通用卡尺內(nèi)量爪檢定裝置的分析與設(shè)計(jì)

水清波

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所， 江蘇 蘇州 215011）

0 引言

計(jì)量科學(xué)廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代科學(xué)如長度、 熱工、 力學(xué)、 聲學(xué)、 光學(xué)和電磁學(xué)等各個領(lǐng)域， 涉及人類社會活動的方方面面， 隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展， 一些新的計(jì)量技術(shù)正在逐漸地形成。 2012 年，通用卡尺檢定規(guī)程提出了對內(nèi)量爪的示值誤差進(jìn)行控制的要求， 而規(guī)程推薦的專用檢具光面環(huán)規(guī)、步距規(guī)只有單一示值， 不能通過研合來組成不同的尺寸， 無法滿足不同測量范圍通用卡尺的校準(zhǔn)要求[1]。 我們發(fā)現(xiàn)采用內(nèi)尺寸檢具配合相應(yīng)等級的量塊就可以方便地測量通用卡尺的內(nèi)量爪示值誤差。 我們首選萬能測長儀配套內(nèi)尺寸檢具， 其在300 mm 測量范圍內(nèi)比使用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)、 步距規(guī)更加方便實(shí)用， 但因此款檢具最大范圍為300 mm， 無法測量大于300 mm 的通用卡尺內(nèi)量爪示值誤差。于是我們根據(jù)量塊的長方形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 將量塊夾持在檢具內(nèi)部， 配合相關(guān)附件卡塊使用。 但在校準(zhǔn)600 mm 通用卡尺的內(nèi)量爪時， 其內(nèi)量爪檢具的長度也必將大于600 mm， 這就出現(xiàn)相應(yīng)檢具的重量過重， 長度過長， 存放不易， 檢定校準(zhǔn)效率不高等問題。 所以， 設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)小巧、 使用方便的內(nèi)尺寸檢定裝置具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價值。

1 檢定裝置的設(shè)計(jì)與分析

通過多次設(shè)計(jì)， 結(jié)合大于100 mm 標(biāo)準(zhǔn)器量塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)的這一款全包圍式檢定裝置。 該檢定裝置主要針對校準(zhǔn)通用卡尺內(nèi)量爪的示值誤差， 在使用時， 包括第一量塊（檢定裝置中只放置一塊量塊時， 被稱為第一量塊）、 兩個檢具及兩個卡塊， 每個檢具上都設(shè)計(jì)有夾持口， 第一量塊的兩端是可以拆卸的， 以便將量塊固定在兩個檢具的夾持口內(nèi)， 兩個卡塊分別是可拆卸的， 設(shè)置于夾持口的底端， 且卡塊包括能夠突出于夾具表面的檢測部位， 如圖1-4 所示。

根據(jù)該檢具設(shè)計(jì)的卡尺內(nèi)量爪檢定裝置， 結(jié)構(gòu)簡單， 方便實(shí)用。 通過設(shè)計(jì)兩個具有夾持端口的檢定裝置， 即檢定裝置是分體式的， 兩個一對使用，這樣的好處是不僅使檢定裝置的尺寸不必大于第一量塊的尺寸， 而且不需要因第一量塊尺寸不同而更換不同尺寸的檢定裝置， 由此大大地提高了檢定裝置的通用性能。

該檢定裝置的設(shè)計(jì)改變了以往檢定裝置的設(shè)計(jì)思路， 直接利用標(biāo)準(zhǔn)量塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 利用連接孔， 改變了以往檢定裝置的安裝方式， 具有方便實(shí)用， 外形小巧， 安裝方便等優(yōu)點(diǎn)[2]。 檢定裝置夾一塊量塊時的指示圖如圖1 所示。

圖1 檢定裝置夾一塊量塊時的主視圖 [3]

此檢定裝置的結(jié)構(gòu)包括： 一塊量塊、 兩個一對的檢具、 兩個卡塊， 右視圖如圖2 所示。 預(yù)留放置量塊的部位為夾持口， 兩個所述卡塊也可分別拆卸， 可分別置于該夾持口的底部， 且卡塊突出于所述檢具表面， 這個突出部分主要用于檢測。 如圖3所示， 箭頭所指的方向?yàn)樵摍z具的寬度方向。

圖2 檢定裝置右視圖 [3]

圖3 檢定裝置剖視圖 [3]

第一量塊為標(biāo)稱長度根據(jù)量塊的制作工藝為大于100 mm 的量塊， 根據(jù)規(guī)程， 大于100 mm 的量塊其兩端有如上文所述的連接孔， 且量塊兩端各有一個。 在實(shí)際校準(zhǔn)卡尺時， 有些校準(zhǔn)點(diǎn)由2～3 塊量塊組合， 于是就需要包括至少一個第二量塊， 這是為了可以拼接出校準(zhǔn)通用卡尺刀口內(nèi)量爪所需要的尺寸而加設(shè)的， 一般拼接的量塊數(shù)量不要超過3塊， 這可以滿足校準(zhǔn)通用卡尺刀口內(nèi)量爪的示值的不確定度要求。 這個第二或者第三量塊可拆卸， 主要放置于所述第一量塊的端部與相對應(yīng)的卡塊之間。 如圖2 所示的量塊1 與卡塊3 之間。 U 形檢具成對使用， 則另外一端也可以根據(jù)需要放置第三量塊。 此第三量塊一般其標(biāo)稱長度不大于100 mm。

此內(nèi)量爪檢定裝置所組成的兩個夾具的兩側(cè)壁上都設(shè)有同軸的通孔， 其作用是配合插銷使用， 這個銷體的一端一般設(shè)計(jì)有堵頭， 方便取用， 在圖1-2 中均有說明， 圖1 的箭頭表示的是該夾具的高度方向。 該堵頭與銷體是一體成型， 主要作用是配合量塊連接孔， 此堵頭為圓柱體， 堵頭的直徑原則上應(yīng)大于所述通孔及連接孔的直徑。

檢定裝置的底部， 設(shè)計(jì)有帶螺紋的孔， 螺紋孔內(nèi)設(shè)計(jì)配合可拆卸的螺桿， 螺桿的主要作用是固定所述第一量塊和相應(yīng)卡塊， 所述的旋鈕與螺桿是相互連接的， 且旋鈕也是圓柱體， 在所述的圓柱體側(cè)面上設(shè)置壓紋。 其壓紋的作用是加大摩擦力， 以方便擰緊與松開。

2 測量裝置的實(shí)例分析

為了解決實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問題， 本文將通過實(shí)例詳細(xì)地闡述通用卡尺內(nèi)量爪檢定裝置， 結(jié)合圖1-4， 對該裝置進(jìn)行詳細(xì)的描述， 以明確此技術(shù)方案所能達(dá)到的技術(shù)效果。

以夾持一塊量塊為例， 如圖1-4 所示， 由第一量塊1、 兩個夾具2 和兩個卡塊3， 在每個夾具2 上都設(shè)置一個夾持口21， 其作用是可以把第一量塊1 的兩端固定于兩個夾具2 的夾持口21 內(nèi)， 這部分是可拆卸的， 兩個卡塊3 的使用位置分別設(shè)置于夾持口21 的底部與第一量塊1 的端部之間， 此處卡塊3 的作用是要有能夠突出于檢具2 表面的檢測部31； 與此同時這兩個卡塊都是可以拆卸的。

在本次設(shè)計(jì)中， 檢定裝置的作用是方便測量范圍大于300 mm 的通用卡尺校準(zhǔn)內(nèi)量爪， 同時也為測量范圍在0～300 mm 的通用卡尺在校準(zhǔn)大于100 mm 測量點(diǎn)時多一種檢定裝置的選擇。 同時第一量塊1 的尺寸選擇根據(jù)JJG 146—2011 《量塊檢定規(guī)程》[2]（以下簡稱規(guī)程）， 即第一量塊1 是標(biāo)稱長度大于100 mm 的帶有連接孔的量塊。

由上所述， 卡塊3 上有突出夾具2 表面的檢測部31， 其是卡塊3 的高度在設(shè)計(jì)時， 要大于第一量塊1 和檢具2 的高度。 在進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)時， 將卡塊3、 第一量塊和夾具2 都放置在平板或工作臺上。 卡塊3 的下端面與第一量塊1 和夾具2 沿高度方向的下端面保持齊平[3]。

此前一種卡尺內(nèi)量爪檢定裝置的工作情況證明[3]， 本次研究中所述的通用卡尺內(nèi)量爪檢定裝置， 結(jié)構(gòu)簡單， 方便實(shí)用。 首先是設(shè)計(jì)兩個具有夾持口21 的夾具2， 不僅使檢具2 的尺寸不需要大于第一量塊1 的尺寸， 即不需要針對不同尺寸的第一量塊1 更換不同尺寸的夾具2， 有效地提高了夾具2 的通用性； 與此同時減輕了夾具2 的重量， 更主要的是降低了檢具2 的制造成本， 從而有利于夾具2 的使用、 攜帶、 保存和維護(hù)， 大大地提高了檢定效率。

如圖4 所示， 本次研究是對上一研究的延伸，其區(qū)別在于， 該裝置中還包括至少一個第二量塊6， 這是可拆卸的， 將其夾在第一量塊1 的測量面與卡塊3 之間， 第二量塊6 為標(biāo)稱長度小于100 mm的量塊。 同時， 如果需要也可以在該通用卡尺檢定裝置一對中的另一個上夾持量塊。

圖4 檢定裝置夾多塊量塊時的主視圖 [3]

此通用卡尺內(nèi)量爪檢定裝置， 綜上所述可以組合出多種校準(zhǔn)尺寸， 滿足了各種尺寸的通用卡尺內(nèi)量爪檢定需求， 同時檢定裝置重量的減輕， 體積的縮小， 在方便通用卡尺內(nèi)量爪示值校準(zhǔn)的同時， 也利于檢定裝置的使用、 攜帶、 保存和維護(hù)， 進(jìn)一步地加強(qiáng)檢定裝置的通用性。

3 通用卡尺的刀口內(nèi)量爪示值誤差的不確定度評定

此處以數(shù)顯卡尺分度值為0.01 mm 的內(nèi)量爪檢定為例， 主要以141.8、 491.8、 991.8 mm 校準(zhǔn)點(diǎn)示值誤差測量結(jié)果不確定度進(jìn)行評定， 量塊的等級為3 級5 等。

3.1 測量模型

通用卡尺的示值誤差的測量模型為：

式（1） 中： e——示值誤差；

L——讀數(shù)值；

L0——量塊的長度。

溫度偏離在20 ℃時需考慮受鋼制量塊線膨脹系數(shù)及其溫度差的影響[4-5]， 可以進(jìn)行如下簡化：

式（2） 中： e——讀數(shù)示值誤差；

LC——20 ℃條件時的讀數(shù)值；

Lb——20 ℃條件時的量塊長度；

αC， αb——線膨脹系數(shù)；

ΔtC， Δtb——偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃時的溫度值。

3.2 方差和靈敏系數(shù)

由于ΔtC和Δtb的測量使用的是同一個溫度設(shè)備， 它們之間具有相關(guān)性， 過程相對復(fù)雜， 必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

令δα=αc-αb； δt=ΔtC-Δtb

取L≈Lc≈Lb； α=αc=αbΔt=ΔtC=Δtb

由公式（2） 得：

3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表

標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表如表1 所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表

3.3.2 數(shù)顯卡尺讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1

3.3.3 3 級5 等量塊估算的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

假設(shè)均勻分布， 其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.3.4 通用卡尺與量塊熱膨脹系數(shù)的影響的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3

由于通用卡尺與量塊的材料性質(zhì)不同， 其材料熱膨脹系數(shù)為（11.5±1） ×10-6/℃， 視為均勻分布；而2×10-6/℃是δα 的半寬， 屬于三角分布， 即k =， 假設(shè)測量尺寸L 一般偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍在±5 ℃， 計(jì)算結(jié)果如下：

3.3.5 通用卡尺和量塊的溫度差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4

溫度差的區(qū)間半寬假設(shè)為0.5 ℃，那么該量塊的線膨脹系數(shù)為11.5×10-6/℃， 此處視為均勻分布， k=， 計(jì)算如下：

3.3.6 合成不確定度

當(dāng)L=141.8 mm=141 800 μm時， Δt=5 ℃， 則：

同理可得：

當(dāng)L=491.8 mm 時， uc=7.1 μm

當(dāng)L=991.8 mm 時， uc=11.9 μm 3.3.7 擴(kuò)展不確定度

取k=2， 則擴(kuò)展不確定度如下：

當(dāng)L=141.8 mm 時， U=k·uc=2×4.3=0.009 mm

當(dāng)L=491.8 mm 時， U=k·uc=2×7.1=0.014 mm

當(dāng)L=991.8 mm 時， U=k·uc=2×11.9=0.024 mm

3.3.8 測量不確定度報告

根據(jù)相同的評定方法， 得到L= 491.8 mm和L=991.8 mm 的擴(kuò)展不確定度是0.014 mm、0.024 mm。

結(jié)論： 通過不確定度的相關(guān)評定可以看出，0～1 000 mm 測量范圍的通用卡尺示值誤差的不確定度結(jié)果基本接近線性分布， 其中L 的單位為mm， 公式如下：

本檢定裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 目的在于提供量塊放置的區(qū)域， 通過使用量塊自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 配合卡塊、 卡銷和螺母的支撐作用， 簡化檢定裝置的結(jié)構(gòu)， 增加通用卡尺內(nèi)量爪檢定和校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度和可行性。

4 結(jié)束語

本文針對通用卡尺內(nèi)量爪的檢定和校準(zhǔn)設(shè)計(jì)3款檢定裝置， 希望可以給相應(yīng)測量范圍通用卡尺的內(nèi)量爪的檢定和校準(zhǔn)提供參考。 現(xiàn)代測量越來越向智能化方向發(fā)展， 運(yùn)用機(jī)電控制系統(tǒng)， 保證運(yùn)動軌跡的精度， 配合采用傳感裝置、 驅(qū)動裝置、 傳動設(shè)備和相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)， 控制通用卡尺的測量方向及其速度， 將通用卡尺的檢定及校準(zhǔn)向自動化、 智能化領(lǐng)域發(fā)展。 在進(jìn)一步的研究設(shè)計(jì)工作中， 筆者將對高科技手段在通用卡尺的測量和應(yīng)用繼續(xù)進(jìn)行探索， 希望能夠找到提高測量系統(tǒng)自動化精度和效率的切入點(diǎn)， 使得研究過程更科學(xué)可信， 測量結(jié)果更實(shí)用可靠。