基于不完整鉸鏈結構的圓錐孔口直徑檢測量具設計與分析

陳錫渠 孔曉紅 王占奎 蘇建修 付素芳

（河南科技學院機電學院，河南新鄉(xiāng) 453003）

基于不完整鉸鏈結構的圓錐孔口直徑檢測量具設計與分析

陳錫渠 孔曉紅 王占奎 蘇建修 付素芳

（河南科技學院機電學院，河南新鄉(xiāng) 453003）

由于圓錐孔口有毛刺或倒角導致其孔口直徑（尤其是大端直徑）不易測量，所設計的一種基于不完整鉸鏈結構的圓錐孔口直徑檢測量具，可有效地解決定性測量無法獲得具體誤差值的問題，又避免了原有方法進行定量檢測時需利用測得的數(shù)據(jù)計算，操作比較麻煩，不適于生產(chǎn)現(xiàn)場使用等缺陷。該量具不依靠尺腳測量面與孔口的點接觸來進行測量，而是通過采用不完整鉸鏈結構使量具定位面和測量卡腳刀口分別與工件上圓錐孔端面和圓錐孔內(nèi)表面接觸，將原來卡腳刀口與孔口的接觸點轉化成空間交點（虛交點）來測定，避開了圓錐孔口毛刺或倒角的影響，可在機上直接測量，數(shù)顯直讀，操作方便，且結構簡單，有一定的通用性，可有效地解決生產(chǎn)現(xiàn)場定量檢測圓錐孔口尺寸的問題，并可間接測量圓錐孔的錐度。

不完整鉸鏈 圓錐孔口尺寸 檢測量具 精度分析

本文設計了一種基于不完整鉸鏈結構的圓錐孔口尺寸檢測量具，該量具不依靠尺腳測量面與孔口面的點接觸來進行測量，而是通過定位面和測量卡腳刀口分別與錐孔端面和錐孔內(nèi)表面接觸，將原來測量卡腳與孔口的接觸點轉化成空間交點（虛交點）來測定，避開了圓錐孔口毛刺或倒角的影響，可在機上直接測量，數(shù)顯直讀，且結構簡單，有一定的通用性，可有效地解決生產(chǎn)現(xiàn)場定量檢測圓錐孔口尺寸的問題，并可間接測量圓錐孔的錐度。

1 測量原理

由于圓錐的母線與端面不垂直，導致其直徑（尤其是大端直徑）不易準確測量。如：卡尺（或內(nèi)徑千分尺）的測量卡腳與內(nèi)錐面接觸面過小，則易脫落，接觸面過大，則測出的數(shù)值已不是錐孔口的直徑;若圓錐孔口有毛刺或倒角時，更是無法準確測得其直徑。

如圖1所示，以圓錐孔大端面直徑測量為例，平面Ⅰ、Ⅲ為過圓錐孔大端直徑兩端點a、b為分別與圓錐面相切的平面（切線為ac、bd，Ⅰ、Ⅲ同時也與圓錐孔大端圓相切），平面Ⅱ與圓錐孔大端面共面。顯然平面Ⅰ、Ⅱ的交線MN與平面Ⅱ、Ⅲ的交線PQ平行，且均與AB垂直，則測圓錐孔大端直徑ab可轉化為測兩直線MN和PQ間距離。在設計檢測量具時，卡腳上的刀口就是平面Ⅰ、Ⅲ（可繞鉸鏈旋轉，自動適應錐體的錐度的變化，時刻保持與錐面相切，見圖2），主尺和游標上的定位面就是平面Ⅱ，所以鉸鏈的中心線就是MN和PQ。因是在內(nèi)錐面上測量，故平面Ⅰ、Ⅲ演化為卡腳的刀口ac和bd（與游標卡尺測量卡腳結構相同）。同時為避開a、b處毛刺的影響，需將a、b附近的鉸鏈（圖中沙紋面和斜紋面處）切除一部分，成為不完整鉸鏈結構。

另外，測得錐孔大、小端面直徑后，再測得錐體長度，通過計算即可得到錐體的錐度。

2 量具結構

如圖2，量具主要由主尺部件、游標部件組成。

主尺部件包括主尺體1、磁尺2、主尺鉸鏈體9、主測量卡腳7、簧片11、壓簧桿12、鉸鏈端蓋8、螺栓10等。主尺體、主鉸鏈體間通過兩互相垂直的平面定位，使用螺栓連接。主鉸鏈體、主測量卡腳之間通過不完整鉸鏈連接，主測量卡腳的刀口K1（平面Ⅰ）通過主鉸鏈中心線，主鉸鏈體上的定位面L1（平面Ⅱ）也通過鉸鏈中心線，則鉸鏈的中心線就是MN。由于主鉸鏈體孔和主測量卡腳上的圓柱面均非完整圓柱面（構成不完整鉸鏈），隨著測量錐孔的錐度變化，主鉸鏈體、主測量卡腳之間的鉸鏈配合面會小于180°，為防止二者脫開，二者之間通過壓簧桿和簧片連接。主測量卡腳在鉸鏈內(nèi)旋轉時，簧片在主鉸鏈體的外圓柱面上滑動，壓簧桿在主鉸鏈體的周向槽內(nèi)擺動。

游標部件組包括游標鉸鏈體4、副測量卡腳5、鉸鏈端蓋、數(shù)顯裝置3、壓簧桿、簧片、螺栓等。游標鉸鏈體、副測量卡腳之間也通過不完整鉸鏈連接。副測量卡腳的刀口K2（平面Ⅲ）通過鉸鏈中心線，游標鉸鏈體上的定位面L2（平面Ⅱ）也通過鉸鏈中心線，則鉸鏈的中心線就是PQ。同理游標鉸鏈體、副測量卡腳之間也采用壓簧桿和簧片連接。

3 測量范圍

3.1 錐孔端面直徑的測量范圍

顯然量具鉸鏈的軸線方向尺寸越小，則量具可檢測的最小直徑就越小。考慮量具結構的具體需求，本量具鉸鏈的軸線方向尺寸選12 mm。

如圖3所示，鉸鏈孔徑d與待測錐孔最小孔徑Dmin間的關系為

顯然Dmin為d的非單調(diào)函數(shù)。令D′min=0，可知：當d=12 mm 時，有D′min=12 mm。故選鉸鏈孔徑d=12 mm，同時考慮結構上的需要，取鉸鏈外徑d′=20 mm，主尺鉸鏈與游標鉸鏈會干涉，因此實際可測最小直徑大于20 mm，取D′min≥25 mm。

鉸鏈結構對量具的最大測量孔徑無影響，故量具的最大測量孔徑取決于主尺刻度范圍。本量具的主尺刻度范圍設計為150 mm，故量具的孔徑測量范圍為

3.2 可測錐孔的錐度范圍

如圖4a為主尺鉸鏈體的部分結構（游標體上的鉸鏈結構與其類似），壓簧桿在不完整鉸鏈上的周向槽中擺動。其中鉸鏈部分外徑D=20 mm，內(nèi)徑d=12 mm?？紤]到結構上的要求，在槽的兩端保留的扇形實體中心角分別是45°和40°。

如圖4b為主測量卡腳鉸鏈部分的結構與壓簧桿（直徑d′=12 mm）的位置，其外圍角度為主鉸鏈體上周向槽的周向位置和尺寸，內(nèi)層角度為主測量卡腳的結構。壓簧桿對應中心角為

顯然，測量卡腳可繞中心線逆時針或順時針旋轉的最大角度為

工程上一般不用很大的錐度，該量具測錐孔尺寸時可適應的錐度范圍取為

4 測量精度分析

影響量具測量精度的主要因素包括：主尺鉸鏈中心線與其裝配定位面B（如圖4a）的距離誤差δ1，游標鉸鏈中心線與其裝配定位面的距離誤差δ2，主尺鉸鏈體上的測量定位面（如圖2）與鉸鏈孔中心線的共面誤差δ3，游標鉸鏈體上的測量定位面與鉸鏈孔中心線的共面誤差δ4，主測量卡腳鉸鏈中心線與主測量卡腳刀口的共面誤差為δ5，副測量卡腳鉸鏈中心線與副測量卡腳刀口的共面誤差為δ6。下面逐項分析。

4.1 誤差δ1和δ2對測量精度的影響

δ1和 δ2使兩鉸鏈中心連線與主尺不平行，產(chǎn)生平行度誤差Δ1（如圖5所示）?？紤]到誤差的隨機性，平行度誤差Δ1為

由圖5可知

則有Δ1產(chǎn)生的測量誤差ΔD1為

4.2 誤差δ3和δ4對測量精度的影響

δ3和δ4使鉸鏈體上的定位面與鉸鏈孔中心線的不共面，如圖6所示有兩種情況。如圖6a，誤差δ3和δ4使孔中心線按不同方向偏移，顯然

忽略式（6）中微小量δ3和δ4的平方項，測量誤差ΔDa為

如圖6b，誤差δ3和δ4使孔中心線按相同方向偏移，顯然

忽略式（8）中微小量δ3和δ4的平方項，測量誤差ΔDb為

4.3 誤差δ5和δ6對測量精度的影響

如圖7所示主測量卡腳刀口與鉸鏈中心線偏移δ5，由圖可見測量誤差 ΔD3為

同理可得游標測量卡腳刀口與鉸鏈中心線偏移δ6引起的測量誤差 ΔD4為

考慮到各項誤差的隨機性，由量具結構引起的總測量誤差ΔD為

總測量誤差ΔD與待測尺寸D和所測錐孔錐度α有關。D越大，測量誤差ΔD越小;α越大，測量誤差ΔD越大。測量裝置為普通量具，其制造精度可選 IT4［15］，則 ε1=0.006 mm，ε2=0.002 5 mm，ε3=0.002 5 mm，δ5=0.002 mm，δ6=0.002 mm，當 D=22 mm。α=40°時，總的測量誤差ΔD=0.007 mm。故量具的測量精度定為0.02 mm。

5 量具的特點和應用

本量具的孔徑測量范圍為25 mm≤D≤150 mm，在測錐孔端面尺寸時可適應的錐度變化范圍為0°≤錐孔錐度≤80°;測量精度為0.02 mm;重復定位精度為0.01 mm。本量具主要用于測量圓錐孔孔口直徑，也可用于間接測量圓錐體的錐度，但不適于大錐度錐體的測量（因測量誤差大）。該測量裝置結構簡單，使用方便，無視值誤差，在線數(shù)顯直讀，有一定的通用性，既有效地解決了定性測量無法獲得具體誤差值的問題，又避免了采用樣棒和定高塊（或量塊）等進行定量檢測時需利用測得的數(shù)據(jù)計算，且操作比較麻煩的缺陷。在使用量具時需注意以下事項：

（1）測量裝置使用前需用標準量塊（不低于6等量塊的精度）校準清零，以消除常值系統(tǒng)誤差;

（2）測量時，首先主尺通過其上的定位面在錐孔端面定位，同時主測量卡腳刀口與錐面貼合，然后拉動游標，使游標上的定位面也在錐孔端面定位，同時副測量卡腳刀口與錐面貼合即可直接讀出測量結果。注意游標相對于主尺的最大移動速度應v≤1.5 m/s，否則將產(chǎn)生錯誤計數(shù);

（3）當工作環(huán)境濕度φ≥80%時，卡尺測量尺寸會發(fā)生突變?？蓪⒖ǔ吣玫疥柟饣蚋稍锾幰欢螘r間，即可恢復正常。

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The Design and Analysis of Conical Bore Diameter Measuring Tool Based on Incomplete Hinges

CHEN Xiqu，KONG Xiaohong，WANG Zhankui，SU Jianxiu，F(xiàn)U Sufang
（Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang 453003，CHN）

There are burrs and beveling in conical bore edge which cause that it is difficult to measuring its diameter（especially big－end），so the paper designs a measuring tool based on incomplete hinges which is available to measure its size errors easily and avoid the defects of already existing method，such as：handle trouble，can’t field－working and so on.This tool measures the conical bore diameter not based on the point－contact between foot rulers measuring plane and conical bore.It is actually transforming the point－contact between foot rulers measuring plane and conical bore end plane into a space point－contact by contacting between tool locating plane and conical bore end plane，and other contacting between foot rulers measuring plane and conical bore inner plane，which can avoid affecting of burrs and beveling.It can measure the conical bore edge sizes directly in field－working and measure the taper value of conical bore indirectly.

Incomplete Iron Hinge;Conical Bore Edge Sizes;Measuring Tools;Precision Analysis

陳錫渠，男，1965年生，副教授，碩士，主要研究方向：先進制造與測量技術，發(fā)表文章40余篇。

（編輯 周富榮）（

2009―08―13）

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