精密测量技术1-绪论-几何测量

精密测量技术主讲人：蒋永刚jiangyg@现代制造的内涵微/纳机械系统E0512 机构学与机器人E0501 E0502传动机械学机械测试 理论与技术 E0511制造系统与自动化E0510 E0503机械动力学零件加工制造E0509 E0504机械结构强度学机械摩擦学与表面技术E0505E0508 零件成形制造 E0507 E0506机械仿生学机械设计学可观测性是制造的前提！测量的概念测量技术的发展•精密测量技术是机械工业发展的先决条件之一。

•从生产发展的历史来看，精密加工精度的提高总是与精密测量技术的发展水平相关的。

–由于有了千分尺类量具，使加工精度达到了0.01mm；–有了测微比较仪，使加工精度达到了1μm左右；–有了圆度仪等；测量仪器、使加工精度达到了0.1μm;–有了激光干涉仪，使加工精度达到了0.01μm。

•目前国际上机床的加工水平已能稳定地达到1μm的精度，正在向着稳定精度为纳米级的加工水平发展，表面粗糙度的测量则向亚纳米级的水平发展。

纳米技术正在形成新的技术热点。

•材料、精密加工、精密测量与控制是现代精密机械工程的三大支柱。

•目前在基础工业的某些领域，例如研究切削速度与进刀量对加工误差的影响、摩擦磨损等，精密测量已成为不可分割的重要组成部分。

• X射线干涉仪的工作台能在10 nm的分辨力下连续移动，而且在50 mm的位移行程上的角偏量为千分之几的秒级。

•在高纯度单晶硅的晶格参数测量中，以及对生物细胞、空气污染微粒、纳米材料等基础研究中，无不需要精密测量技术。

•激光直写 DWL2000•计量技术发展的趋向有以下几个方面：• 1、从实物基准到自然基准•米的定义的沿革：“米”作为长度计量单位起源于1790年，当时法国国民议会采纳了达特兰提出的“以经过巴黎的地球子午线自北极至赤道这段弧长的一千万分之一为一米”的建议。

• 1799年，巴黎科学院完成了从法国的敦科尔克经过巴黎到西班牙的巴尔雪隆纳这一段子午线的实测工作，并按照测量结果所得的1米的长度制作了一把米尺，作为长度计量基准。

这就是•档案米尺经过近一百年的时间，由于损坏严重，于1880年国际计量局又制作了30多根(34) 铂铱合金的高精度米尺：经过比对，以第6号尺取代档案米尺，作为国际长度计量基准，由国际计量局保存，并命名为“国际米原器”。

其余的米尺则在1889年第一届国际计量大会上分发给缔约国，作为各国的长度基准器。

•当时米的定义为：米的长度等于在冰点温度下，米原器两端刻线间的距离。

•国际米原器• 1960年第11届国际计量大会通过了“米”的新86定义，以氦的同位素86K( )的波长作为长度r计量的自然基准，即原子在真空中的能2p -5d10 5级跃迁时辐射光波的波长0.60578021m，一米为波长的1650763.73倍。

这一自然标准是米的复现精度提高到。

• 1983年第17届国际计量大会通过了以光速常数为媒介的激光辐射的稳定波长作为长度基准，使长度基准的复现精度从10-9提高到10-11。

•米是光在真空中在1/299792458s的时间间隔内所行进的路程长度。

• 2、从静态到动态目前多数计量基准和标准是在静态条件下传递量值的。

由于生产发展的要求，许多精密测量和校准工作要求在生产过程中进行，计量技术由静态向动态发展是必然趋势。

例如，激光干涉自动量块检测仪可以实现对实物基准的动态检测。

近年来，激光、光栅和感应同步器等新技术的推广和应用，产生了各种类型的机、光、电相结合的自动检测仪器。

特别是近年来微处理器的应用，为计量的自动化和智能化展示了广阔的背景。

• 3、从中间向两端扩展激光技术和量子学在测量中的应用，使测量从常规的中等长度向两端扩展。

•现在已能测量几百米的特大尺寸，其测量误差不超过几十微米。

•单晶金刚石刀具的圆弧半径、原子力显微镜的前端曲率半径测量现在也不成问题。

• 4、从手动向自动化扩展•电子技术和计算机的广泛普及，不仅实现了自动显示和自动数据处理，而且实现了程序控制测量，从而改变了过去那种手摇、目测和笔算的落后局面。

精密测量的分类• 1、按照测量过程中是否接触分为：• (1)接触式：测量过程中容易对被测对象产生干扰；• (2)非接触式：测量过程中不对被测对象产生干扰，但是容易受到外界因素的干扰。

接触式测量非接触式测量例：雷达测速车载电子警察•⑴接触测量测量器具的测头与零件被测表面接触后有机械作用力的测量。

如用外径千分尺、游标卡尺测量零件等。

为了保证接触的可靠性，测量力是必要的，但它可能使测量器具及被测件发生变形而产生测量误差，还可能造成对零件被测表面质量的损坏。

•⑵非接触测量测量器具的感应元件与被测零件表面不直接接触，因而不存在机械作用的测量力。

属于非接触测量的仪器主要是利用光、气、电、磁等作为感应元件与被测件表面联系。

如干涉显微镜、磁力测厚仪、气动量仪等。

• 2、按被测工件在测量时所处状态分类•⑴静态测量测量时被测件表面与测量器具测头处于静止状态。

例如用外径千分尺测量轴径、用齿距仪测量齿轮齿距等。

•⑵动态测量测量时被测零件表面与测量器具测头处于相对运动状态，或测量过程是模拟零件在工作或加工时的运动状态，它能反映生产过程中被测参数的变化过程。

例如用激光比长仪测量精密线纹尺，用电动轮廓仪测量表面粗糙度等。

静态测量动态测量地震测量振动波形• 3、按测量方法分类•测量的基本概念是把一个未知的被测量和一个已知的标准量相比较，按照比较的方法可分为两类，即直接测量法和间接测量法。

•即(1)直接测量• (2)间接测量直接测量电子卡尺间接测量•例如用“弦高法”测量大尺寸圆柱体的直径，由弦长S 与弦高H 的测量结果，可求得直径D 的 实际值，如图所示。

由图可得S 2 DH 4H •对上式微分后，得到测量结果•的测量误差为S S2 4HdD 2H dS 1 dH2 •式中dS ——弦长S 的测量误差• dH ——弦高H 的测量误差。

4、按照测量过程是否在生产现场分为：(1)离线测量(2)在线测量离线测量在线测量在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。

• 5、按测量结果的读数值不同分类•⑴绝对测量从测量器具上直接得到被测参数的整个量值的测量。

例如用游标卡尺测量零件轴径值。

•⑵相对测量将被测量和与其量值只有微小差别的同一种已知量（一般为测量标准量）相比较，得到被测量与已知量的相对偏差。

例如比较仪用量块调零后，测量轴的直径，比较仪的示值就是量块与轴径的量值之差。

教学内容• 0绪论（2学时）• 1、几何测量:（2学时）：• 2、位移测量:（3学时）：• 3、速度、转速、加速度(3学时）• 4、力学测量：（2学时）：力、扭矩、应力、• 5、压力测量：（2学时）：• 6、流体测量：（2学时）：• 7、温度测量：（2学时）：• 8、磁场测量：（2学时）：• 9、时间、频率测量：（2学时）• 10、湿度与化学测量（2学时）：• 11、材料测量（4学时）• 12、生物测量技术（2学时）：细胞、蛋白质等。

考核方式：大报告（80%）＋平时20％参考书：•《Measurement Systems Application and Design》Ernest O. Doebelin 著(测量系统应用与设计) •《精密测量技术》蒋建强、曹志宏主编，北京师范大学出版社。

教学内容• 0绪论（2学时）• 1、几何测量:（2学时）：• 2、位移测量:（3学时）：• 3、速度、转速、加速度(3学时）• 4、力学测量：（2学时）：力、扭矩、应力、• 5、压力测量：（2学时）：• 6、流体测量：（2学时）：• 7、温度测量：（2学时）：• 8、磁场测量：（2学时）：• 9、时间、频率测量：（2学时）• 10、湿度与化学测量（2学时）：• 11、材料测量（4学时）• 12、生物测量技术（2学时）：细胞、蛋白质等。

第一章几何测量1.几何精密测量的基础理论2.形位误差的评定3.直线度的测量；4.平面度的测量；5.圆度的测量；加工精度的预测Taniguchi 1983（狭义）精密测量技术几何精密测量的发展趋势①高精度：精度由微米级向纳米级发展，同时提高分辨率要求。

②大尺寸：测量几米至几百米范围内物体的空间坐标(位置)、尺寸、形状、运动。

③高速度高效率：Renishow ML10激光干涉仪测量范围80m，测量速度1m/s、分辨率0.001μm；点测量向面测量过渡。

④利用微制造技术、纳米技术、计算机技术、新材料等新技术，研究智能化、集成化、标准化、小型化仪器。

——数字化、网络化、自动化、虚拟仪器、傻瓜型⑤实现各种溯源的要求。

如自标定、自校准，特别是纳米溯源问题。

———测量的可靠性•高斯分布NN( X X)2X i is i1实际上：i1误差与精度的关系•精密度(Repeatability)与准确度(Accuracy) Low Accuracy Low Accuracy High Accuracy Low repeatability High repeatability High repeatability测量原则：•两个重要的测量原则•在几何量测量中，有两个重要的原则，即长度测量中的阿贝原则和圆周分度测量的封闭原则。

•（1）阿贝测长原则•在长度测量中，测量过程就是将被测工件的尺寸与作为标准量的线纹尺、量块等的尺寸进行比较的过程：由于在测量时，测量装置需要移动，而移动方向的正确性通常由导轨来保证：由于导轨制造和安装等误差，使测量装置在移动过程中产生方向偏差。

为了减小这种方向偏差对测量结果的影响，1890年德国人艾恩斯特·阿贝(Ernst Abbe)提出了以下指导性的原则：•被测尺寸与作为标准的尺寸应在同一条直线上，即按串联的形式排列。

并联的形式stan s串联的形式l(1cos)0.5l•（2）圆周封闭原则在圆周分度器件(如刻度盘、圆柱齿轮等)的测量中，利用在同一圆周上所有分度夹角之和等于360°，亦即所有夹角误差之和等于零的这一自然封闭特性，在没有更高精度的圆分度基准器件的情况下，采用“自检法”也能达到高精度测量的目的。

热传导快，测量值偏低1.几何精密测量的基础理论2.表面粗糙度测量3.直线度的测量4.平面度的测量5.圆度的测量二、表面粗糙度测量表面轮廓。