用萬能工具顯微鏡測量的原則及原理分析

李 雪，宋秀敏

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

萬能工具顯微鏡（以下簡稱萬工顯）是機械制造行業(yè)常用的一種大型和復(fù)雜的光學(xué)測量儀器。它主要以影相法和軸切法為瞄準(zhǔn)方法，按照直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)來精確地測量零件的長度、角度。影像法是直接依靠顯微鏡將影像放大來瞄準(zhǔn)讀數(shù)，軸切法是為了在輪廓對準(zhǔn)上克服因衍射現(xiàn)象帶來的測量誤差，利用所配附件測量刀上的刻線代替被測表面輪廓來完成瞄準(zhǔn)。萬工顯可以測量如扁平、圓柱、錐體、螺紋等各種形狀零件的參數(shù)，包括刀具的輪廓角、樣板和模具的幾何形狀、凸輪的坐標(biāo)尺寸、圓弧半徑、孔徑和孔間距等都可以測量。這種儀器配有多種附件，具有精度高、操作方便、適用性廣等特點。

盡管萬工顯具有很多優(yōu)點，但如果測量工件時操作不當(dāng)，就會引入一系列系統(tǒng)誤差，從而降低測量的精度。下面根據(jù)萬工顯光學(xué)系統(tǒng)的特性，論述一下在操作過程中如何提高測量精度及其原理。

1 調(diào)焦原則

在萬工顯上進行測量時，為了保證測量的正確性，必須要求物像和米字線分劃線的像在同一聚焦面上，這就必須按照正確的調(diào)焦原則進行操作。

把被測工件放在工作臺上用頂針頂緊后，首先從目鏡視野內(nèi)仔細(xì)觀察米字刻線是否清晰，如果不夠清晰，應(yīng)調(diào)節(jié)目鏡筒上的滾花圈，使視度和測量者視力相適應(yīng)，在視野內(nèi)得到清晰的米字線像，然后移動顯微鏡懸臂或焦距微調(diào)環(huán)，使視野內(nèi)物像輪廓清晰，并移動縱橫滑板使米字線和被測工件影像輪廓邊緣互相重疊。為了檢驗調(diào)焦位置的正確性，測量者的眼睛可在目鏡的任一位置移動觀察，如果觀察視野內(nèi)物像和米字線刻線所壓的輪廓無相對移動，就說明被測件成像平面正確的落在米字線的分劃板上，這時就可以測量了。反之如果觀察視野內(nèi)物像和米字線刻線所壓的輪廓有相對移動，則說明物像平面沒落在米字線分劃板上，這時必須轉(zhuǎn)動焦距微動調(diào)整環(huán)調(diào)整顯微鏡和被測工件間的距離，直到無相對移動為止。需要注意的是如果操作者在測量工件時僅靠移動顯微鏡懸臂上的手輪進行調(diào)焦，使工件在視野內(nèi)成像清晰，而忽略了同時使目鏡筒內(nèi)米字刻線成像清晰，則被測物的像和米字刻線的像就沒有落在同一聚焦面上。在測量時壓線就比較困難，每壓一次線，由于觀察位置的移動，就會有不同的數(shù)值，這樣就使儀器讀數(shù)存在了視差，降低了測量準(zhǔn)確度。

2 可變光闌的調(diào)整原則

當(dāng)物像及米字刻線調(diào)整清晰后還要進行可變光闌的調(diào)整，如果可變光闌的大小調(diào)整不當(dāng)將造成較大的測量誤差，光闌直徑的大小與被測工件的形狀和大小有關(guān)。對扁平工件，可變光闌的調(diào)整無一定數(shù)值要求，只要能看見清晰的像和明亮均勻的視場即可，對光滑或帶螺紋的圓柱體工件，需要按照被測軸徑選用最合適的光闌直徑，如果光闌直徑選用不合適，會使測得的軸徑尺寸偏大或偏小。這是由于儀器照明光路采用遠(yuǎn)心光路，照射工件的光束為一組平行光束。由于照明的燈絲有一定的長度，不是理想的點光源，燈絲的每一點射出的光束經(jīng)過透鏡后各自成一束平行光，這些平行光束間有一定的夾角，光闌大時，由光闌邊緣點射出的光線與中心點射出的光線通過透鏡后的夾角也會更大，反之亦然。從圖1中可看出，當(dāng)測同一圓柱直徑時，光闌的大小對測量數(shù)值的大小影響很大。當(dāng)光闌大時，由光闌下邊緣C點射出的光線C1與顯微鏡物鏡軸線之間的夾角U1就大，由于它在圓柱面上反射的結(jié)果，使工件的半徑影像尺寸（即陰影輪廓）減小a1，而光闌收小一些時，由光闌下邊緣C點射出的光線與顯微鏡物鏡軸線之間的夾角由U1變小到U，它在工件上反射的結(jié)果，使工件影像的減小數(shù)值由a1變?yōu)閍，看起來好像縮小了測量誤差，但實際上光闌直徑太小會由于光線衍射的影響而使被測工件影像尺寸變大，產(chǎn)生正誤差。在測量螺紋工件時，光闌的大小不但與螺紋中徑尺寸有關(guān)，而且與螺紋牙型半角有關(guān)，因為螺紋表面是一個大曲面，這曲面上的曲率變化情況與半角有關(guān)，它對測量數(shù)值影響的規(guī)律與圓柱形工件基本相似，因此測量圓柱形和有螺紋的工件時必須對可變光闌進行正確的調(diào)整。

圖1 可變光闌與測量誤差的關(guān)系

對于光滑圓柱體測量時，可變光闌直徑可用公式（1）計算：

對于螺紋工件測量時，可變光闌可用公式（2）計算：

式中：D和D1為測量時所用光闌直徑；F為萬工顯照明光源準(zhǔn)直透鏡焦距；d為被測量工件的直徑；dcp為被測量螺紋的中徑為螺紋輪廓半角

在測量時不僅要考慮光闌直徑與工件的關(guān)系，還要知道調(diào)整光闌的正確方法。因為光闌的葉片反向旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生回程空程非常大，假如光闌直徑從20mm的位置反調(diào)到10mm時，必須把光闌先回到零位，再從零位方向旋轉(zhuǎn)調(diào)整到這次測量所需要的位置。

3 測量工件的壓線方法

使用萬工顯進行測量時，壓線問題也是影響測量精度一個很重要的因素之一。壓線方法分為兩種類型：一種是測量角度時的壓線方法，一種是測量長度時的壓線方法。測量角度采用狹縫壓線法，也就是在角度測量時把米字線其中的一條和被測角邊緣輪廓引入視野內(nèi)相靠時，不要采用和影像邊緣重疊的方法，而是讓米字線和被測角邊緣輪廓保持一條狹窄的光隙，測量者以光隙寬度的均勻性來判別米字線和影像邊緣對線的準(zhǔn)確度，這樣就大大減小了壓線的散發(fā)誤差，如圖2所示。

圖2 錯誤與正確的壓線比較

在長度測量時，不能采用狹縫壓線法，因為我們無法準(zhǔn)確知道狹縫的寬度，這樣就為長度的測量結(jié)果引入了新的誤差。因此在長度測量時要采用半寬壓線法。也就是把米字線的虛線正壓在輪廓的邊緣上，使虛線的像一半在影像之內(nèi)，一半在影像之外，以米字線的中心點上的虛線作為測量位置的主要依據(jù)，以其延長部分作為參考，這樣其實就提高了人眼對比識別的靈敏度，是無任何對比下的測量誤差1/6～1/3。

總之，在使用萬工顯測量工件時，只有遵循正確的操作原則,按照正確的測量方法和合理的數(shù)據(jù)處理，才能得到準(zhǔn)確、可靠的測量結(jié)果。

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[1]黑龍江省標(biāo)準(zhǔn)計量管理局和哈爾濱工業(yè)大學(xué)編，長度計量手冊[M].北京：科學(xué)出版社，1979.

[2]李 麗.在萬工顯上測量凸輪樣板的找正方法[J].計量技術(shù)，2004(11)：58.