资源描述
实验一 用立式光学计测量塞规外径
一、实验目的
1. 了解立式光学计的测量原理；
2. 熟悉用立式光学计测量外径的方法；
3. 加深理解计量器具与测量方法的常用术语。
二、实验内容
1. 用立式光学计测量塞规外径；
2. 根据测量结果，按国家标准GB/T 1957—1981《光滑极限量规》查出被测塞规的尺寸公差和形状公差，并作出合用性结论。
三、测量原理及计量器具说明
立式光学计是一种精度较高而结构简朴的常用光学量仪。用量块作为长度基准，按比较测量法来测量各种工件的外尺寸。
图1.1 立式光学计的外形结构
1-底座；2-调节螺母；3-支臂；4、8-紧固螺钉；
5-立柱；6-直角光管；7-调节手轮；9-提高杠杆；
10-测头；11-工作台
图1.1为立式光学计的外形图。它由底座1、立柱5、支臂3、直角光管6和工作台11等几部分组成。光学计是运用光学杠杆放大原理进行测量的仪器，其光学系统如图1.2b所示。照明光线经反射镜1照射到刻度尺8上，再经直角棱镜2、物镜3，照射到反射镜4上。由于刻度尺8位于物镜3的焦平面上，故从刻度尺8上发出的光线经物镜3后成为平行光束，若反射镜4与物镜3之间互相平行，则反射光线折回到焦平面，刻度尺像7与刻度尺8对称。若被测尺寸变动使测杆5推动反射镜4绕支点转动某一角度α（图1.2a），则反射光线相对于入射光线偏转2α角度，从而使刻度尺像7产生位移t（图1.2c），它代表被测尺寸的变动量。物镜至刻度尺8间的距离为物镜焦距f，设b为测杆中心至反射镜支点间的距离，s为测杆5移动的距离，则仪器的放大比K为：
当α很小时，tan2α ≈ 2α，tanα ≈ α，因此：
光学计的目镜放大倍数为12，f＝200mm，b＝5mm，故仪器的总放大倍数n为：
由此说明，当测杆移动0.001mm时，在目镜中可见到0.96mm的位移量。
图1.2 立式光学计的光学原理图
1、4-反射镜；2-棱镜；3-物镜；5-侧杆；6-微调螺钉；7-刻度尺像；8-刻度尺
四、实验环节
1. 测头的选择：测头有球形、平面形和刀口形三种，根据被测零件表面的几何形状来选择，使测头与被测表面尽量满足点接触。所以，测量平面或圆柱面工件时，选用球形测头；测量球面工件时，选用平面形测头；测量小于10mm的圆柱面工件时，选用刀口形测头。
2. 按被测塞规外径的基本尺寸组合量块。
3. 调整仪器零位
① 参看图1.1，选好量块组后，将下测量面置于工作台11的中央，并使测头10对准上测量面中央；
② 粗调节：松开支臂紧固螺钉4，转动调节螺母2，使支臂3缓慢下降，直到测头与量块上测量面轻微接触，并能在视场中看到刻度尺像时，将螺钉4锁紧；
③ 细调节：松开紧固螺钉8，转动调节凸轮7，直至在目镜中观测到刻度尺像与μ指示线接近为止(图1.3a)，然后拧紧螺钉8；
④ 微调节：转动刻度尺寸微调螺钉6(图1.2b)，使刻度尺的零线影像与μ指示线重合(图1.3b)，然后压下测头提高杠杆9数次，使零位稳定；
⑤ 将测头抬起，取下量块。
图1.3 立式光学计的零位调节示意
4. 测量塞规外径：按实验规定的部位(在三个横截面上两个互相垂直的径向位置上)进行测量，把测量结果填入实验报告。
5. 由塞规零件图(由学生自己设计、画出)的规定，判断塞规的合格性。
思 考 题
1. 用立式光学计测量塞规外径属于绝对测量还是相对测量？它们各有何特点？
2. 什么是分度值、刻度间距？它们与放大比的关系如何？
3. 仪器工作台与测杆轴线不垂直，对测量结果有何影响？
4. 仪器的测量范围和刻度尺的示值范围有何不同？
5. 假设被测塞规外径的基本尺寸为28.265mm，如何从一盒83块的量块中选择量块？如何组合量块？
实验报告一 用立式光学计测量塞规外径
1、 仪器名称、型号
2、 仪器测量范围 ；刻度值 ；指示范围
3、 组合量块的尺寸 ，量块精度等级
4、 塞规制造尺寸
端面
基本尺寸
偏差（μm）
极限尺寸（mm）
公差带图
通端
/mm
上：
Dmax：
下：
Dmin：
止端
/mm
上：
Dmax：
下：
Dmin：
5、测量结果
测量位置
通端
止端
读数/μm
实际尺寸/mm
读数/μm
实际尺寸/mm
1-1
Ⅰ－Ⅰ
Ⅱ－Ⅱ
2-2
Ⅰ－Ⅰ
Ⅱ－Ⅱ
3-3
Ⅰ－Ⅰ
Ⅱ－Ⅱ
6、合用性结论：通端
止端
7、思考并完毕下列问题：
① 用立式光学计测量塞规外径属于绝对测量还是相对测量？
② 假设被测塞规外径的基本尺寸为28.265mm，如何从一盒83块的量块中选择量块？如何组合量块？
实验二 用内径百分表测量内径
一、实验目的
1、熟悉测量内径常用的计量器具和其使用方法；
2、熟悉使用内径百分表测量内孔尺寸误差的方法和特点，并认真体会“局部实际尺寸(实际误差)”概念。
二、实验内容
用内径百分表测量内径。
三、实验原理与方法
内径可用内径千分尺直接测量，但对深孔或公差等级较高的孔，则常用内径百分表作比较测量。内径百分表由测量杆和百分表组成，是用相对测量法测量孔径和形状误差，它的结构如图2.1所示。
内径百分表是用它测量中固定不动的可换测头3和活动测头10跟被测孔壁接触进行测量的。仪器盒内有几个长短不同的可换测头，使用时可按被测尺寸的大小来选择。测量时，活动测头10受到一定的压力，向内推动等臂直角杠杆4，使杠杆绕其支点旋转，并通过长接杆7推动百分表9的侧杆而进行读数。
在活动测头的两侧，有对称的定位板2，装上活动测头10后，即与定位板连成一个整体。定位板在弹簧1的作用下，对称地压靠在被测孔壁上，以保证测头的轴线处在被测孔的直径截面内。
图2.1 内径百分表结构图
1、8-弹簧；2-对称定位板；3-可换测头；4-等臂直角杠杆；5-隔热手柄；6-摆动直管；
7-连接杆；9-百分表；10-活动测头
四、实验环节
1. 内径百分表在每次使用前，一方面要用标准环规、夹持的量块或外径千分尺对零，环规、夹持的量块和外径千分尺的尺寸与被测工件的基本尺寸相等。
2. 内径百分表在对零时，用手拿着隔热手柄5，使测头进入测量面内，摆动直管6，测头在X方向和Y方向(仅在量块夹中使用)上下摆动。观测百分表的示值变化，反复几次；当百分表指针在最小值处转折摆向时,用手旋转百分表盘，使指针对零位。多摆动几次观测指针是否在同一零点转折。
3.将对零后的内径百分表插入被测孔内，沿被测孔的轴线方向测几个截面，每个截面要在互相垂直的两个部位上各测一次。测量时轻轻摆动内径百分表(见图2.2)，记下示值变化的最小值。
4. 根据测量结果和被测孔的公差规定，判断被测孔是否合格。
图2.2 内径百分表的调整
思 考 题
1. 用内径千分尺和内径百分表测量孔的内径时，各属于何种测量方法？
2. 用内径百分表测量内径时，测量误差重要有哪些？
3. 使用内径百分表测量内径时，为什么要在沿被测孔轴线方向测几个截面和在互相垂直的两个方向上测量？
实验报告二 用内径百分表测量内径
1、仪器名称、型号
2、仪器测量范围 ，刻度值 ，指示范围
3、被测零件基本尺寸及极限偏差
4、被测零件的尺寸偏差
测量位置
读数/mm
实际尺寸/mm
1-1
Ⅰ－Ⅰ
Ⅱ－Ⅱ
2-2
Ⅰ－Ⅰ
Ⅱ－Ⅱ
3-3
Ⅰ－Ⅰ
Ⅱ－Ⅱ
4-4
Ⅰ－Ⅰ
Ⅱ－Ⅱ
5-5
Ⅰ－Ⅰ
Ⅱ－Ⅱ
5、拟定零件实际尺寸的变动范围
6、合用性结论：
7、思考并完毕下列问题
① 用内径千分尺和内径百分表测量孔的内径时，各属于何种测量方法？
② 使用内径百分表测量内径时，为什么要在沿被测孔轴线方向测几个截面和在互相垂直的两个方向上测量？
实验三 用双管显微镜测量表面粗糙度
一、实验目的
1. 了解双管显微镜测量表面粗糙度的原理和方法；
2. 加深对微观不平度十点高度Rz的理解。
二、实验内容
用双管显微镜测量表面粗糙度的Rz值。
三、实验原理及计量器具说明
参看图3.1，微观不平度十点高度Ｒz是在取样长度l内，从平行于轮廓中线m的任意一条线算起，到被测轮廓的五个最高点(峰)和五个最低点(谷)之间的平均距离，即：
图3.1 被测轮廓曲线图
双管显微镜能测量1~80μm的表面粗糙度的Rz值，其外形结构和重要构成见图3.2。
图3.2 双管显微镜的外形结构
1-光源；2-立柱；3-锁紧螺钉；4-微调手轮；5-横臂；6-升降螺母；7-底座；8-纵向千分尺；9-工作台固紧螺钉；10-横向千分尺；11-工作台；12-物镜组；13-手柄；14-壳体；15-测微鼓轮；16-目镜；17-相机安装孔
双管显微镜是运用光切原理来测量表面粗糙度的，如图3.3所示，被测表面为P1、P2阶梯表面，当一平行光束从45°方向投射到阶梯表面上时，就被折成S1和S2两段。从垂直于光束的方向上就可在显微镜内看到S1和S2两段光带的放大像S1´和S2´。同样，S1和S2之间的距离h也被放大为S1´和S2´之间的距离h1´。通过测量和计算，可求得被测表面的不平度高度h。
图3.4为双管显微镜的光学系统图。由光源1发出的光，经聚光镜2、狭缝3、物镜4，以45°方向投射到被测工件表面。调整仪器使反射光束进入与投射光管垂直的观测光管内，经物镜5成像在目镜分划板上，通过目镜可观测到不平的光带(图3.5b)。
图3.3 双管显微镜的光切原理图 图3.4 双管显微镜的光学系统图
1-光源；2-聚光镜；3-狭缝；4、5-物镜；6-成像屏；7-目镜
光带边沿即工件表面上被照亮了的h1的放大轮廓像为h1´，测量亮带边沿的宽度h1´，可求出被测表面的不平度高度h，即：
h= h1*cos45°= (h1´/N)*cos45°
式中N—物镜放大倍率。
为了测量和计算方便，测微目镜中十字线移动方向(图3.5a)和被测量光带边沿宽度h1´成45°斜角(图3.5b)，故目镜测微器刻度套筒上的读数值h1″与不平度高度的关系为：
h1″= h1´/cos45°= N*h/ cos245°
所以，
h= h1″cos245°/N= h1″/2N
式中，1/2N =C，C为刻度套筒的分度值或称为换算系数，它与投射角α、目镜测微器的结构和物镜放大倍数有关。
图3.5 双管显微镜的目镜视场
四、实验环节
1. 根据被测工件表面粗糙度的规定，按表1选择合适的物镜组，分别安装在投射光管和观测光管的下端。
表1 被测表面粗糙度与物镜组的关系
物镜放大倍数N
总放大倍数
视场直径
物镜工作距离
测量范围Rz
光洁度等级
7X
60X
2.5mm
17.8mm
10~80μm
▽6~3
14X
120X
1.3mm
6.8mm
3.2~10μm
▽8~6
30X
260X
0.6mm
1.6mm
1.6~6.3μm
▽8~7
60X
520X
0.3mm
0.65mm
0.8~3.2μm
▽10~8
2. 接通电源。
3. 擦净被测工件，把它安放在工作台上，并使被测表面切削痕迹的方向与光带垂直，当测量圆柱形工件时，应将工件置于V形块上。
4. 粗调节：参看图3.2，用手托支臂7，松开锁紧螺钉9，缓慢旋转支臂调节螺母10，使支臂7上下移动，直到目镜中观测到绿色光带和表面轮廓不平度的影像(图3.5b)；然后，将螺钉9固紧；要注意防止物镜与工件表面相碰，以免损坏物镜组。
5. 细调节：缓慢而往复转动调节手轮6，调焦环12和调节螺钉13，使目镜中光带最狭窄，轮廓影像最清楚并位于视场中央。
6. 松开螺钉5，转动目镜测微器4，使目镜中十字线的一根线与光带轮廓中心线大体平行(此线代替平行于轮廓中线的直线)；然后，将螺钉5固紧。
7. 根据被测表面粗糙度Rz的数值，按国家标准GB/T 1031—1995的规定选取取样长度和评估长度。
8. 旋转目镜测微器的刻度套筒，使目镜中十字线的一根线与光带轮廓一边的峰(或谷)相切，如图3.5b实线所示，并从测微器读出被测表面的峰(或谷)的数值。以此类推，在取样长度范围内分别测出五个最高点(峰)和五个最低点(谷)的数值，然后计算出Rz的数值。
9. 纵向移动工作台，按上述第8项测量环节在评估长度范围内，共测出n个取样长度上的Rz值，取它们的平均值作为被测表面微观不平度十点高度，并按下式计算：
思 考 题
1. 为什么只测量光带一边的最高点(峰)和最低点(谷)？
2. 用双管显微镜测量表面粗糙度为什么要拟定分度值C？如何拟定？
3. 微观不平度十点平均高度Rz和轮廓算术平均偏差Ra的含义是什么？双管显微镜能测量Ra参数吗？
实验报告三 用双管显微镜测量表面粗糙度
1、仪器名称、型号： ，测量范围：
2、被测表面粗糙度估计为 级
3、选用物镜放大倍数： ，目镜分尺刻度值：
4、测量基本长度
5、测量结果 （单位：μm）
波峰读数：h1= ， h3= ， h5= ，
h7= ， h9= ；
波谷读数：h2= ， h4= ， h6= ，
h8= ， h10= ；
6、计算和评估
Rz =
=
=
=
根据GB/T1031-1995的Rz值评估为 粗糙度。
7、思考并完毕下列问题：
① 用双管显微镜测量表面粗糙度为什么要拟定分度值C？如何拟定？
② 微观不平度十点平均高度Rz和轮廓算术平均偏差Ra的含义是什么？双管显微镜能测量Ra参数吗？
实验四 用双向自准直仪测量直线度误差
一、实验目的
1. 掌握双向自准直仪测量直线度误差的方法及数据解决；
2. 加深对直线度误差定义的理解。
二、实验内容及实验仪器规格
用双向自准直仪测量直线度误差，该仪器型号为1X5，重要技术规格如下：
测量距离：0~8m； 4m内测量范围：角值±10´，线值±582μm；
测量精度：角值±10´内±2″，线值±582μm内±2μm； 对准精度：0.5″；
分格值：角值1″/格； 线值1μm/200mm； 输入电源：6V/2.1W。
三、实验原理及计量器具说明
双向精密自准直仪是一种精密仪器，用一束光线作为测量基准，采用自准直原理进行角或线值测量。它由本体3、反射镜1和外接电源10等部分组成，其中本体涉及光管和游标读数器等，其外形结构见图4.1。
图4.1 双向精密自准直仪外形结构图
1-反射镜；2-望远镜；3-本体；4-换向定位螺钉；5-二维测微器；6-观测目镜组；
7-游标读数器一；8-游标读数器二；9-导电插柱；10-外接电源
测量时，本体安放在被测工件之上或之外的固定位置，反射镜安放在桥上或是工件的被测表面上，如安放在桥上，则需把桥放置在实际被测表面上。双向自准直仪的光学系统(见图4.2)由灯源2发出的光线，经聚光镜3，反射镜4和滤色片5后，照明指标分划板6，获得均匀照明视场，当此像被放大镜垂直反射后，仍进入望远物镜组12并聚焦于指标分划板的同一平面，即获得双向自准直仪的工作原理。为了获得高精度角值或线值的测量，经望远物镜12的反射像进入立方棱镜组10组合后分为二路，一路被立方棱镜透射，聚焦于指标分划板的同一平面，用于自准直校正，另一路由立方棱镜成垂直反射，聚焦于X、Y向瞄准分划板7与8的同一平面。此时，以观测目镜组9进行瞄准，即可获得角位移和线位移的测量。
测量中，若反射镜1与平行光束互相垂直，则平行光束沿原光路反射后成像在目镜分划板的影像(亮十字影像)经立方棱镜组10并被其中的半透明膜向上反射到X、Y向瞄准分划板，且与瞄准分划板的指示线重合(见图4.3a)。假如被测表面凸凹不平，使反射镜13倾斜一个角度α，那么反射光轴与入射光轴成2α角，使亮十字影像相对于瞄准分划板的指示线产生相应的偏移量Δ(见图4.3b)。偏移量的数值经调整后与瞄准分划板的指示线重合，并读出瞄准分划板上的游标读数器旋转的格数。
图4.2 双向自准直仪的光学系统原理图
1-反射镜组一；2-灯源；3-聚光灯；4-反光镜；5-滤色片；6-指标分划板；7-X向瞄准分化；
8-Y向瞄准分化；9-观测目镜组；10-立方棱镜组；11-反射镜组二；12-望远物镜组；13-反射镜
游标读数器有100格等分的圆周刻度，游标读数器每转一转，就使瞄准分划板上的指示线相对于固定分划板上的刻线尺移动一个刻度间距。游标读数器每格的角值分度为1"，则其线值分度值用0.005mm/m或0.005/1000表达。假如所使用桥板的跨距L为200mm，则游标读数器每格的实际分度值i＝200×0.005/1000＝0.001mm＝1μm。这样，就可以由影像偏移量(格数)计算出被测表面与桥板两端的两个触点相对于光轴的高度差h，故，h＝i*Δ (μm)。
a、起始示值998格 b、第二次示值800格
图4.3 测量时示值的读取
四、实验环节
1. 沿工件被测直线的方向将自准直仪本体安放在工件体上或体外，在被测直线旁标出均匀布点的各测点的位置，并将反射镜安放在工件被测表面上的第一个测点。接通电源，使光线照准反射镜。
2. 调整自准直仪本体的位置，使十字分划的影像在反射镜位于被测直线的两端时均能进入现场。然后，将本体的位置加以固定。
3. 将反射镜移到靠近自准直仪本体的被测直线的第一个测点。调整瞄准分划板的指示线位置，使它位于亮十字像中间(见图4.3a)，从游标读数器上读出并记录起始示值Δi(格数)。
4. 按各测点的位置依次逐段地移动反射镜，观测目镜中亮十字影像相对于指示线的偏移量，同时旋转游标读数器，使目镜中的十字影像再次与瞄准分划板的指示线重合，并记录游标读数器旋转的格数，每测量一次时游标读数器的示值为Δi(格数)，i表达测点序号。由始测点顺测到终测点后，再由终测点返测到始测点。
5. 将在各个测量间隔上记录的两次示值分别填入各个测量间隔往复数据表格内，若某个测量间隔两次示值的差异较大，则表白测量不正常，查明因素后重测。
6. 按最小条件和两端点连线法解决测数据，求解直线度误差值。
五、数据解决
用双向自准直仪测量的某导轨的直线度误差，仪器分度值为0.005mm/m，选用板桥节距L＝100mm，测量直线度记录数据见表4.1，试用作图法评估该导轨的直线度误差。
表4.1 导轨直线度误差的测量数据
测点序号i
0
1
2
3
4
5
6
7
8
仪器读数ai
顺测
—
298
300
290
301
302
306
299
296
回测
—
296
298
288
299
300
306
297
296
平均
—
297
299
289
300
301
306
298
296
相对差(格)
△ai＝ai－a
0
0
＋2
－8
＋3
＋4
＋9
＋1
－1
累计值
0
0
＋2
－6
－3
＋1
＋10
＋11
＋10
注：a值可取任意数，但要有助于数字的简化，本例a取297。
图4.4 直线度误差的最小条件法图解
采用最小条件作图求解出被测表面直线度误差值△(格)后，按以下公式将其转换为直线度的误差数值f。
f＝分格值*△*L/分格值标准L
由以上公式可以计算出被测导轨的直线度误差f，即：
f＝0.005×11×100/1000 mm=0.0055mm=5.5μm
思考题
1、用作图法求解直线度误差时，总是按平行于纵坐标计算，而不是垂直于两条平行包容直线之间的距离，因素何在？
实验报告四 用双向自准直仪测量直线度误差
1、仪器名称、型号
2、仪器测量范围 ；仪器刻度值
3、被测零件基本尺寸 ；公差等 ；板桥长度
4、测量数据解决
测 定 点
0
1
2
3
4
5
顺测读数ai
_
回测读数a´i
平均值 (ai＋a´i)/2
相对某数的差△ai
0
累计值
0
5、作出最小包容条件下的曲线图并计算直线度误差：
6、按图示方法用指示表以平板为基准测量导轨的直线度误差，一次测得的各点读数Ai如下表，思考并完毕问题：
① 指示表的读数Ai表达什么意思？
② 画出被测导轨直线度的最小包容区域。
③ 根据最小包容区域法评估该导轨的直线度误差值。
点序
0
1
2
3
4
5
Ai/mm
＋0.01
0
＋0.03
＋0.05
＋0.02
－0.02
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