万能工具显微镜纵向示值误差的影响因素及解决方法

一、概述

万能工具显微镜是一种光机电配合的几何量精密测量仪器，由仪器的纵横向导轨组成平面的x、y坐标系，由对应的标尺提供坐标位置尺寸，测量范围x轴为200mm、y轴为100mm。由于仪器设计结构方面的特点，在实际测量中其横向y轴符合阿贝原则，而纵向x轴不符合阿贝原则，这样纵向滑板移动的角摆误差将是影响纵向示值误差的主要因素。为此对其影响因素进行分析，以达到正确调整和使用的要求。

二、原理误差分析

在万能工具显微镜纵向示值误差影响因素中主要包含仪器纵向标尺刻划误差和纵向滑板移动角摆误差两项。标尺制造时的刻划误差允许值为(0.5+L/100)μm，而滑板移动角摆误差需控制在5″以内。由于仪器的纵向滑板在设计和制造时未能满足阿贝原则的要求，则滑板的角摆误差对示值误差的影响为一次误差，正常测量状态时仪器标尺轴线与被测件(检定用标尺)轴线的垂向投影距离估计为L垂直=20mm，横向投影距离估计为L水平=80mm，此时产生的一次误差为

式中:L——仪器纵向标尺轴线至正常测量位置的距离。

JJG56-2000《工具显微镜》检定规程规定，纵向示值误差不应超过(1+L/100)μm，L=200mm，如果滑板移动角摆误差达到上限，则行程范围内在水平方向的角摆误差引起的示值误差就已占了允差的2/3，这对检定结果是不利的；另一方面垂直面内的影响量只有允差的1/6。所以，控制水平面内的角摆误差显得尤为重要。在这种情况下，如果加上标尺的刻划误差，就是一台新制的仪器，即使标尺刻划误差为0，验收时其纵向示值误差也有可能已经达到或超过允许误差的*限值。但实际上仪器却很少有示值超差的，究其原因是实际的标尺刻划误差和角摆误差未必处在*限状态，而且即使两项误差均接近*限，其影响也可能相互抵消，取得比较明显的综合补偿效应。具体情况分析如下:

万能工具显微镜控制纵向滑板水平运动的是左右两条导轨，其固定在仪器基座上(可调整)，由此形成纵向200mm运动行程。理想状态下仪器滑板运动没有角摆误差，此时两条导轨处在同一直线上，如图1所示。即使仪器标尺与被测件(检定用标尺)具有一定的投影间距L水平(不符合阿贝原则)，对于相同的滑板移动距离，两条标尺所指示的数值是相同的，角摆不会引起示值误差。

图1 滑板移动角摆为零的状态

但实际上两条导轨不可能这么**，其相对位置也就各不相同，综合来看，比较有代表性的两导轨相对位置有图2和图3的两种形式(斜对斜)，以及其他直对斜、斜对直的组合形式，这样就使滑板运动中存在角摆误差。

图2 滑板移动角摆非零的状态一

图3 滑板移动角摆非零的状态二

对图2和图3的两种形式进行分析可知，仪器标尺和检定标尺由于滑板的角摆影响使得相同的滑板运动距离却在仪器标尺和检定标尺间产生了位移差。在摆角为φ时，其值分别为2δ和2f，抛开标尺刻划误差的影响，这就是滑板移动时角摆误差影响的示值误差。实际检定中得到如图2所示的纵向滑板示值误差为正，如图3所示的纵向滑板示值误差为负。

从以上分析判断可看出，即使标尺刻划误差和滑板移动角摆误差均各自控制在规定范围内，由于角摆误差(*限值5″)的影响，随着位移的增加，示值误差中仪器的阿贝误差会占很大的比例。再经过长期使用后，其纵向示值误差在多数情况下也会超差，并且是正值误差。针对这种不可避免的情况，就有必要根据实际原因进行分析判断，通过必要的调整以满足使用要求。

三、影响因素及解决方法

引起示值误差超差的原因主要有以下几个方面:

1.玻璃尺制造时的刻划误差的影响，其允许值为(0.5+L/100)μm。该影响在选择标尺时就已确定，无法改变，可能是整体的正或负误差以及正负相间的误差，如果其他结构的调整和配合不合适将会引起示值超差。

2.滑板角摆误差引起的仪器阿贝误差。该项在前面作了较深入的分析，其值会随着误差值的不同以及形态的变化有所改变，当该误差偏大时将造成示值误差超差。

3.仪器经过长期使用，纵向导轨的导向面被磨损，特别是纵向导轨的滑板行程在水平面内呈现如图2和图3所示的圆弧移动形状时，角摆误差超过了规定的要求，直接导致检定时示值误差超差。导轨的角摆误差可用下式表示:

Δ=L/R

式中:Δ——滑板移动的角摆误差；L——测量行程；R——运动轨迹的曲率半径。

以上各影响因素通常都不是独立作用的，对于纵向示值误差基本上都是综合影响。如果在检定过程中示值误差超出规定要求，单纯地考虑某一项影响不能达到解决问题的目的。

一般说来，出厂仪器需要经过严格的调整，使其示值误差满足技术要求。而长期使用后的仪器就会出现各种不良情况，尽管其纵向滑板移动的角摆误差能够控制在5″之内，但加上标尺的刻划误差后，则往往导致纵向示值超差。还有就是导轨磨损造成角摆误差超出规定要求，引起示值误差超差。为了减少示值误差的超差，可采用以下解决方法:

根据实际的示值误差，将两导向导轨调整成为如图2或图3所示的八字形相对位置，纵向滑板出现圆弧形行程轨迹，通过角摆误差引起的阿贝误差来修正标尺刻划误差。

四、调整说明

基于上述方法的调整也存在局限性，**纵向滑板移动的角摆误差调整量有限，因为当检定标尺的摆放位置靠近仪器标尺时，角摆误差的影响会变小，此时主要是仪器标尺误差的影响，而当检定标尺远离仪器标尺时，补偿作用就很明显。调整结果必须保证所有位置测量结果的误差在允许范围内。因此，刻划误差很大时，导轨的调整就无法补偿了。
综上所述，示值误差在一定范围内的超出，可以通过调整满足使用要求，根据实际经验基本上超差(1～2)μm时可以调整，再大调整的可能性就很小了。