(第2章测量技术基础)机械精度设计与检测ppt课件.ppt

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1、机械精度设计与检测主编：李必文副主编：胡仲勋 母福生 周里群 刘金华 周光永中南大学出版社,第2章 测量技术基础,一、测量技术的基础知识,本章主要内容,二、测量误差与数据处理,重点要求,基本概念、测量器具、误差与数据处理,1、测量定义：将被测量与作为单位或标准的量，在量值上进行比较，从而确定二者比值的实验过程。,一、测量与检验,基本的测量公式：,2.1 测量技术的基本知识,2、测量要素 一个完整的测量过程应包含:测量对象、计量单位、测量方法、测量精度四个要素。,测量对象 几何量的测量，包括长度、角度、表面粗糙度、形状和位置误差以及螺纹、齿轮的各个几何参数等。,2.1 测量技术的基本知识,角度：

2、 基本单位 弧度（rad ） 常用单位 度（） 分（） 秒（）,计量单位 计量：实现单位统一，量值准确、可靠的活动。 我国法定计量单位对长度和角度单位做了规定：,长度：基本单位 米（m） 常用单位 毫米（mm）（10-3m，工厂习惯上叫做“米厘”或“公厘”） 微米（m）（10-6m） 纳米（nm） （10-9m）工厂常用的计量单位还有忽米，即10-2mm，亦称“丝”或“道”,2.1 测量技术的基本知识,测量方法 进行测量时所采用的测量原理、计量器具和测量条件的综合 如：用游标卡尺测量轴径的直接测量法； 用量块和机械比较仪测量轴径的比较测量法； 立式光学比较仪测量轴径。 其它更多的方法,测量精度

3、 表示测量结果的可靠程度，即测量结果与真值相一致的程度。 一般用测量误差的大小来反映测量精度的高低。 偏离远，测量误差大，测量精度低； 反之，其测量精度高,2.1 测量技术的基本知识,3、检验,检验：确定产品是否满足设计要求的过程，即判断产品合格性的过程。,定性检验：只得到被检验对象合格与否的结论，而不能得到其具体的量值。,定量检验：又称为测量检验。它是将被检验对象与单位量(或标准量)相比较并确定其量值，再与设计规定的要求相比较，从而判定其合格性的方法，简称为“检测”。,2.1 测量技术的基本知识,二、测量基准和尺寸传递系统,1、长度尺寸基准 长度基准:为保证量值的统一和准确性而规定的一个基本

4、的客观标准。 国际单位制中，基本的长度单位有米制(metric system )和英制(English system )两种； 我国法定长度的基本计量单位是“米”(meter)；机械工程图中常用的单位是“毫米”(micrometer)； 米的定义：1米是光在真空中在1/299792458 秒时间间隔内所传播的距离。,2.1 测量技术的基本知识,2.长度量值传递系统 用光波波长作为长度基准，不便于生产中直接应用。为了保证长度量值的准确、统一，就必须把复现的长度基准量值逐级准确地传递到生产中所应用的计量器具和工件上。,量块：端面量具系统 线纹尺：刻线量具系统,三、量块,1、定义： 一种无刻度的标准

5、端面量具 材料：特殊合金钢 形状：长方六面体结构或圆柱体,量块,2、作用： 尺寸传递系统的中间标准量具 作为标准件调整仪器的零位 直接测量零件,2.1 测量技术的基本知识,3、量块的尺寸,量块长度（Li）：从量块一个测量面上任意一点（距边缘0.5mm区域除外）到与另一个测量面相研合的平晶表面的垂直距离。 中心长度（L）：从量块一个测量面中心点到与这个量块另一个测量面相研合的面的垂直距离。,量块长度,2.1 测量技术的基本知识,标称长度：量块上标出的数字。 尺寸6mm 长度标记刻在测量面上； 尺寸6mm 长度标记刻在非测量面上；,量块标称长度,2.1 测量技术的基本知识,4、量块的“级”(cla

6、sses) 和“等”(grads) 量块精度按照不同的测量精度要求，分“级”和“等”。 划分方法： 1）“级”：按制造精度分为00，0， K ,1，2，3级。00级最高，3级最低，K级为校准级。（忽略了制造误差） 2）“等”：按检定精度从高到低分为1，2，3，4，5，6六等。（忽略了检验误差）,2.1 测量技术的基本知识,按“级”使用：以量块的标称尺寸作为工作尺寸，包含了量块的制造误差。 按“等”使用时：以检定后所给出的实际中心长度尺寸作为工作尺寸，包含了检定的测量误差。 由于检定时的测量误差小于制造误差，所以：,“按等使用”比“按级使用”精度高,5、量块的选用,2.1 测量技术的基本知识,使

7、用量块时，有时要进行组合：例如39.95,2.1 测量技术的基本知识,28.935 -1.00527.93-1.4326.5 -6.5 20-20 0,例如：要组成28.935mm的尺寸，采用83块一套的量块，按尾数消除法,四、测量方法与测量器具,1、绝对测量与相对测量 (1) 绝对测量 仪器读数即为被测量的完整值。 例如：游标卡尺测量轴,(2)相对测量 （微差测量） 仪器读数为被测量相对于标准量的偏差。 例如 ：机械比较仪测量零件 光学比较仪测量零件,(一) 测量方法分类,2.1 测量技术的基本知识,2、直接测量与间接测量 直接测量 从测量器具上获得的读数即为被测量大小。即 y=x。如用游标

8、卡尺、千分尺测量轴径。 间接测量 先测出实测量，然后按相应的函数关系换算被测量，即 y=f (x1 ,x2 ) 。,用弓高弦长法间接测量圆弧样板的半径R,2.1 测量技术的基本知识,3、接触测量与非接触测量 （1）接触测量：计量器具的测头与被测表面接触 （2）非接触测量： 测头不与被测表面接触,4、单项测量与综合测量 （1）单项测量：对工件的各被测量进行独立测量 （2）综合测量： 检测零件几个参数的综合结果,5、主动测量与被动测量 (1) 主动测量： 在加工过程中进行的测量。其测量结果直接用来控制零件的加工过程 (2) 被动测量； 加工完成后进行的测量。其结果仅用于发现并剔除废品，所以又称消极

9、测量。,2.1 测量技术的基本知识,(二) 测量器具,几何量的测量器具一般可以分为实物量具、测量仪器(仪表)、测量装置等。,（1） 实物量具 具有固定形态，用来复现（或提供）一个或多个量值的测量器具称为实物量具，包括单值量具和多值量具。,1、测量器具的种类,量具一般没有可动的结构，不具有放大功能。我国习惯上将千分尺、游标卡尺等简单的测量仪器也称为“通用量具”。 你认为“千分尺”的定义准确吗？,2.1 测量技术的基本知识,机械式量仪,（2） 测量仪器 测量仪器是指能将被测几何量的量值转换成可直接观测的示值 或等效信息的计量器具。计量仪器按原始信号转换的原理可分为以下几种：,光学式量仪,电动式量仪

10、,气动式量仪,2.1 测量技术的基本知识,（3）测量装置 计量装置是指为确定被测几何量量值所必需的计量器具和辅助设备的总体。,专用量具,2.1 测量技术的基本知识,2、计量器具的技术指标,（1）标称值与示值,标称值：标注在量具上用以标明其特性或指导其使用的量值。 例如 量块标出的量块尺寸、仪器的刻线尺寸、角度量块的角度值等。,示值：由测量器具所指示的被测量值。,2.1 测量技术的基本知识,标尺间距（a）：计量器具标尺或分度盘上相邻两刻线中心之间的距离或弧长 。 为适于人眼观察， 一般为12.5mm （光学比较仪0.96mm）,放大倍数：k =a / i,（2）标尺间距与分度值,分度值（i）：指

11、计量器具标尺或分度盘上每一标尺间距所代表的量值。 （光学比较仪0.001mm）,2.1 测量技术的基本知识,(3) 标尺示值范围测量范围 示值范围:计量器具所能显示的被测几何量起始值到终止值的范围。 （光学比较仪0.1mm）,测量范围:计量器具在允许的误差限内所能测出的被测几何量下限值到上限值的范围。 （光学比较仪 0180mm）,绝对测量与相对测量的仪器的示值范围有何不同？,2.1 测量技术的基本知识,灵敏度：测量器具对被测量微小变化的响应能力。若被测量的变化为x，引起计量器具的响应变化为L，则灵敏度S为： S = L /x 当分子和分母为同种量时，灵敏度即放大倍数 。 k=a / i,（4

12、）灵敏度与鉴别力阈,灵敏阈：使测量器具的示值产生可察觉变化的被测量值的最小变化值。一般与内外部的噪声、摩擦、阻尼、惯性等因素有关，又称鉴别力阈或灵敏限。,2.1 测量技术的基本知识,示值误差：指计量器具上的示值与被测量的真值的代数差。是测量结果中的系统误差之一 。 修正值：是指为了消除或减少系统误差，用代数法加到未修正测量结果上的数值。,例如：千分尺测量20mm量块，读数为19.98mm 示值误差19.98200.02在测量结果19.98上应加上0.02才能消除该误差,（5）示值误差与修正值,2.1 测量技术的基本知识,在相同条件下，被测量值不变，测量器具沿正向和反向两次测量时，两示值之差的绝

13、对值，称为回程误差，又称滞后误差或空回。 回程误差是由测量器具中测量系统的间隙、变形和摩擦等原因引起的。为了减少回程误差的影响，应使测量器具的运动部件沿同一方向运动，即所谓“单向测量”。当要求往返或连续测量时，如测量跳动，则应选用回程误差较小的测量器具。如百分表用游丝消除侧隙。,(6) 回程误差,2.1 测量技术的基本知识,（7）稳定性（测量重复性） 在相同的测量条件下，对同一被测量进行多次测量时，各测量结果之间的一致性。反映了测得值中随机误差的大小。,（8）不确定度 由于测量误差的存在，被测量值不能准确获得。这种偏离又是不确定的。表达测得值对真值偏离程度的量化参数，即为不确定度。,对计量器具

14、术语要比较记忆： 标尺间隔与分度值；示值范围与测量范围；示值误差与修正值；示值误差与测量重复性,2.1 测量技术的基本知识,测量误差（measuring error ) ：测得值与被测量的真值之差。 绝对误差(absolute error ) :测量结果与被测量的真值之差 = 0 相对误差(relative error ) :评定不同被测量的测量精度,一、测量误差的概念,2.2 测量误差与数据处理,二、测量误差产生的原因,1、测量器具的误差,2.2 测量误差与数据处理,2、测量方法误差,3、环境误差,4、人员误差,（1）标准器具误差,1、测量器具的误差 计量器具不完善引起的误差。包括标准具、设

15、计和制造的各项误差,线纹尺、量块等代表标准量的标准器具本身制造和使用时存在的误差。,例：立式光学比较仪（分度值为0.001mm）在尺寸为2540mm范围内的测量不确定度为1m，其中调零量块的不确定度为0.6 m。,2.2 测量误差与数据处理,（2）原理误差（阿贝误差）,用近似的实际工作原理代替理论工作原理所产生的误差,阿贝原则：要求被测长度与基准长度安置在同 一直线上,游标卡尺不符合阿贝原则，千分尺符合阿贝原则。在给定条件下，如S=30mm，=0.0003rad时，千分尺的测量误差为0.0027m游标卡尺的测量误差为9m,（3）制造误差,仪器在制造和装配调整时所产生的测量误差。如表盘制造误差、

16、装配偏心、刻线不均匀等,2.2 测量误差与数据处理,2、测量方法误差 测量方法的不完善 引起的误差。,（1）对准误差,尺寸对准误差,2.2 测量误差与数据处理,读数对准误差,2.2 测量误差与数据处理,3、环境误差 环境条件不符合标准 引起的测量误差。如温度、湿度、 振动、电磁场等。,（2）力变形误差,采用接触测量时，为了保证可靠的接触，必须给测头施加一定的测量力。测量力将使得零件和测量器具的零部件产生弹性形变或其他状态的变化（如间隙、摩擦等），从而引起测量误差。,在几何量测量中，基准温度是 。当测量温度偏离基准温度或变动时、或测量器具与被测零件存在温差时都将产生误差。,2.2 测量误差与数据

17、处理,4、人员误差 测量人员人为引起的测量误差。,包括视差、估读误差、观察误差、调整误差和对准误差等,2.2 测量误差与数据处理,三、测量误差的性质（分类）,1、系统误差在相同测量条件下，多次测量同一量值时，大小和符号均保持不变的测量误差，或者在测量条件改变时，按某一规律变化的误差。,调零误差,系统误差通常用修正的方法予以处理。,2.2 测量误差与数据处理,定值系统误差具有确切的大小和符号，通常用修正的方法予以处理。,例如：测得一工件的尺寸为36.625mm，而测量的中有0.012mm的系统误差。 实际值为 36.625（0.012）36.637mm 修正值为：0.012mm,系统误差按掌握的

18、程度还可分为： 定值系统误差和变值系统误差,系统误差处理： 理论上，能消除；实际上，并不能完全消除。,2.2 测量误差与数据处理,2、 随机误差（偶然误差） 在相同的条件下，每次测量同一值的误差的绝对值与符号均不定。 前提：已消除系统误差，测量结果存在随机性 举例：测量力不恒定随机误差处理： 不能被消除，但可用概率论和统计法，对测得值进行处理来减少其对测量结果的影响，并评定其影响程度。,2.2 测量误差与数据处理,3、 粗大误差(过失误差) 在规定条件下超出预计的误差。 原因：测量者主观上的疏忽或客观条件的剧变，使得测量值有明显的差异。 举例：工作疏忽、经验不中；忽然振动 处理：将它剔除,2.

19、2 测量误差与数据处理,四、随机误差的特性及其处理1、特性 单峰性：随机误差的绝对值越小出现的概率越大，反之则反 对称性：随机误差的绝对值相等的正负值出现的概率相等 有界性：在一定测量条件下，随机误差的分布范围实际有限并且一定；即绝对值很大的随机误差趋于零 抵偿性：对同一量多次测量，和测量的误差算术平均值随着测量次数的增多至无穷大时趋于零。,2.2 测量误差与数据处理,2、正态分布曲线 根据随机误差的特性及全部随机误差的概率之和为1的事实，可导出反应随机误差特性的方程：,式中：e自然对数底 随机误差 y概率密度 标准偏差(均方差),图1-6 正态分布曲线,2.2 测量误差与数据处理,3、标准偏

20、差 根据误差理论，随机误差的标准偏差为各随机误差平方和之平均值的平方根，即：,式中： 随机误差,即消除系统误差后的测量值 与真值之差x0：,N重复测量的次数,2.2 测量误差与数据处理,4、算术平均值 真值是未知的，随机误差也未知，只要N够大时，可用一系列测量值的算术平均值来代替真值（最为近似的真值)。算术平均值为：,残余误差：测量值与算术平均值之差。,残差的两个特点：1) 残差的代数和等于零；2) 残差的平方和最小,2.2 测量误差与数据处理,5、标准偏差的估算值 由于随机误差的未知，标准偏差也无法求得，且实际测量的重复次数n不可能很大，因此常常用一些方法对标准偏差进行估算，其中白塞尔(Be

21、ssel)公式最常用，即估算值S为：,2.2 测量误差与数据处理,6、随机误差的极限值,则测得值落在不同区间内的概率值为：,当 1 P0.6826,f,由概率论可知，随机误差区间落在（-，+）之间的概率为：,2 P0.9544,3 P0.9973,2.2 测量误差与数据处理,由此可见：在-3,+ 3范围内，随机误差的概率为99.73%，超出此范围的随机误差的概率只有0.27%，所以实际上可取随机误差的极限值为：,标准偏差越小，则随机误差的实际分布范围也越小，表明随机误差对测量值的影响小，即表明该系列测量值的测量精密度高。 因此，标准偏差或极限误差可用来评定随机误差的影响。,2.2 测量误差与数

22、据处理,7、算术平均值的测量极限误差,结论： 评定测量值的精密度：用标准偏差或极限误差 评定算术平均值的精密度：用算术平均值的标准偏差或算术平均值的极限误差,2.2 测量误差与数据处理,8、测量结果,例：对一轴进行10次测量，其测得值列表如下，求测量结果。,五、系统误差的处理,1、系统误差的发现与消除（1）定值系统误差的发现与消除 只能通过实验对比方法来发现。 比如：用比较仪测量零件尺寸时，量块的尺寸偏差引起定值系统误差，可用高精度仪器来鉴定量块，或直接采用高精度量块代替进行对比来发现。（2）变值系统误差的发现与消除 变值系统误差有可能从系列测量值的处理和分析观察中揭示。有两种方法：,2.2

23、测量误差与数据处理,1）残余误差观察法 通过观察残余误差符号的大小和正负符号的变化判断残差近似于线性规律递增或递减，存在线性的变值系统误差。 残差的正负符号近似于正弦的周期规律变化，且变化的幅值较显著，存在周期性的变值系统误差。,2.2 测量误差与数据处理,2）残余误差核算法 将测量值按测量先后顺序排列，将前后各半分成两组，其残差代数和之差若明显不接近零，则可判断测量系列中含有变值系统误差。 通过分组后，计算两组残差的代数和分别为：,第一组：,第二组：,两者的差为：,两组残差的代数和之差不接近零，所以存在变值系统误差,2.2 测量误差与数据处理,六、粗误差的判别与剔除(1) 3准则 由前面的分

24、析可知，当系列测量值按正态分布时，超出3的误差的概率只有0.27%，可以认为实际上不会发生，故可将超出3范围的残差作为粗误差。也即粗误差的界限为：,注：此准则适用于大量重复测量的实验统计。,(2) 肖维勒准则：,2.2 测量误差与数据处理,Zc查p32表2-3,七、误差的合成1、直接测量法 直接测量法测量误差主要来源于仪器误差、测量方法误差、基准件误差，这些误差都称为测量总误差的分量。 对于定值系统误差按代数和法合成，即：,2.2 测量误差与数据处理,对于符合正态分布、彼此独立的随机误差，按方根法合成，即：,2、间接测量法 主要是指间接测量量y与n个直接测量量的误差合成关系。若：,则y的系统误

25、差与各分量的系统误差的关系为y的全微分，即：,如：,则有：,(2-16),(1-18),2.2 测量误差与数据处理,如直接测量各分量为随机误差，且相互独立，存在极限误差，则y的必然也存在极限误差，为：,从而：,(2-17),2.2 测量误差与数据处理,若在测量中，既有系统误差又存在随机误差，则测量结果为：,同理，若：,则随机误差的合成为：,(1-22),P34,例2-2,2.2 测量误差与数据处理,综合例题,对某一轴径d等精度测量15次，按测量顺序将各测得值依次列于下表中,解：（1）判断定值系统误差假设经过判断，测量列中不存在定值系统误差。 （2）求出算术平均值 = =24.957,（3）计算

26、残差各残差的的数值列于上表中。按残差观察法，这些残差的符号大体上正、负相间，但不是周期变化，因此可以判断测量列中不存在变值系统误差。 （4）计算测量列单次测量值的标准偏差,(5)判断粗大误差按照肖维勒准则， P32的表2-3 ，Zc=2.13，Zc *=2.77 测量列中没有出现绝对值大于2.77的残差，因此可以判断测量列中不存在粗大误差。（6）计算测量算术平均值的标准偏差,（7）计算测量算术平均值的测量极限误差： （8）确定测量结果,八、测量精度的分类,精密度: (accuracy) 随机误差小，则精密度高； 正确度：(correctness) 系统误差小，则正确度高； 准确度（精确度): (precision) 随机误差和系统误差都小，则准确度高。,2.2 测量误差与数据处理,本章结束,2.2 测量误差与数据处理,线纹尺,量块,正弦规,d=10.62mm,机械比较仪,千分表,光学比较仪,游标卡尺,数显游标卡尺,外径千分尺,数显内径千分尺,百分表,万能工具显微镜,三坐标测量机,圆度仪,电动轮廓仪,电子式气动量仪,浮标式气动量仪,