0～300mm電子數(shù)顯高度卡尺的優(yōu)化設(shè)計(jì)

閆列雪，黃桂云

電子數(shù)顯高度卡尺是利用電子測(cè)量以及數(shù)字顯示原理，對(duì)裝置在尺框上的劃線爪工作面與底座工作面相對(duì)移動(dòng)分隔的距離進(jìn)行讀數(shù)的測(cè)量器具和劃線工具，主要由尺身、尺框、電子顯示器、劃線爪和底座等構(gòu)成。在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)電子數(shù)顯高度卡尺的方形底座結(jié)構(gòu)、形式以及尺身結(jié)構(gòu)等存在不足，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，使用者操作費(fèi)力等缺陷，基于此，本文對(duì)電子數(shù)顯高度卡尺的底座、尺身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 原電子數(shù)顯高度卡尺設(shè)計(jì)的不足

高度卡尺原來(lái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，經(jīng)過(guò)對(duì)原有產(chǎn)品按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21390-2008及國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG31-2011進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)合客戶反饋意見(jiàn)，發(fā)現(xiàn)存在以下主要問(wèn)題：

圖1 高度卡尺原結(jié)構(gòu)圖

1.1 底座的結(jié)構(gòu)形式與材料

1.1.1 底座的結(jié)構(gòu)形式

由圖1、圖2可知，底座由兩大部分組成，即由鑲鐵通過(guò)螺釘與底座主體連接而成。底座的零件簡(jiǎn)圖如圖1所示。在圖1中，可以看到，這種底座是方形的，專(zhuān)業(yè)上稱(chēng)它為方形底座，它由底座體、左鑲鐵、右鑲鐵及8顆螺釘組成。當(dāng)操作使用時(shí)，操作者的手要緊握住底座，它的后兩個(gè)尖角會(huì)硌到手掌，時(shí)間長(zhǎng)了，會(huì)使人的手掌產(chǎn)生不適，具有又酸又麻的感覺(jué)和疲勞疼痛。

圖2 方形底座結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 底座的材料

按GB/T21390-2008中的規(guī)定，高度尺底座工作面（底面）的硬度不應(yīng)低于509 HV或50 HRC[1].底座體的材料為HT150，不能通過(guò)熱處理滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，這就必須在底座體底面裝上鋼制鑲條，鑲鐵的材料為3Cr13，為了保持與底座體底面輪廓一致，必須用線切割加工鑲條外形，既費(fèi)工時(shí)，又費(fèi)材料。

1.2 尺身剛性不夠

尺身的剛性問(wèn)題，實(shí)際上就是一段懸臂梁在受到外力作用后所產(chǎn)生的端頭轉(zhuǎn)角θB的大小以及最大撓度ymax的大小?，F(xiàn)在，把高度尺在工件上劃線時(shí)受力狀況簡(jiǎn)化為一段懸臂梁（尺身）受到一固定載荷P的作用，如圖3所示。

圖3 尺身受力狀況圖

在圖3中，θB為尺身端頭轉(zhuǎn)角，ymax為尺身最大撓度，其中 θB＝ Pl2/2EI，ymax＝ Pl3/3EI.上式中，P 為固定載荷，一般為12 N左右；l為尺身上某固定點(diǎn)（劃線爪）距底面距離，按最大測(cè)量范圍計(jì)算，應(yīng)為300 mm，E為材料的彈性模量，材料為不銹鋼，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知E=2.06×105 N/mm2，因此，可計(jì)算現(xiàn)有高度尺尺身的最大撓度ymax1及端頭轉(zhuǎn)角θB1[2].

如圖4所示，現(xiàn)有尺身寬度h=20 mm，厚度b=6 mm，又因?yàn)?I=bh3/12，所以

圖4 尺身截面示意圖

如圖5所示，由于尺身的端頭轉(zhuǎn)角，不可避免地使劃線爪也產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，從而引起劃線爪爪尖偏離理論正確位置，產(chǎn)生一個(gè)偏移量s1.劃線爪爪尖距尺身中心線的最小距離為75 mm，所以

s1=75×tan0.039°=0.05＞0.04 mm

而實(shí)際上這個(gè)偏移量s1也就是產(chǎn)生了一個(gè)測(cè)量誤差，按照檢定規(guī)程JJG31-2011的規(guī)定最大允許誤差，測(cè)量范圍上限為300 mm時(shí)最大允許誤差為±0.04 mm，因此偏移量s1=0.05 mm已經(jīng)超過(guò)了檢定規(guī)程的規(guī)定值，由此可見(jiàn)原有的尺身剛性是不夠的。正是由于尺身的結(jié)構(gòu)剛性不足，從而引起示值超過(guò)最大允許誤差[3]。

圖5 尺身劃線找爪偏移示意圖

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

電子數(shù)顯高度卡尺的優(yōu)化設(shè)計(jì)必須首先改變底座外形以適宜人的手感，其次再加寬尺身以增強(qiáng)尺身的剛性，從而提高示值誤差的一次合格率，提升產(chǎn)品的整體質(zhì)量。

2.1 底座的形式、結(jié)構(gòu)與材料

2.1.1 底座的形式

經(jīng)過(guò)分析和對(duì)比，參考國(guó)外相似產(chǎn)品，底座的形式采用馬蹄形，如圖6所示。由圖中可以看出，它底面大而頂部較小，后部又是半圓形并帶有的圓角，這樣就很適合人的手掌掌握，而且腰部還開(kāi)有一條半圓通槽，在前端部還有一個(gè)轉(zhuǎn)折，便于給人的大拇指很好的握緊操作，這樣操作使用時(shí)操作者的手會(huì)很輕易地握緊底座而不會(huì)覺(jué)得硌手，使用起來(lái)不會(huì)有不適的感覺(jué)。

圖6 馬蹄形底座示意圖

2.1.2 底座的結(jié)構(gòu)與材料

底座毛坯采用整體熔模鑄造，材料選用ZG45，底座工作面淬火后硬度可達(dá)到50 HRC以上，滿足GB/T21390-2008的技術(shù)要求[1]。

2.2 尺身的結(jié)構(gòu)

考慮到電子數(shù)顯模塊的通用性，經(jīng)過(guò)計(jì)算，尺身寬度最大可到23 mm，厚度仍然為6 mm，尺身截面圖如圖7所示。

圖7 尺身截面示意圖

改進(jìn)后尺身的剛性驗(yàn)算：

設(shè)端頭轉(zhuǎn)角為θB2，尺身最大撓度為ymax2，所以

劃線爪爪尖的偏移量

s2=75×tan0.026°=0.033＜0.04 mm

經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，新型高度卡尺由尺身端頭轉(zhuǎn)角引起的示值誤差在檢定規(guī)程JJG31-2011的規(guī)定范圍之內(nèi)，因此，可以肯定尺身剛性已經(jīng)足夠，能滿足用戶的使用要求[3]。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電子數(shù)顯高度卡尺如圖8所示。

圖8 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電子數(shù)顯高度卡尺結(jié)構(gòu)示意圖

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生的效益

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，操作人員在使用時(shí)手感舒適，不再感到感到酸痛。

（1）電子數(shù)顯高度卡尺的穩(wěn)定性大為提高。

任何物體的穩(wěn)定性與它的支撐面的投影面積成正比[4]。方形底座和馬蹄形底座的投影圖如圖9所示。

圖9 底座支撐面投影圖

根據(jù)相關(guān)尺寸可分別計(jì)算出方形底座的投影面積為6760 mm2，馬蹄形底座的投影面積為10 900 mm2.兩相比較，新型高度尺底座支撐面投影面積在原有基礎(chǔ)上增加了60%以上，從而大大提高了高度尺的穩(wěn)定性，從而也提高了高度尺在測(cè)量過(guò)程中示值的穩(wěn)定性。

（2）尺身的剛性得到提高，消除了由于剛性不足引起的系統(tǒng)誤差。

（3）機(jī)械加工工藝得到簡(jiǎn)化，減少了生產(chǎn)工時(shí)，降低了生產(chǎn)成本。

方型底座：方型底座由底座體和鑲鐵組成，工藝流程和工時(shí)定額分別如表1、2所示，工時(shí)定額共計(jì)2 301 min.

表1 一件底座體加工工序及工時(shí)定額

表2 一件鑲鐵加工工序及工時(shí)定額

馬蹄形整體底座的工藝流程和工時(shí)定額如表3所示，工時(shí)定額共1 475 min.

表3 一件馬蹄形整體底座的加工工序及工時(shí)定額

上述兩種底座的工時(shí)差額為：2 301-1 475=826 min

節(jié)省工時(shí)比率為：826÷2 301=35.89%

即優(yōu)化后的高度卡尺的底座比原有底座節(jié)省工時(shí)超過(guò)三分之一以上。

4 結(jié)束語(yǔ)

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電子數(shù)顯高度卡尺，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及要求都能滿足達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21390-2008及國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG31-2011標(biāo)準(zhǔn)的要求，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，增強(qiáng)了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]GB/T 21390-2008.游標(biāo)、帶表和數(shù)顯高度卡尺[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[3]JJG31-2011.高度卡尺[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[4]丁邦宏.支持面上物體穩(wěn)定性探究?jī)x[J].教育與裝備研究，2012（2）：38-39.