量儀的檢定與故障分析

孫建浦

（沈陽機床股份有限公司，遼寧沈陽 110142）

1 光學系統中故障的判斷

1.1 做好“三防”工作是使用光學儀器的必備條件

（1）光學鏡片的霉變、水油霧氣和機械系統遭受腐蝕，是光學儀器在使用當中頻繁出現的情況。霉斑是在一定溫濕度環境下生成的有生命的細菌，當光學儀器鏡片表面清潔度不好，存在于鏡面表面的細菌在良好的生存環境下迅速生長繁殖，逐步伸展慢慢形成網狀的霉菌斑并附著在鏡片的表面，這些有害細菌繁殖的排泄物又會進一步侵蝕鏡片表面的保護膜和鏡片內部組織，進而影響光學鏡組在視場當中的成像。因此必須加強光學鏡組的清潔程度，不允許用皮膚直接接觸光學部件，必須使用中央空調對工作環境進行除塵，不讓細菌有生長的環境。

（2）當室內的濕度大于60%RH，濕氣可以在光學鏡片上形成水珠，或者儀器上的變壓油由于溫濕度大揮發出的油霧在光學儀器表面形成油珠或油膜，鏡片就會形成一層霧膜，如果室內空氣溫度變化大于每小時2 ℃時，原來在儀器上形成的霧膜上面還會再形成一層水膜，這樣很容易腐蝕金屬表面，如果定期的保養清理的不干凈，還會形成腐蝕變成銹跡。

（3）如果用皮膚直接接觸儀器表面，或者用變質的甘油和變壓油涂抹儀器金屬表面，也會產生腐蝕。

以上是光學儀器保養中應注意的問題，這些不利于儀器的弊病必須消除，因此要正確使用和保養儀器，按照保養要求嚴格遵守：工作環境必須恒溫，防止溫度變化過快過大，濕度小于60%RH，溫度維持在20±3 ℃；工作時要帶手套，防止皮膚直接接觸儀器；對光學儀器應該進行定期的維護保養，保持儀器的使用精度不變。

1.2 光學儀器照明系統的使用與維護

1.2.1 燈絲的位置

光學儀器的照明系統是一個光源或者由多個燈泡組成的，對于照明系統來說，分為對被測工件的照明和對儀器玻璃刻度尺、角度度盤、微米分劃板的照明。光源必須最大限度地發出光亮，以滿足檢測工件需要的照明程度。為了最大程限度地在視場中得到清晰的圖象，就必須保證光源的燈絲均處在儀器的焦平面上，這樣才能最大程度發揮燈泡的亮度。

燈絲與儀器的聚光鏡相對位置的不同，決定視場成像的效果（圖1）：圖1a）的光源位于光軸焦點中心，發射出來的光平行于光軸，位置合理，成像準確；圖1b）光源于焦平面內，但是未在焦點中心，發射出來的光雖然是平行光，但是不與光軸平行，所以成像不清晰的；圖1c）的光源位于焦平面前端，發射出來的光是發散狀的，成像一定是模糊的；圖1d）的光源位于焦平面的后端，發射光交叉于一點，成像不但模糊而且縮小，不利于檢測。

圖1 成像的效果

為了達到光源的正確位置且有利檢測：首先應該調節主光源的位置，使燈座的位置位于光軸上；然后改變燈座上3 個燈泡的位置，通過調整燈炮與中心的徑向位置使燈絲處于焦點上，3個燈絲都聚集在焦平面上，視場內的成像清晰，圖像均勻，光線亮度充足；最后根據所測量的工件來調整光閘的大小，防止側光和雜光干擾視場內的成像效果。

1.2.2 燈絲調整方法

（1）投影立式光學計和烏式干涉儀均具有獨立的光源，光源可以進行燈絲的調整。首先將照明系統燈座向上對著天棚，沿著光軸方向用手動移動燈座的徑向位置，使燈絲在投影屏上成像，將燈座上鎖緊螺母鎖緊，此時燈絲已經在聚光鏡的焦平面上，再調整聚光鏡上的徑向螺母，使燈絲的像在投影屏上居中且清晰，在投影屏幕上能清楚的看到燈絲的影像。

（2）萬能工具顯微鏡的光源調整方法：先將玻璃工作臺安裝在儀器的金屬工作臺上，然后將對光筒放在玻璃工作臺上，毛玻璃面朝上，這時鏡筒上呈現出燈絲的影像，但是不清晰，需要調整徑向螺母使燈絲的位置居中，并且能清晰的成像在視場中心。檢驗的方法是：將2 mm 的量塊砰合在20 mm 量塊的工作面上，將其水平方向置于玻璃工作臺上，將光閘調整為最小，通過視場觀察2 mm 量塊的成像，如果成像清晰、沒有陰影就說明燈絲調整正確，如果一側有陰影則說明照明系統位置不正確、上下照明不均勻。旋轉90°將量塊垂直方向置于玻璃工作臺上，同樣方法看如果沒有陰影說明位置正確，如果有一側有陰影說明左右光源位置不正確，還需要調整徑向螺母的位置來使燈絲的正確性。燈絲的調整在整個檢測當中非常重要，直接影響工件的成像質量和壓線讀數，一定要引起足夠的重視。

1.3 標準組件

1.3.1 玻璃線紋尺

基準的玻璃刻度尺是量儀的長度基準，在萬能工具顯微鏡、測長儀、測長機、投影立式光學計中都有。影響玻璃線紋尺的示值誤差有多種因素，有刻度尺自身自帶的誤差，有溫度變化引起的誤差，也有因為時間久遠造成基準尺受力變形引起的誤差。因為自身誤差引起的示值變化需要用基準的玻璃刻度尺檢定或者基準量塊檢定，給出修正值，對于因為溫度變化引起的誤差就需要對室溫進行嚴格控制，室溫控制在20±3 ℃，每小時的變化控制在1 ℃以內。對于因為基準尺受力不平衡引起的尺變形以及因為自身重力作用引起的誤差，這些因素引起的示值誤差是可修復的，不能通過調整尺的位置達到示值合格。所以，基準尺安裝的基座非常重要，不能讓尺產生變形且能穩定可靠。

1.3.2 玻璃度盤

玻璃度盤普遍應用在光學儀器中，如萬能工具顯微鏡、光學分度頭都有角度度盤。度盤是用專業設備刻劃的，因此度盤的刻線存在原始誤差，而且分度盤在安裝的時候一定會有偏心，也就是分度盤的回轉中心與度盤上刻線的圓中心不同心，這樣就形成了分度的誤差。解決這一問題的方法是在安裝度盤時讓鎖緊螺釘不能用力過小，否則會使度盤松動，造成示值不穩定或者重復性誤差，用力也不能過大、容易使度盤破損。因為度盤是玻璃的，與玻璃標尺一樣，所以在安裝和鎖緊度盤時力度的大小決定使用時達到的精度。

1.4 光學瞄準

1.4.1 光學瞄準的準確程度

檢定工件時讀數需要利用視場內的刻度尺或者螺旋分劃板進行瞄準，瞄準的準確程度一方面取決于人的視力，這個可以通過調整目鏡來解決，一方面取決于視場內的清晰度，視場內的亮度要適度，過亮對人眼刺激太大、容易疲勞，過暗則看不清工件的影像，明暗程度可以通過調整光柵的大小來實現。視場內也安裝了綠色的濾光片，這樣視場底色是綠色的，人眼舒適度高，檢測精度也有保障。濾光片也廣泛應用在光學儀器的光路中，如萬能工具顯微鏡、自準直儀、立式測長儀、測長機等。

1.4.2 光學瞄準器

光學瞄準裝置的種類繁多，在精密檢測工作中應用廣泛。利用機械裝置和光學瞄準組合成的靈敏杠桿對工件實現直接測量，利用分光鏡能夠達到兩方向瞄準直接測量，測量精度可以達到0.5 μm，有利于提高測量精度。在分光鏡的兩個轉角棱邊分別放上紅綠雙色的透明物質，使兩個著色達成互補。在視場中兩個色彩的成像反差強烈，迭加在一起圖像清楚，能夠提高瞄準的準確度。有的光學儀器附件成像采用非垂直照射，使得工件邊緣成像會產生七彩的干涉條紋，也有根據工件工作面回光產生影像形成瞄準讀數系統，以上方法都可以提高測量精度。現在也有根據光波技術發展出來光電光學儀器，其精度可達到0.01 μm。

1.5 讀數測微系統

光學儀器的讀數是靠讀數裝置來完成的，讀數裝置的穩定可靠是實現準確測量的基礎，讀數系統必須靈敏、重復性和穩定性有保證，系統結構也能滿足使用要求。

1.5.1 絲桿式目鏡測微系統

該裝置是手輪的旋轉使做直線運動的絲桿轉動，絲桿的直線運動能夠推動移動分劃板直線方向的運動，移動分劃板上邊有標準刻度尺，測微手輪每轉動一圈連帶絲桿轉動一圈，推動移動分劃板做直線運動一個刻度，手輪上刻度是100 個分度，所以移動分劃板的一格可以分為100 小分度，1/100 分度可以在手輪上讀出，這種絲桿手輪的測微讀數結構在自準直儀中可以實現。轉動手輪時，有時候會出現空程、阻滯或松動的現象，也會出現螺母和絲桿之間的竄動，這種主要是長期使用由于灰塵和油漬造成不能完好接觸，或者絲桿和螺母之間磨損造成牙型之間的間隙，造成重復性和反向間隙增大，需要通過重新研磨絲桿的牙型尺寸來修復，恢復讀數裝置的測量準確性。另外，固定分劃板應與移動分劃板在同一焦平面上，如果看清楚移動分劃板刻度的同時看不清固定分劃板上的刻度，必須調整固定分劃板的位置，直至兩個標尺同時清晰地呈現在視場當中。

1.5.2 萬能工具顯微鏡的測角目鏡

它要求萬能工具顯微鏡的主顯鏡里的米字線水平線與直角尺投影的水平方向運動相一致。檢定方法是將刀口直角尺的刃邊長邊調到與縱向滑板的運動方向一致，然后觀察投影任意一點與米字線水平線之間的距離，是否在縱向滑板運動時距離保持不變，如果有變化需要繼續調整直角尺的位置，如果不變則說明調整完畢。然后調整測角目鏡使投影線與水平線平行，測角目鏡的讀數值即為檢定結果。規程要求是角度值≤1′。測角目鏡的放大比也需要檢定，需要用專用的圓形玻璃刻度尺。

1.5.3 阿基米德螺旋測量系統

阿基米德螺旋分劃板測量系統在萬能工具顯微鏡、讀數顯微鏡、立臥式測長儀中使用，螺旋分劃板與0.1 mm 刻度尺同在一個焦平面上，兩個刻度尺垂直方向間距0.05 mm，兩個刻度尺都能在視場中同一焦平面上讀取，毫米刻度尺通過物鏡將0.1 mm 刻度尺的影像和螺旋分劃板的影像同時呈現在同一個焦平面上，0.1 mm 一大格正好是固定式分劃板的一格，它們之間是10 倍的關系，螺旋分劃板轉動一圈正好是0.1 mm刻度尺的一小格，10 圈是固定分劃板的一格。讀數時用螺旋線夾住0.1 mm 刻度尺的刻線，先讀出毫米刻度尺的讀數，再讀出0.1 mm 刻度尺的讀數，螺旋分劃板上相對指標線的讀數即為微米讀數，幾個數據加在一起即為實測值。

2 機械系統中的故障判斷和消除

2.1 基座與支架

光學儀器中主要的組成部分是基座和支架，基座在整臺儀器起到支承作用的必備部件，支承并且連接各零件同時能保證各部件相互配合達到使用精度。首先儀器的底座和支架有一定的韌性和強度，支承牢固穩定，確保儀器的可靠性，還要考慮到儀器的底座必須抗壓抗振、不易變形，不會因為溫度變化或溫度變化過快引起儀器本身的變形，造成檢定結果不準確。

2.2 導軌精度在檢定工作中的重要性

在光學儀器當中導軌是主要的支撐部件，在儀器運動過程中起到支撐和導向的作用。導軌的精度要求非常高，剛度和耐磨性必須好，保證儀器平穩靈活的運動。

導軌直線度的檢定：導軌直線度要分別從垂直方向和水平方向兩個方向進行，用分度值是1″的自準直儀檢測，導軌直線度的理想狀態是一條平直的直線。但是由于加工和裝配過程對導軌的影響，以及導軌面上的測量座和尾座壓在上面，會引起導軌的變形，還有測量過程中人為的誤差，也會造成導軌直線度的測量誤差。為了提高測量座和尾座在導軌上運動過程中的精度，應對導軌做適當的潤滑和儀器保養。

2.3 導向和定位

光學儀器的導軌通常是四點定位或六點定位，如德國萊斯的萬能工具顯微鏡就是通過四點定位導軌定向運動的。定位方式分別有滾動軸承導軌、液體靜壓導軌和空氣靜壓導軌，導軌的形狀按外形可分為V 形導軌、雙V 形導軌和雙V 形滾道的滾珠導軌。

光學儀器的導軌直線度檢定是指被測物的理想要素和實際要素之間的最小區域。例如，三米測長機的導軌水平方向和垂直方向的誤差，光學分度頭導軌工作面的水平垂直方向的直線度誤差，還有萬能工具顯微鏡縱向滑板和橫向滑板在運動過程中直線度，以上直線度的檢定都是通過自準直儀來檢定的。以三米測長機為例將自準直儀主體放在測長機測量座上，反射鏡放在尾座上，讓十字像出現在目鏡的視場當中，然后每隔100 mm 移動尾座一次，并在自準直儀上讀出示值，在全長3 m 上逐點檢定，最大與最小值之差即為導軌直線度結果。

2.4 垂直度的檢定

光學儀器進行垂直度的檢定主要有萬能工具顯微鏡的縱向滑板與橫向滑板的垂直度，主顯微鏡臂架沿立柱導軌移動與工作臺面的垂直度，立式光學計的臂架與筋形工作臺面的垂直度。立式測長儀的測量軸線與筋形工作臺面的垂直度，三米測長機的測帽與測量軸線的垂直度。

例如，萬能工具顯微鏡的縱橫向滑板運動方向垂直度是用寬座角尺檢定，這種角尺只有北京304 所生產，只用做這項垂直度檢定，如果檢定結果有偏差，主要是縱向導軌的軸承位置偏移造成的。萬能工具顯微鏡縱向滑板支承軸承是偏心軸，通過改變縱向導軌軸承的角度來達到縱橫向導軌的垂直。

萬能工具顯微鏡主顯微鏡臂架與工作臺的垂直度是用十字線心軸來檢定的，將十字線心軸固定在兩項尖之間，換上三倍物鏡移動主顯微鏡臂架使十字線影像清晰地出現在視場中，分別將十字線的中心對準米字線的中心并讀出縱橫向刻度值，向左、向右旋轉臂架12°得出兩次不同的結果即為垂直度的誤差。