長(zhǎng)度測(cè)量工具的發(fā)展

1、長(zhǎng)度測(cè)量工具發(fā)展工具簡(jiǎn)介將被測(cè)長(zhǎng)度與已知長(zhǎng)度比較，從而得出測(cè)量結(jié)果的工具，簡(jiǎn)稱測(cè)量工具。長(zhǎng)度測(cè)量工具包括 量規(guī)、量具和量?jī)x。習(xí)慣上常把不能指示量值的測(cè)量工具稱為量規(guī)；把能指示量值，拿在手 中使用的測(cè)量工具稱為量具；把能指示量值的座式和上置式等測(cè)量工具稱為量?jī)x。工具簡(jiǎn)史最早在機(jī)械制造中使用的是一些機(jī)械式測(cè)量工具，例如角尺、卡鉗等。角尺卡鉗1772年和1805年，英國(guó)的J.瓦特和H.莫茲16世紀(jì)，在火炮制造中已開(kāi)始使用光滑量規(guī)。利等先后制造出利用螺紋副原理測(cè)長(zhǎng)的瓦特千分尺和校準(zhǔn)用測(cè)長(zhǎng)機(jī)。瓦特千分尺新型測(cè)長(zhǎng)機(jī)19世紀(jì)中葉以后，先后出現(xiàn)了類似于現(xiàn)代機(jī)械式外徑千分尺和游標(biāo)卡尺的測(cè)量工具。19世紀(jì)末期，出

2、現(xiàn)了成套量塊。112塊成套量塊繼機(jī)械測(cè)量工具出現(xiàn)的是一批光學(xué)測(cè)量工具。19世紀(jì)末，出現(xiàn)立式測(cè)長(zhǎng)儀，20世紀(jì)初，出 現(xiàn)測(cè)長(zhǎng)機(jī)。新式測(cè)長(zhǎng)儀測(cè)長(zhǎng)機(jī)到20年代，已經(jīng)在機(jī)械制造中應(yīng)用投影儀、工具顯微鏡、光學(xué)測(cè)微儀等進(jìn)行測(cè)量。1928年出現(xiàn)氣動(dòng)量?jī)x，它是一種適合在大批量生產(chǎn)中使用的測(cè)量工具。浮標(biāo)式氣動(dòng)量?jī)x電學(xué)測(cè)量工具是 30年代出現(xiàn)的。最初出現(xiàn)的是利用電感式長(zhǎng)度感應(yīng)器制成的界限量規(guī)和輪 廓儀。界限量規(guī)50年代后期出現(xiàn)了以數(shù)字顯示測(cè)量結(jié)果的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。60年代中期，在機(jī)械制造中已應(yīng)用帶有電子計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)至70年代初，又出現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的齒輪量?jī)x，至此，測(cè)量工具進(jìn)入應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)

3、的 階。計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的齒輪量?jī)x工具分類測(cè)量工具通常按用途分為通用測(cè)量工具、專類測(cè)量工具和專用測(cè)量工具 3類。測(cè)量工具還可按工作原理分為機(jī)械、光學(xué)、氣動(dòng)、電動(dòng)和光電等類型。這種分類方法是由測(cè)量工具的發(fā)展歷史形成的。但一些現(xiàn)代測(cè)量工具已經(jīng)發(fā)展成為同時(shí)采用精密機(jī)械、光、電等原理并與電子計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的測(cè)量工具，因此，這種分類方法僅適用于工作原理單一的測(cè)量工具。通用測(cè)量工具可以測(cè)量多種類型工件的長(zhǎng)度或角度的測(cè)量工具。這類測(cè)量工具的品種規(guī)格最多，使用也最廣泛，有量塊、角度量塊、多面棱體、正弦規(guī)、卡尺、千分尺、百分表（見(jiàn)百分表和千分表）、多齒分度臺(tái)、比較儀、激光干涉儀、工具顯微鏡、三座標(biāo)測(cè)量機(jī)等。專類

4、測(cè)量工具用于測(cè)量某一類幾何參數(shù)、 形狀和位置誤差（見(jiàn)形位公差）等的測(cè)量工具。它可分 為：直線度和平面度測(cè)量工具，常見(jiàn)的有直尺、平尺、平晶、水平儀、自準(zhǔn)直儀等；表面粗糙度測(cè)量工具，常見(jiàn)的有表面粗糙度樣塊、光切顯微鏡、干涉顯微鏡和表面粗糙度測(cè)量 儀等（見(jiàn)表面粗糙度測(cè)量）；圓度和圓柱度測(cè)量工具，有圓度儀、圓柱度測(cè)量?jī)x等（見(jiàn)圓 度測(cè)量）；齒輪測(cè)量工具，常見(jiàn)的有齒輪綜合檢查儀、漸開(kāi)線測(cè)量?jī)x、周節(jié)測(cè)量?jī)x、導(dǎo) 程儀等（見(jiàn)齒輪測(cè)量）；螺紋測(cè)量工具（見(jiàn)螺紋測(cè)量）等。專用測(cè)量工具僅適用于測(cè)量某特定工件的尺寸、表面粗糙度、形狀和位置誤差等的測(cè)量工具。常見(jiàn)的有自動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)、自動(dòng)分選機(jī)、單尺寸和多尺寸檢驗(yàn)裝置（見(jiàn)自動(dòng)測(cè)量

5、）等。工具結(jié)構(gòu)工具顯微鏡分小型、大型和萬(wàn)能3種類型，其常見(jiàn)的測(cè)量范圍分別為50X25毫米，150 >75毫米和200 X00毫米。它們都具有能沿立柱上下移動(dòng)的測(cè)量顯微鏡和坐標(biāo)工作臺(tái)。 測(cè)量顯微鏡的總放大倍數(shù)一般為10倍、20倍、50倍和100倍。小型和大型的坐標(biāo)工作臺(tái)能作縱向和橫向移動(dòng)，一般采用螺紋副讀數(shù)鼓輪、讀數(shù)顯微鏡或投影屏讀數(shù)，也有采用數(shù) 字顯示的，分度值一般為 10微米、5微米或1微米。萬(wàn)能工具顯微鏡的工作臺(tái)僅作縱向移 動(dòng)，橫向移動(dòng)由裝有立柱和測(cè)量顯微鏡的橫向滑架完成，一般采用讀數(shù)顯微鏡、投影屏讀 數(shù)或數(shù)字顯示，分度值為 1微米。工具顯微鏡的附件很多，有各種目鏡，例如螺紋輪廓目鏡

6、 、雙像目鏡、圓弧輪廓目鏡等，還有測(cè)量刀、測(cè)量孔徑用的光學(xué)定位器和將被測(cè)件投影放 大后測(cè)量的投影器。此外，萬(wàn)能工具顯微鏡還可帶有光學(xué)分度臺(tái)和光學(xué)分度頭等?；窘M成主要有已知長(zhǎng)度、 定位瞄準(zhǔn)、放大細(xì)分和顯示記錄等部分。量規(guī)基本上只有已知長(zhǎng)度部分。在一些量具、量?jī)x中， 這幾部分也不是截然分開(kāi)的，有的放大細(xì)分和顯示實(shí)際上是一個(gè) 部分，例如百分表類測(cè)量工具 ；有的瞄準(zhǔn)、放大細(xì)分和顯示等部分是一個(gè)部件，例如讀數(shù)顯微鏡等。已知長(zhǎng)度部分主要有兩種形式：經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度計(jì)量的量值傳遞中的傳遞系統(tǒng)檢定過(guò)的長(zhǎng)度和角度，例如 比長(zhǎng)儀中線紋尺上的刻度，激光干涉儀中的激光波長(zhǎng)，長(zhǎng)、圓計(jì)量光柵上分別由密集線條 組成的長(zhǎng)度和角度，

7、角度量塊兩測(cè)量平面間形成的角度等。一些具有準(zhǔn)確形狀的幾何量。例如平晶的光學(xué)測(cè)量平面， 激光準(zhǔn)直儀中的激光束，漸開(kāi)線測(cè)量?jī)x中由基圓盤(pán)、 直尺機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的漸開(kāi)線軌跡和由圓度儀精密軸系等形成的圓軌跡等。定位瞄準(zhǔn)部分用于確定被測(cè)長(zhǎng)度與已知長(zhǎng)度的相對(duì)位置，使兩者能正確地比較，從而得到準(zhǔn)確的量值。有接觸式和不接觸式兩種定位瞄準(zhǔn)方法。放大細(xì)分部分把已知長(zhǎng)度中的最小單位長(zhǎng)度放大細(xì)分，使之能準(zhǔn)確地分辨出已知長(zhǎng)度與被測(cè)長(zhǎng)度的微小差值，主要有機(jī)械、光學(xué)、氣動(dòng)、電學(xué)和光電等類型。機(jī)械型：如采用斜楔、杠桿、齒輪、扭簧等的放大機(jī)構(gòu)和利用游標(biāo)原理的細(xì)分機(jī)構(gòu)等。光學(xué)型：如讀數(shù)顯微鏡的顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)、投影儀的投影光學(xué)系統(tǒng)和自準(zhǔn)直

8、儀的自準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)等。氣動(dòng)型：利用彈性元件、錐度玻璃管等分別將空氣壓力或空氣流量轉(zhuǎn)換放大以便于指示量值，主要用于氣動(dòng)量?jī)x。電學(xué)型：電子放大常用于以模擬量，例如以電壓作為被測(cè)尺寸電信號(hào)輸出的電學(xué)測(cè)微 儀中；電子細(xì)分常用于以脈沖量輸出電信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)，例如感應(yīng)同步器、磁柵等測(cè)量系 統(tǒng)中。光電型：采用光學(xué)方法和電學(xué)方法先后將被測(cè)尺寸轉(zhuǎn)換、放大、細(xì)分，以得到所需 要的分辨率，常用于光柵測(cè)量系統(tǒng)（見(jiàn)光柵測(cè)長(zhǎng)技術(shù)）、激光干涉儀、固體陣列測(cè)量系統(tǒng)（見(jiàn) 長(zhǎng)度傳感器）等。顯示記錄部分用于將測(cè)量結(jié)果顯示、記錄出來(lái)。常見(jiàn)的顯示記錄方法有刻度指示、記錄顯示、數(shù)字顯示和圖象顯示等。刻度指示：利用表盤(pán)和指針等指示量值，或

9、利用其他具有刻度的讀數(shù)裝置，例如讀數(shù)顯微鏡等讀出量值。記錄顯示：用記錄器記錄被測(cè)長(zhǎng)度的誤差曲線，它適用于需要連續(xù)記錄各點(diǎn)誤差以便計(jì)算和分析的測(cè)量，例 如表面粗糙度測(cè)量、圓度測(cè)量和齒輪測(cè)量等。數(shù)字顯示：測(cè)量結(jié)果以數(shù)字形式顯示出來(lái)，它可以避免刻度指示容易讀錯(cuò)的缺點(diǎn)。數(shù)字顯示的方式很多，有數(shù)碼管顯示、液晶顯示、 光學(xué)數(shù)字顯示、機(jī)械式數(shù)字顯示和打印機(jī)打字輸出等。圖象顯示：用陰極射線管 （CRT）以圖象形式將測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái) ，也可用X-Y繪圖儀描繪出來(lái)。這種顯示方法直觀，也便于分 析。需要進(jìn)行計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的測(cè)量工具，尚要配備計(jì)算部分，例如微處理機(jī)或電子計(jì)算機(jī)等。設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)計(jì)測(cè)量工具，應(yīng)盡可能遵守阿貝

10、原則。它是德國(guó)的E.阿貝在19世紀(jì)60年代提出的。他認(rèn)為，在長(zhǎng)度測(cè)量中，被測(cè)長(zhǎng)度應(yīng)位于線紋尺刻度中心線的延長(zhǎng)線上。按此原則設(shè)計(jì)的測(cè)量工具，由導(dǎo)軌直線度誤差引起的測(cè)量誤差是二階誤差，一般可以忽略不計(jì)， 這樣就可以獲得精確的測(cè)量結(jié)果。 但要遵守阿貝原則， 測(cè)量工具的長(zhǎng)度就得大于被測(cè)長(zhǎng)度的兩倍以上。這對(duì)測(cè)量工具的剛度、制造和使用都很不利，對(duì)測(cè)量范圍大的測(cè)量工具，更是如此。這是不少測(cè)量工具的設(shè)計(jì)沒(méi)有遵循阿貝原則的原因之一。在測(cè)量工具設(shè)計(jì)中也可采用愛(ài)賓斯坦平行光學(xué)系統(tǒng)（見(jiàn)測(cè)長(zhǎng)機(jī)）來(lái)補(bǔ)償由于導(dǎo)軌誤差引起的測(cè)量誤差，或采用電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)修正由于導(dǎo)軌誤差和被測(cè)長(zhǎng)度定位不正確等引起的測(cè)量誤差。除了阿貝原則外，設(shè)

11、計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的還有測(cè)量鏈最短原則、基面統(tǒng)一原則等。測(cè)景方法工具顯微鏡主要用於測(cè)量螺紋的幾何參數(shù)、金屬切削刀具的角度、樣板和模具的外形 尺寸等，也常用於測(cè)量小型工件的孔徑和孔距、圓錐體的錐度和凸輪的輪廓尺寸等。工具顯微鏡的基本測(cè)量方法有影像法和軸切法。影像法：利用測(cè)量顯微鏡中分劃板上的標(biāo)線瞄準(zhǔn)被測(cè)長(zhǎng)度一邊后，從相應(yīng)的讀數(shù)裝置中讀數(shù)，然后移動(dòng)工作臺(tái)（或橫向滑架），以同一標(biāo)線瞄準(zhǔn)被測(cè)長(zhǎng)度的另一邊，再作第二次讀數(shù)。兩次讀數(shù)值之差即被測(cè)長(zhǎng)度的量值。圖2用影象法測(cè)量樣板尺寸 為利用影像法測(cè)量樣板的 L尺寸。軸切法：測(cè)量過(guò)程與影像法相同，但瞄 準(zhǔn)方法不同。測(cè)量時(shí)分劃板上的標(biāo)線不直接瞄準(zhǔn)被測(cè)長(zhǎng)度的兩邊，而瞄準(zhǔn)與

12、被測(cè)長(zhǎng)度相切的 測(cè)量刀上寬度為3微米的刻線，以此來(lái)提高瞄準(zhǔn)精度精度評(píng)定主要是評(píng)定測(cè)量工具在規(guī)定條件下的測(cè)量精確度。常見(jiàn)的評(píng)定方法有檢定法、比對(duì)法和誤差分離法。檢定法測(cè)量工具按檢定規(guī)程檢定合格后，方能使用。一般是利用長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器檢定，例如： 用量塊檢定千分尺和卡尺；用標(biāo)準(zhǔn)線紋尺檢定比長(zhǎng)儀和測(cè)長(zhǎng)機(jī)等。比對(duì)法利用兩臺(tái)以上相同精度等級(jí)的測(cè)量工具相互對(duì)比，以確定其精確度。這種尊、方法適用于評(píng)定一些精度等級(jí)很高的測(cè)量工具，例如激光干涉儀、激光干涉比長(zhǎng)儀等，因?yàn)閷?duì)于這類高精度的測(cè)量工具，沒(méi)有合適精度的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器可供檢定之用。誤差分離法適用于一些高精度（形狀誤差?。┖途哂蟹忾]圓周角的測(cè)量工具。例如檢定1級(jí)平晶，

13、如待檢的三塊平晶1、2、3的平面度誤差分別為x、y、z,貝U把它們按1與2,2與3,3與1組合起來(lái)互檢平面度。得出的量值分別為a、b、c。列出方程式x+y=a, y+z=b , x+z=c。解方程式后即可求出 x、y、z的量值。此外，檢定圓度儀和多齒分度臺(tái)也可用這種方法。常用 石英玻璃球圓度儀和多齒分度臺(tái)也可用這種方法。常用石英玻璃球檢定圓度儀，因玻璃球等也有誤差，所以利用多次轉(zhuǎn)位方法分離出玻璃球和圓度儀精密軸系各自的誤差。多齒分度臺(tái)也是利用其具有封閉圓周的特性，把兩臺(tái)多齒分度圓臺(tái)重疊在一起，各自向相反方向依次轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)相同的角度，從單色光自準(zhǔn)直儀中讀出其量值，把一系列測(cè)得的量值處理后從中求得每

14、臺(tái)各自的分度誤差。輕、精、快將是未來(lái)的測(cè)量設(shè)備發(fā)展主題談到未來(lái)模具測(cè)量設(shè)備會(huì)是怎樣的趨勢(shì)時(shí)，我腦中第一閃現(xiàn)的就是Arthur L.Schawlow和Charles H.Townes兩位博士，因?yàn)槿舨皇撬麄冊(cè)?20世紀(jì)50年代發(fā)明的美國(guó)專利-激光和 激光器，我們的制造業(yè)就不會(huì)發(fā)生今天翻天覆地的變化了。而這個(gè)變化也包括了題目的主題：測(cè)量。大家可能對(duì)這樣的工作場(chǎng)景仍然記憶猶新，以模具為例，用手工測(cè)量獲得數(shù)據(jù)、手工記錄數(shù)據(jù)和打樣，若產(chǎn)品合格則生產(chǎn)，不合格則重復(fù)以上步驟（材料、人力的浪費(fèi)不計(jì)）。早期的手動(dòng)式測(cè)量?jī)x是由操作者用手握住主軸使其沿著軸移動(dòng)，測(cè)量時(shí)測(cè)量誤差極易產(chǎn)生， 如探頭與工件間測(cè)量壓力，探頭

15、移動(dòng)因加速度造成軸產(chǎn)生彎曲導(dǎo)致測(cè)量誤差。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的改進(jìn)是：由游戲桿控制來(lái)簡(jiǎn)易操作，減少誤差。CN3三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)則加入了計(jì)算機(jī)預(yù)設(shè)定程序，可以自動(dòng)執(zhí)行測(cè)量功能。這些坐標(biāo)測(cè)量機(jī)都是以機(jī)械系統(tǒng)為主要部件，即由互成直角的三個(gè)測(cè)量方向的三軸導(dǎo)軌為主要部件，一般采用氣浮導(dǎo)軌、 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、光杠/皮帶或齒輪/齒條等傳動(dòng)方式。它還有一個(gè)測(cè)頭系統(tǒng)，電氣控制硬件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件 系統(tǒng)。但是現(xiàn)在我們有了激光，當(dāng)激光技術(shù)成功運(yùn)用于測(cè)量時(shí)，其精確度和準(zhǔn)確度是令人贊嘆的，更重要的是它可以更加省時(shí)、高效、節(jié)省成本和提高產(chǎn)品品質(zhì)。在發(fā)達(dá)國(guó)家，激光測(cè)量機(jī)已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)式的機(jī)械式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x。模具制造正在步入

16、數(shù)字時(shí)代，生產(chǎn)中的信息都會(huì)用3D數(shù)據(jù)來(lái)準(zhǔn)確表示物體原型，輕松點(diǎn)擊生成測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)表，測(cè)量工作推動(dòng)質(zhì)量保障，高精度的測(cè)量，大大縮短的交貨日期，一道工序就會(huì)加快公司的投資回報(bào)率。讓測(cè)量變得如游戲般輕松”，現(xiàn)在和未來(lái)的在線測(cè)量，要求測(cè)量設(shè)備的便攜， 這樣才能真正在生產(chǎn)制造環(huán)境中使用，可隨處進(jìn)行測(cè)量工作，并且都能創(chuàng)造出高效率。這一切都證實(shí)了便攜式的手提電腦已經(jīng)大行其道。又要說(shuō)回到美國(guó)的另兩個(gè)博士：Simon Raab先生和Greg Fraser先生，這兩個(gè)法如科技的創(chuàng)始人，他們以其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里的專長(zhǎng)，依據(jù)人的手臂的靈活性， 發(fā)明出了基于激光原理技術(shù)的測(cè)量?jī)x器，它是一種集合了激光、機(jī)械、電子計(jì)算機(jī)于一體的

17、萬(wàn)能型的人體工程學(xué) 測(cè)量?jī)x器。當(dāng)被測(cè)模件放入測(cè)量空間中，通過(guò)角度激光光柵編碼和激光探測(cè)頭來(lái)采集數(shù)據(jù)， 并將這些點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)值經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理，擬合形成測(cè)量元素，再經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算的方法得出其外形位置公差及其他幾何量數(shù)據(jù)，大大改變了傳統(tǒng)的通過(guò) X、Y、Z三軸機(jī)電裝置及其直線標(biāo)尺系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法。而產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，必定要用便攜式的激光測(cè)量機(jī)，達(dá)到大批量、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化生產(chǎn)的要求，從而帶來(lái)成本優(yōu)勢(shì)，使之能夠獲得很高的投資回報(bào)。模具技術(shù)水平的高低，已成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平高低的重要標(biāo)志，并在很大程度上決定著產(chǎn)品質(zhì)量、 效益和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力。 在中國(guó)，人們已經(jīng)越來(lái)越熟悉到測(cè)量檢測(cè)的 重要性，恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量設(shè)備不但可以幫助用戶輕而易舉的提高產(chǎn)品質(zhì)量，更會(huì)提高生產(chǎn)效率， 所以對(duì)于制造業(yè)先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備給用戶提供先進(jìn)的測(cè)量解決方案，得到高的投資回報(bào)率。 未來(lái)中國(guó)的模具的發(fā)展也會(huì)越來(lái)越大型化，精度要求也越來(lái)越高， 多