焦燕萍 / 吳江市計量測試所

0 引言

自準直儀是長度計量最常用的儀器之一。除用于小角度準確測量外，自準直儀還可用于機床導(dǎo)軌的直線度和各種平面度的測量，以及航空航天、船舶和大型機械工程中的安裝定位。國內(nèi)最常見的自準直儀的工作距離一般約為5 m或10 m, 但在實際檢測過程中遇到超過上述工作距離的情況。如何實現(xiàn)對長導(dǎo)軌直線度和大型平臺的平面度檢測是本文探討的目的。

1 檢測原理

各種類型自準直儀的光學(xué)系統(tǒng)基本上是相同的，由平行光管和望遠鏡兩光路結(jié)合而成，對方向偏差α的檢測，其成像原理簡化后如圖1所示。由平行光管的燈泡1發(fā)出的光線經(jīng)毛玻璃2發(fā)散后，照射十字線分劃板3，由于該分劃板置于物鏡4的焦平面上，由焦平面上的物點經(jīng)物鏡發(fā)出平行光束，望遠鏡接收此平行光束后，因其指標線分劃板5同樣置于物鏡4的焦平面上，故十字線分劃板刻線成像在此指標線分劃板上，兩者經(jīng)目鏡6放大后用肉眼7觀察到平行光管相對望遠鏡的方向偏差。圖中f表示物鏡的焦距。作者用兩臺自準直儀相對放置，其中一臺作平行光管使用，將其放置在被測件上，另一臺作望遠鏡使用，放置于被測件一端或被測件旁，這樣就圓滿地解決了大尺寸被測件直線度誤差的檢測難題，此時可測量的工作距離擴展了一倍。

圖1 檢測原理

國產(chǎn)的自準直儀中用戶使用最廣的有上海機床廠生產(chǎn)的HYQ03型，哈爾濱量具刃具廠生產(chǎn)的1401型和北京量具刃具廠生產(chǎn)的ZY1型，因其光路被內(nèi)部兩塊反光鏡轉(zhuǎn)折，使整臺儀器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧，受到用戶青睞。而且它們的外形和輪廓尺寸及內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致，最小分度值均為0.005 mm/m≈1″，另外有上海機床廠生產(chǎn)的HYQ011型，其最小讀數(shù)分度值為0.0025 mm/m≈0.5″，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與上述三種型號相同，體積稍大。HYQ03型、1401型和ZY1型自準直儀的工作距離約為5 m，HYQ011型自準直儀的工作距離約為10 m，這為大尺寸被測件的直線度的檢測提供了契機。前三者中任選兩臺組合后約可測至10 m，前三者中任選一臺與HYQ011型組合后約可測至15 m，兩臺HYQ011型組合后約可測至20 m。組合后的讀數(shù)分度值，筆者用小角度檢查儀進行了驗證，驗證結(jié)果表明讀數(shù)分度值保持不變，仍為0.005 mm/m或0.002 5 mm/m。除上述提到的類型外，其他只要類型相同的均可進行組合，若類型不同，只要十字線像與指標線相匹配亦可相互組合。

2 延伸儀器工作距離的措施

1）光學(xué)零件各工作面應(yīng)清潔。特別要說明的是，毛玻璃（兼濾光片）和十字分劃板的外徑只有10 mm，一旦表面有霧跡和霉斑將會嚴重招致光線損失，務(wù)必予以清除。其中十字線板有膠合的保護玻璃，故盡可能不用或少用汽油或乙醇等溶劑，以免引起脫膠。毛玻璃的磨砂面（與燈泡相對）可略蘸肥皂水擦洗。

2）使用前正確調(diào)整起始位置，兩者靠近使光軸盡量重合，即兩者物鏡口徑全部相對，以免招致部分平行光束損失，作平行光管使用的自準直儀配以橋板時尤應(yīng)注意。在此情況下，經(jīng)理論分析和實驗驗證，兩者光軸重合或接近重合時可避免物鏡像差影響成像，這對提高直線度檢測準確度大有裨益。

3）平行光管發(fā)出的平行光束應(yīng)是“純正”的平行光。驗證方法是，望遠鏡觀察室外大于2 000 m遠處目標，此目標光線可視為無窮遠光線，即“純正”平行光，也可用焦距為1 200 mm或1 600 mm平行光管的十字線作為遠處目標。此時如視野內(nèi)目標像不夠清晰，則微移物鏡，直到清晰為止，然后望遠鏡對準平行光管，如望遠鏡視野內(nèi)十字線像不夠清晰，則微移十字線分劃板，直至十字線像清晰為止。建議上述調(diào)整請有經(jīng)驗的光學(xué)儀器檢修技術(shù)人員進行操作。

4）增大光源的強度。儀器原配的6 V 2.5 W白熾小燈泡照明亮度若嫌其不足，可將燈座部分稍作改造，改用6 V 5 W白熾小燈泡，或使用LED發(fā)光二極管或鹵素?zé)艄堋?/p>

通常情況下，只要采取上述措施中的1 ～ 2項，就能大大擴展自準直儀的工作距離。若在HYQ03型、1401型和ZY1型自準直儀中任選兩臺組合后系統(tǒng)工作距離可大于15 m，若由兩臺HYQ011型自準直儀組合后系統(tǒng)工作距離可大于30 m。

3 測量不確定度分析

現(xiàn)用最小分度值為0.005 mm/m≈1″的3級自準直儀以節(jié)距法測量10 m導(dǎo)軌直線度。直線度誤差的不確定度計算：

式中：L — 橋板跨距，設(shè)L = 1 000 mm；

C — 自準直儀的分度值，C = 0.005 mm/m；

n — 節(jié)距個數(shù)，n = 10；

U（α）— 角度誤差的擴展不確定度。

設(shè)uc（α）為角度誤差的合成標準不確定度

式中：u1（α）— 自準直儀示值誤差引入的標準不確定度分量。按規(guī)程要求，任意1′的示值誤差不超過1″，取均勻分布，則由此引入的標準不確定度分量u1（α）

u2（α）— 讀數(shù)時由于估讀誤差引入的標準不確定度分量。自準直儀的最小分度值是1″，估讀誤差為0.1″，取均勻分布，則由此引入的標準不確定度分量

u3（α）— 自準直儀的測量重復(fù)性引入的標準不確定度分量。按規(guī)程要求，該自準直儀的測量重復(fù)性不超過0.2″，取均勻分布，則由此引入的標準不確定度分量

u4（α）— 橋板定位誤差引入的標準不確定度分量。設(shè)定位誤差不超過0.4″，取均勻分布，則由此引入的標準不確定度分量由式（2）

取k = 2，擴展不確定度U（α）= 2×uc（α）=2×0.64″ = 1.28″。

由（1）式換算得：

綜上所述：導(dǎo)軌尺寸為10 m時，L =1 000 mm，n = 10，U = 0.01 mm，k = 2。

[1]全國幾何量角度計量技術(shù)委員會. JJG202-2007[S]. 北京：中國計量出版社，2007.

[2]全國幾何量工程參量計量技術(shù)委員會. JJF1097-2003[S]. 北京：中國計量出版社，2003.

[3]全國法制計量管理計量技術(shù)委員會. JJF1059.1-2012[S]. 北京：中國質(zhì)檢出版社，2012.

[4]徐榮華. 導(dǎo)軌直線度測量與誤差評定方法的探討[J]. 上海電機技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2004，7（2）：103-104.

[5]黃天喜，嚴禎，曾韜. 幾種測量機床導(dǎo)軌直線度誤差的方法[J].機械工程與自動化，2008（2）：186-188.