量?jī)x的檢定與故障分析

孫建浦

（沈陽機(jī)床股份有限公司，遼寧沈陽 110142）

1 光學(xué)系統(tǒng)中故障的判斷

1.1 做好“三防”工作是使用光學(xué)儀器的必備條件

（1）光學(xué)鏡片的霉變、水油霧氣和機(jī)械系統(tǒng)遭受腐蝕，是光學(xué)儀器在使用當(dāng)中頻繁出現(xiàn)的情況。霉斑是在一定溫濕度環(huán)境下生成的有生命的細(xì)菌，當(dāng)光學(xué)儀器鏡片表面清潔度不好，存在于鏡面表面的細(xì)菌在良好的生存環(huán)境下迅速生長(zhǎng)繁殖，逐步伸展慢慢形成網(wǎng)狀的霉菌斑并附著在鏡片的表面，這些有害細(xì)菌繁殖的排泄物又會(huì)進(jìn)一步侵蝕鏡片表面的保護(hù)膜和鏡片內(nèi)部組織，進(jìn)而影響光學(xué)鏡組在視場(chǎng)當(dāng)中的成像。因此必須加強(qiáng)光學(xué)鏡組的清潔程度，不允許用皮膚直接接觸光學(xué)部件，必須使用中央空調(diào)對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行除塵，不讓細(xì)菌有生長(zhǎng)的環(huán)境。

（2）當(dāng)室內(nèi)的濕度大于60%RH，濕氣可以在光學(xué)鏡片上形成水珠，或者儀器上的變壓油由于溫濕度大揮發(fā)出的油霧在光學(xué)儀器表面形成油珠或油膜，鏡片就會(huì)形成一層霧膜，如果室內(nèi)空氣溫度變化大于每小時(shí)2 ℃時(shí)，原來在儀器上形成的霧膜上面還會(huì)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(yǎng)清理的不干凈，還會(huì)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(zhì)的甘油和變壓油涂抹儀器金屬表面，也會(huì)產(chǎn)生腐蝕。

以上是光學(xué)儀器保養(yǎng)中應(yīng)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(yǎng)儀器，按照保養(yǎng)要求嚴(yán)格遵守：工作環(huán)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(shí)要帶手套，防止皮膚直接接觸儀器；對(duì)光學(xué)儀器應(yīng)該進(jìn)行定期的維護(hù)保養(yǎng)，保持儀器的使用精度不變。

1.2 光學(xué)儀器照明系統(tǒng)的使用與維護(hù)

1.2.1 燈絲的位置

光學(xué)儀器的照明系統(tǒng)是一個(gè)光源或者由多個(gè)燈泡組成的，對(duì)于照明系統(tǒng)來說，分為對(duì)被測(cè)工件的照明和對(duì)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(fā)出光亮，以滿足檢測(cè)工件需要的照明程度。為了最大程限度地在視場(chǎng)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(fā)揮燈泡的亮度。

燈絲與儀器的聚光鏡相對(duì)位置的不同，決定視場(chǎng)成像的效果（圖1）：圖1a）的光源位于光軸焦點(diǎn)中心，發(fā)射出來的光平行于光軸，位置合理，成像準(zhǔn)確；圖1b）光源于焦平面內(nèi)，但是未在焦點(diǎn)中心，發(fā)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(fā)射出來的光是發(fā)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(fā)射光交叉于一點(diǎn)，成像不但模糊而且縮小，不利于檢測(cè)。

圖1 成像的效果

為了達(dá)到光源的正確位置且有利檢測(cè)：首先應(yīng)該調(diào)節(jié)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(gè)燈泡的位置，通過調(diào)整燈炮與中心的徑向位置使燈絲處于焦點(diǎn)上，3個(gè)燈絲都聚集在焦平面上，視場(chǎng)內(nèi)的成像清晰，圖像均勻，光線亮度充足；最后根據(jù)所測(cè)量的工件來調(diào)整光閘的大小，防止側(cè)光和雜光干擾視場(chǎng)內(nèi)的成像效果。

1.2.2 燈絲調(diào)整方法

（1）投影立式光學(xué)計(jì)和烏式干涉儀均具有獨(dú)立的光源，光源可以進(jìn)行燈絲的調(diào)整。首先將照明系統(tǒng)燈座向上對(duì)著天棚，沿著光軸方向用手動(dòng)移動(dòng)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(shí)燈絲已經(jīng)在聚光鏡的焦平面上，再調(diào)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(diào)整方法：先將玻璃工作臺(tái)安裝在儀器的金屬工作臺(tái)上，然后將對(duì)光筒放在玻璃工作臺(tái)上，毛玻璃面朝上，這時(shí)鏡筒上呈現(xiàn)出燈絲的影像，但是不清晰，需要調(diào)整徑向螺母使燈絲的位置居中，并且能清晰的成像在視場(chǎng)中心。檢驗(yàn)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(tái)上，將光閘調(diào)整為最小，通過視場(chǎng)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(diào)整正確，如果一側(cè)有陰影則說明照明系統(tǒng)位置不正確、上下照明不均勻。旋轉(zhuǎn)90°將量塊垂直方向置于玻璃工作臺(tái)上，同樣方法看如果沒有陰影說明位置正確，如果有一側(cè)有陰影說明左右光源位置不正確，還需要調(diào)整徑向螺母的位置來使燈絲的正確性。燈絲的調(diào)整在整個(gè)檢測(cè)當(dāng)中非常重要，直接影響工件的成像質(zhì)量和壓線讀數(shù)，一定要引起足夠的重視。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)組件

1.3.1 玻璃線紋尺

基準(zhǔn)的玻璃刻度尺是量?jī)x的長(zhǎng)度基準(zhǔn)，在萬能工具顯微鏡、測(cè)長(zhǎng)儀、測(cè)長(zhǎng)機(jī)、投影立式光學(xué)計(jì)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?yàn)闀r(shí)間久遠(yuǎn)造成基準(zhǔn)尺受力變形引起的誤差。因?yàn)樽陨碚`差引起的示值變化需要用基準(zhǔn)的玻璃刻度尺檢定或者基準(zhǔn)量塊檢定，給出修正值，對(duì)于因?yàn)闇囟茸兓鸬恼`差就需要對(duì)室溫進(jìn)行嚴(yán)格控制，室溫控制在20±3 ℃，每小時(shí)的變化控制在1 ℃以內(nèi)。對(duì)于因?yàn)榛鶞?zhǔn)尺受力不平衡引起的尺變形以及因?yàn)樽陨碇亓ψ饔靡鸬恼`差，這些因素引起的示值誤差是可修復(fù)的，不能通過調(diào)整尺的位置達(dá)到示值合格。所以，基準(zhǔn)尺安裝的基座非常重要，不能讓尺產(chǎn)生變形且能穩(wěn)定可靠。

1.3.2 玻璃度盤

玻璃度盤普遍應(yīng)用在光學(xué)儀器中，如萬能工具顯微鏡、光學(xué)分度頭都有角度度盤。度盤是用專業(yè)設(shè)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(shí)候一定會(huì)有偏心，也就是分度盤的回轉(zhuǎn)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(shí)讓鎖緊螺釘不能用力過小，否則會(huì)使度盤松動(dòng)，造成示值不穩(wěn)定或者重復(fù)性誤差，用力也不能過大、容易使度盤破損。因?yàn)槎缺P是玻璃的，與玻璃標(biāo)尺一樣，所以在安裝和鎖緊度盤時(shí)力度的大小決定使用時(shí)達(dá)到的精度。

1.4 光學(xué)瞄準(zhǔn)

1.4.1 光學(xué)瞄準(zhǔn)的準(zhǔn)確程度

檢定工件時(shí)讀數(shù)需要利用視場(chǎng)內(nèi)的刻度尺或者螺旋分劃板進(jìn)行瞄準(zhǔn)，瞄準(zhǔn)的準(zhǔn)確程度一方面取決于人的視力，這個(gè)可以通過調(diào)整目鏡來解決，一方面取決于視場(chǎng)內(nèi)的清晰度，視場(chǎng)內(nèi)的亮度要適度，過亮對(duì)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(diào)整光柵的大小來實(shí)現(xiàn)。視場(chǎng)內(nèi)也安裝了綠色的濾光片，這樣視場(chǎng)底色是綠色的，人眼舒適度高，檢測(cè)精度也有保障。濾光片也廣泛應(yīng)用在光學(xué)儀器的光路中，如萬能工具顯微鏡、自準(zhǔn)直儀、立式測(cè)長(zhǎng)儀、測(cè)長(zhǎng)機(jī)等。

1.4.2 光學(xué)瞄準(zhǔn)器

光學(xué)瞄準(zhǔn)裝置的種類繁多，在精密檢測(cè)工作中應(yīng)用廣泛。利用機(jī)械裝置和光學(xué)瞄準(zhǔn)組合成的靈敏杠桿對(duì)工件實(shí)現(xiàn)直接測(cè)量，利用分光鏡能夠達(dá)到兩方向瞄準(zhǔn)直接測(cè)量，測(cè)量精度可以達(dá)到0.5 μm，有利于提高測(cè)量精度。在分光鏡的兩個(gè)轉(zhuǎn)角棱邊分別放上紅綠雙色的透明物質(zhì)，使兩個(gè)著色達(dá)成互補(bǔ)。在視場(chǎng)中兩個(gè)色彩的成像反差強(qiáng)烈，迭加在一起圖像清楚，能夠提高瞄準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。有的光學(xué)儀器附件成像采用非垂直照射，使得工件邊緣成像會(huì)產(chǎn)生七彩的干涉條紋，也有根據(jù)工件工作面回光產(chǎn)生影像形成瞄準(zhǔn)讀數(shù)系統(tǒng)，以上方法都可以提高測(cè)量精度?，F(xiàn)在也有根據(jù)光波技術(shù)發(fā)展出來光電光學(xué)儀器，其精度可達(dá)到0.01 μm。

1.5 讀數(shù)測(cè)微系統(tǒng)

光學(xué)儀器的讀數(shù)是靠讀數(shù)裝置來完成的，讀數(shù)裝置的穩(wěn)定可靠是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量的基礎(chǔ)，讀數(shù)系統(tǒng)必須靈敏、重復(fù)性和穩(wěn)定性有保證，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也能滿足使用要求。

1.5.1 絲桿式目鏡測(cè)微系統(tǒng)

該裝置是手輪的旋轉(zhuǎn)使做直線運(yùn)動(dòng)的絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿的直線運(yùn)動(dòng)能夠推動(dòng)移動(dòng)分劃板直線方向的運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)分劃板上邊有標(biāo)準(zhǔn)刻度尺，測(cè)微手輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈連帶絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，推動(dòng)移動(dòng)分劃板做直線運(yùn)動(dòng)一個(gè)刻度，手輪上刻度是100 個(gè)分度，所以移動(dòng)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(cè)微讀數(shù)結(jié)構(gòu)在自準(zhǔn)直儀中可以實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)空程、阻滯或松動(dòng)的現(xiàn)象，也會(huì)出現(xiàn)螺母和絲桿之間的竄動(dòng)，這種主要是長(zhǎng)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(fù)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(fù)，恢復(fù)讀數(shù)裝置的測(cè)量準(zhǔn)確性。另外，固定分劃板應(yīng)與移動(dòng)分劃板在同一焦平面上，如果看清楚移動(dòng)分劃板刻度的同時(shí)看不清固定分劃板上的刻度，必須調(diào)整固定分劃板的位置，直至兩個(gè)標(biāo)尺同時(shí)清晰地呈現(xiàn)在視場(chǎng)當(dāng)中。

1.5.2 萬能工具顯微鏡的測(cè)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(yùn)動(dòng)相一致。檢定方法是將刀口直角尺的刃邊長(zhǎng)邊調(diào)到與縱向滑板的運(yùn)動(dòng)方向一致，然后觀察投影任意一點(diǎn)與米字線水平線之間的距離，是否在縱向滑板運(yùn)動(dòng)時(shí)距離保持不變，如果有變化需要繼續(xù)調(diào)整直角尺的位置，如果不變則說明調(diào)整完畢。然后調(diào)整測(cè)角目鏡使投影線與水平線平行，測(cè)角目鏡的讀數(shù)值即為檢定結(jié)果。規(guī)程要求是角度值≤1′。測(cè)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(cè)量系統(tǒng)

阿基米德螺旋分劃板測(cè)量系統(tǒng)在萬能工具顯微鏡、讀數(shù)顯微鏡、立臥式測(cè)長(zhǎng)儀中使用，螺旋分劃板與0.1 mm 刻度尺同在一個(gè)焦平面上，兩個(gè)刻度尺垂直方向間距0.05 mm，兩個(gè)刻度尺都能在視場(chǎng)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(shí)呈現(xiàn)在同一個(gè)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(guān)系，螺旋分劃板轉(zhuǎn)動(dòng)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(shù)時(shí)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(shù)，再讀出0.1 mm 刻度尺的讀數(shù)，螺旋分劃板上相對(duì)指標(biāo)線的讀數(shù)即為微米讀數(shù)，幾個(gè)數(shù)據(jù)加在一起即為實(shí)測(cè)值。

2 機(jī)械系統(tǒng)中的故障判斷和消除

2.1 基座與支架

光學(xué)儀器中主要的組成部分是基座和支架，基座在整臺(tái)儀器起到支承作用的必備部件，支承并且連接各零件同時(shí)能保證各部件相互配合達(dá)到使用精度。首先儀器的底座和支架有一定的韌性和強(qiáng)度，支承牢固穩(wěn)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(huì)因?yàn)闇囟茸兓驕囟茸兓^快引起儀器本身的變形，造成檢定結(jié)果不準(zhǔn)確。

2.2 導(dǎo)軌精度在檢定工作中的重要性

在光學(xué)儀器當(dāng)中導(dǎo)軌是主要的支撐部件，在儀器運(yùn)動(dòng)過程中起到支撐和導(dǎo)向的作用。導(dǎo)軌的精度要求非常高，剛度和耐磨性必須好，保證儀器平穩(wěn)靈活的運(yùn)動(dòng)。

導(dǎo)軌直線度的檢定：導(dǎo)軌直線度要分別從垂直方向和水平方向兩個(gè)方向進(jìn)行，用分度值是1″的自準(zhǔn)直儀檢測(cè)，導(dǎo)軌直線度的理想狀態(tài)是一條平直的直線。但是由于加工和裝配過程對(duì)導(dǎo)軌的影響，以及導(dǎo)軌面上的測(cè)量座和尾座壓在上面，會(huì)引起導(dǎo)軌的變形，還有測(cè)量過程中人為的誤差，也會(huì)造成導(dǎo)軌直線度的測(cè)量誤差。為了提高測(cè)量座和尾座在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)過程中的精度，應(yīng)對(duì)導(dǎo)軌做適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑和儀器保養(yǎng)。

2.3 導(dǎo)向和定位

光學(xué)儀器的導(dǎo)軌通常是四點(diǎn)定位或六點(diǎn)定位，如德國(guó)萊斯的萬能工具顯微鏡就是通過四點(diǎn)定位導(dǎo)軌定向運(yùn)動(dòng)的。定位方式分別有滾動(dòng)軸承導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的形狀按外形可分為V 形導(dǎo)軌、雙V 形導(dǎo)軌和雙V 形滾道的滾珠導(dǎo)軌。

光學(xué)儀器的導(dǎo)軌直線度檢定是指被測(cè)物的理想要素和實(shí)際要素之間的最小區(qū)域。例如，三米測(cè)長(zhǎng)機(jī)的導(dǎo)軌水平方向和垂直方向的誤差，光學(xué)分度頭導(dǎo)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(yùn)動(dòng)過程中直線度，以上直線度的檢定都是通過自準(zhǔn)直儀來檢定的。以三米測(cè)長(zhǎng)機(jī)為例將自準(zhǔn)直儀主體放在測(cè)長(zhǎng)機(jī)測(cè)量座上，反射鏡放在尾座上，讓十字像出現(xiàn)在目鏡的視場(chǎng)當(dāng)中，然后每隔100 mm 移動(dòng)尾座一次，并在自準(zhǔn)直儀上讀出示值，在全長(zhǎng)3 m 上逐點(diǎn)檢定，最大與最小值之差即為導(dǎo)軌直線度結(jié)果。

2.4 垂直度的檢定

光學(xué)儀器進(jìn)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(dǎo)軌移動(dòng)與工作臺(tái)面的垂直度，立式光學(xué)計(jì)的臂架與筋形工作臺(tái)面的垂直度。立式測(cè)長(zhǎng)儀的測(cè)量軸線與筋形工作臺(tái)面的垂直度，三米測(cè)長(zhǎng)機(jī)的測(cè)帽與測(cè)量軸線的垂直度。

例如，萬能工具顯微鏡的縱橫向滑板運(yùn)動(dòng)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(chǎn)，只用做這項(xiàng)垂直度檢定，如果檢定結(jié)果有偏差，主要是縱向?qū)к壍妮S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?qū)к壿S承的角度來達(dá)到縱橫向?qū)к壍拇怪薄?/p>

萬能工具顯微鏡主顯微鏡臂架與工作臺(tái)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(xiàng)尖之間，換上三倍物鏡移動(dòng)主顯微鏡臂架使十字線影像清晰地出現(xiàn)在視場(chǎng)中，分別將十字線的中心對(duì)準(zhǔn)米字線的中心并讀出縱橫向刻度值，向左、向右旋轉(zhuǎn)臂架12°得出兩次不同的結(jié)果即為垂直度的誤差。