游標(biāo)卡尺零值調(diào)整裝置的研發(fā)

丁 洋

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

0 引言

現(xiàn)代機(jī)械加工制造手段眾多，但無(wú)論使用何種加工手段，產(chǎn)品加工完畢后均須進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。檢測(cè)手段和方法也不盡相同。而眾多的加工方法中，主要以切削加工為主要手段，產(chǎn)品質(zhì)量由操作者的技術(shù)水平?jīng)Q定，產(chǎn)品的最終精度由計(jì)量器具保證。無(wú)論高精度零件的粗加工還是零件尺寸中大部分的自由公差尺寸，都需要用游標(biāo)卡尺檢測(cè)，它可以測(cè)量尺寸精度IT11～14級(jí)的工件，是零件加工過(guò)程中使用最頻繁、最普遍的計(jì)量器具。

1 研發(fā)背景

游標(biāo)卡尺零調(diào)整裝置的研發(fā)受托于天津瑞馳船舶機(jī)械有限公司，該公司擁有加工設(shè)備100 多臺(tái)（套），并擁有大量量具、驗(yàn)具。由于游標(biāo)卡尺是一種即經(jīng)濟(jì)又廉價(jià)的通用量具，被各生產(chǎn)部門廣泛使用，導(dǎo)致其磨損的速度比較快，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)零值誤差，從而影響測(cè)量精度，進(jìn)而影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量。在此背景下，與該公司共同申請(qǐng)了天津市濱海新區(qū)科技小巨人成長(zhǎng)計(jì)劃科技型企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展項(xiàng)目課題（項(xiàng)目編號(hào)：12ZXCXGX15300）。游標(biāo)卡尺零值調(diào)整裝置屬于其中附帶的產(chǎn)品研發(fā)，已申請(qǐng)發(fā)明專利。

2 游標(biāo)卡尺的零值誤差及消除辦法

2.1 游標(biāo)卡尺的零值誤差

游標(biāo)卡尺在使用外卡爪測(cè)量外尺寸過(guò)程中，零值會(huì)隨著外測(cè)量面的磨損而發(fā)生變化。當(dāng)兩外測(cè)量面的磨損量超過(guò)0.01 mm時(shí)，就會(huì)造成游標(biāo)的“0”標(biāo)記與主尺尺身的“0”標(biāo)記不對(duì)齊，造成游標(biāo)卡尺的零值不準(zhǔn)，游標(biāo)卡尺的零位就會(huì)產(chǎn)生偏差。通常情況是當(dāng)游標(biāo)卡尺的兩個(gè)外測(cè)量爪并攏后，游標(biāo)的“0”標(biāo)記在主尺尺身“0”標(biāo)記之前，這個(gè)誤差稱為游標(biāo)卡尺的零值誤差。

2.2 游標(biāo)卡尺零值誤差的消除辦法

2.2.1 修正值的優(yōu)劣勢(shì)

游標(biāo)卡尺存在零值誤差，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，造成很大的誤差。通常的解決辦法是在測(cè)量結(jié)果中加上修正值，以抵消零值誤差帶來(lái)的影響。而修正值的大小與零值誤差的大小相等且符號(hào)相反。

利用修正值法消除零值誤差，帶來(lái)的問(wèn)題是每次測(cè)量結(jié)束后都必須在測(cè)量結(jié)果中加上一個(gè)修正值。在多次或長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量過(guò)程中，疲勞操作極易在測(cè)量結(jié)果中漏掉修正值的代入或?qū)?shù)值算錯(cuò)而造成粗大誤差，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，還可能使產(chǎn)品成為廢品而直接報(bào)廢。

2.2.2 維修法及“錘擊法”的應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用中使用最多的是維修法，即通過(guò)維修游標(biāo)卡尺來(lái)消除零值誤差。方法是通過(guò)調(diào)整游標(biāo)卡尺上游標(biāo)尺的相對(duì)于主尺“0”標(biāo)記位置而消除零值誤差，使主尺“0”標(biāo)記與游標(biāo)尺“0”標(biāo)記重合。由于游標(biāo)卡尺活動(dòng)卡爪與尺框是整體結(jié)構(gòu)，外卡爪和尺身是整體結(jié)構(gòu)，當(dāng)固定卡爪和活動(dòng)卡爪的兩外測(cè)量面接觸后，尺身與尺框就在游標(biāo)卡尺的一個(gè)極限位置，這個(gè)極限位置是游標(biāo)卡尺的最小測(cè)量極限位置，是游標(biāo)卡尺的零值位置。游標(biāo)卡尺游標(biāo)尺上有螺釘過(guò)孔，游標(biāo)尺通過(guò)螺釘聯(lián)接到尺框上，因此游標(biāo)尺上的螺釘過(guò)孔與螺釘之間的間隙量就是調(diào)整游標(biāo)卡尺的零值調(diào)整量。由于鎖緊游標(biāo)尺的螺釘比較小，故一般游標(biāo)卡尺的調(diào)整量為±0.15 mm。當(dāng)調(diào)整量大于間隙量時(shí)，應(yīng)對(duì)螺釘過(guò)孔進(jìn)行擴(kuò)大或二次加工以保證足夠的調(diào)整量。調(diào)整零值時(shí)常采用“錘擊法”。“錘擊法”是用紫銅錘敲擊游標(biāo)尺，敲擊方向與游標(biāo)尺平行。游標(biāo)尺在銅錘的沖擊載荷下發(fā)生位移。敲擊力量應(yīng)由小至大，直至游標(biāo)尺發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)游標(biāo)尺移動(dòng)過(guò)量時(shí)，左右反復(fù)敲擊直至零值合格。由于敲擊過(guò)程中游標(biāo)尺產(chǎn)生移動(dòng)，會(huì)造成聯(lián)接游標(biāo)尺螺釘?shù)逆i緊力下降，需用鐘表改錐擰緊聯(lián)接螺釘，并觀察零值在擰緊過(guò)程中是否發(fā)生變化，如有變化繼續(xù)敲擊，敲擊后再次擰緊，擰緊后確認(rèn)零值是否準(zhǔn)確，確認(rèn)零值準(zhǔn)確無(wú)誤后才可以使用。

“錘擊法”是“敲擊→擰緊→敲擊→擰緊”的反復(fù)過(guò)程。造成反復(fù)的原因是敲擊力度不可控，敲擊后游標(biāo)尺停留位置不確定，且敲擊后尺框之間的螺釘預(yù)緊力下降，必須重新擰緊螺釘，而重新擰緊螺釘時(shí)游標(biāo)尺和尺框之間可能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此需要反復(fù)敲擊及擰緊螺釘，直至合格。正常游標(biāo)卡尺調(diào)整零位時(shí)，游標(biāo)螺釘不可松開(kāi)，因此當(dāng)用銅錘敲擊時(shí)，要求對(duì)錘擊的力度掌握的要恰到好處?；谝陨显颍螛?biāo)卡尺的零值調(diào)整必須在專職人員的指導(dǎo)下進(jìn)行，否則可能會(huì)產(chǎn)生不良后果。因?yàn)檎{(diào)整卡尺零值有以上的特點(diǎn)，所以能進(jìn)行卡尺零值調(diào)整的人員非常有限，且必須通過(guò)專項(xiàng)培訓(xùn)。

3 新型卡尺調(diào)零裝置

設(shè)計(jì)新型游標(biāo)卡尺調(diào)零裝置時(shí)，為保證使用過(guò)程的可靠性，要求卡尺的定位穩(wěn)定、安全可靠。設(shè)計(jì)定位裝置時(shí)，首先要便于操作者的觀察，同時(shí)還要考慮不同游標(biāo)卡尺品牌和型號(hào)的關(guān)系。因此，根據(jù)所有的游標(biāo)卡尺的共性特點(diǎn)，即所有游標(biāo)卡尺端面與尺身側(cè)面垂直這一共性進(jìn)行多種方案的驗(yàn)證，最終確定定位槽和尺端擋塊結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，同時(shí)也是定位最可靠的一種方式。尺身座可以根據(jù)尺框的大小調(diào)整距離，滿足300 mm 以內(nèi)的各種卡尺尺框的定位問(wèn)題。解決卡尺定位問(wèn)題后，需要解決固定卡尺的問(wèn)題，也就是夾緊問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，首先要求夾緊裝置固定可靠，否則卡尺發(fā)生移動(dòng)達(dá)不到調(diào)整的目的；其次是操作方便，便于操作者將卡尺牢固地固定在裝置上而不能移動(dòng)。通過(guò)反復(fù)論證，卡尺的夾緊動(dòng)作采用機(jī)械加工生產(chǎn)上廣泛使用的壓板夾緊形式，不僅可以?shī)A緊工件，而且還可以限制卡尺上下移動(dòng)的自由度，而且壓板夾緊結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟、夾緊力可靠、操作簡(jiǎn)單、便于調(diào)整。游標(biāo)卡尺調(diào)零裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 游標(biāo)卡尺調(diào)零裝置

4 調(diào)零裝置應(yīng)用分析

游標(biāo)卡尺調(diào)零裝置的重點(diǎn)在于調(diào)零，調(diào)整零位的動(dòng)作即調(diào)整游標(biāo)尺位置的動(dòng)作是整個(gè)裝置的重點(diǎn)，它的可靠性決定調(diào)整零位是否有效。根據(jù)游標(biāo)尺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以抓取游標(biāo)尺兩側(cè)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方向，設(shè)計(jì)出調(diào)整爪。調(diào)整爪采用一端固定、一端活動(dòng)的兩個(gè)調(diào)整爪結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以方便抓取不同大小的游標(biāo)。兩個(gè)調(diào)整爪均固定在滑臺(tái)上。通過(guò)橫向、縱向的兩個(gè)滑臺(tái)帶動(dòng)兩個(gè)調(diào)整爪自由滑動(dòng)。該裝置可以根據(jù)卡尺外形結(jié)構(gòu)的大小來(lái)調(diào)整調(diào)整爪的位置。確定調(diào)整爪結(jié)構(gòu)后，就應(yīng)確定聯(lián)接方式。由于卡尺零位調(diào)整的傳統(tǒng)方法是采用“錘擊法”敲擊，有敲擊必然有沖擊，在沖擊載荷的作用下游標(biāo)螺釘容易折斷，不利于游標(biāo)卡尺的修復(fù)，如果造成螺釘折斷無(wú)法取出，將使卡尺報(bào)廢，將造成更大的損失。因此，新研發(fā)的游標(biāo)卡尺調(diào)零裝置必須放棄傳統(tǒng)的修復(fù)方法，而采用對(duì)游標(biāo)尺施加一個(gè)非沖擊載荷。采用螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)施加柔性載荷，可以人為控制載荷大小，大大降低螺釘折斷的概率。同時(shí)，還要考慮到零值誤差的實(shí)際情況，可能“+”也可能“-”，該裝置的調(diào)整范圍是雙向的，螺旋傳動(dòng)具有雙向施加載荷的能力，無(wú)論順時(shí)針旋轉(zhuǎn)還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)均可以傳遞動(dòng)力，因此采用螺旋傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，同時(shí)解決了雙向施加載荷的問(wèn)題，這對(duì)調(diào)整零值的設(shè)計(jì)是必要的。因?yàn)檎{(diào)整爪要抓住游標(biāo)，還要將動(dòng)力傳遞給游標(biāo)，而且要方便觀察，設(shè)計(jì)時(shí)采用調(diào)整爪固定游標(biāo)兩端的方法，且兩個(gè)調(diào)整爪水平放置在整個(gè)裝置中，觀察游標(biāo)最直觀，游標(biāo)受力變形也比較小，松開(kāi)后游標(biāo)幾乎沒(méi)有回彈現(xiàn)象，便于調(diào)整零位操作。

調(diào)整爪通過(guò)橫向、縱向兩個(gè)滑臺(tái)和升降楔塊完成左右、前后和上下6 個(gè)方向的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全方位的移動(dòng)，可以順利抓取不同空間位置的游標(biāo)卡尺的游標(biāo)，為卡尺調(diào)整零位做準(zhǔn)備。滑臺(tái)導(dǎo)軌采用T 形槽導(dǎo)軌，穩(wěn)定性高。橫向滑臺(tái)和調(diào)整爪的移動(dòng)均采用螺旋傳動(dòng)方式，螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn)是傳動(dòng)平穩(wěn)且傳動(dòng)精度高，可以精確傳動(dòng)和定位，便于調(diào)整零位時(shí)微小位移的操作，同時(shí)可以傳遞較大的力矩，可以避免沖擊載荷，避免卡尺游標(biāo)螺釘折斷。

游標(biāo)卡尺調(diào)整零位裝置調(diào)零時(shí)可以將卡尺的游標(biāo)螺釘旋松，待調(diào)整爪抓緊游標(biāo)后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺紋軸帶動(dòng)整個(gè)橫向滑臺(tái)移動(dòng)，此時(shí)觀察游標(biāo)尺“0”標(biāo)記和主尺尺身“0”標(biāo)記，待二者重合后，擰緊游標(biāo)尺螺釘，將游標(biāo)尺固定。由于卡尺固定，擰緊過(guò)程中不必?fù)?dān)心游標(biāo)移動(dòng)。

為了適應(yīng)不同規(guī)格的卡尺，尺身座、尺端擋塊和尺框支撐塊應(yīng)能做上、下移動(dòng)。尺身座、尺端擋塊和尺框支撐塊的上下移動(dòng)采用斜楔機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是易于自鎖，當(dāng)一側(cè)不動(dòng)時(shí)，另一側(cè)移動(dòng)可以使整個(gè)尺身座傾斜，便于卡尺尺身有撓度變化的情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

游標(biāo)卡尺調(diào)零裝置操作簡(jiǎn)單、調(diào)整方便，可以大幅降低卡尺的修復(fù)損壞率，對(duì)提高卡尺的重復(fù)利用率、延長(zhǎng)使用壽命、降低生產(chǎn)成本、減小維修難度、降低維修勞動(dòng)強(qiáng)度、簡(jiǎn)化修復(fù)卡尺過(guò)程具有極其重要的意義。