高度卡尺底座與尺身連接方式可靠性研究及應(yīng)用

董中新

（桂林廣陸數(shù)字測控有限公司，廣西 桂林 541213）

0 引言

高度卡尺俗稱高度尺，用于制造業(yè)測量零件的高度和精密劃線，是一種使用頻率較高的測量器具。但目前市面上的高度卡尺普遍存在裝配合格率低、使用一段時(shí)間后精度失準(zhǔn)等問題。本研究針對存在的問題探索導(dǎo)致的起因及如何通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決問題。

1 高度卡尺種類

按照國標(biāo)GB/T21390-2008[1]的分類方法，高度卡尺分為游標(biāo)高度卡尺、帶表高度卡尺、數(shù)顯高度卡尺3種：

（1）游標(biāo)高度卡尺：運(yùn)用尺框滑動(dòng)游標(biāo)刻線與尺身（主尺）刻線相對位置進(jìn)行讀數(shù)的高度卡尺；

（2）帶表高度卡尺：運(yùn)用齒條傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)顯示測量數(shù)值的高度卡尺；

（3）數(shù)顯高度卡尺：運(yùn)用電子數(shù)字原理進(jìn)行讀數(shù)并用數(shù)字顯示方式進(jìn)行測量的高度卡尺。

使用這3類高度卡尺進(jìn)行測量的方法是一樣的，只是讀取測量數(shù)據(jù)結(jié)果的方式不一樣，其主要結(jié)構(gòu)也基本相同，主要由底座、尺身、滑動(dòng)尺框（附顯示裝置）、劃線爪（測量爪）等部件組成，其中最重要的裝配連接為底座與尺身（主尺）的連接，如圖1所示（本研究以數(shù)顯高度卡尺為例）。

圖1 數(shù)顯高度尺結(jié)構(gòu)簡圖

2 高度卡尺底座與尺身連接存在的問題

對于精密測量儀器來說，儀器的各個(gè)部件連接可靠并保持相對穩(wěn)定是最起碼的要求。不論是在運(yùn)輸途中還是在放置、使用過程中，都必須保證各部件之間的相互作用必須是可靠及相對不變的，否則就會(huì)引起儀器的原有精度的喪失，從而造成不能正常使用[2]?，F(xiàn)有市面上的高度卡尺底座與尺身的連接方式，都是常見的普通螺紋鎖緊結(jié)構(gòu)（圖2、圖3），即在高度卡尺的底座上開一個(gè)卡槽，然后在高度卡尺的尺身上鉆孔，再從底座的側(cè)面用螺釘鎖緊連接把尺身固定在底座上的方式。這種連接結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：螺釘與螺紋孔由于制造誤差的原因，會(huì)使螺紋的鎖緊力大小不一，導(dǎo)致在生產(chǎn)過程中裝配底座與尺身時(shí)的垂直度極不易調(diào)整，特別是量程≥500 mm的高度卡尺，其尺身、尺框以及讀數(shù)模塊的重心不在同一直線上所產(chǎn)生的傾斜力都有可能大于螺紋的鎖緊力，這樣很難保證尺身基準(zhǔn)面與底座基準(zhǔn)面的垂直度（圖1），從而增加生產(chǎn)時(shí)的裝配難度，裝配效率低，合格率低；同時(shí)，即使裝配合格出廠，使用這種普通螺紋鎖緊機(jī)構(gòu)的高度卡尺，在后續(xù)的運(yùn)輸及使用過程中也會(huì)有可能因?yàn)橥饬Φ淖饔茫菀讓?dǎo)致鎖緊力松動(dòng)，或?qū)е鲁呱淼闹本€度發(fā)生變化（翹曲），進(jìn)而使高度卡尺的原有各項(xiàng)精度指標(biāo)發(fā)生變化，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定。這就是市面上普通結(jié)構(gòu)的高度卡尺產(chǎn)生精度不穩(wěn)定的根本原因[3]。

圖2 高度卡尺底座與尺身的連接方式實(shí)物圖

圖3 高度卡尺底座與尺身的連接方式結(jié)構(gòu)圖

普通結(jié)構(gòu)的高度卡尺在裝配或者運(yùn)輸、使用過程中，會(huì)因外力作用導(dǎo)致高度卡尺與底座的垂直度喪失（垂直度誤差）或因此而產(chǎn)生尺身基準(zhǔn)面（立柱）的翹曲（直線度誤差），如圖4所示。由于所有高度卡尺的測量方式不符合阿貝原理[4]，其中因尺身垂直度、直線度所產(chǎn)生的誤差，可以用如下計(jì)算公式來表示：

式中：f為所產(chǎn)生的測量誤差，h為劃線爪（測量爪）從尺身基面伸出的長度，a為因外力導(dǎo)致尺身產(chǎn)生的垂直度或直線度誤差絕對值，l為尺框與尺身的有效配合長度，θ為 因外力導(dǎo)致尺身產(chǎn)生直線度誤差絕對值與尺框與尺身的有效配合長度的比值。

從（1）式可以看出：當(dāng)h、l為定值時(shí)，因外力導(dǎo)致尺身產(chǎn)生直線度、垂直度誤差絕對值a越大，則所產(chǎn)生的測量誤差f也就越大，成正比關(guān)系。

圖4 垂直度、直線度所產(chǎn)生的的誤差

舉例：假設(shè)高度尺框?yàn)?00 mm長度（l）時(shí)，因?yàn)橥饬?dǎo)致翹曲產(chǎn)生的直線度度誤差為0.01 mm（a），而測量爪的假如長度為80 mm（h），則根據(jù)上述計(jì)算式，導(dǎo)致的測量誤差（測量爪的最遠(yuǎn)端）計(jì)算式為：

由此可見，普通結(jié)構(gòu)的高度卡尺因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不合理而導(dǎo)致的尺身基準(zhǔn)面的垂直度或直線度超差，進(jìn)而產(chǎn)生的測量誤差是很大的，是高度卡尺的測量誤差的主要來源之一，從而影響了高度卡尺測量時(shí)的精度穩(wěn)定性、可靠性，必須加以重視與關(guān)注[5]。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

如上文所述，由于外力作用容易導(dǎo)致普通結(jié)構(gòu)高度卡尺的尺身與底座的垂直度、直線度等指標(biāo)超差，最終導(dǎo)致了高度卡尺的整體精度喪失。就此提供了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，實(shí)物結(jié)構(gòu)形狀如圖5。

圖5 高度卡尺底座與尺身的連接方式（優(yōu)化方案）實(shí)物圖

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案技術(shù)實(shí)現(xiàn)如圖6、圖7所示，這種結(jié)構(gòu)主要由尺身、底座、鎖緊螺釘、彈簧墊圈組成。尺身的下端設(shè)置兩個(gè)螺紋孔，尺身的下端面設(shè)置為尺身安裝面，尺身的右側(cè)面為尺身的基準(zhǔn)面，底座的上端設(shè)置有與尺身安裝面匹配的底座安裝面，底座還設(shè)置有與上述尺身兩個(gè)螺紋孔相匹配的兩個(gè)通孔及沉孔。加工時(shí)，只需要保證尺身安裝面與尺身基準(zhǔn)面及尺身背面的垂直度，以及底座安裝面與底座底面的平行度，就能在安裝時(shí)保證尺身的基準(zhǔn)面以及尺身背面與底座底面的垂直度。裝配時(shí)，從高度卡尺底座的下端面，從下至上，通過鎖緊螺釘和彈簧墊圈，把尺身緊固安裝在底座上。這個(gè)關(guān)系是自動(dòng)生成的，與鎖緊力的大小無關(guān)，螺釘鎖緊只是建立連接關(guān)系而已，互相之間的垂直度、尺身的直線度是靠加工時(shí)單獨(dú)保證的，與裝配過程并無關(guān)聯(lián)，即只要在加工時(shí)保證各部件的本來精度，裝配時(shí)省去了調(diào)整的過程和要求，讓裝配變得非常簡單，因而容易使裝配后的產(chǎn)品滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，而且彈簧墊圈還能防止鎖緊后的螺釘因外力（比如運(yùn)輸?shù)恼饎?dòng)、使用時(shí)的移動(dòng)等）而導(dǎo)致的松動(dòng)，因此，底座與尺身的垂直度、尺身的直線度也不再容易受到外力的作用而變化，極大地保護(hù)了高度卡尺個(gè)部件之間本來的互相固定關(guān)系，從而可以很好地保護(hù)高度卡尺的整體精度不會(huì)容易喪失[3]。

圖6 高度卡尺底座與尺身的連接方式（優(yōu)化方案）

圖7 高度卡尺底座（優(yōu)化方案）結(jié)構(gòu)簡圖

4 效果驗(yàn)證

筆者所在公司進(jìn)行了上述優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案的實(shí)施，第一批進(jìn)行了優(yōu)化后方案的50把小批量試制，并通過本公司的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行了幾種形式試驗(yàn)，為了對比效果，同時(shí)用50把普通結(jié)構(gòu)的高度卡尺進(jìn)行了相同的實(shí)驗(yàn)，主要是以下3種形式試實(shí)驗(yàn)。

（1）產(chǎn)品本身的震動(dòng)實(shí)驗(yàn)（無包裝）：單個(gè)產(chǎn)品固定在試驗(yàn)臺(tái)震動(dòng)；

（2）模擬汽車路途震動(dòng)實(shí)驗(yàn)：將產(chǎn)品正常包裝后（連外包裝紙箱）在試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行路途模擬震動(dòng)；

（3）1 m高跌落實(shí)驗(yàn)：將產(chǎn)品正常包裝后（連外包裝紙箱）進(jìn)行1 m高自由落體跌落；

注：在做上述型式試驗(yàn)之前，兩種各50把高度卡尺都經(jīng)檢驗(yàn)整體精度指標(biāo)為合格狀態(tài)。

上述型式試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在同等條件下再次檢驗(yàn)高度卡尺的整體精度及尺身與底座的垂直度、尺身的直線度等各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)對比結(jié)果（總數(shù)各50把）

從表1可以看出，兩種方案的試驗(yàn)后合格率一目了然：原來經(jīng)檢驗(yàn)合格的高度卡尺中，普通結(jié)構(gòu)的高度卡尺已經(jīng)出現(xiàn)了較大比例的不合格，而優(yōu)化方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為全部合格，可以看出，優(yōu)化方案的效果是令人滿意的。后來把這50把優(yōu)化方案的高度卡尺進(jìn)行了正常的銷售和用戶跟蹤，3月后的反饋顯示，這50把優(yōu)化方案設(shè)計(jì)的高度卡尺都處于用戶的正常使用中，沒有出現(xiàn)任何不良現(xiàn)象。

目前，本公司所有生產(chǎn)的高度卡尺都已經(jīng)采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了大規(guī)模的生產(chǎn)與銷售，市場反饋良好，返修的比例相較于以前大幅度降低，因此，這個(gè)優(yōu)化方案是一個(gè)比較成功的優(yōu)化方案。

5 結(jié)語

通過發(fā)現(xiàn)目前市場上普通結(jié)構(gòu)的高度卡尺的市場痛點(diǎn)，找出問題發(fā)生的原因，并通過公式求證出影響高度卡尺精度的關(guān)鍵因素，采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)和裝配工序調(diào)整等相關(guān)措施，并經(jīng)過小批量裝配驗(yàn)證，并進(jìn)行了型式試驗(yàn)，把原有普通結(jié)構(gòu)及優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比，有效解決了存在的問題。

該方案結(jié)構(gòu)較為簡單，是一種較為可靠的連接方式，能杜絕上述普通連接結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的問題，同時(shí)相關(guān)零件的加工尺寸要求易于實(shí)現(xiàn)，裝配簡單、效率高，合格率高，極大地改善了前述普通鎖緊方式所帶來的問題。該研究表明，文中所述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠解決因外力作用導(dǎo)致高度卡尺在裝配、運(yùn)輸、使用過程中導(dǎo)致的精度喪失問題，能有效改善裝配時(shí)的合格率，能有效化解運(yùn)輸、使用過程中的震動(dòng)等外力對高度卡尺精度的影響，對提高產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性，及有效保護(hù)的產(chǎn)品整體精度都有很好的效果。通過筆者所在公司的批量生產(chǎn)表明，該優(yōu)化設(shè)計(jì)可以在相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)中得到普遍應(yīng)用。