形位误差综合测量实验设备的研制(3)

形位误差按照规定的特征可分为形状误差和位置误差，位置误差中按照误差性质的区别又可分为定向误差、定位误差以及跳动误差。

结合各项形位误差的定义以及被测要素的性质，可以将形位公差分为三类共14项，具体分类如下表1-1

表1-1 形位误差分类

1.3.2形位误差的测量

在新国标《产品几何量技术规范（GPS）形状和位置公差检测规定》（GB/T 1958一2004）中对形位误差的检测原则、检测条件及检测方案进行了标准化的规定。

在目前的形位误差检测实验中应用的比较多的检测工具包括三坐标测量仪、圆度测量仪、平板和带指示表的表架，以及其他对特定形位误差进行测量的专用量具。

三坐标测量仪是一个通用的专业测量工具，由于采用精密的机械结构以及对空间三维坐标进行运算的的软件，三坐标测量仪基本上可以测量包括形位误差在内的一个工件所具有的全部几何特征数据。圆度测量仪属于专门针对圆度、圆柱度和同轴度等误差项

目的专用的测量工具，由于机械机构是专门针对上述形位误差而设计的，其执行测量的效果更好，测量精度一般可以达到比通用型的三坐标测量仪更高的程度。平板和带指示器的表架属于较传统的基础测量设备，测量范围广、结构简单、造价经济，但是操作复杂、精度不高。其他的专用量具应用范围比较狭窄，每一种量具只对应于特定的形位误差项目，专业性较强，应用范围不广[3]。

1.3.3形位误差的测量实验设备的研究现状

目前普通高校进行实验教学多数采用上述的形位误差测量器材，在长期的教学实践中这些器材在发挥了巨大的作用之余也暴露出极大的缺点及局限性。如前述三坐标测量仪和圆度测量仪，不失为理想的测量形位误差的仪器，但是价格昂贵、测量成本高、操作条件要求严格，维护要求苛刻，通常只适合于科研机构及精密实验室中使用，需放置于专门的计量室中，对环境温度湿度均有严格要求。用这两类精密仪器向学生传授一般的形位误差测量知识，用于测量一般精度的实验工件，经济性不高，对设备本身也会造成不必要的损耗。传统的平板和带指示器的表架造价经济、结构简单、便于维护，方便普通学校大量布置使用。但是这类设备操作比较复杂，需要学生反复进行调整比对，对学生要求比较高，影响实验效果和效率；同时每次实验结束和开始，都要对整个设备进行拆装收捡，对设备的损耗也比较显著。另外在工厂应用实际中，相关技术人员也发明设计出一些专用的测量某些特定的形位误差的测量器具，如测量直线度的刀口尺、激光自准直仪，测量平面度误差的平晶、水平仪等，这些专用设备本身就是对应于特定的形位误差测量设计制造的，局限性较大。另外，高校在部署实验器材的时候就需要为每种特定的形位误差测量实验购置相应的器材，经济性不强。

目前在国内市场上销售和使用的经济性形位误差测量设备主要以国内厂家和研究机构设计为主，比较贴近国情，性价比较好，在国内生产应用领域较为广泛。由于国情和技术基础不同，国外的形位误差设备多为较精密的高端设备，国内进口或者代理的产品也多为此类，虽然可以用来进行教学实验，但是其设计的出发点还是面向研究型实验，专门针对中国市场开发的经济性测量设备很少[4-6]。

在国内，对通用的经济性的形位误差测量设备一直在持续进行。广州机床研究所顾

志成研制的XG-432形位公差测量机，通过机械结构和控制系统的设计，可以进行初步的三坐标测量工作，可实现较高精度的测量效果[7]。青岛四方机车质检部吕会宾与北京工业大学合作多功能形位误差测量系统，可以对生产实际中的机体孔系的同轴度、圆度及圆柱度进行精确测量，并且在为软件系统添加相应的误差评定模块之后，还可以测量轴线直线度、素线直线度和平面度[8]。东北大学王伟、于军等研制的经济性轴类零件形位误差测量仪，在偏摆仪的基础上进行改进，以MCS-51单片机为控制核心，实现对工件圆度、轴线直线度、同轴度以及径向圆跳动误差的测量，并且具有机械结构简单、可实现自动测量的特点[9]。哈尔滨电碳厂佟宝泉、马惠仁等研制的碳石墨刮片形位公差综合测量仪主要针对碳石墨刮片宽度和厚度方向上的平行度误差以及相关工作面的垂直度误差测量而研制，也可应用于其他薄立方体型工件相应形位误差的测量[10]。河北科技大学钱惠芬、黄风山等研制的机械零件形位误差自动测量实验系统，实现了测量数据及结果的自动显示、误差曲线的动态同步绘制等工作，可以实现对机械零件回转类形位误差如直线度、圆度、圆柱度、同轴度及径向跳动误差进行自动测量[11]。燕山大学崔丽娟研制的形位公差综合检具可以检测普通机械零件典型的形位误差，涵盖了典型常规的形位误差检测项目，有效地解决了中小企业对于一般机械零件形位误差的控制检测需求[12]。

综上所述，虽然国内市场上出现的经济型形位误差测量设备较多，但是其出发点仍然是企业现场应用实际，专门针对形位误差测量实验设计的小型化器材数量和种类都比较稀少。

1.4本文研究的主要内容

通过前文中进行的分析，本文的研究目标确定为一种用于形位误差测量教学的综合性实验系统，本文研究的主要内容如下：

1、系统总体设计方案研究。通过对现有设备和器材进行分析，结合应用需求实际，明确本实验系统应具有的总体功能，据此确定系统的总体设计方案。

2、系统硬件结构设计。分析典型形位误差测量的基本原理，结合所需实现的基本功能，确定系统机械结构的布局和设计方案；确定系统配套的电气结构设计，并选择合理的电气元件。

3、系统控制软件设计。结合系统硬件构成情况，对与之配套的软件系统总体架构和各个具体功能构成模块进行研究，完成系统总体设计。最后，以典型的形位误差测量实验为例，通过与传统器材的对比，展示和阐述实验系统的功能

1.5本章小结

本章主要对形位误差的概念进行了阐述，详细分析了目前国内应用于教学实验的经济型形位误差测量设备的研究现状和存在的问题，提出了研制本实验系统的课题来源和目的意义。最后，确定了本文的主要研究方向和具体工作内容。

2.实验台总体方案研究

2.1实验系统简介

本实验系统是面向工科院校机械制造专业互换性与技术测量课程的实验教学环节研制的，其目的是将经济型的形位误差测量设备和计算机控制软件相结合，实现对典型形位误差项目进行手动测量、计算机评定计算，以加强学生对典型实验原理和操作过程的掌握程度，提高实验教学的效率，方便教师开展实验。从总体上来说，本系统采用模块化设计，在满足实验需求的同时，通过更换相应的功能模块，还可以满足工厂的现场检测的实际需求。

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