在Mahr﹢PLM1000测长机上测量光面环规的方法.pdf

2 0 1 3 年8 月 第3 3 卷第4 期 宇航计测技术 J o u r n a lo fA s t r o n a u t i cM e t r o l o g ya n dM e a s u r e m e n t A u g ，2 0 1 3 V 0 1 3 3 ，N o 4 文章编号：1 0 0 0 7 2 0 2 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 1 3 0 4 中图分类号：T B 9 2 1文献标识码：A 在M a h rP L M l 0 0 0 测长机上测量光面环规的方法 梁海龙杨磊余乐 ( 四川航天计量测试研究所，成都6 1 0 1 0 0 ) 摘要 介绍了在M a h rP L M l 0 0 0 型测长机上测量光面环规的基本原理和操作方法。通过与光面环规的传 统测量方法进行对比，总结出该方法具有简单方便、测量效率高、误差小等优点，相对于传统的测量方法有着明显 的优越性。 关键词测长机环规单球 AM e a s u r e m e n to fS m o o t hR i n gG a u g eB a s e do nt h eM a h r P L M l 0 0 0M e a s u r e m e n tM a c h i n e L I A N G H a i - l o n g Y A N GL e iY UL e ( S i c h u a nA e r o s p a c eM e a s u r e m e n tA n dR e s e a r c hI n s t i t u t e ，C h e n g d u6 1 0 1 0 0 ) A b s t r a c tT h ep r i n c i p l ea n do p e r a t i o nm e t h o do fm e a s u r e m e n to fs m o o t hr i n gg a u g eb a s e do nt h e M a h rP L M l 0 0 0a r ei n t r o d u c e d T h i sa p p r o a c hi sc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n tm e t h o d s ，a n d t h ea d v a n t a g e so ft h ep r o p o s e dm e t h o da r ej u s t i f i e d - s i m p l e ，c o n v e n i e n t ，e f f i c i e n t ，a n dl o wi ne r r o r R e s u i t sd e m o n s t r a t et h a ti ti ss u p e r i o r i t yc o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lm e t h o d s K e yw o r d sL e n g h tm e a s u r e m e n tm a c h i n eR i n gg a u g eS i n g l es p h e r e 1 引言 光面环规是一种简单、方便，用于控制工件极限 尺寸的极限量规。高准确度的光面环规是校准内径 千分尺以及内径量表等量具的标准。因此，光面 环规内径的测量一直是计量部门的一个重要测量项 目2 1 。 在目前的计量单位及企业的计量部门，传统的 光面环规检测方法主要有：万能工具显微镜光学灵 敏杠杆法、卧式测长仪双钩法以及像点仪检测法。 随着现代精密机械工业的飞速发展，对光面环规的 准确度也提出了更高的要求，以上传统的检测方法 已经难以满足对光面环规的检测要求 J 。马尔公 司生产的P L M l 0 0 0 型( 见图1 ) 高精度测长仪器，是 利用单臂单球的测量方法来实现对光面环规内径的 测量。它在传统测长机基础上，配以玻璃光栅尺，自 动接触检测，在测量内尺寸时不确定度可高达v 9 。= ( 0 2 2 + _ , 1o o o ) 斗m 。本文使用的P L M l 0 0 0 型测长 机测量光面环规法，除了能够对1 3 常使用的大部分 光面环规进行测量外，其测量准确度和测量结果重 复性与传统方法相比也都有明显的提高。其技术指 收稿日期：2 0 1 3 - 0 2 - 2 5 ，修回日期：2 0 1 3 一0 5 一1 7 作者简介：梁海龙( 1 9 8 4 一) ，男，工程硕士，主要研究方向：几何量计量技术研究。 万方数据 1 4 宇航计测技术 2 0 1 3 年 标如下： 1 ) 测量范围：( 1 3 0 ) m m 2 ) 数字分辩力：0 0 1 1 山m 3 ) 测量重复性：0 0 5 p m 4 ) 测量不确定度：u 9 5 = ( 0 2 2 + L 10 0 0 ) “m 图1P L M l 0 0 0 测长机实物图 2 测量的基本原理 P L M l 0 0 0 型测长机测量光面环规的基本测量 原理是通过测量测球的球心移动距离从而计算出被 测环规的内径。在开始测量时，首先要使用一个已 知内径的标准环规对测球的误差进行校准。方法如 下： 图2 测量测球的校准原理图 径) 首先将工作台锁定，利用仪器自身的水准装置 将测长机工作台与导轨大致调平，再将标准环规用 测长机自带的夹具固定在工作台上。移动测球与环 规的右侧内边缘相接触( 如图2 所示) ，水平调整工 作台寻找其极值点。由于P L M l 0 0 0 型测长机在测 量臂上安装有高准确度的光栅尺，并且测量臂与测 球连接部位安装的微量位移传感器( 如图3 所示) 还可以测出测球和测量臂之间所产生的相对位移， 这样就确保了测量的准确度。在根据仪器示值找到 极值点后，接受数据，此时的点即为标准环规在测 长机导轨方向上内径边缘的最右端( 测长机此时的 读数为n ) 。在接受数据后，测量臂会自动移动测 球与标准环规的内径最左端相接触( 测长机此时的 读数为b ) ，设所用标准环规的内径为D ，由式( 1 ) 计算求出测球的半径r r = 掣 ( 1 )r = _ llJ 式中：r 测试球半径；D 标准环规内径；Z = I 口一bI 测长机两次读数之差；口，6 测长机的 两次读数值。 导轨 图3 工作原理图 图4 环规测原理图 测球半径) 环规 然后取下标准环规，将被测环规固定在工作台 上，移动测球与环规的右侧内边缘相接触( 如图4 所 示) 。根据仪器示值，水平调整工作台，在找到极值 点后接受数据( 此时测长机的读数为A ) ，并测量臂 移动测球与被测环规的内径最左端相接触( 此时测长 机的读数为B ) ，由式( 2 ) 可求出被测环规的内径 D i = Z i + 2 r ( 2 ) 式中lD 。被测环规内径；r 测球半径；屯= A 一曰I 测长机两次读数之差；A ，曰测长机 万方数据 第4 期在M a h rP L M l 0 0 0 测长机上测量光面环规的方法 1 5 的两次读数值。 3 注意事项 在使用P L M l 0 0 0 测长机测量光面环规时，首先 要对光面环规进行清洗，确保环规工作面无污垢、杂 质；在测量过程中，测长机工作台和导轨一定要保持 水平状态。否则，会引起测量结果出现偏差。 4 与传统测量方法的比较 与其他测量方法相比，P L M l 0 0 0 测长机在测量 光面环规时有着明显的优点。 第一，准确度高，稳定性好。P L M l 0 0 0 测长机 采用了高准确度光栅尺，在测头与测量臂之间安装 有位移传感器，该传感器可以对测头误差进行校 准，极大的提高了测量结果的准确度和稳定性。同 一标准测量环规( 1 2 9 9 0 m m ) 采用不同测量方法 的测量结果对比情况如表1 所示。 表1 测量结果对比情况表 m r t l 测量方法测量结果 平均值误差重复性 光学灵敏 1 2 9 9 40 ，1 2 9 9 60 ， 1 2 9 9 530 0 0 530 0 0 10 杠杆法 1 2 。9 9 50 ，1 2 9 9 60 测长仪 1 2 9 9 12 ，1 2 9 9 0 4 ， 1 2 9 9 080 0 0 080 0 0 06 双钩法 1 2 9 9 02 ，1 2 9 9 14 P I M l 0 0 01 2 9 9 06 ，1 2 9 9 02 ， 1 2 9 9 040 0 0 040 0 0 02 测量法 1 2 9 9 03 ，1 2 9 9 06 第二，测量效率高。P L M l 0 0 0 型测长机测量光 面环规的主要工作是对被测环规的位置进行调整， 使其水平放置，然后用测长机自带的夹具固定在操 作台上。测长机特有的计算机辅助侦测反向点功能 可以更为准确、快速的找到环规极值点。 第三，操作简单，上手容易。P L M l 0 0 0 型测长 机使用单球法对光面环规自动进行接触测量，操作 简单。在读数方面，测长机以数显代替目视，测量结 果通过软件计算后直接显示在屏幕上，相比传统的 人为读数更为方便快捷。 第四，在测量范围方面，对于直径小于 1 2 m m 的环规，测长仪双钩法无法进行测量，而万能工具显 微镜灵敏杠杆法和像点仪测量法等非接触式测量方 法的准确度又不够高。P L M l 0 0 0 测长机则配有直径 为 1 m m 和3 m m 两种规格的测球，极大的提升了 可测量范围。 5 测量不确定度评定 5 1 数学模型 A D = D 一域 ( 3 ) 式中：D 仪器测得值；D 直径尺寸误差； D 。标称直径。 5 2 标准不确定度 在P L M l 0 0 0 测长机上测量光面环规内径的测量 不确定度构成要素有：仪器示值误差引入的不确定度 分量。( A D ) ；标准环规校准引入的不确定度分量： ( D ) ；测量重复性引入的不确定度分量H ，( D ) ；膨 胀系数不同引入的不确定度分量( D ) ；环规偏离 2 0 引入的不确定度分量u ，( A D ) 。 ( 1 ) 仪器示值误差引入的不确定度分量M ， ( A D ) 由出厂说明书得到，仪器测量内尺寸时的最大 示值误差为e - - - - ( 0 2 2 + , 1o o o ) p a n ，取L = 9 9 9 97 m m ，e = 0 2 3 D m ，符合均匀分布，半宽度a = 0 2 3 “m ，k = 4 3 ，则 M l ( D ) ：訾：o 1 3p a n j ( 2 ) 标准环规校准引入的不确定度分量珏： ( A D ) 由标准环规的检定证书可知，u = 0 5 p a n ，k = 3 ， 则u 2 ( A D ) = 半= o 1 7 1 z m ( 3 ) 测量重复性引入的不确定度分量u ，( A D ) 对凹9 9 97 m m 环规同一截面测量1 0 次，得到 以下数据( m n l ) ：9 9 9 97 ，9 9 9 97 ，9 9 9 97 ， 9 9 9 97 ，9 9 9 98 ，9 9 9 98 ，9 9 9 97 ，9 9 9 96 ， 9 9 9 99 ，9 9 9 96 ，其平均值的实验标准偏差为 s 。( i ) = 0 0 5 I _ u n ，则u 3 ( A D ) = 0 0 5 p a n 。 ( 4 ) 膨胀系数不同引入的不确定度分量u 。 ( A D ) 环规的膨胀系数为1 1 5 x 1 0 。6 ，仪器光栅尺 的膨胀系数为l O 0 1 0 。6 ，两者之差为1 5 1 0 拍。当t = 1 9 8 时，引入的误差为 万方数据 宇航计测技术 2 0 1 3 往 e = L A a ( f 一2 0 ) = 9 9 9 97 x 1 0 3 x 1 5 x 1 0 6 X ( 1 9 8 2 0 ) = 士0 0 0 3 斗m 半宽度为0 0 0 3 l