數(shù)顯微分頭及輔助工具在機(jī)組同心測(cè)量中的應(yīng)用

沈 欣 卞春兵 韓 煦 張立堅(jiān) 劉 濤 項(xiàng)德銀

（江蘇省灌溉總渠管理處 淮安 223200）

1 內(nèi)徑千分尺的應(yīng)用

1.1 內(nèi)徑千分尺測(cè)量?jī)?nèi)孔

測(cè)量時(shí)將其測(cè)量觸頭測(cè)量面支撐在被測(cè)表面上，調(diào)整微分筒，使微分筒一側(cè)的測(cè)量面在孔的徑向截面內(nèi)擺動(dòng)，找出最小尺寸，然后擰緊固定螺釘取出并讀數(shù)。

內(nèi)孔測(cè)量存在問題：（1）深孔測(cè)量時(shí)由于人為視覺誤差，容易導(dǎo)致內(nèi)徑千分尺歪斜，測(cè)得數(shù)值偏大；（2）不擰緊螺釘相互連接螺絲進(jìn)行測(cè)量，存在姿態(tài)測(cè)量問題。

1.2 機(jī)組垂直同心測(cè)量

1.2.1 測(cè)量方法

在機(jī)組進(jìn)行安裝、檢修過程中固定部件垂直同心的測(cè)量，使用電氣回路法，機(jī)組垂直同心測(cè)量示意圖如圖1。

圖1 機(jī)組垂直同心測(cè)量示意圖

1.2.2 存在問題

在機(jī)組垂直度測(cè)量時(shí)由于機(jī)組尺寸的不同，特別是大型水泵機(jī)組，其定子內(nèi)徑往往超過2m。如江蘇省淮安抽水站一站管理所，其定子內(nèi)徑達(dá)到2150mm，二站管理所更是達(dá)到了4518mm，其測(cè)量需求為半徑分別為1075mm、2259mm。內(nèi)徑千分尺接桿較多，拼接時(shí)如果未能擰緊將增加測(cè)量誤差，尺桿的自然擾度也是不可忽視的產(chǎn)生誤差的原因。同時(shí)達(dá)到該測(cè)量范圍的內(nèi)徑千分尺價(jià)格高，拼接后的重量大，測(cè)量使用很不方便，更易帶來測(cè)量誤差。

（1）尺桿長(zhǎng)。自然擾度不可避免，雖然同心測(cè)量取絕對(duì)值，可以不考慮接桿長(zhǎng)度，但是擾度的存在，將不可避免地增加測(cè)量誤差。

（2）尺身定位差。拼接后的尺身重將直接影響扶尺的定位效果，由于整個(gè)尺桿需要做上下左右晃動(dòng)找點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，而與定子鐵芯接觸部位只有一個(gè)點(diǎn)貼合，尺身越重，對(duì)扶尺者的要求越高，容易出現(xiàn)位移偏差，影響測(cè)量精度。

（3）實(shí)際測(cè)量時(shí)，各站均備有固定長(zhǎng)度空心黃銅管接桿作為專用測(cè)量輔助工具。一是由于銅質(zhì)密度高，為了減輕重量，長(zhǎng)桿采用空心結(jié)構(gòu)，損失了強(qiáng)度。同樣對(duì)黃銅桿用來與千分尺尺頭及尺尾連接的內(nèi)外絲接頭的焊接提出了要求，必須與配尺測(cè)頭、微分筒保持同軸，加工難度高。二是作為專用測(cè)量輔助工具，其應(yīng)用范圍大大減小，通用性不強(qiáng)。

（4）對(duì)測(cè)量人員要求高。機(jī)械式內(nèi)徑千分尺微分筒測(cè)頭為半圓平底，測(cè)量人員需通過長(zhǎng)期操作才能熟練地找到與鋼琴線的最小接觸點(diǎn)，并讀出數(shù)值。同一機(jī)組，復(fù)核測(cè)量時(shí)，數(shù)值經(jīng)常會(huì)發(fā)生較大變化，究其原因有兩點(diǎn)：一是尺尾測(cè)頭定位有誤差；二是尺桿出現(xiàn)歪斜，平底接觸面大，未能準(zhǔn)確找到最小接觸點(diǎn)。

2 數(shù)顯微分頭及相關(guān)輔助配件

2.1 數(shù)顯微分頭

機(jī)械讀尺的讀數(shù)瞄準(zhǔn)誤差、姿態(tài)測(cè)量誤差及初學(xué)者對(duì)微分筒讀數(shù)的熟練程度造成的讀數(shù)偏差，專用數(shù)顯內(nèi)徑千分尺價(jià)格昂貴，而采用數(shù)顯微分頭不但價(jià)格低廉，更可有效解決上述誤差及偏差，提高讀數(shù)的準(zhǔn)確度及測(cè)量速度。

2.2 相關(guān)輔助配件

輔助配件包括：微分頭專用尺架（含水準(zhǔn)氣泡），水準(zhǔn)氣泡接桿，尾桿、專用托架，中間接桿。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3 全套測(cè)量工具材料選型及相關(guān)參數(shù)

3.1 微分頭技術(shù)參數(shù)

本方案選擇型號(hào)：350-254；

測(cè)量范圍：0～25mm；

分辨率0.001mm；

精度：±3pm；

球面、4 按鍵、帶鎖緊止動(dòng)、帶安裝螺母M9.5。

3.2 尺架、接桿、尾桿、托架及配件

3.2.1 材料選擇

全部采用7075 鋁合金，其優(yōu)點(diǎn)是：強(qiáng)度高，機(jī)械性能好，抗腐蝕性能強(qiáng)，易于加工，耐磨性好，非鐵磁材料不易磁化。

7075鋁合金主要物理參數(shù)：

抗拉強(qiáng)度：524MPa；

0.2%屈服強(qiáng)度：455MPa；

硬度：150HB；

密度：2.81g/cm3。

3.2.2 材料質(zhì)量計(jì)算比較

根據(jù)7075 鋁合金材料物理參數(shù)，可求得測(cè)量裝置桿子總質(zhì)量，以一站管理所測(cè)桿長(zhǎng)度計(jì)算如下：

桿長(zhǎng)：500+200+50+20+20=790mm

桿直徑16mm、中心孔直徑8mm、密度2.81g/cm3

m=ρ×v

V=（S1-S2）×L=（0.82×3.14-0.42×3.14）×7.9=119.0688cm3

∴m=334.583328g ≈0.335kg

加上尺架、微分頭等，總質(zhì)量不超過1kg。

黃銅密度為8.5～8.8g/cm3，取值8.65，折算桿子總質(zhì)量為1.030kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過7075 鋁合金桿質(zhì)量。另外黃銅桿為了配合內(nèi)徑千分尺焊接了內(nèi)外絲接頭，因同軸度誤差在所難免，遠(yuǎn)超過數(shù)碼機(jī)床加工的內(nèi)外絲同軸度。

測(cè)量長(zhǎng)度達(dá)到1.5m 的內(nèi)徑千分尺一般使用合金工具鋼，密度一般在7.8g/cm3左右，直徑也為16mm，但由于其芯部有測(cè)量伸縮桿，當(dāng)組裝同長(zhǎng)度的桿后，質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過黃銅桿，使用7075 鋁合金作為接桿的優(yōu)勢(shì)很明顯。

3.2.3 材料鐵磁性能規(guī)避和應(yīng)用

7075 鋁合金為非鐵磁材料，不易磁化，避免了微分頭磁化在測(cè)量過程中吸合鋼琴線的問題。

尾桿采用組合模式，中間置入釹鐵硼（N38）材料，通過專用測(cè)量觸頭產(chǎn)生吸力，貼合被測(cè)量部件。

尾桿做成后經(jīng)靜力拉伸實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)拉力為1.28kg，實(shí)際測(cè)試時(shí)滿足使用條件。

3.2.4 支承托架設(shè)計(jì)

托架為7075 鋁合金材質(zhì)制作，配合磁性表座及表?xiàng)U固定。

3.2.5 尺桿同軸度測(cè)定

整桿組裝后（按一站管理所配尺長(zhǎng)度組裝）其同軸度偏差測(cè)定[5]為小于0.01mm；當(dāng)做小孔徑測(cè)量時(shí)，尺架、水準(zhǔn)氣泡接桿螺孔配合符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 水準(zhǔn)氣泡

水準(zhǔn)氣泡在該測(cè)量工具中起輔助作用，對(duì)水準(zhǔn)氣泡的要求并不是很高，該工具中采用圓柱形水準(zhǔn)氣泡，要求水準(zhǔn)氣泡組合時(shí)，其軸線與尺桿軸線水平即可。

4 產(chǎn)品應(yīng)用效果

4.1 測(cè)量精度提高

引入數(shù)顯微分頭后，減少了測(cè)量面上的讀數(shù)瞄準(zhǔn)誤差、對(duì)零誤差、姿態(tài)測(cè)量誤差，同時(shí)消除了讀數(shù)偏差。

引入水準(zhǔn)氣泡后，使得測(cè)量找點(diǎn)變得直觀明確，減輕了施測(cè)者工作強(qiáng)度，提高了測(cè)量效率。

引入專用測(cè)量尾桿與托架后，使得測(cè)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

通過各種手段提高的精度累加后，使用該尺測(cè)量對(duì)比原測(cè)量工具和方法，極大提高了測(cè)量效率及精度。

4.2 對(duì)測(cè)量人員要求降低

大型機(jī)組安裝、檢修時(shí)的固定部件垂直同心的測(cè)量，對(duì)施測(cè)人員的要求很高：一是要求施測(cè)人員能夠準(zhǔn)確找出最小接觸點(diǎn)，即當(dāng)測(cè)桿處于水平位置時(shí)尾測(cè)點(diǎn)與測(cè)頭的直線距離。這就要求施測(cè)人員具有良好的手感與聽力。二是要求施測(cè)人員可以精準(zhǔn)地讀出測(cè)定數(shù)值，并嚴(yán)格按照內(nèi)徑千分尺使用事項(xiàng)，注意消除誤差，避免偏差。當(dāng)引入數(shù)顯微分頭及水準(zhǔn)氣泡后，使得尺桿水平度觀測(cè)變得直觀明了，讀數(shù)方便快捷，并不需要鎖定后再拿出再讀數(shù)，這大大降低了施測(cè)人員的技能要求。

4.3 減少扶尺配員

此條專門針對(duì)大型機(jī)組測(cè)量，通常機(jī)組測(cè)量如上所述，將配置專門扶尺人員配合施測(cè)者，扶尺者在測(cè)量過程中重要程度不言而喻，測(cè)點(diǎn)定位精準(zhǔn)、不能產(chǎn)生位移，多次測(cè)量時(shí)可以找到測(cè)點(diǎn)相近位置等。同時(shí)由于測(cè)量者需要不斷調(diào)整尺桿方向進(jìn)行找點(diǎn)，對(duì)扶尺者來說是一種耐力考驗(yàn)。在引入專用尾桿及托架后，通過測(cè)量觸頭定位測(cè)點(diǎn)，托架支撐固定，點(diǎn)位可以更加精準(zhǔn)，固定測(cè)點(diǎn)后，可無需人工施測(cè)。如此既減少33%的人工費(fèi)用，又提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。

5 建議

（1）數(shù)顯微分頭尺身長(zhǎng)，需配合固定支架方可轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)徑測(cè)量，其總長(zhǎng)達(dá)190mm，小孔徑難以應(yīng)用，日后可進(jìn)行微小化設(shè)計(jì)。

（2）由于工作原理，微分頭數(shù)顯讀數(shù)為負(fù)值，雖然不影響使用，但是違反讀數(shù)習(xí)慣，可進(jìn)一步改進(jìn)