一、实验目的
①掌握导轨直线度误差的检测方法及数据处理。
②加深对直线度误差定义的理解。
③掌握合像水平仪的原理及使用。
④掌握给定平面内直线度误差的评定方法。
二、实验设备
合像水平仪是一种精密测角仪器，用自然水平面作为测量基准。 它是由底板1和壳体4组成外壳基体。 其内部则由杠杆2、水准器8、两个棱镜7、测量系统9以及放大器6和11组成，其结构如图14．1所示。
图14．1 合像水平仪结构图
1—底板；2—杠杆；3—支座；4—壳体；5—水准器支架；6，11—放大器；7—棱镜组；8—水准器；9—微分筒；10—螺杆
合像水平仪的主要技术指标如下：
①分度值：0．01mm／m。
②最大测量范围：±5mm／m。
③工作面长度：165mm。
④全部测量范围内示值误差：±0．02mm／m。
三、实验原理
将被测要素分成若干个首尾相接等间距的节距点，合像水平仪的模拟理想要素是水平直线。 将合像水平仪通过桥板放在某相邻的两节距点上，通过仪器读出的两点连线与水平直线之间的微小角度，通过对逐个节距的测量，得出变化的角度；通过作图或计算，即可求出被测表面的直线度误差。
图14．2 测量原理图
合像水平仪是利用棱镜将水准器中的气泡像复合放大，以提高读数时的对准精度，利用杠杆和微动螺杆传动机构来提高读数的精度和灵敏度。 水准器8上有一个均匀的液体槽，槽内充满乙醚，在液体槽内有一小气泡。 在测量时，气泡两端经棱镜组7反射的两半像从放大器6观察。 当桥板两端相对于自然水平面无高度差时，水准器处于水平位置，则气泡在水准器中央，位于棱镜7两边的对称位置上，从放大器6看到的两半像相合，如图14．3（a）所示。 若桥板两端相对于自然水平面有高度差，则水平仪倾斜一个角度，因此，气泡不在水准器中央，从放大器6看到的两半像错开，如图14．3（b）所示，产生偏移量Δ。 此时转动螺旋9，通过测微螺杆10和杠杆2，对水准器施加外力，使其转动一个角度α，从而使气泡返回棱镜7两边的对称位置上，从放大器中观察到气泡的两半像恢复成图14．3（a）所示的状态。 水准器的转角α与测微螺杆移动量即被测两点的高度差h有确切的对应关系：
h ＝i×L×a式中 i——合像水平仪分度值，mm／m；
L——桥板跨距，mm；
a——刻度盘读数，格数。
四、实验步骤
①将被测到过表面及合像水平仪底部擦干净。
②量出被测表面总长，将总长分为若干等分段（一般为6～12段）确定每一段的长度（跨距）L，并按L调整可调桥板两圆柱的中心距。
③将合像水平仪置于0～1段上，调节微分筒9，使错开的气泡像重合，如图14．3（a）所示，得到第一个测点数，依次在1～2，2～3，…位置进行测量，则得到各测点读数，如图14．4所示。
④仪器不要调头，从终点至起始点进行回测，得各段回测读数并记录。 取各段测量，回测读数之平均值作为各段读数值。
图14．3 合像水平仪测量原理图
图14．4 合像水平仪检测导轨直线度示意图
Ⅰ—桥板；Ⅱ—合像水平仪；Ⅲ—导轨
⑤用作图法将测量结果进行数据处理，并用最小包容区域法分析评定。
a．选择合适的X轴、Y轴放大比例。 X坐标表示分段长度，Y坐标表示高度差累计值。
b．根据各测点的累计值描点。
c．作起始点和终点的连线，并以两端点连线法为评定直线度的基准线。 作两条平行线包容全部测量点，并平行于基准线。 两平行线间的距离在纵坐标的截距，即为直线度误差。
假设用分度值：i＝0．01mm／m的合像水平仪检测某800mm长导轨的直线度，桥板跨距为100mm，将测量数据列于表14．1。
表14．1 测量数据值
注：a1为第一点序的读数平均值。
按表14．1所列累积值，在坐标纸上作出误差折线，用作图法求最小包容区域及其在纵坐标上的截距a。 如图14．5所示，a＝12（格）。
图14．5 误差折线图
则被测导轨的直线度误差为：
五、注意事项
①使用水平仪测量时，被测导轨面应调到大致处于水平面位置。
②用水平仪检测直线度时，应使用专用桥板，桥板跨距的选择，应保证L／C为一整数（L为被测长度）。
③桥板在移动过程中，除注意保证在前后两次测量中桥板首尾两点要很好衔接外，还应注意其移动轨迹成一直线。
④水平仪检测导轨直线度是逐段测量，仪器读数表示后一点对前一点的状态，当后一点比前一点读数大时为正；反之，为负。
⑤测量起始点a0虽不读数，但它是起始点的0位，千万不能丢掉。
六、思考题
①怎样检测平面素线的直线度误差？
②测量直线度误差的仪器有哪些？
③判别直线度误差最小区域的准则有哪些？
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