《互换性与测量技术基础》用合像水平仪测量平面度误差实验

《互换性与测量技术基础》用合像水平仪测量平面度误差实验一、实验目的
1．了解光学合像水平仪的结构和原理，掌握其用途及使用方法。

2．掌握利用光学合像水平仪测量平台平面度的方法。

3．掌握测量平面度误差的数据处理和评定方法。

4．了解利用千分表测量平台平面度的方法。

二、实验仪器和工具
光学合像水平仪、被测平板、测量平台等
三、实验仪器和测量方法
1．合像水平仪的结构和工作原理
合像水平仪主要由测微螺杆、杠杆系统、水准器、光学合像棱镜和具有 V 型工作平面的底座等组成，如图 4-1 所示。

水准器安装在杠杆架的底板上，它的水平位置用微分盘旋钮通过测微螺杆与杠杆系统进行调整。

水准器内的气泡圆弧，分别用三个不同方向位置的棱镜反射至观察窗，分成两个半像，利用光学原理把气泡像复合放大(放大5倍)，提高读数精度，并通过杠杆机构提高读数的灵敏度和增大测量范围。

当水平仪处于水平位置时，气泡A与B重合，见图如图 4-1c。

当水平仪倾斜时，气泡A与B不重合，见图 4-1d。

测微螺杆的螺距 P=0.5mm，微分盘刻线分为 100 等分。

微分盘转过一格，测微螺杆上螺母轴向移动0.005mm。

2．合像水平仪使用方法
将水平仪放在工件的被测表面上，眼睛看窗口1，手转动微分盘，直至两个半气泡重合时进行读数。

读数时，从窗口4读出毫米数，从微分盘上读出刻度数α。

被测量两个相邻点之间的高度差为：
h=0.01Lα
——其中0.01是合像水平仪的分度值（mm/m）
——L是水平仪的底座长度（165mm）
——α是角度读数（用格数来计算）
如果平面度误差比较大，应该还要考虑窗口4的读数与计算的高度值之和。

1、4-窗口；2-微分盘旋钮；3-微分盘；4.侧面毫米级读数窗口 5-水平仪底座；6-玻璃管；
7-放大镜； 8-合成棱镜；9、11-弹簧；10-杠杆架；12-指针；13-测微螺杆
四、平面度的评判准则
平面度公差用以限制平面的形状误差。

其公差带是距离为公差值的两平行平面之间的区域。

并规定，理想形状的位置应符合最小条件，常见的平面度测量方法有用指示表测量、用光学平晶测量平面度、用水平仪测量平面度及用自准仪和反射镜测量平面度误差，用各种不同的方法测得的平面度测值，应进行数据处理，然后按一定的评定准则处理结果。

平面度误差的评定方法有：
1. 最小包容区域法
由两平行平面包容实际被测要素时，实现至少四点或三点接触。

且具有下列形式之一者，即为最小包容区域，其平面度误差值最小。

最小包容区域的判别方法有下列三种形式。

（1）两平行平面包容被测表面时，被测表面上有 3 个最低点（或 3 个最高点）及 1 个最高点（或1个最低点）分别与两包容平面接触，并且最高点（或最低点）能投影到 3 个最低点（或 3 个最高点）之间，则这两个平行平面符合最小包容区原则。

如图 4-2(a)所示。

（2）被测表面上有 2 个最高点和 2 个最低点分别与两个平行的包容面相接触，并且 2 个最高点投影于 2 个低点连线之两侧。

则两个平行平面符合于平面度最小包容区原则。

如图4-2 (b)所示。

(3)被测表面的同一截面内有 2 个最高点及 1 个低点（或相反）分别和两个平行的包容面相
接触。

则该两平行平面符合于平面度最小包容区原则，如图 2-2 (c)所示。

4-2 平面度评判方法
五、实验内容和步骤
1、利用合像水平仪平板的平面度误差
检测时，将合像水平仪放在被测平板上。

如图 4-3 所示，将被测平板沿纵横方向均布画好网格，四周离边缘 10mm，其画线的交点为测量的 9 个点。

以左上角点 a1 的水平位置为基准（数值为零），测量其他 8 个点相对于左上角点 a1 的读数值。

全部被测点的测量值取得
后，经过数据处理，求出平面度误差值。

图 4-3 利用合像水平仪测量平板的平面度误差
六、数据处理方法
1．数据处理方法
数据处理的方法有多种，有三角形法、对角线法、最小包容区域法等。

对于所测得的数据一般不符合上述的任何一种平面度误差的评定准则，需要用旋转法解决评定基准与测量基准不一致的问题。

要注意平面旋转的过程中，一定保证实际平面不失真。

采用不同的处理方法所得到的平面度误差值也不相同，由于采用最小包容区域法所得到的平面度误差值是唯一的，所以一般采用最小包容区域法来评定平面度误差。

1.测量实例
用合像水平仪按图 4-4 所示的布线方式测得 9 点，其读数如图 4.4（a）所示
图 4-4 合像水平仪测量平面度测量点的布局
图 4-5 平面度误差测量原始数据
1）用三角形法评定平面度误差
图 4-6 三角形准则评定平面度误差
如图 4-6 所示，把 a1、a3、c3 三点旋转成了等高点，则平面度误差为：
f=+19-(-9.5)=28.5um
2）用对角线法评定平面度误差
如图 4-7所示，把 a1 和 c3、c1 和 a3 分别旋转成了等高点，则平面度误差为：
f=+20-(-11)=31um
图 4－7 对角线法评定平面度误差。