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第二章 高精度测量仪器及其应用


第二章 高精度测量仪器及其应用
本章重点介绍精密测量仪器的基本原理及其应用, 培训要点 本章重点介绍精密测量仪器的基本原理及其应用,通过 学习本章,能够掌握合像水平仪、自准直光学量仪、经纬仪的应用, 学习本章,能够掌握合像水平仪、自准直光学量仪、经纬仪的应用, 以及机械装配和维修中常见的精度测量。 以及机械装配和维修中常见的精度测量。

第一节

/>一、 合像水平仪

常用精密测量仪器的基本原理

合像水平仪与普通水平仪相比较,它具有测量读数范围大的优点。 合像水平仪与普通水平仪相比较,它具有测量读数范围大的优点。 当被测工件的平面度误差较大、 当被测工件的平面度误差较大、 工件的平面度误差较大 或因放置的倾斜度较大而又很难调整 若使用框式水平仪就会因其水准气泡已偏移到极限位置而无法测 时, 量,而使用合像水平仪时,饮水平位置可以重新调整,所以能比较方 而使用合像水平仪时,饮水平位置可以重新调整, 便地进行测量,而且精度较高。 便地进行测量,而且精度较高。 测量 合像水平仪的水准器安装在杠杆上, 合像水平仪的水准器安装在杠杆上,转动调节旋钮可以调整其水 平位置。 平位置。 合像水平仪主要用于直线度、平面度的测量。 合像水平仪主要用于直线度、平面度的测量。我国产主要型号有 CH66,其刻度值为 0.01mm/1000mm。 CH66,其刻度值为 0.01mm/1000mm。 二.自准直光学量仪 自准直光学量仪是根据光学的自准直原理制造的测量仪器, 有自准直 自准直光学量仪是根据光学的自准直原理制造的测量仪器, 仪、光学平直仪、测微准直望远镜及经纬仪等多种。 光学平直仪、测微准直望远镜及经纬仪等多种。

1.光学自准直原理 1.光学自准直原理 光学自准仪原理可以通过图 2-3 加以说明,也就是说在物镜焦平面 加以说明, 上的物体, 通过物镜及物镜后面反射镜的作用, 仍可在物镜焦平面上 上的物体, 通过物镜及物镜后面反射镜的作用, 形成物体的实像。 形成物体的实像。 2.自准直仪 2.自准直仪 自准 自准直仪又称为自准直平行光管。 自准直仪又称为自准直平行光管。 自准直仪可用于直线度、平面度、垂直度等误差的测量。 自准直仪可用于直线度、平面度、垂直度等误差的测量。 3.光学平直仪 3.光学平直仪 光学平直仪是由平直仪本体和反射镜组成。 光学平直仪是由平直仪本体和反射镜组成。 光学平直仪是一种精密光学测量仪器, 通过转动目镜, 可以同时测出 光学平直仪是一种精密光学测量仪器, 通过转动目镜, 工件水平方向和水平垂直的方向的直线性, 还可测出滑板运动的直线 工件水平方向和水平垂直的方向的直线性, 性。用标准角度量块进行比较,还可以测量角度。光学平直仪可以用 用标准角度量块进行比较,还可以测量角度。 于对较大尺寸、 高精度的工件和机床导轨进行测量和调整, 尤其适用 于对较大尺寸、 高精度的工件和机床导轨进行测量和调整, 于各种导轨的测量,具有测量精度高、操作简便的优点。 于各种导轨的测量,具有测量精度高、操作简便的优点。 4.测微准直望远镜 测微准直望远镜是根据光学的自准直原理制造的测量仪器, 测微准直望远镜是根据光学的自准直原理制造的测量仪器, 准直原理制造的测量仪器 主要用来 提供一条测量用的光学基准线。 提供一条测量用的光学基准线。 5.自准直光学量仪的使用和调整方法 5.自准直光学量仪的使用和调整方法 6.经纬仪 6.经纬仪 (1)经纬仪的结构和工作原理 经纬仪的光学原理与测微准直望远 镜的光学原理没有本质上的区别。 它的特点是具有竖轴和横轴, 可以 镜的光学原理没有本质上的区别。 它的特点是具有竖轴和横轴, 使瞄准望远镜管在水平方向作 360°的方向转动, 360°的方向转动, 也可以在垂直面内

作大角度的俯仰。 其水平面和垂直面的转角大小分别由水平度盘和垂 作大角度的俯仰。 直度盘示出,并由测微尺细分,测角精度为 2″。 直度盘示出,并由测微尺细分, 经纬仪是一种高精度的测量仪器, 主要用于机床精度检查, 如坐标镗 经纬仪是一种高精度的测量仪器, 主要用于机床精度检查, 床的水平转台、 万能转台、 以及精神滚齿机和齿轮磨床的精度的测量, 床的水平转台、 万能转台、 以及精神滚齿机和齿轮磨床的精度的测量, 度的测量 它常与自准直光学量仪组成光学系统来被一起使用。 它常与自准直光学量仪组成光学系统来被一起使用。 (2)经纬仪的使用和调整方法 三、激光干涉仪 由于激光具有良好的方向性、单色性和能量集中、相干性强等优点, 由于激光具有良好的方向性、单色性和能量集中、相干性强等优点, 因而用激光作光源, 以激光稳定的波长作基准, 利用光波干涉计数的 因而用激光作光源, 以激光稳定的波长作基准, 原理对大尺寸进行精密测量,已经得到广泛的应用。 原理对大尺寸进行精密测量,已经得到广泛的应用。 1、单频激光干涉仪 2、双频激光干涉仪 3、激光干涉仪的应用举例 四、三坐标测量机 三坐标测量机是一种高效的精密测量仪器。 它广泛地用于机械和仪器 三坐标测量机是一种高效的精密测量仪器。 制造、电子工业、汽车和航空工业中, 制造、电子工业、汽车和航空工业中,用于对零件和部件的几何尺寸 和相互位置的测量。除此之外,它还可以划线、定中心孔、钻孔、铣 和相互位置的测量。除此之外,它还可以划线、定中心孔、钻孔、 划线 切模型和样板、刻制光栅及线纹尺、光刻集成线路板等, 切模型和样板、刻制光栅及线纹尺、光刻集成线路板等,并可以对连 续曲面进行扫描。由于它的测量范围大、精度高、效率快、性能好, 续曲面进行扫描。由于它的测量范围大、精度高、效率快、性能好, 已经成为一种大型精密仪器,具有测量中心之称号。 已经成为一种大型精密仪器,具有测量中心之称号。 1、基本原理 2、机械结构及测量系统

三坐标测量机的三个轴互成直角配置。 (1)结构形式 三坐标测量机的三个轴互成直角配置。三个坐标轴 的相互配置位置 即总体布局形式) (即总体布局形式) 对测量机的精度及对测量工件的 适用性关系很大,目前常用的结构形式有以下几种: 适用性关系很大,目前常用的结构形式有以下几种: 1)立轴式,类似于万能工具显微镜的结构。测量范围小,但测量精 立轴式,类似于万能工具显微镜的结构。测量范围小, 度较高。 度较高。 卧轴式, 适用于测量与工作台面相垂直的工件端面上的检测项目, 2) 卧轴式, 适用于测量与工作台面相垂直的工件端面上的检测项目, 件端面上的检测项目 操作方便。这种结构适用于中型精密测量机。 操作方便。这种结构适用于中型精密测量机。 3)悬臂式,这种结构工作面开阔,工件可以从三个方面不受限制地 悬臂式,这种结构工作面开阔, 装卸,测量,有利于测量操作。 装卸,测量,有利于测量操作。 4)桥式,这种结构刚性好,三个坐标测量范围较大时也可以保证测 桥式,这种结构刚性好, 量精度,因而适宜作大型测量机的结构。 量精度,因而适宜作大型测量机的结构。 5)龙门式,龙门式可以分为龙门移动式和龙门固定式两种,优缺点 龙门式,龙门式可以分为龙门移动式和龙门固定式两种, 同桥式相似。 龙门固定式不适宜测量重型工件, 否则工作台运动时惯 同桥式相似。 龙门固定式不适宜测量重型工件, 性太大,不易克服,因此只能作为中型测量机的结构。 性太大,不易克服,因此只能作为中型测量机的结构。

第二节 机械装配维修中的精度测量

一、直线度误差测量 直线度误差测量是形状误差测量中最基本 1、直线度误差测量方法 直线度误差测量是形状误差测量中最基本 的测量项目,也是平面度误差测量的基础。 的测量项目,也是平面度误差测量的基础。 直线度误差的测量方法主要分为两大类: 一类是直接测量法, 即将被 直线度误差的测量方法主要分为两大类: 一类是直接测量法, 测物体与选定的不同形式的基准进行比较,直接测出其直线度误差; 测物体与选定的不同形式的基准进行比较,直接测出其直线度误差;

另一类是间接测量法, 即不用预先选定的基准, 而是通过两个或两个 另一类是间接测量法, 即不用预先选定的基准, 以上被测件的相互比较,用误差分离的方法求得各表面的直线度误 以上被测件的相互比较, 差。 直线度可分为在给定平面内、 在给定方向上和在任意方向上的三种情 直线度可分为在给定平面内、 况。在机械装配维修中常用在给定平面内的直线度。 在机械装配维修中常用在给定平面内的直线度。 根据国家形位公差标准规定, 2、直线度误差的评定 根据国家形位公差标准规定,直线度误差应 按最小条件评定。 按最小条件评定。 在满足零件使用功能的条件下, 在满足零件使用功能的条件下, 用功能的条件下 允许采用近似的评 定方法。 定方法。 1)两端点连线评定法 2)最小条件评定法 二、平面度误差测量 同直线度误差的测量一样,平面度误差的测量方法也主要分为两大 同直线度误差的测量一样, 类:一类是直接测量法,该方法主要适用于对较小平面的测量,即用 一类是直接测量法,该方法主要适用于对较小平面的测量, 足够精度的实际平面, 如平晶工作面、 标准平板等为基准, 用干涉法、 足够精度的实际平面, 如平晶工作面、 标准平板等为基准, 用干涉法、 斑点法或平板测微法直接测得各点对基准平面的坐标值; 另一类是间 斑点法或平板测微法直接测得各点对基准平面的坐标值; 接测量法, 该方法主要适用于较大尺寸平面的测量, 常用水平仪或自 接测量法, 该方法主要适用于较大尺寸平面的测量, 准仪等仪器进行测量。 准仪等仪器进行测量。 这种方法的特点是用测量直线度误差的方法实 现平面度误差的测量。 平面度误差是指被测量实际表面相对理想表面 现平面度误差的测量。 平面度误差是指被测量实际表面相对理想表面 的变动量。 的变动量。 三、垂直度误差的测量 基本上分为三大类: 1、垂直度误差的测量方法 基本上分为三大类:平面和轴心线间垂 直度误差测量;平面和轴心线垂直度误差测量;轴心线间(包括平面 直度误差测量;平面和轴心线垂直度误差测量;轴心线间(

内或空间内轴心线) 内或空间内轴心线)垂直度误差测量

第三章 机械振动和零部件的平衡

第一节 机械振动 一、振动的基本特性 旋转机械的种类繁多,这类机械的主要功能都是由旋转动作完成的, 旋转机械的种类繁多,这类机械的主要功能都是由旋转动作完成的, 只要转子一开始转动,就不可避免地要产生振动。机械产生振动后, 只要转子一开始转动,就不可避免地要产生振动。机械产生振动后, 会造成一定的危害,它使机械工作性能降低或使机械根本无法工作; 会造成一定的危害,它使机械工作性能降低或使机械根本无法工作; 它使某些零件因受附加的动载荷而加速磨损、疲劳,甚至破裂 它使某些零件因受附加的动载荷而加速磨损、疲劳,甚至破裂,从而 影响寿命或造成事故;振动还将产生噪声而危害人身健康。 影响寿命或造成事故;振动还将产生噪声而危害人身健康。 1、转子涡动 一般情况下,旋转机械的转子轴心线是水平的,转子 一般情况下,旋转机械的转子轴心线是水平的, 的两个支承点在同一水平线上。 的两个支承点在同一水平线上。 与转子固有频率相对应的转速, 2、转子的监界转速 与转子固有频率相对应的转速,称为转子的临 界转速。 临界转速的值并不等于转子的固有频率, 而且在临界转速时 界转速。 临界转速的值并不等于转子的固有频率, 发生的剧烈振动与共振是不同的物理现象。 转子的质量越大、 刚度越 发生的剧烈振动与共振是不同的物理现象。 转子的质量越大、 小时,其临界转速越低,反之则越高。如果机器蝗工作转速小于一阶 小时,其临界转速越低,反之则越高。 临界转速,则转轴称为刚性轴。 临界转速,则转轴称为刚性轴。 称为刚性轴 使转子产生干扰力的因素, 使转子产生干扰力的因素,最基本的就是由于不平衡而引起的离心 离心力的作用频率 为每转一次) (为每转一次) 因此, 力。 一次 就等于转子的转速频率, 就等于转子的转速频率, 因此, 旋转机械的工作转速不应等于或接近临界转速, 否则将使转子产生剧 旋转机械的工作转速不应等于或接近临界转速, 烈振动而可能带来严重后果。 烈振动而可能带来严重后果。

3、影响转子临界转速的因素 (1)陀螺力矩对转子临界转速的影响 陀螺力矩对转子临界转速的 影响是:正进动时,它提高了临界转速;反进动时, 影响是:正进动时,它提高了临界转速;反进动时,它降低了临界转 速。 (2)弹性支承对转子临界转速的影响 弹性支承可使转子的进动角 速度或临界转速降低; 减小支承刚度可以使临界角速度显著降低。 另 速度或临界转速降低; 减小支承刚度可以使临界角速度显著降低。 外,转子在油膜刚度、基础刚度等改变时,其临界转速数值也要有一 转子在油膜刚度、基础刚度等改变时, 定的变化。 定的变化。 二、旋转机械振动标准 振动标准从使用者的角度分为两类, 振动标准从使用者的角度分为两类, 角度分为两类 即运行管理标准和制造厂出厂标 准。 从故障诊断的角度还可以将振动标准划分为绝对标准和相对标准两 绝对标准是指判断设备状态的振动绝对数值; 种。 绝对标准是指判断设备状态的振动绝对数值; 是指判断设备状态的振动绝对数值 相对标准是指设备 自身振动值变化率的允许值。 自身振动值变化率的允许值。 振动烈度就是振动速度的有效值。 振动烈度就是振动速度的有效值。用振动烈度来评定机械振动水平 时,与机械的旋转速度无关,因为振动烈度与转速已有一定的关系, 与机械的旋转速度无关,因为振动烈度与转速已有一定的关系, 因此振动烈度能反映出振动的能量,这种标准比较合理。 因此振动烈度能反映出振动的能量,这种标准比较合理。 电动机和泵的振动标准是以振动烈度表示的, 其余特定机种的振动标 电动机和泵的振动标准是以振动烈度表示的, 准,大多数以轴承、转轴振动位移双幅值表示。用振动位移值来评定 大多数以轴承、转轴振动位移双幅值表示。 机械振动水平时, 是按照转速的高低来规定允许的振幅大小。 机械振动水平时, 是按照转速的高低来规定允许的振幅大小。 高低来规定允许的振幅大小 转速低、 转速低、 允许振幅大;转速高,允许的振幅小。这是因为当同样振幅时, 允许振幅大;转速高,允许的振幅小。这是因为当同样振幅时,对于 高速旋转机械将会带来较大的危害。 高速旋转机械将会带来较大的危害。

三、振动测量 速度型传感器主要是磁电式速度计。 速度型传感器主要是磁电式速度计。 这是种接触式传感器用于测量轴 承座、壳体等振动。速度传感器主要用于测量低频振动。 承座、壳体等振动。速度传感器主要用于测量低频振动。 加速度型传感器也是接触式传感器, 主要用来测量轴承振动。 加速度 加速度型传感器也是接触式传感器, 主要用来测量轴承振动。 传感器不仅能测低频振动,也能测中、高频振动。 传感器不仅能测低频振动,也能测中、高频振动。通过电子同回路积 分,也能测振动速度和振动位移,所以应用广泛。 也能测振动速度和振动位移,所以应用广泛。 一般来说,接触式传感器中,速度型传感器适用于测量不平衡、不对 一般来说,接触式传感器中,速度型传感器适用于测量不平衡、 中、松动接触等引起的低频振动,用它测量振动位移,可以得到稳定 松动接触等引起的低频振动, 它测量振动位移, 的数据;加速度传感器适用于测量齿轮、轴承故障等引起的中、 的数据;加速度传感器适用于测量齿轮、轴承故障等引起的中、高频 振动信号,但用它测量振动位移,往往不太稳定。因此, 振动信号,但用它测量振动位移,往往不太稳定。因此,加速度传感 器测量仪一般只用于测振动速度。 器测量仪一般只用于测振动速度。 第二节 旋转零部件的平衡 常用机械中包含着大量的作旋转运动的零部件。 常用机械中包含着大量的作旋转运动的零部件。作旋转运动的零部 件,可以统称为回转体。 可以统称为回转体。 不平衡的形式:静不平衡、准静不平衡、偶不平衡、 不平衡的形式:静不平衡、准静不平衡、偶不平衡、动不平衡 平衡的方法:对旋转零件或部件作消除不平衡的工作,叫做平衡。 平衡的方法:对旋转零件或部件作消除不平衡的工作,叫做平衡。回 转体的轴线与中心主惯性轴线必须相重合, 转体的轴线与中心主惯性轴线必须相重合, 使得围绕其轴线旋转的物 体的离心力尽可能地小,为此必须做到两点:其一,借助质量校正, 体的离心力尽可能地小,为此必须做到两点:其一,借助质量校正, 使中心惯性线与轴线重合,或处在某些特殊情况下;其二, 使中心惯性线与轴线重合,或处在某些特殊情况下;其二,直接在中 心主惯线轴线的位置上构成轴线, 这种情况下, 在加工支承轴颈以前, 心主惯线轴线的位置上构成轴线, 这种情况下, 在加工支承轴颈以前, 必须先测出中心主惯性轴线的位置,并用中心钻将此位置固定下来, 必须先测出中心主惯性轴线的位置,并用中心钻将此位置固定下来, 这种办法称为定中心平衡(质量中心) 这种办法称为定中心平衡(质量中心) 。

平衡分为静平衡和动平衡两种。 静平衡是使回转轴线通过回转体的重 平衡分为静平衡和动平衡两种。 心, 消除由于质量偏心引起的离心力; 消除由于质量偏心引起的离心力; 而动平衡除了要求达到力的平 衡外, 还要求校正由于力偶的作用而使主惯性轴绕回转轴线产生的倾 衡外, 斜。对于柔性回转体,必须要进行动平衡。 对于柔性回转体,必须要进行动平衡。 校正方法:不论是刚性回转体,还是柔性回转体,不论是静平衡, 校正方法:不论是刚性回转体,还是柔性回转体,不论是静平衡,还 是动平衡, 校正方法均可划分为加重、 去重或调整校正质量三类方法。 是动平衡, 校正方法均可划分为加重、 去重或调整校正质量三类方法。 1、加重就是在已知该校正面上折算的不平衡量 U 的大小及方向后, 的大小及方向后, 有意在 U 的负方向上给回传体附加上一部分质量 m, 并使质量 m 到旋 的乘积。加重可采用补焊、喷镀、胶接、 转轴线的距离 r 与质量 m 的乘积。加重可采用补焊、喷镀、胶接、铆 接和螺纹联接等多种工艺方法加配质量。 接和螺纹联接等多种工艺方法加配质量。 的大小及方向后, 2、去重就是在已知该校正面上折算的不平衡量 U 的大小及方向后, 有意在 U 的的正方向上从回转体上去除一部分质量 M。 去重可采用钻、 去重可采用钻、 磨、铣、錾及激光打孔等多种工艺方法去除质量。 錾及激光打孔等多种工艺方法去除质量。 3、不论是哪一种校正方法,要求加上、或去掉、或进行高速的不平 不论是哪一种校正方法,要求加上、或去掉、或进行高速的不平 衡量的大小和方向应该准确。 衡量的大小和方向应该准确。 检查静不平衡的设备有要有静平衡架、 平衡心轴和静平衡试验机。 其 检查静不平衡的设备有要有静平衡架、 平衡心轴和静平衡试验机。 中平行导轨式静平衡架应用最广。导轨截面有刃口形、圆形、菱形等 中平行导轨式静平衡架应用最广。导轨截面有刃口形、圆形、 多种形式。 多种形式。 刚性回转的动平衡。动平衡的方法有两种:平衡机法和现场平衡法。 刚性回转的动平衡。动平衡的方法有两种:平衡机法和现场平衡法。 平衡机法的优点是可以高效地、精确地平衡转子; 1、平衡机法 平衡机法的优点是可以高效地、精确地平衡转子;租 用于平衡失衡较大的、 不能在运行转速下平衡的回转体、 不能在现场 用于平衡失衡较大的、 不能在运行转速下平衡的回转体、 校正的回转体、 校正的回转体、 不能在现场进行无损检测的回转体、 不能在现场进行无损检测的回转体、 以及大修中由于

其他原因已经吊出机器的转子。 其他原因已经吊出机器的转子。 2、现场平衡法 在现场平衡中,需要直接测出转子的振动情况作为 在现场平衡中, 平衡操作的原始依据。 平衡操作的原始依据。 依据


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