3.2 立式光學(xué)計(jì)測量軸徑實(shí)驗(yàn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)背景

測量長度尺寸器具大致分兩類：一類是有刻線和標(biāo)尺的各種通用量具或儀器，如游標(biāo)量具、分厘量具、表類及各種測微儀，使用這些器具能夠測得工件的實(shí)際尺寸或其偏差；另一類是沒刻線的測量器具，如各種報(bào)限量規(guī)，用量規(guī)不能測得工件實(shí)際尺寸的大小，只能確定被測工件是在報(bào)限尺寸范圍內(nèi)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光柵、激光、數(shù)顯等技術(shù)已廣泛用于長度測量中。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

（1）學(xué)習(xí)光學(xué)計(jì)的結(jié)構(gòu)原理和使用方法。

（2）掌握測量外徑尺寸的方法。

（3）學(xué)習(xí)直接測量結(jié)果的處理方法。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

（1）投影立式光學(xué)計(jì)。

（2）標(biāo)準(zhǔn)量塊。

3.2.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）實(shí)驗(yàn)前要預(yù)習(xí)有關(guān)章節(jié)的內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)時(shí)嚴(yán)格按操作規(guī)程操作，認(rèn)真記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對同一圓柱零件固定部位進(jìn)行多次（10次）重復(fù)測量，并計(jì)算測量結(jié)果。

（2）實(shí)驗(yàn)后認(rèn)真整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并根據(jù)軸件的尺寸和形狀公差，給出適用性結(jié)論。

（3）按實(shí)驗(yàn)報(bào)告的規(guī)定格式完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3.2.5 實(shí)驗(yàn)原理

投影立式光學(xué)計(jì)是一種精度較高而結(jié)構(gòu)簡單的常用光學(xué)量儀，結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。它采用量塊作為長度基準(zhǔn)，用相對測量方法來測量各種工件的外形尺寸。

光學(xué)計(jì)是利用光線反射現(xiàn)象產(chǎn)生放大作用（即光學(xué)杠桿放大原理）進(jìn)行測量的儀器。光學(xué)杠桿變換是利用光路方向變化，將測桿的位移轉(zhuǎn)換為標(biāo)尺影象的位移。測量光管14插入儀器主體橫臂7內(nèi)，測量管內(nèi)裝有準(zhǔn)直物鏡、平面反光鏡及光學(xué)杠桿放大系統(tǒng)的測量桿，測帽13裝在測量桿上，測量桿上下移動(dòng)時(shí)，使其上端的鋼珠頂起平面反光鏡傾斜一個(gè)φ角，其平面反光鏡與測量桿由兩個(gè)抗拉彈簧牽制，對被測件有一定的壓力。測量桿的上下升降是借助于測帽提升器9的杠桿作用而實(shí)現(xiàn)的。測帽提升器9上有一個(gè)滾花螺釘，可調(diào)節(jié)其上升的距離，以便將工件方便地推入測帽下端，并靠兩個(gè)抗拉彈簧的壓力使測帽與被測件良好地接觸。投影燈1安裝在光學(xué)計(jì)管頂端的支柱上，并用固定螺釘固緊，其電源線接在6V的低壓變壓器上，照明燈的功率是15W，投影下端裝有濾色片組，也可根據(jù)需要將濾色片組擰下來獲得白光照明。工作臺(tái)在形狀上有大小和平面與帶筋面之分，在應(yīng)用時(shí)又有固定式與調(diào)整式之分，在測量前應(yīng)根據(jù)被測件的表面形狀對工作臺(tái)進(jìn)行選擇使測量的接觸面最小。對于可調(diào)整的工作臺(tái)還應(yīng)對其進(jìn)行較對使工作臺(tái)平面與測帽平面保持平行。

投影立式光學(xué)計(jì)的測量原理如圖3-4所示。由白熾燈泡1發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡2和濾色片6，再通過隔熱玻璃7、照明分劃板8的刻線面，再通過反射棱鏡9后射向準(zhǔn)直物鏡12。由于照明分劃板8的刻線面置于準(zhǔn)直物鏡12的聚焦平面上，所以成像光束通過準(zhǔn)直物鏡12后成為一束平行光入射到平面反光鏡13上，根據(jù)自準(zhǔn)直原理，分劃板刻線的像被平面反光鏡13反射后，再經(jīng)準(zhǔn)直物鏡12被反射棱鏡9反射成像在投影物鏡4的物平面上，然后通過投影物鏡4、直角棱鏡3和反光鏡5成像在投影屏10上，通過讀數(shù)放大鏡11觀察投影屏10上的刻線像。

圖3-3 投影立式光學(xué)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1—投影燈 2—螺釘 3—支柱 4—零位微動(dòng)螺釘 5—主柱 6—橫臂固定螺釘 7—橫臂 8—微動(dòng)偏心手輪 9—測帽提升器 10—工作臺(tái)調(diào)整螺釘 11—工作臺(tái) 12—變壓器 13—測帽 14—光管 15—微動(dòng)托圈固定螺釘 16—光管定位螺釘 17—微動(dòng)托圈

圖3-4 投影立式光學(xué)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)圖

1—熾燈泡 2—聚光鏡 3—直角棱鏡 4—投影物鏡 5—反光鏡 6—濾色片 7—隔熱玻璃 8—照明分劃板 9—反射棱鏡 10—投影屏 11—讀數(shù)放大鏡 12—準(zhǔn)直物鏡 13—平面反光鏡 14—測量桿 15—測帽

所謂自準(zhǔn)直原理，如圖3-5所示。在圖3-5（a）中，位于物鏡焦點(diǎn)上的物體（目標(biāo)）C發(fā)出的光線經(jīng)物鏡折射后成為一束平行于主光軸（一條沒有經(jīng)過折射的光線稱主光軸）的平行光束。光線前進(jìn)若遇到一塊與主光軸相垂直的平面反射鏡，則仍按原路反射回來，經(jīng)物鏡后光線仍會(huì)聚在焦點(diǎn)上，并造成目標(biāo)的實(shí)像C′與目標(biāo)C完全重合。若使平面反射鏡對主光軸偏轉(zhuǎn)一個(gè)微小角度α（圖3-5），則平面反射鏡鏡面的法線也轉(zhuǎn)過α角，所以反射光線就轉(zhuǎn)過2α角。反射光線經(jīng)物鏡后，會(huì)聚于焦平面上的C″，C″是目標(biāo)C的像，與C的距離為L，從圖上可知：

式中：f——物鏡的焦距。

圖3-5 自準(zhǔn)直原理示意圖

平面反射鏡偏轉(zhuǎn)角度α愈大，則像C″偏離目標(biāo)C的距離L也愈大，這樣，可用目標(biāo)像C″的位置偏離值來確定平面反射鏡的偏轉(zhuǎn)角度α，這就是自準(zhǔn)直原理。若在主光軸的軸線上安裝一個(gè)活動(dòng)的測量桿，如圖3-5（b）所示，測量桿2的一端與平面反射鏡1接觸，同時(shí)平面反射鏡可繞支軸M擺動(dòng)。如果測量桿2發(fā)生移動(dòng)，就推動(dòng)了平面反射鏡1圍繞支軸M擺動(dòng)測量桿2的移動(dòng)量S與平面反射鏡1的擺動(dòng)偏轉(zhuǎn)角α的關(guān)系是正切關(guān)系，由圖可知：

式中：a——測量桿至支軸M的距離，稱為臂長。

通過一塊平面反射鏡把正切杠桿機(jī)構(gòu)與自準(zhǔn)直系統(tǒng)聯(lián)系在一起，這樣，測量桿1作微量位移s，推動(dòng)了平面反射鏡2偏轉(zhuǎn)α角，于是目標(biāo)像C″移動(dòng)了距離l。只要把l測量出來，就可以求出測量桿1的移動(dòng)量S，這就是光學(xué)計(jì)管的工作原理。目標(biāo)像的移動(dòng)量L與測量桿的移動(dòng)量S的比值稱作光學(xué)計(jì)管的光學(xué)杠桿放大比，用K表示，則

當(dāng)α很小時(shí)，可取tan2α≈2α，tanα≈α，簡化而得：K=2f/a。

一般光學(xué)計(jì)管的物鏡焦距f=200mm，臂長a=5mm，代入上式得：K=2×200/5=80（倍）。因此，光學(xué)計(jì)的光學(xué)杠桿放大比為80倍，當(dāng)測量桿移動(dòng)1μm時(shí)，目標(biāo)像就移動(dòng)了80μm。為了測出目標(biāo)像C″的移動(dòng)，將目標(biāo)C做成分度尺形式。分度尺的分度值為0.001mm，因此它的刻度間隔為：0.001×K=0.001×80=0.08mm，分度尺共有±100個(gè)刻度，其示值范圍為±0.1mm。分度尺的像通過一個(gè)目鏡來觀察，目鏡的放大倍數(shù)為12倍。這樣，光學(xué)計(jì)管的總放大倍數(shù)為12K=960倍。也就是說當(dāng)測量桿位移1μm時(shí)，經(jīng)過960倍的放大，相當(dāng)在明視距離下看到的刻線移動(dòng)了將近1mm。

3.2.6 實(shí)驗(yàn)步驟

1.選擇測帽

測平面或圓柱面用球測帽，測小于10mm的圓柱面用刀口形測帽，測球面用平測帽。

2.組合量塊

按被測件的基本尺寸組合量塊。

3.調(diào)整儀器零位

將組合好的干凈量塊放在工作臺(tái)上，將橫臂下降，使測量帽與量塊接觸，直到投影屏上出現(xiàn)分劃板刻線時(shí)，固緊橫梁螺釘，松開橫臂前膠木螺釘，轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)手輪，使刻線零位與指標(biāo)線重合，固緊膠木螺釘，零位如有所偏移，需調(diào)節(jié)螺絲，并多次拔動(dòng)測帽提升器，直到刻線零位與指標(biāo)線嚴(yán)格重合后，才可進(jìn)行測量。

4.重復(fù)測量

取下量塊，將被測件放在工作臺(tái)上緩慢來回滾動(dòng)，記下刻尺上最大值（轉(zhuǎn)折點(diǎn)），在一個(gè)零件同一部位重復(fù)10次測量，逐次記下數(shù)據(jù)。

3.2.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算測量結(jié)果，得出適用性結(jié)論，并分析測量誤差產(chǎn)生的原因。

3.2.8 注意事項(xiàng)

測量前要選擇合適的測量帽。

思考題

采用游標(biāo)卡尺與立式光學(xué)計(jì)測量軸類零件外徑的精度哪個(gè)更高一些？