精密仪器设计实验指导书

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《精密仪器设计》

实验指导书

陈曼龙牛文莉杜宇波编写

适用专业：测控技术与仪器（精仪）

陕西理工学院机械工程学院

2007年 4 月

前言

本课程首先系统地论述了测控仪器的精度设计、总体设计的理论与方法，其次分析了在总体设计时如何考虑测控仪器的机械系统、电路系统、光电系统设计的主要问题和方法，最后还对现代设计方法进行了论述。

为了使学生更好地理解和深刻地把握测控仪器设计内容，在进行理论课教学的基础上，训练和培养学生对精密传动件制造工艺、仪器精度理论的理解和使用仪器完成具体测量任务的能力。为今后进行仪器的设计奠定基础。

根据所学知识，按给定设备自行设计实验方案和选择实验所用仪器，完成丝杠副的测绘和主要零件的工艺规程编制。完成螺距误差测量和误差分析。实验内容主要包括零件测绘、编制精密传动件制造工艺流程；利用

已有测量仪器订立测量方案；对待测对象丝杠螺旋线进行分析；进行丝杠螺旋线误差测量并对实验数据处理，展开测量精度讨论。实验除涉及本门课程《精密仪器设计》必要知识（主要包括仪器精度理论、精密机械系统的设计直线导轨设计与误差分析、仪器总体设计）外，还包含《精密仪器制造》（滚珠丝杠工艺的了解）、《精密测量技术》（三坐标测量机原理与使用）、《误差理论与数据处理》（最小二乘法）等课程内容。

本指导书包含《精密仪器制造》课程部分实验。适合于‘测控技术与仪器’专业精仪方向。

实验规则

实验一精密传动件制造与传动误差测量??????1 实验二大型工具显微镜拆装实验……………………4

实验规则

一、实验课前必须按实验指导书作好预习及准备工作。二、进入实验室后，应更换拖鞋。书包、雨伞等不得带

入仪器室，只准带进实验指导书、报告及有关的书籍和文具。

三、保持实验室的整洁和安静，严禁喧哗、打闹、及随地吐痰。

四、经指导教师同意后，方可接通电源使用仪器，操作

要细心正确，不得用手触摸光学镜头表面。五、实验时应每个人独立完成。

六、凡与本次实验无关的仪器设备等，均不得使用或触摸。

七、所有实验用仪器和量具，均不得擅自拆开，不得随

意删除计算机内软件。若发生故障时，及时报告老师。八、实验完毕后，应将所用过的仪器、工件用汽油清洗，

并用棉花擦干放回原处、凳子摆放整齐。九、学生做完实验后应将实验数据交指导教师检查后方可离开实验室。

实验一：精密传动件制造与传动误差测量

实验学时：4+6 实验类型：综合实验要求：必修一、实验目的

1. 根据所学知识，完成给定滚珠丝杠副的测绘，分析其零件的工

艺性。并编制该滚珠丝杠副的主要零件——丝杠的工艺规程。通过拆装和零件工艺性分析使学生能实际了解精密传动件的结构工艺性；通过丝杠的工艺规程编制巩固学生对精密传动件制造工艺的掌握。

2. 按给定设备自行设计实验方案和选择实验所用仪器，完成螺距误差测量。训练和培养学生对精密传动件制造工艺、仪器精度理论的理解和使用仪器独立完成具体测量任务的能力，为仪器设计奠定基础。二、实验内容

1．拆装给定滚珠丝杠副，完成其零件测绘。并分析其工艺性。编制丝杠的工艺规程。

2．了解三坐标测量机的基本结构、原理、测量精度，掌握三坐标测量机的使用方法。

3．在掌握丝杠测量的一般方法的基础上，自行拟订方案实现丝杠的螺旋线误差测量。

4．对用三坐标测量的丝杠螺旋线误差进行数据处理，展开测量精度讨论。

三、实验原理、方法和手段

1.利用卡尺、百分表、螺纹规等基本测量工具实现滚珠丝杠副的测绘。测绘过程中需要结合认识实习所了解的内容，仔细分

析各零件工艺性。进而编制典型细长轴类零件——丝杠的工艺规程。

2.比较法测量丝杠螺旋线误差原理。根据课本《测控仪器设计》对复合参数和比较测量的描述采用适当测量方案分别连续分段实现角向位移θ和对应轴线直线位移S测量，然后利用

??S??2?L

求出测量误差。

3. 拟定测量方案。目前可供参考的丝杠螺旋线测量方案十分众多（见附录1），可学习比较各种方案，再根据国家标准对螺旋线误差测量相应规范和实验提供的测量仪器拟定测量方案。

4. 测量仪器的学习使用。对方案中用到的不会使用的测量仪器，利用实验指导书提供的使用方法。

5. 数据处理。对于测量数据采用最小二乘法等数据处理手段评定丝杠螺旋线误差。四、实验组织运行要求

根据本实验的特点，指导教师可以集中讲授典型细长轴类零件的工艺特点，讲授仪器使用方法，但主要采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。五、实验条件

测绘对象：滚珠丝杠副。

测绘工具：游标卡尺，百分表，螺纹规等。丝杠工艺规程编制相应加工设备和刀具、刃具情况参看附录3。

TESA三坐标测量机，分度头及尾座，，工具显微镜等。参考资料：三坐标机使用方法简介，见附录1；丝杠测量基础知识和测量方法见附录2；丝杠加工设备简介见附录3。六、实验步骤

1.分组在给定的实验平台上拆卸滚珠丝杠副，选择适合的测

量工具完成其零件测绘。

2.分析所拆卸滚珠丝杠副各零件的工艺性，编制丝杠的工艺规程。

3.调装丝杠副。首先将分度头放置在工作台的适当位置上，保证测量方便。再把丝杠安装在分度头上，利用百分表或坐标测量机测头调校，保证丝杠轴线尽量与X轴平行及与其它轴夹角符合圆柱体的直角坐标系关系。

4.利用三坐标测量机的圆柱轴线测量功能测出丝杠轴线与坐标测量机各坐标轴夹角误差量。选择合适分度增量，连续对丝杠全长进行角向位移θ和对应轴线直线位移S测量。

5.采用适当数据处理方法对待测丝杠做出简单评定。七、思考题

1．细长轴类零件加工工艺规程编制的主要要点有哪些？ 2．说明所采用的测量方法是否符合阿贝原则？ 3．如何减少丝杠测量中的测量误差？八、实验报告

1．实验预习实验要求了解丝杠的相关知识，尤其是细长轴类零

件的加工工艺。复习各种基本测量工具的使用方法。预习三坐标测量机的相关知识，了解丝杠的测量方法，初步订立丝杠测量方案。

2．实验记录徒手绘制所测绘零件的形状、尺寸，简要记录所掌握零件结构的工艺性。记录误差测量中测量数据、实验操作步骤和实验中的丝杠的调装过程。

3．实验报告

a) b) c) d)

简述实验的目的和原理。

给出所测绘丝杠副零件图，以及丝杠的工艺规程。描述实验中所采用的丝杠测量方案。测量数据及数据的处理方法和分析。 e) 思考题解答

九、其它说明

实验中应特别注意三坐标测量机测头使用，谨防碰坏测头。

实验二大型工具显微镜拆装实验

实验学时：2 实验类型：验证实验要求：选修

一、实验目的

1.了解大型工具显微镜的结构原理及一般使用方法。 2.掌握大型工具显微镜精度调整的方法。 3.了解精密仪器拆装规范。

二、实验内容

1.学习使用仪器拆装专用工具。

2.对大型工具显微镜导轨和立柱部件进行拆装。

三、实验仪器

1. 仪器：大型投影工具显微镜XGT-1

2.工具：大型工具显微镜配套附件-拆装用工具一套

四、实验原理

1大型工具显微镜的组成

投影式大型工具显微镜由六个部分组成：变压器(图中未示出)、投影器、观察系统、立柱组件、工作台部分、基座组件。如图1示：

2 工具显微镜观察系统光路图

五、实验步骤

1.拆装过程

a.领取仪器专用拆装工具,并学习使用要领。 b.利用实验指导书和观察实物确定拆卸顺序。

c.进行拆装，分析该显微镜传动关系，和采用的导轨及支承件情况。

d.绘制主要零件结构草图并进行装配。 2.拆装注意事项

a.仪器拆装时将所拆零件按顺序摆放,安装时逆序逐个安装 b.仪器安装完成后必须校验仪器的精度和试测仪器的功能.

六、思考题

1. 分析大型工具显微镜结构上的特点，以及其导轨设计中采用的

设计原理。

附录1 丝杠测量基础知识和测量方法

1．

丝杠测量的标准

我国对机床传动用的丝杠制定的行业标准JB2886—81规定丝杠的精度分为4、5、6、7、8、9共六级。4级最高，其余依次降低。丝杠的公差包含有：螺旋线公差、螺距公差、中径公差、牙侧半角的极限偏差、中径尺寸变动量公差、中径跳动公差等。本次实验主要测量螺旋线公差、螺距公差，公差值见表1、表2。

表1 丝杠的螺旋线公差单位(?m)

丝杠一转精下列长度（mm）丝杠全长（m）上螺旋线公内螺旋线公差 ?25度内等螺旋级线公差差 ?1 ?2 ?3 ?100 ?300 ?4 ?5 〉5 每增加1m 增4 1.5 2 3 4 6 8 12 ---- ---- 5 2.5 3.5 4.5 6.5 10 14 19 ---- ---- 加的公差 6 4 7 8 11 16 21 27 33 39 6 表2 丝杠的螺距公差 (?m)

精度等级分螺距公差单个螺距公差在下列长度（mm）内的螺距累积公差 ?25丝杠全长（m）上的螺距累积公差 ?1 ?2 ?3 ?100 ?300 2 3 ?4 ?5 ------ -- ?5 每增加1m 4 1.5 1.2 1.2 5 8 12 6

5 2.5 6 4 2． 2 3 2 5 3 6 5 9 9 15 14 21 19 27 ------ -- 339 3 增加的公差 6 螺旋线误差的测量方法（1）与标准线纹尺比较的测量方法

在万能工具显微镜和丝杠比长仪上测量丝杠的螺距（图1）是采用被测丝杠与标准线纹尺比较的量法。

在万能工具显微镜上，可用米字线，按影像法、轴切法或干涉带法瞄准丝杠牙侧（图1a）；也可采用光学灵敏杠杆（图1b）组成的瞄准测头与牙侧接触，由表针指零位来确定牙位。

线纹尺与被测丝杠一起随工作台移动。读书显微镜装在床身上。从显微镜中读出线纹尺上的示值，表示被瞄准牙侧所处的位置。

图1在万能工具显微镜上测量丝杠

1— 被测丝杠； 2—顶针架或V形块； 3—瞄准显微镜； 4—线纹尺； 5—读数显微镜； 2、6—光学分度头； 7—多面棱体； 8—自准直光管； 9—光学灵敏杠杆； 10—定位指示表

圆分度系统有机械分度盘、光学分度头（图1a）和多面棱体。长

丝杠装在V形块上；不便用分度头顶针时，可在丝杠的一段套上一块多面棱体，用自准直光管瞄准棱体表面，以确定丝杠的分度位置；在丝杠的另一端胶上一块平行平晶，用测微表确定丝杠得轴向位置。

移动工作台，从丝杠一段螺纹开始，依次瞄准各牙侧。每瞄准一次，从线纹尺上读一数，得到一系列读数x0,x1 ,x2 ,?,xz。用最后一读数减去前一读数，则得牙侧之间的实际螺距Pi。其与基本螺距P之差就是单个螺距偏差?Pi，即

?Pi?Pi?P?(xi?xi?1)?P （7）

逐牙求各个螺距偏差的代数和，就得到若干个螺距的累加偏差。设有z个牙，则

zzizizi

??P1??(P1?P)??P1?zP??(x1i?xi?1)?zP

?(x1?x0)?(x2?x1)???(xz?1?xz?2)?(xz?xz?1)?zP?(xz?x0)?zP

x由此可见，用每个牙侧的读数xz减去初始牙侧的读数0，再减去两牙侧

之间距离的基本值zP，也可以直接算出各个螺距的累加偏差。这就是牙侧偏离理想螺旋线的位置误差。将这些差值在坐标纸上标点并连线，就得到实际螺旋线的误差折线图。

m在丝杠的一定长度内，取各个螺距的累加偏差中的最大值??Pi与最小值

1n??P1i之差，作为螺距累积误差?P?。假设m

mniinnnn?P????P???P11????Pi???(Pi?P)?m?1m?1?P+?P

m?1m?18

n???(xi?xi?1)?(n?m)P?(n?m)P?(xn?xm)

m?1n如果各个螺距的累加偏差均为正值，则??Pi取零；如果各个螺距的

1m累加偏差均为负值，则??Pi取零。

1 (2)与标准丝杠比较的测量方法

以机床的母丝杠为模拟标准丝杠，可测量精度较低的丝杠。如图2所示，在机床两顶针间装上被测丝杠，溜板刀架上装瞄准测头，按被测丝杠的螺距搭配挂轮，使母丝杠带动刀架的位移与主轴的旋转形成定比。

测量时，测头与丝杠牙侧接触，机床主轴以慢速[4～16（r/min）]带动被测丝杠转动，并且通过挂轮，使母丝杠和螺母带着刀架及其上的测头同步移动。如果被测丝杠的实际螺旋线有误差，则测头产生摆动，由测微表指示出摆动量，并用记录仪录下螺旋线的误差曲线。

由于母丝杠与被测丝杠是并联布置，不符合阿贝原则，加上校正尺和挂轮系统的误差，因而限制了测量精度的提高。故此法多用于测量7～9级精度的丝杠。

图2 在机床上测量丝杠

1——被测丝杠； 2——机床目丝杠； 3——螺母； 4——挂轮传动系统； 5——溜板； 6——瞄准侧头；

7——测微表和记录仪； 8——校正板

(3)与丝杠自身比较的方法

参照比较仪的原理，设计一种螺距动态测量仪，采用被测丝杠的螺距

互相比较的测量方法，如图3所示。量仪靠V形基面跨在丝杠的外圆上，两球形测头与同向两牙侧在螺纹中径部位接触，两接触点的连线要与丝杠轴线平行。

图3 螺距测量仪的原理

1——V型基面； 2——固定测头； 3——活动测头； 4——弹簧； 5——指示表； 6——挡块；

7——被测丝杠；

转动丝杠，通过与一牙侧接触的固定测头，带动量仪沿丝杠轴向位移。于是，螺距偏差通过活动测头由指示表指示，或用电感、气动、光学准直仪反映出来，也可用记录仪记录。所记录的曲线，只是说明螺距的均匀性，而不是螺旋线的误差曲线。程序编制及动态模拟软件的使用。（4）激光丝杠测量仪

激光丝杠动态检测仪采用激光器和圆光栅盘作为主要测量器件。如图4，测量时电机经过机械传动装置驱动主轴，圆光栅13安装于传动主轴上,测量时由拨盘带动被测丝杠1和圆光栅同步转动，丝杠旋转时带动头带动螺母小车沿导轨做轴向运动，此时，安装在螺母小车上的移动测量靶镜5反射激光与固定棱镜7反射的激光在交会处发生干涉，产生明暗相间的干涉条纹，由安装在发生干涉处的光敏二极管10、11感测，来输出反映螺母小车真实位移量的S。则丝杠螺旋线误差为：

Δ=S- Lθ/(2π) （1）

式中L—被测丝杠导程，θ—圆光栅同步转过的角度；

图4激光丝杠动态检测仪的原理

1.被测丝杠 2.测头 3.带动头 4.测量工作台 5.移动棱镜 6.反射光镜 7.棱镜 8、 9. 反射镜 10、11、14.光敏二极管 12.发光管 13.光栅盘

附录2 三坐标测量机使用方法简介

1．测头及标准球的标定 ⑴ 目的：

当使用测量机进行工件检测时，跟工件直接接触的是测头的红宝石球的球面，测量机在数据处理时是以红宝石球的球心来计算的，必须对测球的半径和位置进行补偿。因此，在测量工件之前，首先要进行测头校正，从而得到测头的准确数值，校正完毕，坐标机会自动补偿校正后的数据。这样，可以消除由于测头而带给工件测量的误差。

⑵ 功能：

可分别用“手动模式”或“自动模式”校验、定义测头。 ⑶ 方法：

① 定义测头直径：用鼠标单击“测头”图标，再单击“定义测头”图

标，在相应图标中输入定义值及测头直径的理论值，用鼠标单击上图“确认键”，即完成定义测头功能。计算机自动提示下一个新测头的标号。

②校验测头：用鼠标单击“测头”图标，再单击“校验测头”图标，在

“测头标号”处选择要校验的测头标号，再键盘输入“标准球的直径”，然后选择“手动模式”校验所需的测头。当第一次校验完毕，可看到标准球的球心坐标已自动显示出来。此时用户可根据测头类型去分别用“手动模式”或“自动模式”校验每一被定义的测头。

得到测头的准确值，在以后的测量中即可自动进行测头补偿。测量时，应使所有定义的测头都使用统一的基准，这样在测量过程中使用多个测头完成整个测量过程，就不必考虑测头数据的不一致性问题。

2．基本元素的测量 ⑴ 目的：

基本元素测量是所有测量和其它工作的基础。所有零件的检测都要通过对基本几何元素的测量来实现。通过测量得到指定被测基本元素的有关参数值。

⑵ 功能：

通过此功能可测量指定点、线、面、圆、弧、椭圆、圆柱、圆锥、球、键槽、曲线、曲面等基本元素。

⑶ 方法：

用鼠标单击“测量”图标，然后单击“被测元素”图标。工作区将显示该测量元素的标号及测量点数，可根据工作区的提示对测量元素进行删除点、增加点等修改，然后进行测量，即可得到被测基本元素的实际值。

3．“3－2－1”坐标系的建立： ⑴ 目的：

将坐标系的三个轴的方向和坐标原点建立在零件上，用于一些同类零件的程序控制自动测量。

⑵ 功能：

此功能可建立一个完整的零件坐标系。3-2-1的含义是：3（测量第一平面上的三点，软件自动将此平面的法矢作为零件坐标系的第一轴的方向）；2（测量第二平面上的两点直线，再将其投影到第一平面作为第二轴的方向）；1（再测量或通过构造产生一点作为零件坐标系的原点）。

⑶ 方法：

用鼠标单击零件坐标系的主菜单图标，再单击3-2-1坐标系图标，工作区会显示零件坐标系的每一项信息，可根据需要输入相应的元素作为新的坐标轴和原点。

以上面为例，选择坐标轴的名称，定义二坐标轴的方向及原点的坐标,方法如下：

在工作区的中部有五个小方框,首先用鼠标单击“第一轴”处，此处应变为蓝色，然后用户可根据需要，到工作区最右边显示“坐标轴改变区”处,选择要建立的坐标轴的名称和方向并单击鼠标左键, ,蓝色小窗口即显示所选择的坐标轴。从工作区最左边选择要建立“第一轴”的元素类型，并用鼠标单击，此类元素的所有元素标号便全部显示在工作区，从中选中所需元素的标号，用鼠标双击，此元素的标号便显示在“第一轴”的方框中，此时，“第一轴”的方向便建立了。建立“第二轴”（工作区中,中间第二个小窗口），用户可用鼠标单击此窗口，使之变为蓝色后，可用同样的方法（建立第一轴）处理。建立“原点X值”。如果要改变原点的X坐标,只要在第三个小

窗口上单击鼠标左键, 该小窗口即变为蓝色。在工作区最左边,查找所需元素类型,且按下该按钮,该类型所有元素标号都显示在工作区,选择所需要的元素标号,且双击鼠标左键,选择的元素标号,即出现在蓝色小窗口的右边。此时，零件坐标系的原点的X坐标即确立了。“原点Y值”、“原点Z值”的方法都参照建立“原点X值”方法。选择“确认键” 按钮,确认已建立的坐标系。此时，“Coord”窗口显示坐标系的标号,便是此零件坐标系的名称。

附录3 丝杠加工设备简介 1.螺纹磨床：Y7520W

技术规格

（1）最大工件直径×最大工件长度 Φ200× 750mm （2）（a）磨削螺纹直径Φ200 ；

外螺纹:用单线砂轮 2-200mm 用多线砂轮 4-120mm

(b)磨削螺纹最大长度

外螺纹:用单线砂轮 500mm 用多线砂轮 460mm 内螺纹: 75mm

(c)磨削螺纹螺距

用单线砂轮 0.25-24mm 用多线砂轮 1-6mm 可磨螺纹螺距: 内磨时 ±6°

英制螺纹 3-28牙/口寸 (2)砂轮转速公制螺纹 0.25-24mm 模数螺纹 0.3π-20πmm 内螺纹:三角螺纹 0.5-6mm

(d) 可磨螺纹最大锥度 1:5 7.重量 ≈5800kg

磨削螺纹可达精度单牙螺距 25mm 100mm 300mm 全长 ±3μm ±5μm ±6μm ±9μm ±10μm。

（e)可磨螺纹头数 1-36,1-42,1-48 (f)铲磨量 0.03-4mm (g)安装工件最大直径