cè)量。測(cè)量時(shí)，先用量塊或標(biāo)準(zhǔn)件調(diào)好儀器的零位，然后將被測(cè)件放在工作臺(tái)上進(jìn)行測(cè)量。儀器指示值為被測(cè)軸徑相對(duì)于調(diào)零基準(zhǔn)的偏差值，加上量塊或標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸后即為被測(cè)軸徑。1、杠桿齒輪式測(cè)微儀1—量塊組/被測(cè)件；2—測(cè)頭；3—調(diào)節(jié)螺釘；4—度盤標(biāo)記；5—度盤；6—橫臂緊固螺釘，7—橫臂；8—橫臂升降螺母，9—夾頭；10一立柱；11一工作臺(tái)示值范圍：±100μm測(cè)量范圍：180mm原理s=atgφ

≈

aφ

y/l=φ(R/r)s=a(r/R)(y/l)l2、立式光學(xué)計(jì)1—反射鏡；2—目鏡；3、19—示值范圍調(diào)節(jié)螺釘；4—光學(xué)計(jì)管；5—螺釘；6—立柱，7—橫臂；8—橫臂緊固螺釘；9—橫臂升降螺母，10一底座；11一工作臺(tái)調(diào)整螺釘；12一圓工作臺(tái)；13—測(cè)桿抬升器；14—測(cè)帽；15—光學(xué)計(jì)管固定螺釘；16—偏心調(diào)節(jié)螺釘；17—偏心環(huán)固定螺釘；18—零位微調(diào)螺釘示值范圍：±100μm測(cè)量范圍：180mm光路

照明光由反射鏡9從側(cè)面窗口射入，經(jīng)棱角7反射，照亮分劃板4上的刻度尺6。它位于物鏡11和目鏡的公共焦面上，并處于光軸一側(cè)(反射回的刻度尺像位于另一側(cè))。此時(shí)照亮的刻度尺經(jīng)10-直角棱鏡折轉(zhuǎn)90?。經(jīng)物鏡11，到達(dá)反射鏡13，再返回到分劃板4，從目鏡5中便可觀察到刻度尺6的像。若被測(cè)零件有尺寸有偏差，將使測(cè)桿14上、下移動(dòng)，因而反射鏡偏轉(zhuǎn)α角度，使返回的劃線尺像的零刻度相對(duì)于指示線3產(chǎn)生相應(yīng)的移動(dòng)，因而反映出被測(cè)零件的偏差數(shù)值。y原理反射光線偏轉(zhuǎn)2φ角。則在分劃板上的刻尺的像偏移度y：（2）∵s為微小位移量，∴tgφ≈φ

，tg2φ≈2φ。∴即：(y為刻尺在O’點(diǎn)的示值的真值，s0為被測(cè)量理論值)

立式光學(xué)計(jì)原理圖

當(dāng)反射鏡為垂直光軸時(shí)，像與原像重合，即y

=0。當(dāng)測(cè)量時(shí)測(cè)桿移動(dòng)s距離后，反射鏡繞支點(diǎn)擺動(dòng)φ角。且：

（1）O’由于近似線性的處理，便造成了原理誤差Δs。

使用

1、選擇測(cè)帽：球形、平面形和刀刃形三種測(cè)帽，選擇測(cè)帽的原則：與零件為點(diǎn)接觸，如用球形調(diào)幅測(cè)量平面零件或用平面測(cè)帽測(cè)量鋼球。2、調(diào)整工作臺(tái)：工作臺(tái)面與測(cè)量桿移動(dòng)方向垂直，否則將帶來(lái)測(cè)量誤差。3、調(diào)整反射鏡和視度環(huán)：量塊組（按被測(cè)件的基本尺寸選擇量塊并組合）置于工作臺(tái)中央。然后轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡1將光線從側(cè)面窗口射入，輕微撥動(dòng)測(cè)桿抬升器13，使能從目境中觀察到亮刻度線，踏劃線1；若刻線不清楚，可旋轉(zhuǎn)目鏡2上的視度環(huán)直到刻度線清晰為止。4、調(diào)整儀器零位：

(1)粗調(diào)：松開橫臂緊固螺釘8，旋轉(zhuǎn)橫臂升降螺母，使橫臂下降至測(cè)帽與量塊間有0.5mm左右的間隔再旋緊螺釘8。(2)細(xì)調(diào)，轉(zhuǎn)動(dòng)偏心調(diào)令螺釘16，從目鏡2中觀察，使零件刻度線與指標(biāo)線(虛線)、重合，再旋緊螺釘15。(3)微調(diào)節(jié)：首先輕輕按動(dòng)抬升器13使測(cè)帽起落2—3次，此時(shí)零位可能有變化。再旋轉(zhuǎn)零位微調(diào)螺釘18，偏轉(zhuǎn)直角棱鏡10，使零刻度線與固定指標(biāo)線完全重合。5、測(cè)量零件實(shí)際偏差：測(cè)量位置按要求選取，放入零件的必須輕壓抬升器避免磨損，測(cè)完后要用量塊組校驗(yàn)零位，允許變化不超過(guò)±1格。3、球徑儀球徑儀是利用測(cè)弦的矢高，間接測(cè)量球面(—般為光學(xué)鏡頭)曲率半徑的光學(xué)儀器。平板玻璃擺動(dòng)式目鏡測(cè)微器正弦機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)手輪3，經(jīng)傘齒輪副4帶動(dòng)端面凸輪5和分度盤8(活動(dòng)分劃板)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，而端面凸輪通過(guò)杠桿6使平板玻璃7擺動(dòng)，導(dǎo)致固定分劃板2上的標(biāo)尺刻線象（7）平移（至雙刻線中間），從而達(dá)到測(cè)微目的。平板測(cè)微原理a當(dāng)平板玻璃被凸輪的位移量t帶動(dòng)轉(zhuǎn)過(guò)角度i時(shí)，入射光與出射光的偏移量為：∴a可近似為：由于θ、i

很小，，

，ABC，二、孔類零件尺寸測(cè)量我國(guó)“公差與配合”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中定義：孔是指一切內(nèi)尺寸的統(tǒng)稱。1、臥式測(cè)長(zhǎng)儀臥式測(cè)長(zhǎng)為光學(xué)機(jī)械式測(cè)量?jī)x器，配備有各種附件，除測(cè)量?jī)?nèi)、外尺寸外，還可測(cè)量?jī)?nèi)、外螺紋中徑等，因此又稱為萬(wàn)能臥式測(cè)長(zhǎng)儀。臥式測(cè)長(zhǎng)儀結(jié)構(gòu)四部分：A-底距B-工作臺(tái)C-測(cè)量體

D-尾座測(cè)量原理讀數(shù)：53.17562、光學(xué)靈敏杠桿在測(cè)量過(guò)程中主要起精確瞄準(zhǔn)定位的作用。光路：照明光源4分劃板1(3組雙刻線)透鏡反射鏡2物鏡組7目鏡米字線分劃板。平面反射鏡2與測(cè)量桿3連結(jié)在一起。6為產(chǎn)生測(cè)力的彈簧。測(cè)量正確安裝在萬(wàn)能（或大、小型）工具顯微鏡的物鏡7上，將測(cè)桿深入被測(cè)孔內(nèi)，通過(guò)橫向(或縱向)移動(dòng)，找到最大直徑的返回點(diǎn)處，并從目鏡8中使雙刻線組對(duì)稱地跨在米字線中間虛線的兩旁，此時(shí)進(jìn)行第一次讀數(shù)n1；旋轉(zhuǎn)調(diào)整帽，調(diào)整測(cè)力彈簧6的方向(有測(cè)力方向箭頭標(biāo)記)，使測(cè)頭與工件的另一側(cè)接觸。雙刻線瞄準(zhǔn)后進(jìn)行第二次讀數(shù)n2(儀器正常時(shí)，不必再找返回點(diǎn))。被測(cè)孔徑為：

D＝|n2一n1|十d測(cè)頭式中，d測(cè)頭為測(cè)頭直徑，其數(shù)值標(biāo)示在測(cè)量桿上。用光學(xué)靈敏杠桿測(cè)量孔徑的測(cè)量誤差約為±0.002mm。

靈敏枉桿測(cè)量頭的尺寸和幾何形狀精度一般要求在0.5μm之內(nèi)，應(yīng)采用不低于3度的量塊在超級(jí)光學(xué)計(jì)(或相當(dāng)精度的儀器)上進(jìn)行比較測(cè)量。3、光滑極限量規(guī)

——沒(méi)有刻線的專用量具，用其檢驗(yàn)工件的尺寸是否在規(guī)定的極限尺寸范圍之內(nèi)。塞規(guī)卡規(guī)型式根據(jù)被檢工件的型式不同，量規(guī)有：檢驗(yàn)孔的為塞規(guī)，檢驗(yàn)軸的為卡規(guī)或環(huán)規(guī)。每種量規(guī)都由通端和止端兩部分組成。檢驗(yàn)時(shí)，當(dāng)通端能夠通過(guò)被檢工件，止端不能通過(guò)被檢工件，則該被檢工件判斷為合格。不符合上述條件者，判斷為不合格。檢驗(yàn)被檢工件的最大實(shí)體尺寸(孔為最小極限尺寸，軸為最大極限尺寸)的量規(guī)為通端量規(guī)。理論上通端量規(guī)為整體形，其長(zhǎng)度等于被檢工件的長(zhǎng)度。通端量規(guī)的作用是控制被檢工件的作用尺寸。檢驗(yàn)時(shí)通過(guò)被檢工件時(shí)，則表明工件的作用尺寸在最大實(shí)體界限之內(nèi)。檢驗(yàn)被檢工件的最小實(shí)體尺寸(孔為最大權(quán)限尺寸，軸為最小極限尺寸)的置規(guī)為止端量規(guī)。理論上止端量規(guī)為兩點(diǎn)式。止端量規(guī)的作用是控制校檢工件的局部實(shí)際尺寸。檢驗(yàn)時(shí)當(dāng)通不過(guò)被檢工件時(shí)，則表明工件的實(shí)際尺寸在最小實(shí)體界限之內(nèi)。種類量規(guī)根據(jù)用途不同，可分為工作量規(guī)、驗(yàn)收量規(guī)和校對(duì)量規(guī)．工作量規(guī)——制造過(guò)程中，操作者對(duì)工件進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)所用的量規(guī)。驗(yàn)收量規(guī)——驗(yàn)收部門或用戶代表在驗(yàn)收零件時(shí)所用的量規(guī)。校對(duì)量規(guī)——校對(duì)工作量規(guī)的量規(guī)?？子霉ぷ髁恳?guī)(塞規(guī))用指示式計(jì)量器具測(cè)量方便，不需要校對(duì)量規(guī)。只有軸用工作量規(guī)(卡規(guī)或環(huán)視)才有校對(duì)量規(guī)。校對(duì)量規(guī)是用于對(duì)工作量規(guī)在制造和使用過(guò)程中進(jìn)行檢驗(yàn)的量規(guī)。另外工作量規(guī)在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生磨損，校對(duì)量規(guī)亦用來(lái)校對(duì)工作量規(guī)是否超過(guò)磨損極限。孔用量規(guī)三、大尺寸測(cè)量——500mm以上尺寸的測(cè)量。大尺寸測(cè)量的對(duì)象有以下幾類：①大型零部件的外徑、內(nèi)徑和長(zhǎng)度。

②可沿導(dǎo)軌作位移測(cè)量的尺寸。一些沒(méi)有導(dǎo)軌的空間尺寸換成為這類尺寸進(jìn)行位移測(cè)量。

③大型部件安裝位置和大型結(jié)構(gòu)三維形狀等空間尺寸。1、1m測(cè)長(zhǎng)機(jī)刻度值：1μm測(cè)量范圍：1m1m測(cè)長(zhǎng)機(jī)頭架(座)、尾架(座)、刻尺面，構(gòu)成測(cè)量光路

頭架

尾架100mm刻尺光源透鏡N2反射鏡M2反射鏡M1透鏡N1讀數(shù)顯微鏡光學(xué)計(jì)管雙線分劃板（0~9）測(cè)量過(guò)程①對(duì)零位對(duì)零光學(xué)計(jì)管2中對(duì)零顯微鏡3視場(chǎng)內(nèi)兩個(gè)零線對(duì)準(zhǔn)刻線尺刻線分劃板雙線1m測(cè)長(zhǎng)機(jī)頭架(座)、尾架(座)、刻尺面，構(gòu)成測(cè)量光路

頭架

尾架100mm刻尺光源透鏡N2反射鏡M2反射鏡M1透鏡N1讀數(shù)顯微鏡光學(xué)計(jì)管雙線分劃板（0~9）測(cè)量過(guò)程②測(cè)量讀數(shù)光學(xué)計(jì)管2中讀數(shù):0.0079mm顯微鏡3中讀數(shù):560.60mm刻線尺刻線分劃板雙線光學(xué)計(jì)管2中讀數(shù)顯微鏡3中讀數(shù)2、激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀由于激光具有良好的方向性、單色性和相干性等優(yōu)點(diǎn)，采用激光器作為光源，以激光穩(wěn)定的波長(zhǎng)作基準(zhǔn)，利用光波干涉原理實(shí)現(xiàn)大尺寸的精密測(cè)量是目前大尺寸測(cè)量中比較理想的方法。1m激光測(cè)長(zhǎng)機(jī)底座干涉儀廂體測(cè)量頭架工作臺(tái)尾座電機(jī)與變速箱閉合鋼帶電磁離合器固定角隅棱鏡尾桿測(cè)量主軸可動(dòng)角隅棱鏡激光器分光器XXYZφθhΔa

Δb

光路對(duì)零測(cè)量問(wèn)題：1、是否遵守阿貝原則？2、標(biāo)準(zhǔn)量？測(cè)量a.對(duì)零：移動(dòng)頭架3使測(cè)量主軸11在一定作用力下與尾桿10接觸。此時(shí)，兩路光程差:b.讀數(shù)：移動(dòng)頭架3，將工件放在工作臺(tái)上，并夾在尾桿與頭架主軸之間。此時(shí)兩路光程差

:則讀數(shù)為測(cè)量時(shí)干涉條紋相對(duì)于對(duì)零的變化數(shù)m，即：

∴

3、弦高法手持式測(cè)量裝置可測(cè)量1000—10000mm的內(nèi)外徑。1-基體2-支桿3-滾柱4-指示表5-被測(cè)件調(diào)零D——被測(cè)直徑的基本尺寸測(cè)量前，需在平板上用量塊調(diào)零。測(cè)外徑時(shí)，量塊置于測(cè)微計(jì)下；測(cè)內(nèi)徑時(shí)，量塊置于兩端的2個(gè)定位圓柱之下。量塊尺寸按下式計(jì)算：測(cè)外徑時(shí)：測(cè)內(nèi)徑時(shí)：推導(dǎo)測(cè)量值被測(cè)直徑對(duì)于基本尺寸的偏差值為:式中ΔH為帶正負(fù)號(hào)的測(cè)微計(jì)讀數(shù)值。由于ΔH＜ΔD，使誤差的讀數(shù)縮小，故這類方法測(cè)量精度不很高。4、滾柱法標(biāo)準(zhǔn)滾柱1與被測(cè)件2保持可靠的接觸，以便進(jìn)行無(wú)滑動(dòng)的相滾互滾動(dòng)。被測(cè)直徑D與標(biāo)準(zhǔn)滾柱d之間的關(guān)系為：式中；n——滾柱的轉(zhuǎn)數(shù)，

m——被測(cè)件的轉(zhuǎn)數(shù)。此時(shí)D僅取決于轉(zhuǎn)數(shù)比m／n。利用現(xiàn)代的光柵技術(shù)(圓光柵)，可以精確地測(cè)出上述的轉(zhuǎn)數(shù)比。精度可達(dá)1~5μm?！獪y(cè)大尺寸直徑5、經(jīng)緯儀——尺寸大于5m的直徑和長(zhǎng)度，還能測(cè)量裝配中零件的相互位置誤差。推導(dǎo)5、經(jīng)緯儀——測(cè)大尺寸將兩個(gè)經(jīng)緯儀分別固定在c和d處，精確地測(cè)出兩經(jīng)緯儀之間的距離l和角度α1、β1、γ1，和α2、β2、γ2，則:推導(dǎo)四、微小尺寸測(cè)量隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，產(chǎn)品的小型化或微型化越來(lái)超成為一個(gè)重要的分支，因而微小尺寸的測(cè)量越來(lái)越多；被測(cè)對(duì)象也多樣化。如細(xì)絲、小孔、小球面、鍍層厚度、計(jì)算機(jī)中磁頭與磁盤間的微小間隙等等。面對(duì)這些測(cè)量任務(wù)，迫切地要求提出新的測(cè)量原理和方法，下面將介紹幾個(gè)實(shí)例。1、用激光衍射法測(cè)量金屬絲直徑根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射(或平行光衍射)原理。當(dāng)光源和衍射場(chǎng)(即屏幕P)都距衍射物(小孔、狹縫等)無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，便產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。實(shí)際上只要光源、屏幕離衍射物有足夠大的距離都可認(rèn)為是夫瑯和費(fèi)衍射。式中k——衍射斑紋級(jí)次此法的相對(duì)測(cè)量精度約為10-4左右。常用于漆包線細(xì)絲直徑的動(dòng)態(tài)測(cè)量。用激光衍射法還可測(cè)量小螺紋各參數(shù)，其測(cè)量誤差約為：中徑3％，螺距1％，半角＜1°。被測(cè)細(xì)絲：φd，——衍射物；光源：激光——平行光，衍射屏P：離細(xì)絲較遠(yuǎn)(l≥500mm)，——一組明暗相間且等距的衍射斑紋，斑紋距屏幕中心的距離sk，由衍射條紋的條件：dsinφ=dsk/l=kλ2、用激光能量法測(cè)量光纖直徑光導(dǎo)纖維通常是由兩種材料制成的。內(nèi)圓柱是由折射率較高的透明材料制成，而其外表面則是由折射率較低的透明材料制成，因此在兩介質(zhì)的分界面上可形成全反射，使光束得以遠(yuǎn)距離的傳輸。內(nèi)圓柱的直徑是決定光纖傳輸性能的重要參數(shù)。由于光纖是透明介質(zhì)，前面衍射法難以獲得衍射條紋的清晰邊界，故不適用。另一束光則作為比較光束直接照到光電二極管6上，以固定的激光能量經(jīng)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸入直流放大器中進(jìn)行放大，并輸入比相器的左端。光纖——曲率很大的柱面透鏡。激光束經(jīng)分光鏡1后，分成固定能量的兩束光：一束光透過(guò)分光鏡1，經(jīng)透鏡2會(huì)聚到被測(cè)光纖3上，于是在曲率方向上將光束擴(kuò)展為一條很長(zhǎng)的亮線照到透鏡4上，透鏡4的通光孔徑限制了進(jìn)入透鏡的擴(kuò)展亮線的長(zhǎng)短，同時(shí)將這部分光線會(huì)聚于光電二極管5上，其電信號(hào)通過(guò)直流放大器后輸入比較器的右端；光纖3直徑的變化——亮線bb’的長(zhǎng)短也發(fā)生變化——光電二極管5接收的aa’的能量也發(fā)生變化。為提高測(cè)量的靈敏度，將透過(guò)分光鏡1后的全部能量充分地用于光纖的光束擴(kuò)展，透鏡2最好將激光束會(huì)聚成小于光纖直徑的光點(diǎn)照到光纖上，因此它的焦距很短，只有5mm左右，可根據(jù)被測(cè)光纖的直徑大小選取。這種方法的測(cè)量精度可達(dá)1％左右。3、小間隙的測(cè)量在電子計(jì)算機(jī)中，磁盤存儲(chǔ)器是關(guān)鍵的設(shè)備，它的好壞將直接影響著存儲(chǔ)信息量的大小。磁盤與磁頭之間間隙的大小是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)，一般在2—6μm之間，比較先進(jìn)的計(jì)算機(jī)，頭盤間隙已達(dá)小于1μm的數(shù)量級(jí)。由于磁盤是非透明的介質(zhì)，又由于磁頭與磁盤工作間隙是在磁盤高速旋轉(zhuǎn)(每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn))過(guò)程中利用空氣動(dòng)力學(xué)原理所形成的，因此給磁盤間隙的測(cè)量帶來(lái)很大的困難。下面介紹一種用光波干涉原理測(cè)量其間隙的方法。磁頭與磁盤間隙的測(cè)量玻璃圓盤磁頭濾色鏡濾色鏡測(cè)量原理——小數(shù)重合如光線是垂直入射的，則h＝mλ/2。取用兩種波長(zhǎng)的光源(改變?yōu)V色鏡4a和4b的位置)，則有:2h=m1λ1和2h=m2λ2式中：λ1、λ2——兩種光波的波長(zhǎng)；

m1

、m2——用兩種波長(zhǎng)測(cè)量時(shí)相當(dāng)于間隙h的條紋數(shù)。m1和m2未知，但可測(cè)得Δm

=

m1-m2

。當(dāng)λ1<λ2，h小于5μm時(shí)，Δm<1。由：m1=m2+

Δm則：2h=m1λ12h=(m2+

Δm)λ12h=m2λ2m2=2h/λ2則：此法的測(cè)量精度較高，取決于波長(zhǎng)的檢定精度和Δm的讀數(shù)瞄準(zhǔn)精度。實(shí)踐證明，其極限測(cè)量誤差＜±0.2

μm。五、納米測(cè)量隨著納米加工技術(shù)的發(fā)展、各種超靈敏傳感器的誕生以及微電子工程精度要求的不斷提高，人們對(duì)高于100pm精度測(cè)量技術(shù)的需求與日俱增，因此近年來(lái)納米級(jí)測(cè)量技術(shù)發(fā)展很快，新研制的納米測(cè)量?jī)x器精度越來(lái)越高、體積越來(lái)越小、功能越來(lái)越強(qiáng)。常見的納米測(cè)量?jī)x器有掃描探針顯微鏡、X射線干涉儀、集成激光干涉儀。1、掃描探針顯微鏡顯微技術(shù)光學(xué)顯微鏡——衍射效應(yīng)，分辨極限λ/2（光波波長(zhǎng)）。電子顯微鏡——電子束（波長(zhǎng)僅為光波波長(zhǎng)的萬(wàn)分之一甚至十萬(wàn)、百萬(wàn)分之一），分辨力已優(yōu)于0.3nm。隧道顯微鏡——隧道效應(yīng)：如果兩個(gè)金屬電極用非常薄的絕緣層隔開，并