长度测量工具的发展

长度测量工具发展
工具简介
将被测长度与已知长度比较，从而得出测量结果的工具，简称测量工具。

长度测量工具包括量规、量具和量仪。

习惯上常把不能指示量值的测量工具称为量规；把能指示量值，拿在手中使用的测量工具称为量具；把能指示量值的座式和上置式等测量工具称为量仪。

智能之前
工具简史
最早在机械制造中使用的是一些机械式测量工具，例如角尺、卡钳等。

角尺卡钳
16世纪，在火炮制造中已开始使用光滑量规。

1772年和1805年，英国的J.瓦特和H.莫兹利等先后制造出利用螺纹副原理测长的瓦特千分尺和校准用测长机。

瓦特千分尺新型测长机19世纪中叶以后，先后出现了类似于现代机械式外径千分尺和游标卡尺的测量工具。

19世纪末期，出现了成套量块。

112块成套量块
继机械测量工具出现的是一批光学测量工具。

19世纪末，出现立式测长仪，20世纪初，出现测长机。

新式测长仪测长机
到20年代，已经在机械制造中应用投影仪、工具显微镜、光学测微仪等进行测量。

1928年出现气动量仪，它是一种适合在大批量生产中使用的测量工具。

浮标式气动量仪
电学测量工具是30年代出现的。

最初出现的是利用电感式长度感应器制成的界限量规和轮廓仪。

界限量规轮廓仪
50年代后期出现了以数字显示测量结果的坐标测量机。

60年代中期，在机械制造中已应用带有电子计算机辅助测量的坐标测量机。

三坐标测量机
至70年代初，又出现计算机数字控制的齿轮量仪，至此，测量工具进入应用电子计算机的阶。

计算机数字控制的齿轮量仪
工具分类
测量工具通常按用途分为通用测量工具、专类测量工具和专用测量工具3类。

测量工具还可按工作原理分为机械、光学、气动、电动和光电等类型。

这种分类方法是由测量工具的发展历史形成的。

但一些现代测量工具已经发展成为同时采用精密机械、光、电等原理并与电子计算机技术相结合的测量工具，因此，这种分类方法仅适用于工作原理单一的测量工具。

通用测量工具
可以测量多种类型工件的长度或角度的测量工具。

这类测量工具的品种规格最多，使用也最广泛，有量块、角度量块、多面棱体、正弦规、卡尺、千分尺、百分表(见百分表和千分表)、多齿分度台、比较仪、激光干涉仪、工具显微镜、三座标测量机等。

专类测量工具
用于测量某一类几何参数、形状和位置误差（见形位公差）等的测量工具。

它可分为：①直线度和平面度测量工具，常见的有直尺、平尺、平晶、水平仪、自准直仪等；②表面粗糙度测量工具，常见的有表面粗糙度样块、光切显微镜、干涉显微镜和表面粗糙度测量仪等（见表面粗糙度测量）；③圆度和圆柱度测量工具，有圆度仪、圆柱度测量仪等（见圆度测量）；④齿轮测量工具，常见的有齿轮综合检查仪、渐开线测量仪、周节测量仪、导程仪等（见齿轮测量）；⑤螺纹测量工具（见螺纹测量）等。

专用测量工具
仅适用于测量某特定工件的尺寸、表面粗糙度、形状和位置误差等的测量工具。

常见的有自动检验机、自动分选机、单尺寸和多尺寸检验装置(见自动测量)等。

工具结构
工具显微镜分小型﹑大型和万能3种类型﹐其常见的测量范围分别为50×25毫米﹐150×75毫米和200×100毫米。

它们都具有能沿立柱上下移动的测量显微镜和坐标工作台。

测量显微镜的总放大倍数一般为10倍﹑20倍﹑50倍和100倍。

小型和大型的坐标工作台能作纵向和横向移动﹐一般采用螺纹副读数鼓轮﹑读数显微镜或投影屏读数﹐也有采用数字显示的﹐分度值一般为10微米﹑5微米或1微米。

万能工具显微镜的工作台仅作纵向移动﹐横向移动由装有立柱和测量显微镜的横向滑架完成﹐一般采用读数显微镜﹑投影屏读数或数字显示﹐分度值为1微米。

工具显微镜的附件很多﹐有各种目镜﹐例如螺纹轮廓目镜﹑双像目镜﹑圆弧轮廓目镜等﹐还有测量刀﹑测量孔径用的光学定位器和将被测件投影放大后测量的投影器。

此外﹐万能工具显微镜还可带有光学分度台和光学分度头等。

基本组成
主要有已知长度、定位瞄准、放大细分和显示记录等部分。

量规基本上只有已知长度部分。

在一些量具、量仪中，这几部分也不是截然分开的，有的放大细分和显示实际上是一个部分，例如百分表类测量工具;有的瞄准、放大细分和显示等部分是一个部件,例如读数显微镜等。

已知长度部分
主要有两种形式：①经过长度计量的量值传递中的传递系统检定过的长度和角度，例如比长仪中线纹尺上的刻度，激光干涉仪中的激光波长，长、圆计量光栅上分别由密集线条组成的长度和角度，角度量块两测量平面间形成的角度等。

②一些具有准确形状的几何量。

例如平晶的光学测量平面，激光准直仪中的激光束，渐开线测量仪中由基圆盘、直尺机构产生的渐开线轨迹和由圆度仪精密轴系等形成的圆轨迹等。

定位瞄准部分
用于确定被测长度与已知长度的相对位置,使两者能正确地比较,从而得到准确的量值。

有接触式和不接触式两种定位瞄准方法。

放大细分部分
把已知长度中的最小单位长度放大细分，使之能准确地分辨出已知长度与被测长度的微小差值，主要有机械、光学、气动、电学和光电等类型。

①机械型：如采用斜楔、杠杆、齿轮、扭簧等的放大机构和利用游标原理的细分机构等。

②光学型：如读数显微镜的显微镜光学系统、投影仪的投影光学系统和自准直仪的自准直光学系统等。

③气动型：利用弹性元件、锥度玻璃管等分别将空气压力或空气流量转换放大以便于指示量值，主要用于气动量仪。

④电学型：电子放大常用于以模拟量，例如以电压作为被测尺寸电信号输出的电学测微仪中；电子细分常用于以脉冲量输出电信号的测量系统，例如感应同步器、磁栅等测量系统中。

⑤光电型：采用光学方法和电学方法先后将被测尺寸转换、放大、细分，以得到所需要的分辨率，常用于光栅测量系统（见光栅测长技术）、激光干涉仪、固体阵列测量系统（见长度传感器）等。

显示记录部分用于将测量结果显示、记录出来。

常见的显示记录方法有刻度指示、记录显示、数字显示和图象显示等。

①刻度指示：利用表盘和指针等指
示量值，或利用其他具有刻度的读数装置，例如读数显微镜等读出量值。

②记录显示：用记录器记录被测长度的误差曲线，它适用于需要连续记录各点误差以便计算和分析的测量，例如表面粗糙度测量、圆度测量和齿轮测量等。

③数字显示：测量结果以数字形式显示出来，它可以避免刻度指示容易读错的缺点。

数字显示的方式很多，有数码管显示、液晶显示、光学数字显示、机械式数字显示和打印机打字输出等。

④图象显示：用阴极射线管(CRT)以图象形式将测量结果显示出来,也可用X-Y绘图仪描绘出来。

这种显示方法直观，也便于分析。

需要进行计算和数据处理的测量工具，尚要配备计算部分，例如微处理机或电子计算机等。

设计规则
设计测量工具，应尽可能遵守阿贝原则。

它是德国的E.阿贝在19世纪60年代提出的。

他认为，在长度测量中，被测长度应位于线纹尺刻度中心线的延长线上。

按此原则设计的测量工具，由导轨直线度误差引起的测量误差是二阶误差，一般可以忽略不计，这样就可以获得精确的测量结果。

但要遵守阿贝原则，测量工具的长度就得大于被测长度的两倍以上。

这对测量工具的刚度、制造和使用都很不利，对测量范围大的测量工具，更是如此。

这是不少测量工具的设计没有遵循阿贝原则的原因之一。

在测量工具设计中也可采用爱宾斯坦平行光学系统（见测长机）来补偿由于导轨误差引起的测量误差，或采用电子计算机自动修正由于导轨误差和被测长度定位不正确等引起的测量误差。

除了阿贝原则外，设计时应考虑的还有测量链最短原则、基面统一原则等。

测量方法
工具显微镜主要用於测量螺纹的几何参数﹑金属切削刀具的角度﹑样板和模具的外形尺寸等﹐也常用於测量小型工件的孔径和孔距﹑圆锥体的锥度和凸轮的轮廓尺寸等。

工具显微镜的基本测量方法有影像法和轴切法。

影像法﹕利用测量显微镜中分划板上的标线瞄准被测长度一边后﹐从相应的读数装置中读数﹐然后移动工作台(或横向滑架)﹐以同一标线瞄准被测长度的另一边﹐再作第二次读数。

两次读数值之差即被测长度的量值。

图 2 用影象法测量样板尺寸为利用影像法测量样板的L 尺寸。

轴切法﹕测量过程与影像法相同﹐但瞄准方法不同。

测量时分划板上的标线不直接瞄准被测长度的两边﹐而瞄准与被测长度相切的测量刀上宽度为3微米的刻线﹐以此来提高瞄准精度
精度评定
主要是评定测量工具在规定条件下的测量精确度。

常见的评定方法有检定法、比对法和误差分离法。

检定法
测量工具按检定规程检定合格后，方能使用。

一般是利用长度标准器检定，例如：用量块检定千分尺和卡尺；用标准线纹尺检定比长仪和测长机等。

比对法
利用两台以上相同精度等级的测量工具相互对比，以确定其精确度。

这种
方法适用于评定一些精度等级很高的测量工具，例如激光干涉仪、激光干涉比长仪等，因为对于这类高精度的测量工具，没有合适精度的长度标准器可供检定之用。

误差分离法
适用于一些高精度（形状误差小）和具有封闭圆周角的测量工具。

例如检定1级平晶,如待检的三块平晶1、2、3的平面度误差分别为x、y、z，则把它们按1与2,2与3,3与1组合起来互检平面度。

得出的量值分别为a、b、c。

列出方程式x+y=a，y+z=b，x+z=c。

解方程式后即可求出x、y、z的量值。

此外,检定圆度仪和多齿分度台也可用这种方法。

常用石英玻璃球圆度仪和多齿分度台也可用这种方法。

常用石英玻璃球检定圆度仪，因玻璃球等也有误差，所以利用多次转位方法分离出玻璃球和圆度仪精密轴系各自的误差。

多齿分度台也是利用其具有封闭圆周的特性，把两台多齿分度圆台重叠在一起，各自向相反方向依次转动一个相同的角度，从单色光自准直仪中读出其量值，把一系列测得的量值处理后从中求得每台各自的分度误差。

轻、精、快将是未来的测量设备发展主题
谈到未来模具测量设备会是怎样的趋势时，我脑中第一闪现的就是Arthur L.Schawlow 和Charles H.Townes两位博士，因为若不是他们在20世纪50年代发明的美国专利--激光和激光器，我们的制造业就不会发生今天翻天覆地的变化了。

而这个变化也包括了题目的主题：测量。

大家可能对这样的工作场景仍然记忆犹新，以模具为例，用手工测量获得数据、手工记录数据和打样，若产品合格则生产，不合格则重复以上步骤（材料、人力的浪费不计）。

早期的手动式测量仪是由操作者用手握住主轴使其沿着轴移动，测量时测量误差极易产生，如探头与工件间测量压力，探头移动因加速度造成轴产生弯曲导致测量误差。

马达驱动式三坐标测量仪的改进是：由游戏杆控制来简易操作，减少误差。

CNC式三坐标测量机则加入了计算机预设定程序，可以自动执行测量功能。

这些坐标测量机都是以机械系统为主要部件，即由互成直角的三个测量方向的三轴导轨为主要部件，一般采用气浮导轨、直流电机驱动、光杠/皮带或齿轮/齿条等传动方式。

它还有一个测头系统，电气控制硬件系统和数据处理软件系统。

但是现在我们有了激光，当激光技术成功运用于测量时，其精确度和准确度是令人赞叹的，更重要的是它可以更加省时、高效、节省成本和提高产品品质。

在发达国家，激光测量机已经逐渐取代传统式的机械式三坐标测量仪。

模具制造正在步入数字时代，生产中的信息都会用3D数据来准确表示物体原型，轻松点击生成测量数据报
表，测量工作推动质量保障，高精度的测量，大大缩短的交货日期，一道工序就会加快公司的投资回报率。

“让测量变得如游戏般轻松”,现在和未来的在线测量，要求测量设备的便携，这样才能真正在生产制造环境中使用，可随处进行测量工作，并且都能创造出高效率。

这一切都证实了便携式的手提电脑已经大行其道。

又要说回到美国的另两个博士：Simon Raab先生和Greg Fraser先生，这两个法如科技的创始人，他们以其在医学领域里的专长，依据人的手臂的灵活性，发明出了基于激光原理技术的测量仪器，它是一种集合了激光、机械、电子计算机于一体的万能型的人体工程学测量仪器。

当被测模件放入测量空间中，通过角度激光光栅编码和激光探测头来采集数据，并将这些点的坐标数值经过计算机处理，拟合形成测量元素，再经过数学计算的方法得出其外形位置公差及其他几何量数据，大大改变了传统的通过X、Y、Z三轴机电装置及其直线标尺系统来进行数据采集的方法。

而产业化的现场测量，必定要用便携式的激光测量机，达到大批量、标准化、自动化生产的要求，从而带来成本优势，使之能够获得很高的投资回报。

模具技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定着产品质量、效益和新产品的开发能力。

在中国，人们已经越来越熟悉到测量检测的重要性，恰当的测量设备不但可以帮助用户轻而易举的提高产品质量，更会提高生产效率，所以对于制造业先进的测量设备给用户提供先进的测量解决方案，得到高的投资回报率。

未来中国的模具的发展也会越来越大型化，精度要求也越来越高，多功能复合式的模具成为热点，塑料模具的比重提高，气辅模具及适应高压注塑成型等工艺的模具也将随之发展。

品种多样化，变化也会更迅速，这就要求测量设备除了精度高测量准确，也要更灵活，测量环境更宽松，随时随地，轻松变换，这样才能跟得上发展的脚步。

“市场导向，客户导向”这样的发展趋势使得便携式激光测量设备的技术现在已经广泛应用于工业应用领域中大型零件和机械的精确测量，测量范围大、精度高并且十分坚固耐用，非常适合于工厂环境。

在全球范围内获得了广泛的认同和肯定，成为业内首选的光学测量仪器。

新一代的激光测量仪器技术，将会不断地开拓测量领域内的新应用。

激光器。