量塊安放對(duì)長度測(cè)量值的影響

韓翹楚

【摘要】量塊是一種長度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器。在檢定過程中，量塊在豎直安放時(shí)受自身重力作用的影響，其長度將比水平安放時(shí)有所縮短。為了盡可能消除這一影響因素，確保量塊長度測(cè)量值的準(zhǔn)確性，應(yīng)根據(jù)量塊的不同標(biāo)稱長度選擇合適的安放方式。

【關(guān)鍵詞】量塊;安放;長度測(cè)量

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2022.03.028

Influence of Gauge Block Placement on Length Measurement

HAN Qiao-chu

（Liaoning Institute of Measurement，Shengyang 110004，China）

Abstract：Gauge block is a length measuring standard. When the gauge block is placed vertically，its length will be shorter than that when it is placed vertically. In order to eliminate this influence factor as much as possible and ensure the accuracy of the measured value of the gauge block length，the appropriate placement method should be selected according to the different nominal length of thegauge block.

Key words：gauge block;placement;length measured

1概述

量塊是用耐磨材料制造的橫截面為矩形，且有一對(duì)互相平行測(cè)量面的標(biāo)準(zhǔn)端面量具。量塊在長度計(jì)量儀器的檢定和校準(zhǔn)過程中有著廣泛的應(yīng)用。通過量塊可以進(jìn)行長度的量值傳遞，也可以作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)長度計(jì)量測(cè)試儀器、量具、量規(guī)等進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，還可以調(diào)整精密機(jī)床的夾具、刀具在加工中的定位尺寸或?qū)軆x器進(jìn)行調(diào)校。因此，量塊測(cè)量值的準(zhǔn)確度就顯得尤為重要。

在量塊的檢定過程中，除了溫度，量塊的安放也是影響測(cè)量結(jié)果的一個(gè)重要因素。由于量塊安放的不同會(huì)使其長度和形態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而影響長度測(cè)量值的準(zhǔn)確度。本文將分析如何減小量塊安放姿態(tài)對(duì)長度測(cè)量值的影響。

2量塊的標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)

在國家檢定規(guī)程JJG 46—2011《量塊》中規(guī)定了量塊的標(biāo)準(zhǔn)安放方式，即“長度等于或小于100 mm的量塊，在測(cè)量和使時(shí)，量塊的軸線可垂直或水平安裝;大于100 mm時(shí)，量塊的軸線應(yīng)水平安裝。這時(shí)，量塊一個(gè)較窄的側(cè)面放置在分別距量塊兩端面各為0.211×l_n的兩個(gè)橫放的支柱上”。

3量塊垂直安放對(duì)測(cè)量值的影響

垂直安放的量塊受自身重力的影響，其長度將比水平安放的情況下有所縮短。量塊垂直安放比水平安放測(cè)得值的縮短量，可以用下式來計(jì)算。

S=0.5（LW/EA）=0.5（L²ρ/E）

式中，L為量塊長度;W為量塊自身的重力;E為量塊的彈性模量;A為量塊的橫截面積;ρ為量塊材料密度。

以鋼制量塊的計(jì)算結(jié)果為例，與一等量塊長度測(cè)量不確定度的允許值進(jìn)行比較，如表1所示。

由上表數(shù)據(jù)可知，對(duì)長度等于或小于100 mm的量塊，垂直安放的縮短量與一等量塊長度測(cè)量不確定度允許值相比較可以忽略不計(jì)。但是，對(duì)長度大于100 mm的量塊，垂直安放的縮短量與一等量塊長度測(cè)量不確定度允許值幾乎處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，量塊檢定規(guī)程中規(guī)定：“大于100 mm時(shí)，量塊的軸線應(yīng)水平安裝?！?/p>

4量塊水平安放的支承位置

量塊水平安放樣式如圖1所示。用量塊一個(gè)較窄的側(cè)面安放在與次面相垂直的支柱A、B上。量塊測(cè)量面在量塊測(cè)量軸線彎曲與不彎曲時(shí)兩者之間的夾角，稱為轉(zhuǎn)角θ。a為支承量塊兩個(gè)橫放支柱與測(cè)量軸線兩端測(cè)量面之間的距離，b為支承量塊兩個(gè)橫放支柱之間的距離。當(dāng)a=0.211×l_a時(shí)，θ=0。此時(shí)，量塊雖然在其自身均勻分布的重力作用下產(chǎn)生彈性變形而導(dǎo)致測(cè)量軸線發(fā)生彎曲，但因?yàn)閮蓽y(cè)量面轉(zhuǎn)角為0，所以兩測(cè)量面之間的平行度不會(huì)受到影響。a=0.211×l_n為支承量塊兩個(gè)橫放支柱與測(cè)量軸線兩端測(cè)量面之間的最佳距離。由于上述安放位置的選擇原則首先是由艾利發(fā)現(xiàn)的，該支承點(diǎn)被稱為艾利點(diǎn)。

5非艾利點(diǎn)支承

當(dāng)被測(cè)量塊處于非艾利點(diǎn)支承位置時(shí)，就會(huì)對(duì)量塊長度的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。下面以長度為1000 mm的量塊為例，分析當(dāng)支承點(diǎn)位置不在艾利點(diǎn)上時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響。假設(shè)兩個(gè)支柱A和B的位置分別距離量塊的兩個(gè)端面a_x，并假設(shè)a_x-a=5mm。由于量塊受自身重力作用的影響而產(chǎn)生彈性形變，進(jìn)而使量塊的軸線產(chǎn)生彎曲，導(dǎo)致兩測(cè)量面位置的撓角不等于零。根據(jù)材料力學(xué)可知，撓角的計(jì)算公式為：

其中，q為沿量塊軸線單位長度的重力，q=0.0241 N/mm;b為支承量塊的兩個(gè)支柱A和B之間的距離，b=1000mm-2×216mm=568mm;a為支承量塊的兩個(gè)支柱A和B分別與測(cè)量軸線兩端測(cè)量面之間的距離，a=211mm+5mm=216 mm;E為量塊材料的彈性模數(shù)，E=2059.4N/mm;J為與測(cè)量軸線相垂直量塊橫截面對(duì)中性軸的慣性矩，J=3.216×10⁴mm。將上述數(shù)據(jù)代撓角計(jì)算公式中可以得出θ_x=2.433×10^-6rad。

由于量塊橫截面和支承情況的對(duì)稱性，并根據(jù)JJG 146—2011《量塊》檢定規(guī)程中提出的距離測(cè)量面邊緣0.8 mm范圍內(nèi)忽略不計(jì)的規(guī)定，量塊測(cè)量面的有效高度H為33.4 mm。由于量塊測(cè)量面的撓角不等于零，使量塊上邊的長度伸長，下邊的長度縮短，其伸長與縮短量之差為：Δ=2H×θ。將H=33.4mm，θ_x=2.433×10^-6rad代入可得Δ=0.16μm。

根據(jù)以上計(jì)算可知，當(dāng)1000mm量塊的兩個(gè)支撐位置各偏離5mm時(shí)，長度變動(dòng)量增加0.16μm，這個(gè)數(shù)值相對(duì)于其變動(dòng)量允許值0.60μm來說是不可以忽略的。因此，長度大于100mm的量塊，在水平安放時(shí)應(yīng)注意支撐點(diǎn)位置的選擇。如果支柱A和B之間的距離b太近，則量塊的兩端下垂而中間部分略有抬高，如圖2所示。如果支柱A和B之間的距離b太遠(yuǎn)，則量塊的兩端上翹而中間部分略有下垂，如圖3所示。在這兩種情況下，由于撓角不等于零，量塊的兩個(gè)端面不處于平行的狀態(tài)，就會(huì)造成中心長度和變動(dòng)量的檢定或校準(zhǔn)結(jié)果不準(zhǔn)確。

6支承工具

當(dāng)量塊水平安放時(shí)，不僅要注意支承點(diǎn)位置的選擇，也要有合適的支承工具。在對(duì)標(biāo)稱長度大于100mm的量塊進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)時(shí)，按照量塊支承位置（艾利點(diǎn)）的要求，應(yīng)該使用相應(yīng)的支承工具來固定標(biāo)準(zhǔn)量塊和被測(cè)量塊。一般來說，在滿足量塊保護(hù)及支承力要求的前提下，支承面寬度應(yīng)該盡可能地窄，同時(shí)，為了滿足不同長度量塊檢定或校準(zhǔn)需求，使用的都是可調(diào)節(jié)型支承工具（如圖4所示）。

在使用這種夾具時(shí)，需要注意以下兩個(gè)問題：1）當(dāng)兩塊被測(cè)量塊的標(biāo)稱值之差較小時(shí)，應(yīng)注意支承位置的調(diào)節(jié)，避免由于疏忽導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。2）在利用兩個(gè)活動(dòng)式壓緊臂上的螺釘固定量塊時(shí)，應(yīng)左右用力一致且適度，盡量讓量塊減少受力和變形。

7結(jié)論

綜上所述，量塊是一種在長度計(jì)量工作中常用的計(jì)量器具，不僅可以用于長度的測(cè)量，還作為長度計(jì)量的主要標(biāo)準(zhǔn)器之一，在長度量值傳遞中發(fā)揮著重要的作用。因此，在檢定或校準(zhǔn)量塊的過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選用合適的檢定或校準(zhǔn)方法來確保量塊量值的可靠性，使量塊的量值傳遞工作能夠順利進(jìn)行。

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