机械精度设计与检测2.doc

机械精度设计与检测基础
（互换性与测量技术基础）

实 验 指 导 书

大庆石油学院
机械设计制造及其自动化教研室
2006年9月

12

实验一 用立式光学计测量轴径
一、 实验目的与要求
1.了解立式光学计的原理和使用场合。
２.掌握立式光学计测量微差尺寸方法及量块的使用。
二、立式光学计的原理
立式光学计是应用光学杠杆和自准直原理，以量块作基准，进行比较测量的光学量仪。其核心部分为Γ型的测微光管(光学计管)，光学系统（见图１）工作原理如下：
光线由光源经反射镜6进入棱镜7，使分划板的标尺9得到照明，光线透过标尺继续前进，经棱镜3反射，折向物镜2，由于分划板是放置在物镜的焦点上，所以成为一束平行光入射到反射镜1上，由于反射镜正好对着物镜，因此仍按原路反射回去，

且遵循自准直原理，则标尺的像亦显示在分划板另一半面上，这就是目镜中看到的标尺。
当测杆移动时，顶动反射镜，使之倾斜一个角度，目镜中的标尺像也随之移动一个距离，这个距离与测杆移动距离约以1000倍放大，可以通过目镜5进行读数。
三、实验所需器件
立式光学计、千分尺、量块、被测工件（轴）、无水乙醇、脱脂棉、手套等。
四、实验内容
1.测量轴径 2.测量轴的直线度误差 3.测量轴的圆度误差
五、实验方法与步骤（参见图2、图3仪器外形图）
1.接通变压器25输入端220V电源，投影灯23插在变压器输出端6V、30VA插座上，灯亮；
2.调节进光反射镜10，拨动提升器19（拨叉），观察目镜投影筒24，直至出现较清晰的标尺刻度和指示线μ；
3.用千分尺粗测工件尺寸，作为组合量块依据；
4.组合量块
（１）组合量块不得超过四块，否则为无效测量；
（２）组合量块尺寸应在粗测工件尺寸±50μm之内；
（３）使用量块应带手套操作，量块两光面用酒精棉擦干净，叠放在工作台上。
5.光学计调零
（1）松开横臂固定螺旋4，旋动横臂升降螺圈3，使横臂下降当测帽20刚好接触组合量块时,将螺旋4固定；
（2）再松开光管固定螺旋16，转动微动手轮6作适当升降，从目镜内看到分划线后，若不清晰再旋转目镜13调焦，调节使分划线零位与指示虚线重合，再将光管固定螺旋16旋紧；
（3）若零位稍有移动，不必再松螺旋16，可旋动零位调节手轮14，归零，此时拨动提升器19几次，零位不变即可换上工件进行比较测量。测量过程上述紧固部分不能再动，并将量块放回盒内；
（４）注意事项:1）调零前用微动凸轮托圈固定螺旋15和光管固定螺旋16，将光学计管安放在高低适中位置，同时使微动手轮6上标记点朝上，零位调节手轮14处于中间位，以便调零时有足够调节量；2）测量时必须使工作台平面与测量轴垂直；3）测量时被测物与测帽间接触面，必须使其最小，即近于点或线，因此测柱形轴时宜采用刀刃形或平面测帽。
6.测量：
（1）轴径测量工件上选两截面，每截面0°、90°各测一次。
（2）直线度测量，工件上同一母线均测四个点。
（3）圆度测量，工件上选同一截面，等分45°测四个点。
测量完毕，断开220V电源。
六、实验数据与报告
上述实验过程的相关数据记录在实验数据表中（见附表1），经数据处理形成实验结论，并画出直线度误差和圆度误差的视图和标注。

思考题：１.此次测量时量块是按“等”使用，还是按“级”使用？它们有何不同？
２.了解刻度值，标尺示值范围，仪器测量范围等概念。

附表1 用立式光学计测量轴径实验数据表
年 月 日
1．被测试件尺寸
试件号
公称直径（mm）
公差
等级
轴径的极限尺寸
（mm）
粗测轴径（mm）
1

最大

最小

2

最大

最小

2.组合量块
组号
量块
第一块

第二块
第三块
第四块
量块组合尺寸（mm）
1
标称尺寸

2
标称尺寸

3.测量数据及处理
测量内容
序
号
读 数
（μm）
轴径实际尺寸＝量块组合尺寸＋读数（mm）
试件1
试件2
试件1
试件2
轴
径测量
Ⅰ－Ⅰ截面
1

2

Ⅱ－Ⅱ截面
1

2

直　同
线　一
度　条
测　母
量　线
1

2

3

4

圆　同
度　一
测　截

量　面
1

2

3

4

轴径实际尺寸变动范围
（mm）

适用性结论（合格或不合格）
试件1

试件2

图
示
直
线
度
误
差

图
示
圆
度
误
差

实验二 用光切法显微镜测量表面粗糙度
一、实验目的和要求
1.建立对表面粗糙度的感性认识；
2.了解光切法显微镜的原理和结构；
3.熟悉用光切法显微镜测量表面粗糙度的方法及操作。
二、光切法显微镜测量原理
仪器是采用光切法测量被测表面的微观不平度，其工作原理如图（光学系统图）所示：

仪器外形图 光学系统示意图
由光源发出的光线，经狭缝形成一条平行光带，以45°方向投射到被测表面。由于工件表面粗糙不平，表面的波峰S点产生反射，波谷在S′点产生反射，反射后在与工件成45°的另一方向，通过显微镜的物镜，它们各成像在分划板的a 和 a′点。在目镜中观察到的即为具有与被测表面一样的弯曲波形光带。通过目镜的分划板与测微器测出a点至a′点之间距离N，被测表面的微观不平度h即为：
（1）
V——物镜放大倍数
三、测量方法与步骤
参看仪器的外形
1. 估计被测工件表面粗糙度大致级别，依此选择合适的物镜；
测量范围（不平度平均高度值）（μm）
所需物镜
总放大倍数
物镜组件与工件的距离(mm)
视场
(mm)
0.8－1.6
60×N.A.0.55∝*
510×
0.04
0.3
1.6－6.3
30×N.A.0.40∝*
260×
0.2
0.6
6.3－20
14×N.A.0.20∝*
120×
2.5
1.3
20－80
7×N.A.0.12∝*
60×
9.5
2.5
　 2.仪器接通电源，将被测工件安放在工作台上，其加工纹路应与显微镜光轴平面平行，即与狭缝像垂直；
　3.松开紧固螺钉，转动粗调螺母进行粗调焦，再转动微调手柄进行调焦，直至光带影像一边缘最清晰为止，锁紧紧固螺钉；
4.松开目镜头座螺钉，将目镜头转动，使视场中的十字坐标线的一根平行于光带、锁紧螺钉。转动测微套筒的鼓轮，将平行线移到与光带清晰边缘的最高点（峰顶）对准相切（如图a所示），记下测微鼓上的读数。再转动鼓轮将平行线与光带清晰边缘最低点对准相切（如图b所示），记下测微鼓上读数。两次读数之差为。

　　　　　　　　　　　（２）
将式（2中的N代入式（1）后得
　　　　　（３）
式中：——分划板的二次读数差
为求出不平度平均高度值 ，要求在工件不同区域测量被测轮廓的五个最高点（峰）和五个最低点（谷）之间的平均读数差。再按式（3）计算出的h，即不平度平均高度RZ。然后按标准化参数值查出相应的表面粗糙度数值。
实验过程数据记录及计算参看附表2。
四、物镜放大倍数V的确定
由于目镜百分尺转筒的度数与选用的物镜组的放大倍数有关，同时物镜放大倍数也不够准确，所以要利用仪器备有的标准刻度进行测量。
标准尺的中央圆面上刻有100个格，总长1毫米，每格为0.01毫米。测量时首先将标准刻度尺放在仪器的工作台上，调整标准刻度尺刻线清晰地成象在目镜视场中，并且使其刻线和狭缝象垂直，分划板十字线的运动方向与狭缝平行。然后将分划板十字线交点对准标准刻度尺的一端，记下目镜百分尺第一次读数（如图中交叉实线位置），再把十字线交点移到标准刻度尺的另一端（图中交叉虚线位置），记下目镜百分尺第二次读数。此时测微目镜的二次读数差与标准刻度尺选择段刻度数之比，就是显微镜物镜的放大倍数V。

例如：假定标准刻度尺选择线段为80格，即0.8毫米。在测微目镜中对此刻线段的读数值为6.4毫米，仪器上安装的物镜组为14×N.A.0.20时，物镜的放大倍数:

五、思考题
1.评定表面粗糙度的参数有哪些 间有什么区别？

附表2：用光切法（双管）显微镜测量表面粗糙度实验数据表
年 月 日
1.估计被测工件表面粗糙度为

2.选定所需物镜组为：

3.确定物镜的放大倍数V＝

4.光切法显微镜的测量范围为____________μm到______________μm

5.测量记录数据与计算

取样序号
n
峰顶
读数
A(格)
谷底
读数
B(格）
峰谷高度

(格)
平均高度

(格)
（μm）
1

2

3

4

5

请按标准化参数值标注出被测工件表面粗糙度测量结果：

实验三 用于涉显微镜测量表面粗糙度
一、实验目的与要求
1. 了解干涉法的测量原理
2. 熟悉仪器的使用方法与测量范围
二、工作原理
6J型干涉显微镜光路系统图、外形图如下：

干涉显微镜是干涉仪和显微镜的组合，将被测件和标准光学镜面相比较，用光波波长作为尺子来衡量工件表面的微观不平深度，用显微镜进行高倍放大后再进行观察和测量。其测量范围为0.02～0.8μm。
仪器的光路原理是：光源1发出的光线经聚光镜2，滤色片3，光栏4落在组合棱镜5上，棱镜组合处斜面将光线分成两束（又称分光镜）：一束按原方向射到物镜9到反射镜S1（标准镜面），被S1 反射又回到棱镜上，再由5折射经物镜10到反射镜11，由11反射进入目镜。另一束光线由棱镜5折射转向物镜6，再射到被测量零件表面S2上，由零件表面反射回来，经棱镜5，物镜10，射到反射镜11，由反射镜11也进入目镜。
由于两束光到达目镜的路程不同，必定有一个光程差，人为地控制使其光程差为 则产生干涉条纹。因工件表面的微观不平度，使干涉条纹呈弯曲状，用目镜百分尺测出干涉带的相对弯曲度，即可确定表面的微观不平度即表面粗糙度。
三、 测量方法
1. 将被测表面放在工作台上，打开灯源预热15分钟，使温度均衡；
2. 选定滤色片，选择原则是目测时用白光，要求测量精度高时用绿色光，照相时用橙色光；
3. 转动手柄3，使遮光器移入光路，遮断通向S1平面反射镜的光路；
4. 转动滚花手轮2，使工作台上下移动，将物镜与被测表面对焦，直至见到清晰的加工刀痕为止；
５．转动手柄３打开通向S1的光路，可见到干涉条纹。如果干涉条纹模糊不清。则再细调滚花手轮２，若看不到干涉条纹，需细调参考镜S1；
６． 转动工作台使干涉条纹与加工纹路垂直，转动手轮４使干涉条纹宽度为３～５毫米左右，便可进行测量。
如果被测工件表面加工得很精密，那么可以得到没有弯曲的直接干涉条纹。用目测估读法测得不平度平均高度值。具体方法如下图：转动目镜千分尺，使视场中的十字交叉线的一根与干涉条纹平行，并选择其中一条较清晰的干涉带五个最高峰的平均线N1，记下第一读数；下移平行线至同一干涉带五个最低点的平均线N2，记下第二次读数。再将平行线移至与之相邻的干涉带五个最高峰的平均线N3，记下第三次读数。此时带宽:
相邻两干涉带的间距:
则：
λ——单色光的波长。用白光时λ=0.54μm

实验数据记录及计算结果和标注可参看附表３。
四、 思考题
１． 与光切法测量表面粗糙度相比，各有什么特点？

附表３　用干涉显微镜测量表面粗糙度实验数据表
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　年　　月　　日
干涉显微镜型号规格
选用单色光的波长　　，　　选用白光时
干涉显微镜的测量范围　为 μm到 μm
测量记录数据与计算值

测量
顺序
被测干涉条纹
读数
（格）

计算干涉带宽a和间隔距离b
（格）

N1
选定一条干涉带五个最高点平均线

N2
同一条干涉带五个最低点平均线

N3
相邻干涉带五个最高点的平均线

表面粗糙度计算值：

按标准化参数值标注被测工件表面粗糙度测量结果：