量仪的检定与故障分析

孙建浦

（沈阳机床股份有限公司，辽宁沈阳 110142）

1 光学系统中故障的判断

1.1 做好“三防”工作是使用光学仪器的必备条件

（1）光学镜片的霉变、水油雾气和机械系统遭受腐蚀，是光学仪器在使用当中频繁出现的情况。霉斑是在一定温湿度环境下生成的有生命的细菌，当光学仪器镜片表面清洁度不好，存在于镜面表面的细菌在良好的生存环境下迅速生长繁殖，逐步伸展慢慢形成网状的霉菌斑并附着在镜片的表面，这些有害细菌繁殖的排泄物又会进一步侵蚀镜片表面的保护膜和镜片内部组织，进而影响光学镜组在视场当中的成像。因此必须加强光学镜组的清洁程度，不允许用皮肤直接接触光学部件，必须使用中央空调对工作环境进行除尘，不让细菌有生长的环境。

（2）当室内的湿度大于60%RH，湿气可以在光学镜片上形成水珠，或者仪器上的变压油由于温湿度大挥发出的油雾在光学仪器表面形成油珠或油膜，镜片就会形成一层雾膜，如果室内空气温度变化大于每小时2 ℃时，原来在仪器上形成的雾膜上面还会再形成一层水膜，这样很容易腐蚀金属表面，如果定期的保养清理的不干净，还会形成腐蚀变成锈迹。

（3）如果用皮肤直接接触仪器表面，或者用变质的甘油和变压油涂抹仪器金属表面，也会产生腐蚀。

以上是光学仪器保养中应注意的问题，这些不利于仪器的弊病必须消除，因此要正确使用和保养仪器，按照保养要求严格遵守：工作环境必须恒温，防止温度变化过快过大，湿度小于60%RH，温度维持在20±3 ℃；工作时要带手套，防止皮肤直接接触仪器；对光学仪器应该进行定期的维护保养，保持仪器的使用精度不变。

1.2 光学仪器照明系统的使用与维护

1.2.1 灯丝的位置

光学仪器的照明系统是一个光源或者由多个灯泡组成的，对于照明系统来说，分为对被测工件的照明和对仪器玻璃刻度尺、角度度盘、微米分划板的照明。光源必须最大限度地发出光亮，以满足检测工件需要的照明程度。为了最大程限度地在视场中得到清晰的图象，就必须保证光源的灯丝均处在仪器的焦平面上，这样才能最大程度发挥灯泡的亮度。

灯丝与仪器的聚光镜相对位置的不同，决定视场成像的效果（图1）：图1a）的光源位于光轴焦点中心，发射出来的光平行于光轴，位置合理，成像准确；图1b）光源于焦平面内，但是未在焦点中心，发射出来的光虽然是平行光，但是不与光轴平行，所以成像不清晰的；图1c）的光源位于焦平面前端，发射出来的光是发散状的，成像一定是模糊的；图1d）的光源位于焦平面的后端，发射光交叉于一点，成像不但模糊而且缩小，不利于检测。

图1 成像的效果

为了达到光源的正确位置且有利检测：首先应该调节主光源的位置，使灯座的位置位于光轴上；然后改变灯座上3 个灯泡的位置，通过调整灯炮与中心的径向位置使灯丝处于焦点上，3个灯丝都聚集在焦平面上，视场内的成像清晰，图像均匀，光线亮度充足；最后根据所测量的工件来调整光闸的大小，防止侧光和杂光干扰视场内的成像效果。

1.2.2 灯丝调整方法

（1）投影立式光学计和乌式干涉仪均具有独立的光源，光源可以进行灯丝的调整。首先将照明系统灯座向上对着天棚，沿着光轴方向用手动移动灯座的径向位置，使灯丝在投影屏上成像，将灯座上锁紧螺母锁紧，此时灯丝已经在聚光镜的焦平面上，再调整聚光镜上的径向螺母，使灯丝的像在投影屏上居中且清晰，在投影屏幕上能清楚的看到灯丝的影像。

（2）万能工具显微镜的光源调整方法：先将玻璃工作台安装在仪器的金属工作台上，然后将对光筒放在玻璃工作台上，毛玻璃面朝上，这时镜筒上呈现出灯丝的影像，但是不清晰，需要调整径向螺母使灯丝的位置居中，并且能清晰的成像在视场中心。检验的方法是：将2 mm 的量块砰合在20 mm 量块的工作面上，将其水平方向置于玻璃工作台上，将光闸调整为最小，通过视场观察2 mm 量块的成像，如果成像清晰、没有阴影就说明灯丝调整正确，如果一侧有阴影则说明照明系统位置不正确、上下照明不均匀。旋转90°将量块垂直方向置于玻璃工作台上，同样方法看如果没有阴影说明位置正确，如果有一侧有阴影说明左右光源位置不正确，还需要调整径向螺母的位置来使灯丝的正确性。灯丝的调整在整个检测当中非常重要，直接影响工件的成像质量和压线读数，一定要引起足够的重视。

1.3 标准组件

1.3.1 玻璃线纹尺

基准的玻璃刻度尺是量仪的长度基准，在万能工具显微镜、测长仪、测长机、投影立式光学计中都有。影响玻璃线纹尺的示值误差有多种因素，有刻度尺自身自带的误差，有温度变化引起的误差，也有因为时间久远造成基准尺受力变形引起的误差。因为自身误差引起的示值变化需要用基准的玻璃刻度尺检定或者基准量块检定，给出修正值，对于因为温度变化引起的误差就需要对室温进行严格控制，室温控制在20±3 ℃，每小时的变化控制在1 ℃以内。对于因为基准尺受力不平衡引起的尺变形以及因为自身重力作用引起的误差，这些因素引起的示值误差是可修复的，不能通过调整尺的位置达到示值合格。所以，基准尺安装的基座非常重要，不能让尺产生变形且能稳定可靠。

1.3.2 玻璃度盘

玻璃度盘普遍应用在光学仪器中，如万能工具显微镜、光学分度头都有角度度盘。度盘是用专业设备刻划的，因此度盘的刻线存在原始误差，而且分度盘在安装的时候一定会有偏心，也就是分度盘的回转中心与度盘上刻线的圆中心不同心，这样就形成了分度的误差。解决这一问题的方法是在安装度盘时让锁紧螺钉不能用力过小，否则会使度盘松动，造成示值不稳定或者重复性误差，用力也不能过大、容易使度盘破损。因为度盘是玻璃的，与玻璃标尺一样，所以在安装和锁紧度盘时力度的大小决定使用时达到的精度。

1.4 光学瞄准

1.4.1 光学瞄准的准确程度

检定工件时读数需要利用视场内的刻度尺或者螺旋分划板进行瞄准，瞄准的准确程度一方面取决于人的视力，这个可以通过调整目镜来解决，一方面取决于视场内的清晰度，视场内的亮度要适度，过亮对人眼刺激太大、容易疲劳，过暗则看不清工件的影像，明暗程度可以通过调整光栅的大小来实现。视场内也安装了绿色的滤光片，这样视场底色是绿色的，人眼舒适度高，检测精度也有保障。滤光片也广泛应用在光学仪器的光路中，如万能工具显微镜、自准直仪、立式测长仪、测长机等。

1.4.2 光学瞄准器

光学瞄准装置的种类繁多，在精密检测工作中应用广泛。利用机械装置和光学瞄准组合成的灵敏杠杆对工件实现直接测量，利用分光镜能够达到两方向瞄准直接测量，测量精度可以达到0.5 μm，有利于提高测量精度。在分光镜的两个转角棱边分别放上红绿双色的透明物质，使两个着色达成互补。在视场中两个色彩的成像反差强烈，迭加在一起图像清楚，能够提高瞄准的准确度。有的光学仪器附件成像采用非垂直照射，使得工件边缘成像会产生七彩的干涉条纹，也有根据工件工作面回光产生影像形成瞄准读数系统，以上方法都可以提高测量精度。现在也有根据光波技术发展出来光电光学仪器，其精度可达到0.01 μm。

1.5 读数测微系统

光学仪器的读数是靠读数装置来完成的，读数装置的稳定可靠是实现准确测量的基础，读数系统必须灵敏、重复性和稳定性有保证，系统结构也能满足使用要求。

1.5.1 丝杆式目镜测微系统

该装置是手轮的旋转使做直线运动的丝杆转动，丝杆的直线运动能够推动移动分划板直线方向的运动，移动分划板上边有标准刻度尺，测微手轮每转动一圈连带丝杆转动一圈，推动移动分划板做直线运动一个刻度，手轮上刻度是100 个分度，所以移动分划板的一格可以分为100 小分度，1/100 分度可以在手轮上读出，这种丝杆手轮的测微读数结构在自准直仪中可以实现。转动手轮时，有时候会出现空程、阻滞或松动的现象，也会出现螺母和丝杆之间的窜动，这种主要是长期使用由于灰尘和油渍造成不能完好接触，或者丝杆和螺母之间磨损造成牙型之间的间隙，造成重复性和反向间隙增大，需要通过重新研磨丝杆的牙型尺寸来修复，恢复读数装置的测量准确性。另外，固定分划板应与移动分划板在同一焦平面上，如果看清楚移动分划板刻度的同时看不清固定分划板上的刻度，必须调整固定分划板的位置，直至两个标尺同时清晰地呈现在视场当中。

1.5.2 万能工具显微镜的测角目镜

它要求万能工具显微镜的主显镜里的米字线水平线与直角尺投影的水平方向运动相一致。检定方法是将刀口直角尺的刃边长边调到与纵向滑板的运动方向一致，然后观察投影任意一点与米字线水平线之间的距离，是否在纵向滑板运动时距离保持不变，如果有变化需要继续调整直角尺的位置，如果不变则说明调整完毕。然后调整测角目镜使投影线与水平线平行，测角目镜的读数值即为检定结果。规程要求是角度值≤1′。测角目镜的放大比也需要检定，需要用专用的圆形玻璃刻度尺。

1.5.3 阿基米德螺旋测量系统

阿基米德螺旋分划板测量系统在万能工具显微镜、读数显微镜、立卧式测长仪中使用，螺旋分划板与0.1 mm 刻度尺同在一个焦平面上，两个刻度尺垂直方向间距0.05 mm，两个刻度尺都能在视场中同一焦平面上读取，毫米刻度尺通过物镜将0.1 mm 刻度尺的影像和螺旋分划板的影像同时呈现在同一个焦平面上，0.1 mm 一大格正好是固定式分划板的一格，它们之间是10 倍的关系，螺旋分划板转动一圈正好是0.1 mm刻度尺的一小格，10 圈是固定分划板的一格。读数时用螺旋线夹住0.1 mm 刻度尺的刻线，先读出毫米刻度尺的读数，再读出0.1 mm 刻度尺的读数，螺旋分划板上相对指标线的读数即为微米读数，几个数据加在一起即为实测值。

2 机械系统中的故障判断和消除

2.1 基座与支架

光学仪器中主要的组成部分是基座和支架，基座在整台仪器起到支承作用的必备部件，支承并且连接各零件同时能保证各部件相互配合达到使用精度。首先仪器的底座和支架有一定的韧性和强度，支承牢固稳定，确保仪器的可靠性，还要考虑到仪器的底座必须抗压抗振、不易变形，不会因为温度变化或温度变化过快引起仪器本身的变形，造成检定结果不准确。

2.2 导轨精度在检定工作中的重要性

在光学仪器当中导轨是主要的支撑部件，在仪器运动过程中起到支撑和导向的作用。导轨的精度要求非常高，刚度和耐磨性必须好，保证仪器平稳灵活的运动。

导轨直线度的检定：导轨直线度要分别从垂直方向和水平方向两个方向进行，用分度值是1″的自准直仪检测，导轨直线度的理想状态是一条平直的直线。但是由于加工和装配过程对导轨的影响，以及导轨面上的测量座和尾座压在上面，会引起导轨的变形，还有测量过程中人为的误差，也会造成导轨直线度的测量误差。为了提高测量座和尾座在导轨上运动过程中的精度，应对导轨做适当的润滑和仪器保养。

2.3 导向和定位

光学仪器的导轨通常是四点定位或六点定位，如德国莱斯的万能工具显微镜就是通过四点定位导轨定向运动的。定位方式分别有滚动轴承导轨、液体静压导轨和空气静压导轨，导轨的形状按外形可分为V 形导轨、双V 形导轨和双V 形滚道的滚珠导轨。

光学仪器的导轨直线度检定是指被测物的理想要素和实际要素之间的最小区域。例如，三米测长机的导轨水平方向和垂直方向的误差，光学分度头导轨工作面的水平垂直方向的直线度误差，还有万能工具显微镜纵向滑板和横向滑板在运动过程中直线度，以上直线度的检定都是通过自准直仪来检定的。以三米测长机为例将自准直仪主体放在测长机测量座上，反射镜放在尾座上，让十字像出现在目镜的视场当中，然后每隔100 mm 移动尾座一次，并在自准直仪上读出示值，在全长3 m 上逐点检定，最大与最小值之差即为导轨直线度结果。

2.4 垂直度的检定

光学仪器进行垂直度的检定主要有万能工具显微镜的纵向滑板与横向滑板的垂直度，主显微镜臂架沿立柱导轨移动与工作台面的垂直度，立式光学计的臂架与筋形工作台面的垂直度。立式测长仪的测量轴线与筋形工作台面的垂直度，三米测长机的测帽与测量轴线的垂直度。

例如，万能工具显微镜的纵横向滑板运动方向垂直度是用宽座角尺检定，这种角尺只有北京304 所生产，只用做这项垂直度检定，如果检定结果有偏差，主要是纵向导轨的轴承位置偏移造成的。万能工具显微镜纵向滑板支承轴承是偏心轴，通过改变纵向导轨轴承的角度来达到纵横向导轨的垂直。

万能工具显微镜主显微镜臂架与工作台的垂直度是用十字线心轴来检定的，将十字线心轴固定在两项尖之间，换上三倍物镜移动主显微镜臂架使十字线影像清晰地出现在视场中，分别将十字线的中心对准米字线的中心并读出纵横向刻度值，向左、向右旋转臂架12°得出两次不同的结果即为垂直度的误差。