3.2 立式光学计测量轴径实验

3.2.1 实验背景

测量长度尺寸器具大致分两类：一类是有刻线和标尺的各种通用量具或仪器，如游标量具、分厘量具、表类及各种测微仪，使用这些器具能够测得工件的实际尺寸或其偏差；另一类是没刻线的测量器具，如各种报限量规，用量规不能测得工件实际尺寸的大小，只能确定被测工件是在报限尺寸范围内。随着现代科学技术的发展，光栅、激光、数显等技术已广泛用于长度测量中。

3.2.2 实验目的

（1）学习光学计的结构原理和使用方法。

（2）掌握测量外径尺寸的方法。

（3）学习直接测量结果的处理方法。

3.2.3 实验仪器及设备

（1）投影立式光学计。

（2）标准量块。

3.2.4 实验内容

（1）实验前要预习有关章节的内容。实验时严格按操作规程操作，认真记录实验数据，对同一圆柱零件固定部位进行多次（10次）重复测量，并计算测量结果。

（2）实验后认真整理实验数据并根据轴件的尺寸和形状公差，给出适用性结论。

（3）按实验报告的规定格式完成实验报告。

3.2.5 实验原理

投影立式光学计是一种精度较高而结构简单的常用光学量仪，结构如图3-3所示。它采用量块作为长度基准，用相对测量方法来测量各种工件的外形尺寸。

光学计是利用光线反射现象产生放大作用（即光学杠杆放大原理）进行测量的仪器。光学杠杆变换是利用光路方向变化，将测杆的位移转换为标尺影象的位移。测量光管14插入仪器主体横臂7内，测量管内装有准直物镜、平面反光镜及光学杠杆放大系统的测量杆，测帽13装在测量杆上，测量杆上下移动时，使其上端的钢珠顶起平面反光镜倾斜一个φ角，其平面反光镜与测量杆由两个抗拉弹簧牵制，对被测件有一定的压力。测量杆的上下升降是借助于测帽提升器9的杠杆作用而实现的。测帽提升器9上有一个滚花螺钉，可调节其上升的距离，以便将工件方便地推入测帽下端，并靠两个抗拉弹簧的压力使测帽与被测件良好地接触。投影灯1安装在光学计管顶端的支柱上，并用固定螺钉固紧，其电源线接在6V的低压变压器上，照明灯的功率是15W，投影下端装有滤色片组，也可根据需要将滤色片组拧下来获得白光照明。工作台在形状上有大小和平面与带筋面之分，在应用时又有固定式与调整式之分，在测量前应根据被测件的表面形状对工作台进行选择使测量的接触面最小。对于可调整的工作台还应对其进行较对使工作台平面与测帽平面保持平行。

投影立式光学计的测量原理如图3-4所示。由白炽灯泡1发出的光线经聚光镜2和滤色片6，再通过隔热玻璃7、照明分划板8的刻线面，再通过反射棱镜9后射向准直物镜12。由于照明分划板8的刻线面置于准直物镜12的聚焦平面上，所以成像光束通过准直物镜12后成为一束平行光入射到平面反光镜13上，根据自准直原理，分划板刻线的像被平面反光镜13反射后，再经准直物镜12被反射棱镜9反射成像在投影物镜4的物平面上，然后通过投影物镜4、直角棱镜3和反光镜5成像在投影屏10上，通过读数放大镜11观察投影屏10上的刻线像。

图3-3 投影立式光学计结构图

1—投影灯 2—螺钉 3—支柱 4—零位微动螺钉 5—主柱 6—横臂固定螺钉 7—横臂 8—微动偏心手轮 9—测帽提升器 10—工作台调整螺钉 11—工作台 12—变压器 13—测帽 14—光管 15—微动托圈固定螺钉 16—光管定位螺钉 17—微动托圈

图3-4 投影立式光学计的光学系统图

1—炽灯泡 2—聚光镜 3—直角棱镜 4—投影物镜 5—反光镜 6—滤色片 7—隔热玻璃 8—照明分划板 9—反射棱镜 10—投影屏 11—读数放大镜 12—准直物镜 13—平面反光镜 14—测量杆 15—测帽

所谓自准直原理，如图3-5所示。在图3-5（a）中，位于物镜焦点上的物体（目标）C发出的光线经物镜折射后成为一束平行于主光轴（一条没有经过折射的光线称主光轴）的平行光束。光线前进若遇到一块与主光轴相垂直的平面反射镜，则仍按原路反射回来，经物镜后光线仍会聚在焦点上，并造成目标的实像C′与目标C完全重合。若使平面反射镜对主光轴偏转一个微小角度α（图3-5），则平面反射镜镜面的法线也转过α角，所以反射光线就转过2α角。反射光线经物镜后，会聚于焦平面上的C″，C″是目标C的像，与C的距离为L，从图上可知：

式中：f——物镜的焦距。

图3-5 自准直原理示意图

平面反射镜偏转角度α愈大，则像C″偏离目标C的距离L也愈大，这样，可用目标像C″的位置偏离值来确定平面反射镜的偏转角度α，这就是自准直原理。若在主光轴的轴线上安装一个活动的测量杆，如图3-5（b）所示，测量杆2的一端与平面反射镜1接触，同时平面反射镜可绕支轴M摆动。如果测量杆2发生移动，就推动了平面反射镜1围绕支轴M摆动测量杆2的移动量S与平面反射镜1的摆动偏转角α的关系是正切关系，由图可知：

式中：a——测量杆至支轴M的距离，称为臂长。

通过一块平面反射镜把正切杠杆机构与自准直系统联系在一起，这样，测量杆1作微量位移s，推动了平面反射镜2偏转α角，于是目标像C″移动了距离l。只要把l测量出来，就可以求出测量杆1的移动量S，这就是光学计管的工作原理。目标像的移动量L与测量杆的移动量S的比值称作光学计管的光学杠杆放大比，用K表示，则

当α很小时，可取tan2α≈2α，tanα≈α，简化而得：K=2f/a。

一般光学计管的物镜焦距f=200mm，臂长a=5mm，代入上式得：K=2×200/5=80（倍）。因此，光学计的光学杠杆放大比为80倍，当测量杆移动1μm时，目标像就移动了80μm。为了测出目标像C″的移动，将目标C做成分度尺形式。分度尺的分度值为0.001mm，因此它的刻度间隔为：0.001×K=0.001×80=0.08mm，分度尺共有±100个刻度，其示值范围为±0.1mm。分度尺的像通过一个目镜来观察，目镜的放大倍数为12倍。这样，光学计管的总放大倍数为12K=960倍。也就是说当测量杆位移1μm时，经过960倍的放大，相当在明视距离下看到的刻线移动了将近1mm。

3.2.6 实验步骤

1.选择测帽

测平面或圆柱面用球测帽，测小于10mm的圆柱面用刀口形测帽，测球面用平测帽。

2.组合量块

按被测件的基本尺寸组合量块。

3.调整仪器零位

将组合好的干净量块放在工作台上，将横臂下降，使测量帽与量块接触，直到投影屏上出现分划板刻线时，固紧横梁螺钉，松开横臂前胶木螺钉，转动微动手轮，使刻线零位与指标线重合，固紧胶木螺钉，零位如有所偏移，需调节螺丝，并多次拔动测帽提升器，直到刻线零位与指标线严格重合后，才可进行测量。

4.重复测量

取下量块，将被测件放在工作台上缓慢来回滚动，记下刻尺上最大值（转折点），在一个零件同一部位重复10次测量，逐次记下数据。

3.2.7 实验结果

计算测量结果，得出适用性结论，并分析测量误差产生的原因。

3.2.8 注意事项

测量前要选择合适的测量帽。

思考题

采用游标卡尺与立式光学计测量轴类零件外径的精度哪个更高一些？