在立式光学计上用比较法测量外径
摘要：本文对立式光学计的测量原理进行分析，并认真研究了其主要部件光学测量系统的光学结构，从而能准确、快速测量被测零件。测量准确可靠而广泛应用于计量部门和企事业单位。立式光学计的结构有投影式和反光式两种，立式光学计的标称范围仅为(-0.1～+0.1)mm，立式光学计是一种性能稳定，精度较高，结构简单的通用光学量仪。它可对五等量块、量棒、钢球、线形及平面精密量具和零件的外型尺寸作精密测量。还可以把光管取下装在机床上，利用量块作标准控制精密加工尺寸之用。立式光学计是高精度光学仪器，要求使用环境无灰尘、无振动、无腐蚀性气体等，室温一般要求(20±3)℃，湿度不大于75%RH，仪器要放置在平稳的工作台上。
关键词：测量原理 仪器结构 测量步骤 注意事项
一、立式光学计相关知识
1、立式光学计主要技术指标
分度值：0.001mm 标尺示值范围： ±0.1mm
仪器测量范围0—180mm
二、立式光学计的测量原理及结构
1、仪器的结构
图1为立时光学计的外形图。它由底座1、立柱5、支臂3、直角光管6和工作台11等几部分组成。
2、测量原理——光学杠杆原理
立式光学计是一种精度较高而结构简单的常用光学量仪。用量块作为长度基准，按比较测量法来测量各种工件的外尺寸。
光学计是利用光学杠杆放大原理进行测量的仪器，其光学系统如图2b所示。照明光线经反射镜1照射到刻度尺8上，再经直角棱镜2、物镜3，照射到反射镜4上。由于刻度尺8位于物镜3的焦平面上，故从刻度尺8上发出的光线经物镜3后成为一平行光束，若反射镜4与物镜3之间相互平行，则反射光线折回到焦平面，刻度尺象7与刻度
尺8对称。若被测尺寸变动
使测杆5推动反射镜4饶支点转动某一角度α（图2a），则反射光线相对于入射光线偏转2α角度，从而使刻度尺象7产生位移t（图2c），它代表被测尺寸的变动量。物镜至刻度尺8间的距离为物镜焦距f，设b为测杆中心至反射镜支点间的距离，s为测杆移动的距离，则仪器的放大比K为：
Ktftg2 sbtg
当很小时，tg22，tg ，因此： K2f b
当光学计的目镜放大倍数为12，f200mm，
b5mm，故仪器的总放大倍数n为：
n12K122f220012960 图一 b5
由此说明，当测杆移动0.001mm时，则标尺的像移动0.96mm的位移量。由于人眼通过目镜观察到的标尺像的刻度间距刚好为0.96mm。 所以光学计的分度值ｉ＝0.001mm。
三、立式光学计的精度分析
仪器误差的客观存在性决定仪器的精度，无论仪器精度有多高，总存在误差。找出产生误差的根源和规律，分析误差对仪器设备的精度的影响，以便合理的选择方案、设计结构，确定参数和设置必要的精度调整和补偿环节，从而在保证经济性的基础上达到理想的精度。可见精度分析是仪器设计中重要一环，通常贯穿于仪器设计制造和使用的全过程。
1、精度分析
精度分析：既指仪器各个零部件误差的合成，也指仪器设计中公差的分配和主要条件的制定，甚至包括考虑为进一步减小仪器误差而需要采取的技术措施。如误差的调整方法，补偿件的设计。从设计角度看，仪器设计也包括精度的设计，即需要合理地确定仪器各个部件乃至零件的精度要求，因此精度分析的各项工作内容是相互联系的。
仪器误差：仪器本身所固有的误差。在仪器制成后，在规定的使用条件下仪器误差就基本固定了。
仪器测量误差： 既包括仪器误差，由包括仪器使用和运行时，因为一些使用的环境条件、测量方法以及测量人员主观因素的等各项原因造成的综合误差，它以测量结果与被测量值的偏差值来表示。
2、仪器误差产生的原因
在仪器的设计、制造和使用的各个阶段可能产生误差，分别称为原理误差制造误差和运行误差。从数学特性来看。原理误差多为系统误差、而制造误差和运行误差多为随机误差。
2.1、原理误差
仪器设计中采用了近似的理论、近似的数学模型、近似的机构和近似的测量控制电路所造成的。原理误差只与仪器的设计有关，与制造和使用无关，下面详细讲述原理误差产生的原因（主要3点）
2.1.1、把仪器实际的非线性特性近似为线性，并采用线性的技术处理非线性特性，引起原理误差。
2.1.2、 数据处理方式上的近似所带来的误差和数值舍位代来的误差。
2.1.3、仪器结构存在原理误差。如：正切、正弦机构，传动方程为非线性而用线性方程处理时，产生误差。采用简单机构代替复杂机构，或用一个主动件的简单机构实现多元函数的作用方程，产生机构原理误差。
2.2、制造误差
制造误差是指仪器的零件、元件、部件和其他各个环节在尺寸、形状、相互位置以及其他参量等方面的制造及装调的不完善所引起的误差。举例：由于内外尺寸的配合间隙，对直线运动造成歪斜误差．对回转起动造成径向跳动误差。….
在设计过程中对制造误差进行控制的方法：
（1）合理地分配误差和确定制造公差
（2）正确应用仪器设计原理和设计原则
（3）合理地确定仪器的结构参数
（4）合理的结构工艺性
（5）设置适当的调整和补偿环节
2.3、减小或消除原理误差影响的方法：
（1）采用更为精确的、符合实际的理论和公式进行设计和参数计算。
（2）研究原理误差的规律，采取技术措施避免原理误差。
（3）采用误差补偿措施。
原理误差产生于仪器设计的过程－－固有误差，系统误差
原理误差使仪器精度下降，设计仪器时首先考虑原理误差，采用不同方法减小或消除其对仪器精度的影响。
分析原理误差的途径：将仪器各个组成环节之间的实际关系与设计、计算时采用的理论关系进行比较，如有差异则存在原理误差。
3、微差比较测量法测量误差分析
任何测量都存在测量误差，量块中心长度测量由于各方面的条件不够理想，往往会有很多误差影响测量的最后结果，现以量块测量中的微差比较测量法为例，说明量块中心长度测量时的误差来源以及测量方法。
3.1主要误差来源
微差比较测量法测量量块中心的长度，是将被检量块与标准量块进行比较，通过比较用仪器读出两者之差，经过计算求出被检量块的中心长度尺寸。由此可以看出，用微差比较法检定量块中心长度时，主要误差来源于标准量块中心长度的检定误差、比较仪器的误差、被检量块长度变动量引起的对中误差，测量温度影响带来的误差以及量块受力变形、量块安放位置等带来的测量误差。下面分析几项主要的误差来源。
①标准量块中心长度测量误差δ1
微差比较法测量量块中心长度，标准量块的中心长度测量误差直接影响到被测量块的测量误差。一般标准量块测量误差以其测量不确定度来表示。
② 仪器误差δ2
微差比较测量时，比较用仪器的误差直接影响到被测量块与标准量块中心长度差值的测得，是量块中心长度测量时一项主要误差来源。仪器误差可以从有关说明书中查到。
③温度误差δ3
大多数相比较的量块热膨胀系数是相近的，即a=as。为化简测量和计算，量块的温度ts和t也不做精确测量，而是通过恒温等措施使ts=t，并使△ts=△t控制在一定范围以内才开始测量。被检量块中心长度用公式：L=Ls+△L表示。
④由于被检量块长度变动量允许偏差而引起的测量误差δ4
中不准而引起中心长度测量误差实际测量时，测帽顶点对量块中心有
一定偏差
⑤接触变形误差δ5
⑥在量块测量中，球形测帽顶点对准量块平面，由于测量力的作用，会产生接触变形。
四、测量步骤
1、接通电源
2、测头的选择：测头有球形、平面形和刀口形三种，根据被测零件表面的几何形状来选择，使测头与被测表面尽量满足点接触。所以，测量平面或圆柱面工件时，选用球形测头。测量球面工件时，选用平面形测头。测量小于10mm的圆柱面工件时，选用刀口形测头。
图
2
图 3
3、选取工作台——带劲工作台（立式立式光学计配有两个工作台，即：带劲工作台用于检定量块，而平面工作台适用于测量球类和轴类零件），并调整工作台的正确位置。
4、将清洗干净并通过规定时间等温的标准量块和被测工件置于仪器工作台上。
5、 调整仪器零位
（1）参看图1，选好量块组后，将测量面置于工作台11的中央，并使测头10对准上测量面中央。
（2）粗调节：松开支臂紧固螺钉4，转动调节螺母2，使支臂3缓慢下降，直到测头与量块上测量面轻微接触，并能在视场中看到刻度尺象时，将螺钉4锁紧。
（3）细调节：松开紧固螺钉8，转动调节凸轮7，直至在目镜中观察到刻度尺象与μ指示线接近为止（图3a）。然后拧紧螺钉8。
（4）微调节：转动刻度尺寸微调螺钉6（图2b），使刻度尺的零线影象与μ指示线重合（图3b）。然后压下测头提升杠杆9数次，使零位稳定。
⑤检查示值 按动拨叉三次，若零线影象变动不超过1/10格，则表示光学比较仪的示值稳定可用
（5）将测头抬起，取下量块。
6、按图1-4分别测量塞规上六个部位处的直径。测量时，将被测塞规按在工作台上，在测头下慢慢滚过，读出刻线象偏离指示线的最大值（估读1/10格），即为被测塞规的实际偏差。
五、测量注意事项：
①测量前应先擦净零件表面及仪器工作台。
②操作要小心，不得有任何碰憧，调整时观察指针位置，不应超出标尺示值范围。
③不要随意转动固定量仪测量部件（如悬臂）的锁紧螺钉、手柄，以防测量部件落下砸坏仪器。
④使用量块时要正确推合，防止划伤量块测量面。
⑤取拿量块时最好用竹摄子夹持，避免用手直接接触量块，以减少手温对测量精度的影晌。
⑥注意保护量块工作面，禁止量块碰撞或掉落地上。
⑦量块用后，要用航空汽油洗净，用绸布擦干并涂上防锈油。 ⑧测量结束前，不应拆开块规，以便随时校对零位。
⑨光学镜头是光学量仪的重要部件，严禁随意用手触摸或用纸、布擦抹或对着镜头呵气。
⑩仪器上的工作面、导轨面是精密表面，不要用手触摸以免生锈。
参考文献
1、《量块计量技术》 王承刚主编 中国计量出版社 TB911 20-3
2、《几何量计量》 教材
3、《几何量计量仪器》 教材
4、《精密测量技术实验指导书》 四川省技术监督学校印制
在立式光学计上用比较法测量外径
摘要：本文对立式光学计的测量原理进行分析，并认真研究了其主要部件光学测量系统的光学结构，从而能准确、快速测量被测零件。测量准确可靠而广泛应用于计量部门和企事业单位。立式光学计的结构有投影式和反光式两种，立式光学计的标称范围仅为(-0.1～+0.1)mm，立式光学计是一种性能稳定，精度较高，结构简单的通用光学量仪。它可对五等量块、量棒、钢球、线形及平面精密量具和零件的外型尺寸作精密测量。还可以把光管取下装在机床上，利用量块作标准控制精密加工尺寸之用。立式光学计是高精度光学仪器，要求使用环境无灰尘、无振动、无腐蚀性气体等，室温一般要求(20±3)℃，湿度不大于75%RH，仪器要放置在平稳的工作台上。
关键词：测量原理 仪器结构 测量步骤 注意事项
一、立式光学计相关知识
1、立式光学计主要技术指标
分度值：0.001mm 标尺示值范围： ±0.1mm
仪器测量范围0—180mm
二、立式光学计的测量原理及结构
1、仪器的结构
图1为立时光学计的外形图。它由底座1、立柱5、支臂3、直角光管6和工作台11等几部分组成。
2、测量原理——光学杠杆原理
立式光学计是一种精度较高而结构简单的常用光学量仪。用量块作为长度基准，按比较测量法来测量各种工件的外尺寸。
光学计是利用光学杠杆放大原理进行测量的仪器，其光学系统如图2b所示。照明光线经反射镜1照射到刻度尺8上，再经直角棱镜2、物镜3，照射到反射镜4上。由于刻度尺8位于物镜3的焦平面上，故从刻度尺8上发出的光线经物镜3后成为一平行光束，若反射镜4与物镜3之间相互平行，则反射光线折回到焦平面，刻度尺象7与刻度
尺8对称。若被测尺寸变动
使测杆5推动反射镜4饶支点转动某一角度α（图2a），则反射光线相对于入射光线偏转2α角度，从而使刻度尺象7产生位移t（图2c），它代表被测尺寸的变动量。物镜至刻度尺8间的距离为物镜焦距f，设b为测杆中心至反射镜支点间的距离，s为测杆移动的距离，则仪器的放大比K为：
Ktftg2 sbtg
当很小时，tg22，tg ，因此： K2f b
当光学计的目镜放大倍数为12，f200mm，
b5mm，故仪器的总放大倍数n为：
n12K122f220012960 图一 b5
由此说明，当测杆移动0.001mm时，则标尺的像移动0.96mm的位移量。由于人眼通过目镜观察到的标尺像的刻度间距刚好为0.96mm。 所以光学计的分度值ｉ＝0.001mm。
三、立式光学计的精度分析
仪器误差的客观存在性决定仪器的精度，无论仪器精度有多高，总存在误差。找出产生误差的根源和规律，分析误差对仪器设备的精度的影响，以便合理的选择方案、设计结构，确定参数和设置必要的精度调整和补偿环节，从而在保证经济性的基础上达到理想的精度。可见精度分析是仪器设计中重要一环，通常贯穿于仪器设计制造和使用的全过程。
1、精度分析
精度分析：既指仪器各个零部件误差的合成，也指仪器设计中公差的分配和主要条件的制定，甚至包括考虑为进一步减小仪器误差而需要采取的技术措施。如误差的调整方法，补偿件的设计。从设计角度看，仪器设计也包括精度的设计，即需要合理地确定仪器各个部件乃至零件的精度要求，因此精度分析的各项工作内容是相互联系的。
仪器误差：仪器本身所固有的误差。在仪器制成后，在规定的使用条件下仪器误差就基本固定了。
仪器测量误差： 既包括仪器误差，由包括仪器使用和运行时，因为一些使用的环境条件、测量方法以及测量人员主观因素的等各项原因造成的综合误差，它以测量结果与被测量值的偏差值来表示。
2、仪器误差产生的原因
在仪器的设计、制造和使用的各个阶段可能产生误差，分别称为原理误差制造误差和运行误差。从数学特性来看。原理误差多为系统误差、而制造误差和运行误差多为随机误差。
2.1、原理误差
仪器设计中采用了近似的理论、近似的数学模型、近似的机构和近似的测量控制电路所造成的。原理误差只与仪器的设计有关，与制造和使用无关，下面详细讲述原理误差产生的原因（主要3点）
2.1.1、把仪器实际的非线性特性近似为线性，并采用线性的技术处理非线性特性，引起原理误差。
2.1.2、 数据处理方式上的近似所带来的误差和数值舍位代来的误差。
2.1.3、仪器结构存在原理误差。如：正切、正弦机构，传动方程为非线性而用线性方程处理时，产生误差。采用简单机构代替复杂机构，或用一个主动件的简单机构实现多元函数的作用方程，产生机构原理误差。
2.2、制造误差
制造误差是指仪器的零件、元件、部件和其他各个环节在尺寸、形状、相互位置以及其他参量等方面的制造及装调的不完善所引起的误差。举例：由于内外尺寸的配合间隙，对直线运动造成歪斜误差．对回转起动造成径向跳动误差。….
在设计过程中对制造误差进行控制的方法：
（1）合理地分配误差和确定制造公差
（2）正确应用仪器设计原理和设计原则
（3）合理地确定仪器的结构参数
（4）合理的结构工艺性
（5）设置适当的调整和补偿环节
2.3、减小或消除原理误差影响的方法：
（1）采用更为精确的、符合实际的理论和公式进行设计和参数计算。
（2）研究原理误差的规律，采取技术措施避免原理误差。
（3）采用误差补偿措施。
原理误差产生于仪器设计的过程－－固有误差，系统误差
原理误差使仪器精度下降，设计仪器时首先考虑原理误差，采用不同方法减小或消除其对仪器精度的影响。
分析原理误差的途径：将仪器各个组成环节之间的实际关系与设计、计算时采用的理论关系进行比较，如有差异则存在原理误差。
3、微差比较测量法测量误差分析
任何测量都存在测量误差，量块中心长度测量由于各方面的条件不够理想，往往会有很多误差影响测量的最后结果，现以量块测量中的微差比较测量法为例，说明量块中心长度测量时的误差来源以及测量方法。
3.1主要误差来源
微差比较测量法测量量块中心的长度，是将被检量块与标准量块进行比较，通过比较用仪器读出两者之差，经过计算求出被检量块的中心长度尺寸。由此可以看出，用微差比较法检定量块中心长度时，主要误差来源于标准量块中心长度的检定误差、比较仪器的误差、被检量块长度变动量引起的对中误差，测量温度影响带来的误差以及量块受力变形、量块安放位置等带来的测量误差。下面分析几项主要的误差来源。
①标准量块中心长度测量误差δ1
微差比较法测量量块中心长度，标准量块的中心长度测量误差直接影响到被测量块的测量误差。一般标准量块测量误差以其测量不确定度来表示。
② 仪器误差δ2
微差比较测量时，比较用仪器的误差直接影响到被测量块与标准量块中心长度差值的测得，是量块中心长度测量时一项主要误差来源。仪器误差可以从有关说明书中查到。
③温度误差δ3
大多数相比较的量块热膨胀系数是相近的，即a=as。为化简测量和计算，量块的温度ts和t也不做精确测量，而是通过恒温等措施使ts=t，并使△ts=△t控制在一定范围以内才开始测量。被检量块中心长度用公式：L=Ls+△L表示。
④由于被检量块长度变动量允许偏差而引起的测量误差δ4
中不准而引起中心长度测量误差实际测量时，测帽顶点对量块中心有
一定偏差
⑤接触变形误差δ5
⑥在量块测量中，球形测帽顶点对准量块平面，由于测量力的作用，会产生接触变形。
四、测量步骤
1、接通电源
2、测头的选择：测头有球形、平面形和刀口形三种，根据被测零件表面的几何形状来选择，使测头与被测表面尽量满足点接触。所以，测量平面或圆柱面工件时，选用球形测头。测量球面工件时，选用平面形测头。测量小于10mm的圆柱面工件时，选用刀口形测头。
图
2
图 3
3、选取工作台——带劲工作台（立式立式光学计配有两个工作台，即：带劲工作台用于检定量块，而平面工作台适用于测量球类和轴类零件），并调整工作台的正确位置。
4、将清洗干净并通过规定时间等温的标准量块和被测工件置于仪器工作台上。
5、 调整仪器零位
（1）参看图1，选好量块组后，将测量面置于工作台11的中央，并使测头10对准上测量面中央。
（2）粗调节：松开支臂紧固螺钉4，转动调节螺母2，使支臂3缓慢下降，直到测头与量块上测量面轻微接触，并能在视场中看到刻度尺象时，将螺钉4锁紧。
（3）细调节：松开紧固螺钉8，转动调节凸轮7，直至在目镜中观察到刻度尺象与μ指示线接近为止（图3a）。然后拧紧螺钉8。
（4）微调节：转动刻度尺寸微调螺钉6（图2b），使刻度尺的零线影象与μ指示线重合（图3b）。然后压下测头提升杠杆9数次，使零位稳定。
⑤检查示值 按动拨叉三次，若零线影象变动不超过1/10格，则表示光学比较仪的示值稳定可用
（5）将测头抬起，取下量块。
6、按图1-4分别测量塞规上六个部位处的直径。测量时，将被测塞规按在工作台上，在测头下慢慢滚过，读出刻线象偏离指示线的最大值（估读1/10格），即为被测塞规的实际偏差。
五、测量注意事项：
①测量前应先擦净零件表面及仪器工作台。
②操作要小心，不得有任何碰憧，调整时观察指针位置，不应超出标尺示值范围。
③不要随意转动固定量仪测量部件（如悬臂）的锁紧螺钉、手柄，以防测量部件落下砸坏仪器。
④使用量块时要正确推合，防止划伤量块测量面。
⑤取拿量块时最好用竹摄子夹持，避免用手直接接触量块，以减少手温对测量精度的影晌。
⑥注意保护量块工作面，禁止量块碰撞或掉落地上。
⑦量块用后，要用航空汽油洗净，用绸布擦干并涂上防锈油。 ⑧测量结束前，不应拆开块规，以便随时校对零位。
⑨光学镜头是光学量仪的重要部件，严禁随意用手触摸或用纸、布擦抹或对着镜头呵气。
⑩仪器上的工作面、导轨面是精密表面，不要用手触摸以免生锈。
参考文献
1、《量块计量技术》 王承刚主编 中国计量出版社 TB911 20-3
2、《几何量计量》 教材
3、《几何量计量仪器》 教材
4、《精密测量技术实验指导书》 四川省技术监督学校印制