解廣娟 劉正偉 / . 天津機電職業(yè)技術學院；. 中海油田服務股份有限公司

0 引言

直線度是形位公差的一種，用于限制平面內(nèi)或空間直線的形狀誤差，其誤差檢測方法常見有刀口尺法、指示器法、鋼絲法、水平儀法、自準直儀法及綜合量規(guī)法等。

1 直線度誤差檢測方法

1.1 刀口尺法

常用在被測工件較小的情況，用光隙法或間隙法確定被測實際要素的直線度誤差，該種方法具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，測量效率高等優(yōu)點，其中刀口尺的準確度一般都比較高，檢測的直線度誤差控制在1 μm左右，測量面粗糙度Ra可達0.025 μm。

1.2 指示器法

是應用最為廣泛的一種檢測方法，通常用來檢測回轉(zhuǎn)件母線或軸線的直線度誤差，操作方便，檢測準確度與指示表的準確度有密切聯(lián)系。

1.3 鋼絲法

使用優(yōu)質(zhì)鋼絲，結(jié)構(gòu)相對較復雜，結(jié)構(gòu)不確定性很難控制，測量準確度相比自準直儀法稍差些。

1.4 水平儀法

有框式水平儀法、合象水平儀法、電感式水平儀法，是一種測量小角度的精密量儀，主要用于平面內(nèi)的直線度誤差或者平面對水平面或豎直面的位置偏差測量，是機械設備安裝、調(diào)試和誤差檢驗的常用量儀之一，一般用來測量尺寸較大的零件。由于水平儀測量準確度高、測量范圍大、測量效率較高、價格便宜、攜帶方便，故在實際生產(chǎn)中被廣泛使用。

綜合量規(guī)法只能檢測被測件的直線度誤差是否合格，不能得到具體直線度誤差的數(shù)值。但是該方法操作方便，通常用于批量生產(chǎn)的零件直線度誤差的檢測。

1.5 自準直儀法

是利用光學自準直原理將角度測量轉(zhuǎn)換為線性測量的一種測量直線度誤差的方法。它廣泛用于小角度測量、平板的平面度測量、導軌的平直度與平行度測量等方面， 是機械制造、計量測試、科學研究等部門必備的常規(guī)測量儀器。特別是在精密、超精密定位方面， 更有不可替代的作用。自準直儀通常分為光自準直儀和光電自準直儀。光自準直儀直接利用測微裝置或可動劃板讀出數(shù)值，測量時瞄準誤差較大。光電自準直儀以光電瞄準線代替人工瞄準線，測量時減少了人為的瞄準誤差。本文著重探討光自準直儀的結(jié)構(gòu)、工作原理、測量方法、數(shù)據(jù)處理以及使用過程中的注意事項。

2 光自準直儀結(jié)構(gòu)及工作原理

通常光自準直儀主要由體外平面反射鏡和儀器主體兩部分組成（見圖1）。體外反射鏡是儀器的重要組成部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。儀器主體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖1 光自準直儀外型

圖2 體外平面反射鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 儀器主體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

光源8照明十字分劃板6，經(jīng)過立方直角棱鏡9、反射鏡11和10，被物鏡12成一束平行光束射向體外平面反射鏡13；若平面反射鏡的反射面垂直于光軸，光線仍按原路返回，經(jīng)物鏡12、反射鏡10、11和立方直角棱鏡9成像在位于其焦點的固定分劃板8上，與固定分劃線重合，人眼通過目鏡3觀察到像。若體外平面反射鏡13的反射面不垂直與光軸，而有一偏角α，反射光線將有2 α的偏角，在反射鏡3上將有一個偏移量t，α角與距離t 的關系為

式中：f — 物鏡的焦距 ；

t — 偏離量

當α很小時，t = 2 f α（見圖4）。

在目鏡視場內(nèi)，當反射鏡13嚴格垂直于光軸時，十字線成像在固定分劃板4的正中央，對稱于字標“10”，目鏡視場如圖5（a）所示。若反射鏡13對光軸有一微小傾角α，則十字線像將偏離字標“10”，如圖5（b）所示，偏離量t 等于反射鏡上的偏移量t。

若儀器的f物為400 mm，測微螺桿的螺距和固定分劃板4上刻線的分度間隔都是0.4 mm，即測微螺桿每轉(zhuǎn)一圈，活動分劃板2上的長刻線在固定分劃板4的分度上移動一格，其對應的反射鏡的傾角 α為

圖4 儀器的誤差原理

圖5 目鏡視場內(nèi)的十字線成像

測微螺桿同軸相連的測微鼓輪1上有100格圓周分度，那么每格代表反射鏡的傾角α為0.005/1 000弧度。

3 測量步驟及方法

光自準直儀通常用來檢測平尺及導軌的直線度誤差，現(xiàn)就檢測0級平尺的直線度簡述該測量方法。步驟如下：

1）將被測件、儀器等擦干凈，用鋼板尺測出被測件的點距（n = L / l，其中L是被測表面長度，橋板長度l，一般為100～250 mm）；

2）將準直儀穩(wěn)固在被測件平尺上，安裝電源（用手觀察是否有電），再將反射鏡放置在橋板上；

3）調(diào)整準直儀和反射鏡，使反射回來的十字線位于目鏡視場中心，然后將橋板連同反射鏡一起移到導軌的另一端。這時十字線應仍在視場的中心，否則應重新調(diào)整，直到導軌兩端的十字線像均在視場中心且成像清晰為止；

4）測量時，先把橋板和反射鏡放在靠近準直儀的導軌端部，然后由近到遠依次移動一個橋板跨距L，并首尾銜接。每移到一個位置，轉(zhuǎn)動測微鼓輪，使目鏡視場中的長刻線處于十字線像中間，讀取測微鼓輪上的分度值，直到導軌的另一端。為了減少測量誤差，常連同反射鏡一起返回移動，重新測量一次，取每個測量位置上讀數(shù)的平均值，然后通過數(shù)據(jù)處理，求出直線度誤差；

5）將各點位平均值（正、反向）逐點記入數(shù)據(jù)表格，并計算出相對誤差和累積誤差；

6）根據(jù)計算出的實際相對誤差及累積誤差值，采用適當?shù)谋壤妥鴺耍嫵霰粶y物直線度的誤差放大圖；

7）采用最小包容區(qū)域法作兩條平行線將被測物直線度的誤差折線緊緊包容起來；

8）垂直于X坐標，量出由最小條件法評定出的誤差值f。

4 數(shù)據(jù)處理

評定直線度誤差方法有兩端連線法、最小二乘法，最小包容區(qū)域法三種。兩端點連線法簡單但準確度最低，使用價值不大，一般不使用；最小二乘法評定手工計算復雜，數(shù)據(jù)處理麻煩；最小包容區(qū)域法準確度最高，所得誤差值最小，且結(jié)果唯一，通常作為評定直線度的方法。

現(xiàn)就實測數(shù)據(jù)（見表1），以橫坐標為測量點，分別以累積讀數(shù)、相對第1點讀數(shù)、相對任一點（第5點）讀數(shù)及相對任一點（第8點）讀數(shù)作為縱坐標，做出誤差曲線圖，并使用最小包容區(qū)域法評定直線度誤差（見圖6～9）。

最小包容條件，圖6根據(jù)最小包容區(qū)域法，求得直線度誤差f = 5 - 2.5 = 2.5格；圖7，求得直線度誤差f = 1.75 -（- 0.75）= 2.5格；圖8，求得直線度誤差f = 2.75 - 0.25 = 2.5格；圖9，求得直線度誤差f = 1-（-1.5）= 2.5格；將直線度誤差格值轉(zhuǎn)化為線值為 = 0.005×100×2.5 = 1.25 μm。

表1 實測數(shù)據(jù)

圖6 累積讀數(shù)評定誤差

圖7 相對第1點讀數(shù)評定誤差

圖8 相對第5點讀數(shù)評定誤差

圖9 相對第8點讀數(shù)評定誤差

5 結(jié)語

本文簡述了直線度幾種檢測方法。針對光自準直儀法闡述儀器的結(jié)構(gòu)、工作原理，舉例使用光自準直儀檢測0級平尺直線度方法步驟，并使用幾種方法進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果一致，可使用任何一種方法，提供直線度誤差評定參考。

[1]陳穎，張學典，逯興蓮，等. 自準直儀的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 光機電信息，28（1）： 6-9.

[2]李林. 直線度檢測數(shù)據(jù)的處理方法[J]. 計量技術，1990，10：35-36.

[3]劉曉林. 雙分劃板自準直儀分劃板離焦對其示值的影響[J]. 計量技術，1997，8：25-26.