《互换性与技术测量》课程实验指导书1

互换性与技术测量

实验指导书

机械设计制造及其自动化教研室编

2011.09

目录

实验1 用立式光学计测量塞规 (2)

实验2用内径百分表测量内径 (5)

实验3 直线度误差的测量 (8)

实验4 平行度与垂直度误差的测量 (12)

实验5 表面粗糙度的测量 (15)

实验6 工具显微镜长度、角度测量 (19)

实验1 用立式光学计测量塞规

一、实验目的

1、了解立式光学计的测量原理；

2、熟悉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；

2、由国家标准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，与测量结果进行比较，判断其适用性。

三、计量器具及测量原理

立式光学计是一种精度较高而结构简单的常用光学测量仪。其所用长度基准为量块，按比较测量法测量各种工件的外尺寸。

图1为立式光学计外形图。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。光学计是利用光学杠杆放大原理进行测量的仪器，其光学系统如图2b 所示。照明光线经反射镜l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之间相互平行，则反射光线折回到焦平面，刻度尺的像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a很小时，，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 立式光学计外形图

图2 立式光学计测量原理图

四、测量步骤

1、按被测塞规的基本尺寸组合量块；

2、选择测头。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；

3、调整仪器零位。

1) 参看图1，将所选好的量块组的下测量面置于工作台ll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，直至在目镜中观察到刻度尺像与牲指示线接近为止(图3a)，然后拧紧螺钉8。

4) 微调节。转动刻度尺微调螺钉6(图2b)，使刻度尺的零线影像与弘指示线重合(图3b)，然后压下测头提升杠杆9数次，使零位稳定。

5) 将测头抬起，取下量块。

图3 立式光学计的目镜刻度尺

4、测量塞规。按实验规定的部位(沿轴向取三个横截面，每个截面上取两个互相垂直的径向位置)进行测量，把测量结果填入实验报告。

5、从国家标准GB／T 1957—1981查出塞规的尺寸公差和形状公差，并判断塞规的适用性。

思考题

1．用立式光学计测量塞规属于什么测量方法?绝对测量与相对测量各有何特点?

2．什么是分度值、刻度间距?二者与放大比的关系如何?

3．若仪器工作台与测杆轴线不垂直，对测量结果有何影响?如何调节工作台与测杆轴线的垂直度?

4．仪器的测量范围和刻度尺的示值范围区别何在?

实验2用内径百分表测量内径

一、实验目的

1、了解测量内径常用计量器具、测量原理及使用方法；

2、加深对内尺寸测量特点的了解。

二、实验内容

用内径百分表测量内径。

三、计量器具及其测量原理

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，则常用内径百分表或卧式测长仪作比较测量。

1、内径百分表

国产的内径百分表，常由活动测头工作行程不同的七种规格组成一套，用以测量10～450mm的内径，特别适用于测量深孔，其典型结构如图4所示。

内径百分表是用它的可换测头3(测量中固定不动)和活动测头2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2受到一定的压力，向内推动镶在等臂直角杠杆1上的钢球4，使杠杆1绕支轴6回转，并通过长接杆5推动百分表的测杆而进行读数。

在活动测头的两侧，有对称的定位板8，装上测头2后，即与定位板连成一个整体。定位板在弹簧9的作用下，对称地压靠在被测孔壁上，以保证测头的轴线处于被测孔的直径截面内。

图4 内径百分表

四、测量步骤

1、用内径百分表测量内径

1)按被测孔的基本尺寸组合量块。选取相应的可换测头并拧入仪器的相应螺孔内。

2)将选用的量块组和专用侧块(图7中1和2)一起放入量块夹内夹紧(图7)，以便仪器对零位。在大批量生产中，也常按照与被测孔径基本尺寸相同的标准环的实际尺寸对准仪器的零位。

3)将仪器对好零位。一手握着隔热手柄(图4中7)，另一只手的食指和中指轻轻压按定位板，将活动测头压靠在侧块上(或标准环内)使活动测头内缩，以保证放人可换测头时不与侧块(或标准环内壁)摩擦而避免磨损。然后，松开定位板和活动测头，使可换测头与侧块接触，就可在垂直和水平两个方向上摆动内径百分表找最小值。反复摆动几次，并相应地旋转表盘，使百分表的零刻度正好对准示值变化的最小值。零位对好后，用手轻压定位板使活动测头内缩，当可换测头脱离接触时，缓缓地将内径百分表从侧块(或标准环)内取出。

4)进行测量。将内径百分表插入被测孔中，沿被测孔的轴线方向测几个截面，每个截面要在相互垂直的两个部位上各测一次。测量时轻轻摆动百分表(如图8所示)，记下

示值变化的最小值。将测量结果与被测孔的要求公差进行比较，判断被测孔是否合格。

图5 用内径百分表测量内径(一) 图6用内径百分表测量内径(二)思考题

用内径千分尺与内径百分表测量孔的直径时，测量方法是否相同?

实验3 直线度误差的测量

一、实验目的

1、通过测量加深理解直线度误差的定义；

2、熟练掌握直线度误差的测量及数据处理。

二、实验内容

用合像水平仪测量直线度误差。

三、计量器具及测量原理

为了控制机床、仪器导轨或其他窄而长平面的直线度误差，常在给定平面(垂直平面、水平平面)内进行检测。常用的计量器具有框式水平仪、合像水平仪、电子水平仪和自准直仪等。使用这类器具的共同特点是测定微小角度的变化。由于被测表面存在直线度误差，当计量器具置于不同的被测部位时，其倾斜角度就要发生相应的变化。如果节距(相邻两测点的距离)一经确定，这个变化的微小角度与被测相邻两点的高低差就有确切的对应关系。通过对逐个节距的测量，得出变化的角度，用作图或计算，即可求出

被测表面的直线度误差值。由于合像水平仪的测量准确度高、测量范围大(±10mm／m)、测量效率高、价格便宜、携带方便等优点，因此在检测工作中得到了广泛的应用。

图7 用合像水平仪测量直线度误差

合像水平仪的结构如图7a、d所示，它由底板1和壳体4组成外壳基体，其内部由杠杆2、水准器8、两个棱镜7、测量系统9、10、11以及放大镜6所组成。测量时将合像水平仪放于桥板(图12)上相对不动，再将桥板置于被测表面上。若被测表面无直线度误差，并与自然水平面基准平行，此时水准器的气泡则位于两棱镜的中间位置，气泡边缘通过合像棱镜7所产生的影像，在放大镜6中观察将出现如图7b所示的情况。但在实际测量中，由于被测表面安放位置不理想和被测表面本身不直，致使气泡移动，其视场情况将如图7c所示。此时可转动测微螺杆10，使水准器转动一角度，从而使气泡返回棱镜组7的中间位置，则图7c中两影像的错移量△将消失而恢复成一个光滑的半圆头(图7b)。测微螺杆移动量s导致水准器的转角a(图7d)与被测表面相邻两点的高低差h(m)有确切的对应关系，

即

式中0.01——合像水平仪的分度值(mm／m)；

L——桥板节距(mm；

a——角度读数值(用格数来计数)。

如此逐点测量，就可得到相应的a；值，后面将用实例来阐述直线度误差的评定方法。

四、实验步骤

1、首先量出被测表面总长，继而确定相邻两点之间的距离(节距)，按节距L调整桥板(如图8所示)的两圆柱中心距。

2、置合像水平仪于桥板之上，然后将桥板依次放在各节距的位置。每放一个节距

后，要旋转微分筒9合像，使放大镜中出现如图7b所示的情况，此时即可进行读数。先在放大镜1l处读数，它反映的是螺杆10的旋转圈数；微分筒9(标有十、一旋转方向)的读数则是螺杆10旋转一圈(100格)的细分读数；如此顺测(从首点到终点)、回测(由终点到首点)各一次。回测时注意桥板不能调头，各测点两次读数的平均值作为该点的测量数据，将所测数据记人表中。必须注意，假如某一测点两次读数相差较大，说明测量情况不正常，应仔细查找原因并加以消除后重测。

图8 调整中心距

五、数据处理

用合像水平仪测量一窄长平面的直线度误差，仪器的分度值为0.01mm／m，选用的桥板节距L=200mm，测量直线度记录数值见表1。若被测平面直线度的公差等级为5级，试判断该平面的直线度误差是否合格?

1、作图法求误差值

1)为了作图方便，将各测点的读数平均值同减一个数而得出相对差(见表1)(均指实验表，后同)。

表1 测量数据表

测点序号i 0 1 2 3 4 5 6 7 8 顺测- 298 300 290 301 302 306 299 296

仪器读数t(格) 回测- 296 298 288 299 300 306 297 296 平均- 297 299 289 300 301 306 298 296

相对差(格)

△a i=a i-a

0 0 +2 -8 +3 +4 +9 +1 一l 注：1．表列读数中，百分数是从图7的11处读得，十位、个位数是从图7的9处读得。

2．a值可取任意数，但要有利于相对差数字的简化，本例取a=297格。

2)根据各测点的相对差，在坐标纸上取点。(注意作图时不要漏掉首点，同时后一

测点的坐标位置是以前一点为基准，根据相邻差数取点的)将各点连接起来，得出误差折线。

3)用两条平行直线包容误差折线，其中一条直线与实际误差折线的两个最高点M1、M2相接触，另一平行线与实际误差折线的最低点M3相接触，且该最低点M3在第一条平行线上的投影，应位于M1和M2两点之间(如图9所示)

。

图9 作图法求直线度误差

从平行于纵坐标方向画出这两条平行直线间的距离，此距离就是被测表面的直线度误差值f=11(格)，按公式(格)，

将f(格)换算为f(μm)

2、计算法求直线度误差值

如图9中M l(0，0)、M2(6，10)、M3(3，-6)设包容线的理想方程为

因包容理想直线l1通过M1、M2因此通过两点法求得l l的方程为11x一7y=O.

又因M3所在直线l2平行于l l，其方程为

将M3代人上式，求得C2=-66，故l2的方程为

令式11x一7y=O中x=0，则y=0；令式11x一7y-66=O中x=O，则y=-11；所以，

l1、l2在y轴上的截距之差为11格，即l1、l2在平行于纵轴方向上的距离为ll格，由公式f=O.01Lf(格)，求得

按国家标准GB／T 1184—1996直线度5级公差值为25um，误差值小于公差值，所以被测工件直线度误差合格。

实验4 平行度与垂直度误差的测量

一、实验目的

1、了解平行度与垂直度误差的测量原理及方法；

2、熟悉通用量具的使用；

3、加深对位置公差的理解。

二、实验内容

1、工件——角座(见图10)。图样上提出四个位置公差要求：

1)顶面对底面的平行度公差0.15；

2)两孔的轴线对底面的平行度公差0.05；

3)两孔轴线之间的平行度公差0.35；

4)侧面对底面的垂直度公差0.20。

2、量具——测量平板、心轴、精密直角尺、塞尺、百分表、表架、外径游标卡尺等。

三、实验步骤

1、按检测原则1(与理想要素比较原则)测量顶面对底面的平行度误差(见图11)。

图10 角座零件图

图11 测量顶面对底

将被测件放在测量平板上，以平板面作模拟基准；调整百分表在支架上的高度，将百分表测量头与被测面接触，使百分表指针倒转1-2圈，固定百分表，然后在整个被测表面上沿规定的各测量线上移动百分表支架，取百分表的最大与最小读数之差作为被测表面的平行度误差。

2、按检测原则，测量两孔轴线对底面的平行度误差。用心轴模拟被测孔的轴线(见图12)，以平板模拟基准，按心轴上的素线调整百分表的高度，并固定之(调整方法同步骤1)，在距离为L，的两个位置上测得两个读数M1和M2，被测轴线的平行度误差应为

式中

L——被测轴线的长度。

图12 测量两孔轴线对底面的平行度误差

3、按检测原则l测量两孔轴线之间的平行度误差(见图13)。用心轴模拟两孔轴线，

用游标卡尺在靠近孔口端面处测量尺寸口1及n2，差值(nl一口2)即为所求平行度误差。

4、按检测原则3(测量特征参数原则)测量侧面对底面的垂直度误差(见图14)。用平板模拟基准，将精密直角尺的短边置于平板上，长边靠在被测侧面上，此时长边即为理想要素。用塞尺测量直角尺长边与被测侧面之间的最大间隙，测得值即为该位置的垂直度误差。移动直角尺，在不同位置重复上述测量，取最大误差值为该被测面的垂直度误差。

图13 测量两孔轴线之间的平行度误差图14测量侧面对底面的垂直度误差

思考题

1．目前部分工厂用作图法求解直线度误差时，仍沿用以往的两端点连线法，即把误差折线的首点和终点连成一直线作为评定标准，然后再作平行于评定标准的两条包容直线，从平行于纵坐标来计量两条包容直线之间的距离作为直线度误差值。

(1)以例题作图为例，试比较按两端点连线和最小条件评定的误差值，何者准确?为什么?

(2)假若误差折线只偏向两端点连线的一侧(单凹、单凸)，上述两种评定误差值的方法情况又如何?

(3)同样是最小条件评定误差值，那么直接读取法与计算法比较那个更准确?

2．用作图法求解直线度误差值时，如前所述，总是按平行于纵坐标计量，而不是垂直于两条平行包容直线之间的距离，原因何在?

实验5 表面粗糙度的测量

一、 目的与要求

1、学习光切显微镜测量表面粗糙度的原理和方法；

2、了解微观不平度十点高度Rz 的实际含义。

二、 测量原理

光切显微镜是利用光切法来测量表面粗糙度的，其原理如图3-1所示。由光源发出的光经过聚光镜2，穿过狭缝3形成带状光束。光束再经物镜4以45度角射向工件5，在凹凸不平的表面上呈现出曲折光带，再以45度角反射，经物镜6到达分划板7上。从目镜看到的曲折亮带，有两个边界，光带影像边界的曲折程度表示影像的峰谷高度h ?。h ?与表面凸起的实际高度h 之间的关系为

式中，M 为物镜6的放大倍数。

在目镜视场里，高度h ?是沿45度方向测量的，若在目镜测微器7的读数值为H ，则h ?与H 的关系为 h ?=Hcos45?,将前后两式代入可得，M H M

H h 2245cos 0

=

=

，令

E M

=21

，则H E h ?=。系数E 作为目镜测微器装在光切显微镜上使用时的分度值。E 值与物镜的放大倍数M 有关，一般

它已由仪器说明书给定。

三、测量仪器光切显微镜

１、基座，２、立柱，３、横臂，４、手轮，５、横臂紧固螺丝，６、微调手轮，７、手柄，８、照明灯，９、插座，１０、摄影装置，１１、测微目镜，１２、物镜组，１３、快门线，１４、百分尺，１５、工作台紧固螺丝，１６、壳体，１７、V型块，１８、座标工作台。

１９、测微目镜紧固螺丝，２０、摄影选择旋钮，２１、对焦辅助旋钮

四、测量步骤

１、按工作粗糙度的估计值，选择适当放大倍数的物镜并装在仪器上；

２、将被测工作置于工作台上；

３、通过变压器接通电源；

４、调整仪器，其步骤如下：

（１）松开横臂紧固螺丝５，转动横臂３及手轮４，使镜头对准被测量表面上方，然后锁紧横臂紧固螺丝５；

（２）调节微调手轮６，上下移动壳体１６，使目镜视场中出现切削痕纹；

（３）转动工作台，使加工痕纹与投射在工作表面上的光带垂直，然后交错调整微调手轮６、对焦辅助旋钮２１，直到获得最清晰光带为止；

（４）松开测微目镜紧固螺丝１９，转动目镜，使目镜中的十字线的水平线与光带大致平行。

５、转动目镜测微计，使十字线的水平线分别与光带上边缘的五个峰顶和五个谷底相切。

从目镜测微计上分别读取各峰、谷的读数h1,h2,…..h10，按下式算出微对不平度十点高度Rz ，即

5

)

108642()97531(h h h h h h h h h h E

Rz ++++-++++=

式中，hi 的单位为格数。

６、 于零件各部分的粗糙度不一定均匀一致，为了充分反映表面粗糙度的特性，必须在一

定长度范围内的不同部位进行测量并取其平均值。

７、按表面粗糙度国家标准，确定工件表面粗糙度是否符合要求。

数据表格： 光切显微镜测量表面粗糙度

仪器型号及规格： 仪器测量范围： 被测零件要求表面粗糙度Rz=

所选用的物镜放大倍数：M= ；E= 。 读数（格）

实测Rz (m μ) 五个峰点

五个谷点

h 1 h 2 =-=∑∑5

谷h 峰h E

Rz

h 3 h 4 h 5 h 6 h 7 h 8 h 9

h 10 h ∑峰

h ∑谷

适用性结论：

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．测量表面粗糙度还有哪些方法？其应用范围如何？

3．用光切显微镜测量表面粗糙度为什么要确定分度值C？如何确定？

实验6 工具显微镜长度、角度测量

一. 目的与要求

1、学习工具显微镜测量的原理和方法；

2、工具显微镜的使用及操作。

3、掌握工具显微镜测量。

二. 设备与器材

JX14B工具显微镜一台，被测物品若干。

三. 作用与原理

（一）仪器特点

1、主显微镜配有多种目镜和物镜，视场宽，成像清晰。

2、采用光电数显技术，精密光栅尺作为测量元件，测量长度以数字显示，直观，方便。

3、主显微镜可左右偏摆，适用于螺旋状零件的测量。

4、透、反射照明，内、外轮廓均可测量。

5、附件多，使用面广。

（二）、用途：

JX14B数字式大型工具显微镜是机器制造工厂、科学研究机关及高等院校的计量部门或车间检查站广泛使用的一种多用途计量仪器，该仪器采用光栅尺作为长度测量传感器。长度值采用数字显示，具有较高的测量精度和操作效率。

仪器的用途十分广泛，其典型测量对象有：

1、测量各种成型零件如样板、样板车刀、冲模和凸轮的形状。

2、测量外螺纹（螺纹塞规、丝杠和蜗杆等）的中径、大径、小径、螺距、牙型半角。

3、测量齿轮滚刀的导程、齿形和牙型角。

4、测量钻模或孔板上孔的位置度，键槽的对称度等形位误差，仪器带有光学定位器、顶针架、双象目镜、轮廓目镜等多种附件。可使您得心应手地完成各种复杂的测量工作。工作原理：

JX11B如图所示：

JX11B数字式万能工具显微镜,仪器工作原理与同类型万工显相同.只是在纵、横向

读数上应用了计量光栅莫尔条纹技术，实现了数字显示。计量光栅通常是由一系列被等宽透明的间隙所分开的不透明刻线所组成。它的特征指标是光栅常数ω（又称间距、节距）是指两相邻刻线的距离，表征的数值是每毫米刻线数的倒数。计量光栅是利用光栅对产生的莫尔条纹来测量长度或角度的。

光栅常数为ω的两块光栅，面对面地靠在一起，相互倾斜微小角度θ，在光栅夹的补角（180°~θ）的角平线上，就能看到另一粗条纹，这些条纹通常称为莫尔条纹（moire fringe）莫尔条纹间的距离W=ω/θ（θ的单位为弧度，ω的单位为毫米）当二块光栅选定时，ω随θ的增加而减少，随θ的减少而增加，由上式可知，莫尔条纹间距ω被放大了1/θ倍光栅常数。

如图所示，当二块光栅中的的任一块沿X方向移动时，莫尔条纹就沿Y轴移动，对某一定点来说，光的强弱明暗发生周期性变化，也就是相当于产生了一个代表位移量的光信号，每当光栅相间间移了一个ω莫尔条纹就移动了一个W即条纹明暗变化了一个周期。ω和W是相对应的，所以测出了莫尔条纹移动的数目，就能测量出光栅相互间移动的距离。如果用光敏二极管接收其变化记号，并经电子计数器记录条纹移过的数目（即莫尔条纹明暗变化的次数）即可获得光栅的移动量。通常，指示光栅是固定不动的，标尺光栅装置在纵向、横向的滑台上，因此，光栅的移动量就是纵向、横向滑台的移动量，从而完成工件长度的精密测量。

从光源1射出的光线经聚光镜2而形成了平行光通过指示光栅3和标尺光栅4后产生莫尔条纹再经四分透镜5成象于光敏二极管6上，光敏二极管的输出记号进行细分运算放大电路7计数脉冲形成电路8，经换向门控方向控制9输入十进可逆计数器10，由数字管理显示读数。JX11B使用100条/mm光栅，每移动0.01mm时，莫尔条纹明暗变化一次，即一个周期，将这个周期进行100细分，即可获得100个脉冲记号就相当规模于0.01/100=0.0001mm的光栅位移，从而取得0.1μm的最小显示值。