光自准直仪检测直线度误差

2013-09-07解广娟刘正伟天津机电职业技术学院中海油田服务股份有限公司

上海计量测试 2013年4期

关键词：分划水平仪直线度

解广娟刘正伟 / . 天津机电职业技术学院；. 中海油田服务股份有限公司

0 引言

直线度是形位公差的一种，用于限制平面内或空间直线的形状误差，其误差检测方法常见有刀口尺法、指示器法、钢丝法、水平仪法、自准直仪法及综合量规法等。

1 直线度误差检测方法

1.1 刀口尺法

常用在被测工件较小的情况，用光隙法或间隙法确定被测实际要素的直线度误差，该种方法具有结构简单，操作方便，测量效率高等优点，其中刀口尺的准确度一般都比较高，检测的直线度误差控制在1 μm左右，测量面粗糙度Ra可达0.025 μm。

1.2 指示器法

是应用最为广泛的一种检测方法，通常用来检测回转件母线或轴线的直线度误差，操作方便，检测准确度与指示表的准确度有密切联系。

1.3 钢丝法

使用优质钢丝，结构相对较复杂，结构不确定性很难控制，测量准确度相比自准直仪法稍差些。

1.4 水平仪法

有框式水平仪法、合象水平仪法、电感式水平仪法，是一种测量小角度的精密量仪，主要用于平面内的直线度误差或者平面对水平面或竖直面的位置偏差测量，是机械设备安装、调试和误差检验的常用量仪之一，一般用来测量尺寸较大的零件。由于水平仪测量准确度高、测量范围大、测量效率较高、价格便宜、携带方便，故在实际生产中被广泛使用。

综合量规法只能检测被测件的直线度误差是否合格，不能得到具体直线度误差的数值。但是该方法操作方便，通常用于批量生产的零件直线度误差的检测。

1.5 自准直仪法

是利用光学自准直原理将角度测量转换为线性测量的一种测量直线度误差的方法。它广泛用于小角度测量、平板的平面度测量、导轨的平直度与平行度测量等方面，是机械制造、计量测试、科学研究等部门必备的常规测量仪器。特别是在精密、超精密定位方面，更有不可替代的作用。自准直仪通常分为光自准直仪和光电自准直仪。光自准直仪直接利用测微装置或可动划板读出数值，测量时瞄准误差较大。光电自准直仪以光电瞄准线代替人工瞄准线，测量时减少了人为的瞄准误差。本文着重探讨光自准直仪的结构、工作原理、测量方法、数据处理以及使用过程中的注意事项。

2 光自准直仪结构及工作原理

通常光自准直仪主要由体外平面反射镜和仪器主体两部分组成（见图1）。体外反射镜是仪器的重要组成部分，其内部结构见图2。仪器主体结构见图3。

图1 光自准直仪外型

图2 体外平面反射镜内部结构

图3 仪器主体内部结构

光源8照明十字分划板6，经过立方直角棱镜9、反射镜11和10，被物镜12成一束平行光束射向体外平面反射镜13；若平面反射镜的反射面垂直于光轴，光线仍按原路返回，经物镜12、反射镜10、11和立方直角棱镜9成像在位于其焦点的固定分划板8上，与固定分划线重合，人眼通过目镜3观察到像。若体外平面反射镜13的反射面不垂直与光轴，而有一偏角α，反射光线将有2 α的偏角，在反射镜3上将有一个偏移量t，α角与距离t 的关系为

式中：f — 物镜的焦距；

t — 偏离量

当α很小时，t = 2 f α（见图4）。

在目镜视场内，当反射镜13严格垂直于光轴时，十字线成像在固定分划板4的正中央，对称于字标“10”，目镜视场如图5（a）所示。若反射镜13对光轴有一微小倾角α，则十字线像将偏离字标“10”，如图5（b）所示，偏离量t 等于反射镜上的偏移量t。

若仪器的f物为400 mm，测微螺杆的螺距和固定分划板4上刻线的分度间隔都是0.4 mm，即测微螺杆每转一圈，活动分划板2上的长刻线在固定分划板4的分度上移动一格，其对应的反射镜的倾角 α为

图4 仪器的误差原理

图5 目镜视场内的十字线成像

测微螺杆同轴相连的测微鼓轮1上有100格圆周分度，那么每格代表反射镜的倾角α为0.005/1 000弧度。

3 测量步骤及方法

光自准直仪通常用来检测平尺及导轨的直线度误差，现就检测0级平尺的直线度简述该测量方法。步骤如下：

1）将被测件、仪器等擦干净，用钢板尺测出被测件的点距（n = L / l，其中L是被测表面长度，桥板长度l，一般为100～250 mm）；

2）将准直仪稳固在被测件平尺上，安装电源（用手观察是否有电），再将反射镜放置在桥板上；

3）调整准直仪和反射镜，使反射回来的十字线位于目镜视场中心，然后将桥板连同反射镜一起移到导轨的另一端。这时十字线应仍在视场的中心，否则应重新调整，直到导轨两端的十字线像均在视场中心且成像清晰为止；

4）测量时，先把桥板和反射镜放在靠近准直仪的导轨端部，然后由近到远依次移动一个桥板跨距L，并首尾衔接。每移到一个位置，转动测微鼓轮，使目镜视场中的长刻线处于十字线像中间，读取测微鼓轮上的分度值，直到导轨的另一端。为了减少测量误差，常连同反射镜一起返回移动，重新测量一次，取每个测量位置上读数的平均值，然后通过数据处理，求出直线度误差；

5）将各点位平均值（正、反向）逐点记入数据表格，并计算出相对误差和累积误差；

6）根据计算出的实际相对误差及累积误差值，采用适当的比例和坐标，画出被测物直线度的误差放大图；

7）采用最小包容区域法作两条平行线将被测物直线度的误差折线紧紧包容起来；

8）垂直于X坐标，量出由最小条件法评定出的误差值f。

4 数据处理

评定直线度误差方法有两端连线法、最小二乘法，最小包容区域法三种。两端点连线法简单但准确度最低，使用价值不大，一般不使用；最小二乘法评定手工计算复杂，数据处理麻烦；最小包容区域法准确度最高，所得误差值最小，且结果唯一，通常作为评定直线度的方法。

现就实测数据（见表1），以横坐标为测量点，分别以累积读数、相对第1点读数、相对任一点（第5点）读数及相对任一点（第8点）读数作为纵坐标，做出误差曲线图，并使用最小包容区域法评定直线度误差（见图6～9）。

最小包容条件，图6根据最小包容区域法，求得直线度误差f = 5 - 2.5 = 2.5格；图7，求得直线度误差f = 1.75 -（- 0.75）= 2.5格；图8，求得直线度误差f = 2.75 - 0.25 = 2.5格；图9，求得直线度误差f = 1-（-1.5）= 2.5格；将直线度误差格值转化为线值为 = 0.005×100×2.5 = 1.25 μm。