《精度設計與檢測》
金玉萍主編
西南科技大學製造科學與工程學院
2023年3月
目錄實驗一用立式光學計測量塞規3
實驗二用自準直儀測量直線度誤差11
實驗三用光切顯微鏡測量表面粗糙度15
實驗四幾何量綜合測量 21
一、實驗目的
1. 了解立式光學計的測量原理，熟悉其使用方法。
2. 熟悉量規公差標準及精度評定，掌握量塊的正確使用和維護方法。
3. 熟悉軸的直徑的測量方法。
4.初步掌握光滑工件尺寸的驗收極限的確定。
5．掌握資料處理方法和合格性判斷原則。
二、實驗儀器和裝置
1. 投影立式光學計一台
2. 被測件（塞規一件
3. 量塊一塊
三、實驗簡介
1．儀器簡介
立式光學計（立式光學比較儀）是～種精度較高、結構簡單的光學儀器，一般採用相對法以量塊為長度基準測量外尺寸。除了用於測量精密的軸類零件外，還可以檢定5等和6等量塊。
常見的立式光學計有兩種：刻線尺式立式光學計和數顯式立式光學計，下面分別介紹。
（l）刻線尺式立式光學計
儀器的基本技術效能指標如下：
分度值 0.001mm
示值範圍（自**虛線算起）
測量範圍 0－180mm
示值誤差： 小於±0.06mm ±0.2m
大於±0.06mm ±0.3m
儀器外形及主要部分功能見圖1.1.說明
（2）數顯式立式光學計
jdg－si數字式立式光學計的基本技術效能指標如下：
分度值 0.0001mm
示值範圍 （相對於中心零位）
測量範圍
示值誤差 （相對於中心零位）
jdg－si數字式立式光學計的外形及主要部分見圖1.2
有圖可知，它有底座1、公升降螺母2、橫臂緊固螺釘3、橫臂4、電纜5、立柱6、微動螺釘7、光學計管8、微動緊固螺釘9、光學計管緊固螺釘10、提公升器11、測帽12、可調工作台13、方工作台安置螺釘14、數顯窗15、中心零位指示16、置零按鈕17、電源插座18和電纜插座19等部分組成。
2、測量原理——光學槓桿放大原理
刻線尺式立式光學計是利用光學槓桿放大原理進行測量的，其光學系統如圖1.3所示。
圖1.2數字式立式光學計圖1.3 光學放大原理
照明光線反射鏡1及三角稜鏡2照亮位於分劃板3左半部的標尺4（共200格，分度值為1μm），再經直角稜鏡5及物鏡6後變成平行光束（分劃板3位於物鏡6的焦平面上此光束被反射鏡7反射回來，再經物鏡6、稜鏡5在分劃板3的右半部形成標尺像。分劃板3右半部上有位置固定的指標尺8，當反射鏡7與物鏡6平行時，分劃板左半部的標尺與右半部的標尺像上下位置是對稱的，指標尺8正好指向標尺像的零刻線，如圖1.4（a）所示。
當被測尺寸變化，使測桿10推動反射鏡7繞其支承轉過某一角度時，則分劃板上的標尺像將向上或向下移動一相應的距離t，如圖1.4（b）所示。此移動量為被測尺寸的變動量，可按指示所指格數及符號讀出。
光學槓桿放大原理如圖1.5所示。s為被測尺寸變動量，t為標尺像相應的移動距離，物鏡及分劃板刻線面間的距離f為物鏡焦距，該測桿至反射鏡支承之間的距離為a，則放大比k為：
式中 f——物鏡焦距；
a——測桿與支點間的距離。
圖1.4
圖1.4
由於α角一般很小，可取tan2α=2α,tanα=α，
所以 k＝2f/α。
一般光學計物鏡焦距f＝200mm，a＝5mm，則放大比k＝80。
用12倍目鏡觀察時，標尺像又放大12倍，因此總放大比n為
n＝12k=12 x 80＝ 960
當測杆移動0.001mm時，在目鏡中可見到0.96mm的位移量。由
於儀器的刻度尺刻度間距為0.96mm ，即這個位移量相當於刻
度尺移動乙個刻度距離，所以儀器的分度值為1μm。
數顯式立式光學計讀數原理與刻線尺式立式光學計有所不
同，它是採用光柵刻線尺感測器及數字訊號處理系統將測頭的
移動量轉化為數字並由顯示屏顯示出來，因而測量結果更為直
觀，提高了測量精度和測量效率圖1.5光學槓桿放大原理
3、量塊的正確使用
量塊具有穩定、耐磨、準確和研合性。利用其研合性，可以在一定範圍內，將不同尺寸的量塊進行組合而形成所需的工作尺寸。
量塊的正確使用：
⑴、選擇量塊，用竹夾子從量塊盒裡夾出所需用的量塊；
⑵、清洗：先用乾淨棉花擦洗，在用沾上航空汽油的棉花擦洗，最後用綢布擦乾量塊；
⑶、根據工作尺寸組合量塊。
四、實驗步驟及內容（參閱圖1.1）
以刻線尺式立式光學計為例說明其實驗步驟。
1. 選擇測帽測平面或圓柱面用球形測帽；測小於10mm的圓柱面用刀口形測帽；測球面用平測帽。
2. 按被測的基本尺寸組合量塊組（用4等量塊）
組合好的量塊放在工作台上。
3. 調節零位
⑴粗調：鬆開鎖緊螺釘4，轉動粗調2，使測頭10與量塊上的測量面慢慢靠近，待兩者極為靠近時（約留出0.1mm，切勿接觸），將螺釘鎖緊。
⑵精調：鬆開螺釘8，轉動光管微調輪7，觀察目鏡視場，直至移動著的標尺像處於零位附近時，再將螺釘8鎖緊。
若標尺像不清晰，可調節目鏡視度環。
⑶微調：轉動微調輪7使標尺像準確對準零位（圖1.6），然後用手輕輕按壓測頭公升降槓桿9二至三次，檢查零位是否穩定。若零位略有變化，可轉動微調輪7再次對零。
4. 測量
按壓測頭公升降槓桿9，抬起測頭，取出量塊，將被測量規置於工作台上，按圖1.7所要求的部位進行測量。可先將被測軸上點慢慢靠近測頭，並使其從測頭下慢慢滾過，由目鏡中讀取最大值（即讀數轉折點），此讀數就是被測尺寸相對量塊尺寸的偏差。
讀數時注意正、負號。然後依次測量同一素線上的ⅱ、ⅲ點。用同樣的方法測量間隔的各條素線上的ⅰ、ⅱ、ⅲ點，將測量結果依次記入實驗報告中。
測量完畢，復校零位，若差值超過半格必須重測。
等精度測量：在通規的同一部位重複測量10次，並記入報告中。
圖1.6圖1.7
五、實驗報告
1. 根據測量資料判斷塞規通、止端是否合格（通規按使用過程來評定，各測量點數值均在極限尺寸範圍內，該通規或止規合格。
2. 等精度資料處理。根據測量的10次資料計算出測量值的平均值及測量算術平均值的標準偏差，確定測量結果。
六、思考題
1. 立式光學計測量塞規屬於何種測量方法
2. 利用立式光學計說明什麼是分度值，什麼是刻度間距？
一、實驗目的
1.了解自準直儀的工作原理和使用方法。
2. 掌握自準直儀測量直線度誤差的方法及資料處理。
二、實驗儀器和裝置
1. 自準直儀或精密雙向自準直儀一台
2. 模擬的工具機導軌（長約1100mm乙個
三、實驗簡介
自準直儀是一種測量微小角度變化的儀器。儀器的基本技術效能指標如下：
分度值 1」（1s）或
示值範圍 0-10』 ±600s
測量範圍 0-8 m或0-5m
本實驗採用測量全長垂直方向上的直線度誤差。
自準直儀有本體和反射鏡兩部分組成，如圖3.1。本體包括：平行光管、讀數顯微鏡和光學系統。
圖3.1
1—讀數鼓輪 2—目鏡 3、4—分劃板 5—轉動手輪 6-十字刻線分劃板
7—濾光片 8—光源 9—立方稜鏡 10—物鏡 11—反射鏡 １２－模擬導軌
精密雙向自準直儀的結構與自準直儀基本一樣，只是儀器可以改變測量方向。
由自準直儀光學系統（圖3.1）可知，光源8發出的光線照亮了帶十字刻線的分劃板6，並通過立方稜鏡9及物鏡10形成平行光束投射到反射鏡11上。而經反射鏡11返回之光線穿過物鏡10，投射到立方稜鏡9的半反光半透膜上，向上反射而匯聚在分劃板3和4上（兩個分劃板皆位於物鏡10的焦平面上）。
其中件4是固定分劃板，上面刻有刻度線，而件3是可動分劃板，其上刻有～條指針線。由於分劃板3、4都位於目鏡2的焦平面上，所以在目鏡視場中可以同時看到指針線（黑色）、刻度線（不動的綠線）及十字刻線（可動的綠線）的影像。
如果反射鏡11的鏡面與主光軸垂直，則光線由原路返回，在分劃板4上形成十字影像，此時若用指針線對準十字影像，則指針線應指在分劃板4的刻線「10」上，且讀數鼓輪1的讀數正好為「0」（圖3．2（a））。
當反射鏡傾斜並與主光軸成a角時，也就是反射鏡鏡面與主光軸不垂直，此時，反射光線與主光軸成2a角。因此穿過物鏡後，在分劃板4上所成十字像偏離了中間位置。若移動指針線對準該十字像時，則指針線不是指在「10」，而是偏離了乙個值（圖3．l及圖3．2（b））。
此偏離量與傾斜角a有～定關係，a的大小可以由分劃板4及鼓輪l的讀數確定。
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