常用精密量具、量仪 第一节：水平仪 水平仪是测量角度变化的一种常用量具，主要用于测量机件相互位置的水平位置和设备安装时的平面度、直线度和垂直度，也可测量零件的微小倾角。 常用的水平仪有条式水平仪、框式水平仪和数字式光学合象水平仪等。 一 条式水平仪 图7-1是钳工常用的条式水平仪。条式 水平仪由作为工作平面的V型底平面和与工 作平面平行的水准器 (俗称气泡)两部分组 成。工作平面的平直度和水准器与工作平面 的平行度都做得很精确。当水平仪的底平面 放在准确的水平位置时，水准器内的气泡正 好在中间位置 (即水平位置)。 在水准器玻 璃管内气泡两端刻线为零线格的刻度，刻线 条式水平仪 仪的底平面与水平位置有微小的差别时，也就是水平仪底平面两端有高低时，水准器内的气泡由于地心引力的作用总是往水准器的最高一侧移动，这就是水平仪的使用原理。两端高低相差不多时，气泡移动也不多，两端高低相差较大时，气泡移动也较大，在水准器的刻度上就可读出两端高低的差值。 表7-1 水平仪的规格 品种 外形尺寸（mm） 分度值 长 阔 高 组别 (mm/m) 框式 100 25～35 100 Ⅰ 0.02 150 30～40 150 200 35～40 200 250 40～50 250 Ⅱ 0.03～0.05 300 300 条式 100 30～35 35～40 150 35～40 35～45 200 40～45 40～50 Ⅲ 0.06～0.15 250 300 条式水平仪的规格见表7-1。条式水平仪分度值的说明，如分度值0.03mm／m，即表示气泡移动一格时，被测量长度为1m的两端上，高低相差0.03mm。再如，用200mm长，分度值为0.05mm／m的水平仪，测量400mm长的平面的水平度。先把水平仪放在平面的左侧，此时若气泡向右移动二格，再把水平仪放在平面的右侧，此时若气泡向左移动三格，则说明这个平面是中间高两侧低的凸平面。中间高出多少毫米呢？从左侧看中间比左端高二格，即在被测量长度为1m时，中间高2×0.05=0.10mm，现实际测量长度为200mm，是1m的 ，所以，实际上中间比左端高0.10× = 0.02mm。从右侧看：中间比右端高三格，即在被测量长度为1m时，中间高3×0.05=0.15mm，现实际测量长度为200mm，是1m的 ，所以，实际上中间比右端高0.15× =0.03mm。由此可知，中间比左端高0.02mm，中间比右端高0.03mm，则中间比两端高出的数值为(0.02+0.03)÷2=0.025mm 二 框式水平仪 图7-2是常用的框式水平仪，主要由框架1和弧形玻璃管主水准器2、调整水准3组成。利用水平仪上水准泡的移动来测量被测部位角度 的变化。 框架的测量面有平面和V形槽，V形槽便于在圆柱 面上测量。弧形玻璃管的表面上有刻线，内装(或 酒精) ,并留有一个水准泡，水准泡总是停留在玻璃管 内的最高处。若水平仪倾斜一个角度，气泡就向左或向 右移动，根据移动的距离(格数) ,直接或通过计算即可 知道被测工件的直线度，平面度或垂直度误差。 水平仪工作原理(图7-3),精度为0.02mm/1000mm的 水平仪玻璃管，曲率半径R=103132mm，当平面在1000mm 图7-2 框式水平仪 长度中倾斜0.02mm，则倾斜角为： 1-框架 2-主水准器 3-调整水准 水准泡转过的角度应与平面转过的角度 相等，则水准泡移动的距离(1格) 为： 图7-3 框式水平仪工作原理 水平仪的读数方法有直接读数法和平均读数法两种。 1)直接读数法 以气泡两端的长刻线作为零线，气泡相对零线移动格数作为读数，这种读数方法最为常用，见图7-4。 (a) (b) (c) 图7-4 直接读数法 图7-4a表示水平仪处于水平位置，气泡两端位于长线b表示水平仪逆时针方向倾斜，气泡向右移动，图示位置读数为“+2”；图7-4c表示水平仪顺时针方向倾斜，气泡向左移动，图示位置读数为“-3”。 2)平均读数法 由于环境温度变化较大，使气泡变长或缩短，引起读数误差而影响测量的正确性，可采用平均读数法，以消除读数误差。 平均读数法读数是分别从两条长刻线起，向气泡移动方向读至气泡端点止，然后取这两个读数的平均值作为这次测量的读数值。 图7-5a表示，由于环境温度较高，气泡变长，测量位置使气泡左移。读数时，从左边长刻线b表示，由于环境温度较低，气泡缩短，测量位置使气泡右移，按上述读数方法，读数分别为“+2”和“+1 框架水平仪的使用方法： 1 框架水平仪的两个V形测量面是测量精度的基准，在测量中不能与工作的粗糙面接触或摩擦。安放时必须小心轻放，避免因测量面划伤而损坏水平仪和造成不应有的测量误差。 2 用框架水平仪测量工件的垂直面时，不能握住与副侧面相对的部位，而用力向工件垂直平面推压，这样会因水平仪的受力变形，影响测量的准确性。正确的测量方法是手握持副测面内侧，使水平仪平稳、垂直地（调整气泡位于中间位置）贴在工件的垂直平面上，然后从纵向水准读出气泡移动的格数。 3 使用水平仪时，要保证水 正确 错误 平仪工作面和工件表面的清洁，以 防止脏物影响测量的准确性。测量 水平面时，在同一个测量位置上， 应将水平仪调过相反的方向再进行 测量。当移动水平仪时，不允许水 平仪工作面与工件表面发生摩擦， 应该提起来放置。如图7-6所示。 图7-6 水平仪的使用方法 4 当测量长度较大工件时，可将工件平均分若干尺寸段，用分段测量法，然后根据各段的测量读数，绘出误差坐标图，以确定其误差的最大格数。如图7-7所示。床身导轨在纵向垂直平面内直线度的检验时，将方框水平仪纵向放置在刀架上靠近前导轨处(图7-7中位置A)，从刀架处于主轴箱一端的极限位置开始，从左向右移动刀架，每次移动距离应近似等于水平仪的边框尺寸(200mm)。依次记录刀架在每一测量长度位置时的水平仪读数。将这些读数依次排列，用适当的比例画出导轨在垂直平面内的直线度误差曲线。水平仪读数为纵坐标，刀架在起始位置时的水平仪读数为起点，由坐标原点 起作一折线段，其后每次读数都以前折线段的终点为起点，画出应折线段，各折线段组成的曲线，即为导轨在垂直平面内直线度曲线。曲线相对其两端连线的最大坐标值，就是导轨全长的直线度误差，曲线上任一局部测量长度内的两端点相对曲线两端点的连线坐标差值，也就是导轨的局部误差。 A、B水平仪 图7-7 纵向导轨在垂直平面内的直线度检验 例 一台床身导轨长度为1600mm的卧式车床，用尺寸为200mm×200mm、精度为0.02mm／lOOOmm的方框水平仪检验其直线段，使每段长度为水平仪边框尺寸(200mm)，分段测得水平仪的读数为：+1、+2、+1、0、-1、0、-1、-0.5。根据这些读数画出误差曲线)。作图的坐标为：纵轴方向每一格表示水平仪气泡移动一格的数值；横轴方向表示水平仪的每段测量长度。作出曲线后再将曲线的首尾(两端点)连线I-I。并经曲线的最高点作垂直于水平轴方向的垂线与连线相交的那段距离n，即为导轨的直线度误差的格数。从误差曲线图可以看到，导轨在全长范围内呈现出中间凸的状态，且凸起值最大在导轨600mm-800mm 5+1 +2 +1 0 -1 5 +1 +2 +1 0 -1 0 -1 -0.5 4 4 3 3 Ⅰ2 Ⅰ 2 1 1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Ⅰ 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Ⅰ 导轨长/mm 图7-8 导轨在垂直平面内直线度误差曲线图 将水平仪测量的偏差格数换算成标准的直线度误差值δ 式中 ——误差曲线中的最大误差格数； ——水平仪的精度(0.02mm／lOOOmm)； ——每段测量长度(mm)。 按误差曲线 机床工作台面的平面度检验方法如图7-9所 示，工作台及床鞍分别置于行程的中间位置，在工作 台面上放一桥板，其上放水平仪，分别沿图示各测量 方向移动桥板，每隔桥板跨距d记录一次水平仪读数。 通过工作台面上A、B、D三点建立基准平面，根据水 平仪读数求得各测点平面的坐标值。 误差以任意300mm测量长度上的最大坐标值计。 标准规定允差见表7-2。 图7-9 检验工作台面的平面度 表7-2 工作台面的平面度允差 mm 工作台直径 ≧500 ?500～630 ?630～1250 ?1250～2000 在任意300mm测量 0.02 0.025 0.03 0.035 长度长允差值 测量大型零件的垂直度时，如图7-10a 所示，用水平仪粗调基准表面到水平。分别在基 准表面和被测表面上用水平仪分段逐步测量并用 图解法（图7-8）确定基准方位，然后求出被测 表面相对于基准的垂直度误差。 测量小型零件时，如图7-10b所示，先将水 平仪放在基准表面上，读气泡一端的数值，然后 用水平仪的一侧紧贴垂直被测表面，气泡偏离第 一次（基准表面）读数值，即为被测表面的垂直 (a) (b) 度误差。 图7-10 水平仪垂直度测量 7 水平仪使用完后，应涂上防锈油并妥善保管好。 三 光学合像水平仪 光学合像水平仪，广泛用于精密机械中，测量工件的平面度、直线度和找正安装设备的正确位置。 1 合像水平仪的结构和工作原理 合像水平仪主要由测微螺杆、杠杆系统、水准器、光学合像棱镜和具有V型工作平面的底座等组成，图7-10所示。 水准器安装在杠杆架的底板上，它的水平位置用微分盘旋钮通过测微螺杆与杠杆系统进行调整。水准器内的气泡圆弧，分别用三个不同方向位置的棱镜反射至观察窗，分成两个半像，利用光学原理把气泡像复合放大(放大5倍)，提高读数精度，并通过杠杆机构提高读数的灵敏度和增大测量范围。 当水平仪处于水平位置时，气泡A与B重合，见图7-10c。当水平仪倾斜时，气泡A与B不重合，见图7-10d。 测微螺杆的螺距P=0.5mm，微分盘刻线等分。微分盘转过一格，测微螺杆上螺母轴向移动0.005mm。 使用方法 将水平仪放在工件的被测表面上，眼睛看窗口1，手转动微分盘，直至两个半气泡重合时进行读数。读数时，从窗口4读出毫米数，从微分盘上读出刻度数。 图7-10 数字式光学合像水平仪 1、4-窗口；2-微分盘旋钮；3-微分盘；5-水平仪底座；6-玻璃管；7-放大镜； 8-合成棱镜；9、11-弹簧；10-杠杆架；12-指针；13-测微螺杆。 例，分度值为0.01mm/1000mm的光学合像水平仪微分盘上的每一格刻度表示在1m长度上，两端的高度差为0.01mm。测量时，如果从窗口读出的数值为1mm，微分盘上的刻度数为16，这次测量的读数就是1.16mm，即被测工件表面的倾斜度，在1m长度上高度差为1.16mm。如果工件的长度小于或大于1m时，可按正比例方法计算: 使用特点 1) 测量工件被测表面误差大或倾斜程度大时，使用框式水平仪，气泡就会移至极限位置而无法测量，光学合像水平仪就设有这一弊病。 2) 环境温度变化对测量精度有较大的影响，所以使用时应尽量避免工件和水平仪受热。 第二节：光学平直仪 一、仪器用途: 光学平直仪又称自准直仪，是一种光学测角仪器它是利用光学自准直原理来观测目标位置的变化，广泛应用于直线度和平面度的测量。 它和多面棱体配合可以检测分度机构的分度误差；此外，还可测量零部件的垂直度、平行度等。 二、测量原理： 1、平行光管原理 当位于物镜焦面上的分划板被光源照亮后，从分划板上发出的光，经过物镜后，即形成平行光，这样的光学系统结构，就叫做平行光管。如图2—1所示: 2、自准直光管原理 图2—2为自准直光管的工作原理: 图2-2 自准直光管的工作原理 十字线与其倒像之间将错开距离t为： t---称为偏离量 当α很小时，t=2fa 3、自准仪的测微原理 应用自准直光管的工作原理，再加上测微机构而设计制造的计量仪器，被称之为自准直仪。 只要用自准直仪的测微机构测出上式中距离t,就可得出反射镜的角度变化值。这就是自准直仪测量微小角度的基本原理。 三、组成： 自准直仪通常由三部分组成: 1.体外反射镜 2.物镜光管部件 3.测微目镜部件 由于分划板和各个光学元件的位置、结构不同，自准直仪有以下三种基本光路。 四、仪器的操作与使用 1、将仪器主体放置在被测件的一端或被测件以外稳固的基础上，反射镜座放在被测件上，并且要与仪器主体在同一水平面内； 2、接通电源后，将反射镜座靠近自准直仪的主体，使反射镜正对物镜，使十字线像出现在目镜视场的正中或附近； 3、仔细地沿测量方向移动反射镜座，在各预定测量位置上读数，并进行数据处理。 五、注意事项 1、当体外反射镜安放在桥板上时，仪器的线性分度值与桥板长度有关 2、关于仪器的分度值 在仪器说明书中有表示为（≈1秒）。仪器物镜的焦距f物为400mm，仪器若按分度值为1”使用时，每一个分度就有0.03’’误差。所测角值范围较大，仪器仍按1”分度值使用时，要注意修正。 3、体外反射镜对其底面是垂直的，一般在仪器出厂时都已调好。如需调整，可在精密平板上用自准直仪观测标准的垂直反射面，以此调整反射镜。调整必须特别仔细，任何过重的压力都足以使反射镜变形甚至破损。 4、在测量过程中，自准直仪主体除在改变测位时需要移动之外，不能有任何位移，否则将严重影响测量结果。 六、仪器的主要技术参数 1、分度值 0.005/1000≈1角／秒 2、物镜焦距 400mm 3、目镜放大倍数 20倍 4、示值范围 ±500格 5、最大测距 5000mm 6、示值误差 当测微鼓轮不超过一圈时 ±(0.5+0.01n)格 当刻度鼓超过一圈时 ±(1.5+0.01n)格 n----为测量时测微鼓轮转过的格数 第三节：经纬仪 一、结构 经纬仪（主要常用部件）： 经纬仪结构机器部件 1望远镜制动螺旋 2 望远镜 3 望远镜微动螺旋 4 水平制动 5 水平微动螺旋 6 脚螺旋 9 光学瞄准器 10物镜调焦 11目镜调焦 12 度盘读数 HYPERLINK /view/2921.htm \t _blank 显微镜调焦 13 竖盘指标管水准器微动螺旋 14 光学对中器 15 基座圆水准器 16 仪器基座 17 竖直度盘 18 垂直度盘照明镜 19 照准部管水准器 20水平度盘位置变换手轮 望远镜与竖盘固连，安装在仪器的支架上，这一部分称为仪器的照准部，属于仪器的上部。望远镜连同竖盘可绕横轴在垂直面内转动，望远镜的视准轴应与横轴正交，横轴应通过水盘的刻画中心。照准部的数轴（照准部旋转轴）插入仪器基座的轴套内，照准部可以作水平转动。 二、分类 经纬仪根据度盘刻度和读数方式的不同，分为游标经纬仪，光学经纬仪和电子经纬仪。目前我国主要使用光学经纬仪和电子经纬仪，游标经纬仪早已淘汰。 电子经纬仪 光学经纬仪 光学经纬仪 电子经纬仪 光学经纬的水平度盘和竖直度盘用玻璃制成，在度盘平面的周诶边缘刻有等间隔的分划线，两相邻分划线间距所对的圆心角称为度盘的格值，又称度盘的最小分格值。一般以格值的大小确定精度，分为： DJ6 度盘格值为1° DJ2 度盘格值为20＇ DJ1 （T3）度盘格值为4＇ 按精度从高精度到低精度分：DJ07,DJ1,DJ2,DJ6,DJ30等（D,J分别为大地和经纬仪的首字母） 经纬仪是测量任务中用于测量角度的精密测量仪器，可以用于测量角度、工程放样以及粗略的距离测取。整套仪器由仪器、脚架部两部分组成。 应用举列(已知A、B两点的坐标，求取C点坐标)： 是在已知坐标的A、B两点中一点架设仪器（以仪器架设在A点为列），完成安置对中的基础操作以后对准另一个已知点（B点），然后根据自己的需要配置一个读数1并记录，然后照准C点（未知点）再次读取读数2。读数2与读书1的差值既为角BAC的角度值，再精确量取AC、BC的距离，就可以用数学方法计算出C点的精确坐标。 一些建设项目的工地上，我们会经常看到一些技术人员架着一台仪器在进行测量工作，他们所使用的仪器就是经纬仪。经纬仪最初的发明与航海有着密切的关系。在十五 十六世纪，英国、法国等一些发达国家，因为航海和战争的原因，需要绘制各种地图、海图。最早绘制地图使用的是 HYPERLINK /view/184365.htm \t _blank 三角测量法，就是根据两个已知点上的观测结果，求出远处第三点的位置,但由于没有合适的仪器，导致 HYPERLINK /view/980267.htm \t _blank 角度测量手段有限，精度不高，由此绘制出的地形图精度也不高。而经纬仪的发明，提高了角度的观测精度，同时简化了测量和计算的过程，也为绘制地图提供了更精确的数据。后来经纬仪被广泛地使用于各项工程建设的测量上。经纬仪包括基座、度盘（水平度盘和竖直度盘）和照准部三个部分。基座用来支撑整个仪器。水平度盘用来测量水平角。照准部上有望远镜、水准管以及读数装置等等。 三、工作原理 经纬仪是测量工作中的主要测角仪器。由望远镜、水平度盘、竖直度盘、水准器、基座等组成。测量时，将经纬仪安置在三脚架上，用 HYPERLINK /view/2502832.htm \t _blank 垂球或光学对点器将仪器中心对准地面测站点上，用水准器将仪器定平，用望远镜瞄准测量目标，用水平度盘和竖直度盘测定水平角和竖直角。按精度分为精密经纬仪和普通经纬仪；按读数设备可分为光学经纬仪和游标经纬仪；按轴系构造分为复测经纬仪和方向经纬仪。此外，有可自动按编码穿孔记录度盘读数的编码度盘经纬仪；可连续自动瞄准空中目标的自动跟踪经纬仪；利用陀螺定向原理迅速独立测定地面点方位的陀螺经纬仪和 HYPERLINK /view/2460227.htm \t _blank 激光经纬仪；具有经纬仪、子午仪和天顶仪三种作用的供天文观测的全能经纬仪；将摄影机与经纬仪结合一起供地面摄影测量用的摄影经纬仪等。 四、仪器的使用 （一）置中 1、垂球对中 将三脚架架于测站点之上，悬挂垂球于三脚架三角基座下面的中心固定螺旋的弦线上，并使之对准站点中心，压脚架之脚尖入土中，使三脚架稳固。 仪器从箱中取出，一手握扶照准部，一手握住三角基座，小心地放于三角架头上，转动中心固定螺旋，将仪器轻轻地固定于脚架上，再转动脚螺旋（16），使园水泡（20）居中，将仪器在三角架上精细地移动，使垂球尖端正确对测站点，然后拧紧中心固定螺旋。 若对仪器上面的高点定中心，可自该点挂一垂球，当仪器整平和望远镜视准轴在水平位置时，使粗瞄准器上的红点对准垂球尖端。 2、光学对点器对中 精确的对则使用光学对点器，操作如下：先旋转对点器（18）目镜，使分划板清晰，再拉伸对点器镜管，使对中标志清晰。 滑动仪器，使测站点居于分划板的小圆圈中央。 将仪器照准部转动180°后检查仪器对中情况，然后拧紧中心固定螺旋。 仪器整平后再精细对中一次。 （二）整平 1、用水准器整平 转动仪器照准部，使长水准器（13）与任意两个脚螺旋（16）的连结线平行，以相反的方向等量转动，此两脚螺旋，使气泡正确居中。将仪器转动90°，旋转第三个脚螺旋，使气泡居中。 上述方法反复调整，直到仪器旋转到任意位置

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