第七节 大尺寸测量

2．用测长机测量 测长机是机械制造中测量大尺寸的精密仪器。 测长机是机械制造中测量大尺寸的精密仪器。 按其测量范围来分， 6m， 按其测量范围来分，有1、2、3、4、6m，甚至还 12m的 该仪器的使用主要采用绝对测量法， 有12m的。该仪器的使用主要采用绝对测量法，特 别是大尺寸量具的校准工作， 别是大尺寸量具的校准工作，但也可以采用比较 测量法。 测量法。 绝对测量是将被测工件与仪器本身的刻度尺 绝对测量是将被测工件与仪器本身的刻度尺 进行比较. 进行比较. 比较测量则是将被测工件和一个预先用来对 比较测量则是将被测工件和一个预先用来对 准仪器零位的标准件（如量块等）相比较，从仪 准仪器零位的标准件（如量块等）相比较， 器上读取两者之差值。 器上读取两者之差值。
[
]
Ｄ－被测直径的基本尺寸； d－定位圆柱直径；
被测直径对于基本尺寸的偏差值为：
l2 ∆D = −( 2 − 1) ∆H H
ΔＨ－带正负号的测微计读数值。
这类方法测量精度不高。
3．围绕法
图2-43 ，图b所示为金属带尺两端附有角铁，以便 拉紧带尺。 带尺的厚度不用考虑，因为它并未计入带尺长度的 测量结果。
k = ∫ ∆fdt = ∫
0 0 t t
2ν f1dt c
由于：
c = λf1
则：
ν = dL / dt
t
故被测长度为
k=∫
0
2
λ
dL =
2L
λ
L = k
2
λ
三、大尺寸的间接测量 、
1．辅助基面法 图2-40为以机床的床面 为基面，对大尺寸工件的外 径进行测量的示意图。
d D = 2(a + − b) 2( 2
Δl和Δl1互相补偿，因此测量误差ΔＬ为:
∆L = ∆l − ∆l1 = H sin ϕ + l cos ϕ − l − Ftgϕ
将上式展开，略去三次方并化简后得：
∆L = ( H − F )ϕ − l
如取H=F，则 如取H=F，则 :
ϕ2
2
∆L = −l
ϕ2
2
此为二阶微量误差，故影响不大，此即爱帕斯坦原则。
5．对滚法
对滚法根据无滑动对滚原理，利用已知直径的标准滚柱1所 转过的累积角度ϕ(见图2-46、2-47)，测出被测件2的直径，即
ϕ
D=
d(
360° = dqM N 360 N
)
式中: Ｄ—被测直径(mm) Ｍ—与基准滚轮同轴的光栅 盘所发出的脉冲数； q—脉冲角度当量(度/脉冲)； M—被测件测量时的转数。
直接测量 用通用量具
用测长机：大尺寸量值传递、高精度工件； 用测长机：大尺寸量值传递、高精度工件； 用激光干涉仪：依相干原理、 用激光干涉仪：依相干原理、以波长为基 非接触、高精度。 准、非接触、高精度。 辅助基面： 间接测量 辅助基面：主要是测量大尺寸工件的外 直径1000mm 10000mmm的非整圆 1000mm至 弦 高 法：直径1000mm至10000mmm的非整圆 的内外径 围 绕 法：通过测周长求直径 长杆量规：简便、 长杆量规：简便、现场常用 利用对滚原理， 对 滚 法：利用对滚原理，被测圆柱与标准 滚柱比较转角进行测量； 滚柱比较转角进行测量； 经纬仪法：不仅可测量直径和长度， 经纬仪法：不仅可测量直径和长度，还可测 量安装位置误差。 量安装位置误差。
（3）1977年C.R.Tilford对于由条纹尾数确定长度的分 析法进行了系统的理论分析，并且提供了合成波长的概 念，对激光多波长干涉测量起了重要的推动作用 。
2．无导轨测量的优点：
与有导轨测量比 省导轨，快速，避免累加计数过程中的误差、错误等； 推动测量机器人的发展；
3.无导轨测量的测量方法：
（2）双频激光干涉测长
双频激光干涉仪以交变信号为参考信号，可避免零点漂移，有较强的抗 干扰能力，可在现场使用。测量长度可达60m左右。双频激光干涉仪的最小分 辨率为0.08，最大位移速度为300m/s，其测量精度可达到L（L为被测长度）。 图2-39为双频激光干涉仪的光学系统。在时间t内与被测长度对应的多 普勒频差为：
§2-7 大尺寸测量
本节主要内容
尺寸测量的特点及主要误差因素； 尺寸测量的特点及主要误差因素； 大尺寸直接、 大尺寸直接 、 间接测量各种方法的原理及 使用场合； 使用场合； 大尺寸无导轨测量各种方法的原理。 大尺寸无导轨测量各种方法的原理。
一．概述
大尺寸测量一般指500mm以上尺寸的测量， 大尺寸测量一般指500mm以上尺寸的测量，由 500mm以上尺寸的测量 于超出了一般测量范围，以及测量条件差， 于超出了一般测量范围，以及测量条件差，因而测 量方法和使用的量仪都具有特殊性。 量方法和使用的量仪都具有特殊性。测量方法分类 如下： 如下： 1、依有无导轨分： 依有无导轨分： 有导轨测量 无导轨测量 依测量方式分： 2、依测量方式分： 直接测量 间接测量
4．用长杆规测量大孔直径 如图2-45所示 被测孔径的极限测量误差为：
∆ lim D
l2 D ≈ L + 2L
2
∂D 2 ∂D =± ( ∆l ) + ( ∆L) 2 ∂l ∂L
l l2 2 = ± ( δl ) + (1 − 2 )δL L 2L
式中： δＬ—长杆规定长度L的极限误差； δ l—摆动距离的极限误差。 可用于IT8甚至IT7的内孔测量。为了检验被测孔是否存在圆度误差，应 在同一圆周的三个等分处进行测量。
爱帕斯坦(Epenstien) (Epenstien)原则 （3）爱帕斯坦(Epenstien)原则
（Ａ）问题的提出 （Ａ）问题的提出 该仪器的测量轴线与基准轴线平行，不共线， 该仪器的测量轴线与基准轴线平行，不共线，违背了 阿贝原则，会产生很大的测量误差。 阿贝原则，会产生很大的测量误差。 （Ｂ）补偿方法： （Ｂ）补偿方法：光学补偿 补偿方法 光学补偿原理——爱帕斯坦(Epenstien)原则 爱帕斯坦(Epenstien)原则 光学补偿原理 爱帕斯坦(Epenstien) 在设计上采用对称的棱镜和物镜系统， 在设计上采用对称的棱镜和物镜系统，使一次误差基 本上得到了综合的补偿， 本上得到了综合的补偿，从而保证了本仪器仍然具有较高 的测量精度。 的测量精度。
如图2-37所示，由于床身导轨直线度误差等原因使尾架 移动时绕点偏转了一个φ角，在测量线上使被测量线段减小 了Δl:
∆l = H sin ϕ + l cosϕ − l
同时分划板上S的象位置由s’移到s”，在刻线尺7上意味 着读数的减小Δl1：
∆l1 = Ftgϕ
式中： H—测量线与刻线尺表面间的距离； F—准直物镜9和11的焦距； l—尾架测头顶端距S点的垂线的距离； φ—尾架偏转角；Leabharlann 四、无导轨测量 （一）概述
1．激光干涉仪测量过程中的问题 :增量式、不能间断、需要 导轨 这限制应用场合 迫切需要无导轨绝对距离测量 2．历史 无导轨测量的研究历史应该追溯到迈克尔逊时代，在 1892年把国际标准米尺与Cd红线波长相比较，提出了小 数重合法 ； 在激光出现之后，激光光谱学的研究结果向人们展示了 极为丰富的谱线系列和令人振奋的相干特性。 1976年C.R.Tilford和A.G.Orszag首先报导了使用CO2激 光器进行多波长干涉测长，而不必求助于其他初测手段， 成为严格意义上的激光多波长无导轨测量的开端 。
图2-41为测量安装在机 床上的大尺寸工件内径的示 意图。
D = 2l + d
2．弦高法
图2-42所示的专用量具适用于从1000到10000mm的内外径测量。 量块尺寸按下式计算： 测外径时： 测内径时：
H= 1 ( D + d ) − ( D + d )2 − 4l 2 2
[
]
H=
−1 (D − d) − (D − d)2 − 4l 2 2
2l sin β D= tgα
(2) 弧长法 如图2-49所示
(3) 两个经纬仪法 由Δabc可求出被测长度Ｌ为 ： L =
A2 + B 2 − 2 AB cos α1
其中:
A= l sin β 2 sin( β 2 + γ 1 )
l sin γ 2 sin( β 1 + γ 2 )
B=
7．光电对准—干涉测量法 光电对准 干涉测量法 如图2-51所示，对准部分由激光准直仪、五角棱镜和定 位块组成，定位块由永久磁铁吸附在圆周上，定位块上的四 象限硅电池用于判断五角棱镜的位置。当激光束恰好对准硅 光电池中心（位置 A）时，干涉仪清零开始计数，这时将定 位块移到对径位置并翻转180o，仍然使硅光电池向着五角棱 镜方向，移动五角棱镜直到再次使激光束落到硅光电池中心 （位置 B），读出干涉仪的读数，减去定位块翻转偏离值就 可计算出直径。 干涉仪，既可使用增量式的也可使用无导轨的，因为 五角棱镜需要导轨，要看经济条件、体积、具体条件决定。 8．测直径变化量 图2-52中给出了二种测量方法：聚焦法,光点检测法。
3．激光干涉测量法
由于激光具有良好的方向性、单色性和相干性等优点，采 用激光器作为光源, 以激光稳定的波长作基准，利用光波干涉 原理实现大尺寸的精密测量是目前大尺寸测量中比较理想的方 法。 （1）单频激光干涉测长 单频激光干涉仪是将同一激光器发出的光束，经分光镜后 分成相同频率的参考光束和测量光束,它们分别经固定参考 棱镜和随被测件移动的可动棱镜(图2-38)反射，而在分光 面上重新产生干涉，相应的被测长度对应于干涉场的干涉 条纹信号变化的次数，通过光电接受、转换和电路处理， 求出相应被测长度的数值。其基本测量原理同迈克尔逊干 涉仪 单频激光干涉仪一般没有专门的空气折射率测量装置，在 进行大尺寸测量时，温度误差将对被测件的尺寸有较大影 响，故对测量环境应有一定的要求，必要时应对上述影响 进行修正。