基于杠桿原理的讀數(shù)卡規(guī)及其在線檢測原理

唐大春 竇艷紅 于欣

摘要：針對傳統(tǒng)讀數(shù)卡規(guī)的種種問題及尺寸測量過程所受到的多種限制，開發(fā)了一款杠桿式讀數(shù)卡規(guī)。介紹了這種裝備的結構和原理，為機械制造業(yè)提供了一種新的檢測裝備。

關鍵詞：尺寸測量;傳感器;在線檢測

1? 傳統(tǒng)讀數(shù)卡規(guī)的問題

尺寸測量可以歸為三種，即包容尺寸、被包容尺寸、特殊尺寸，讀數(shù)卡規(guī)就是被包容尺寸測量的一種專用工具，它在軸徑尺寸、厚度尺寸應用廣泛，傳統(tǒng)讀數(shù)卡規(guī)主要是采用類似鉸接結構，如圖1。

其特征在于：在本體上下測量爪是由兩個圓弧形成類似支點的彈性變形連接的，在測量時測量卡口大小變化直接傳遞給后端傳感器測頭，由于該種讀數(shù)卡規(guī)受自身結構、材料、熱處理等因素影響，它的線性精度較好的測量范圍量程小，在0.08-0.1mm，另外它測量端與傳感器采集點不是1：1變化的（隨測量尺寸變化），它不能用百分表或千分表，只能用傳感器采集數(shù)值，然后用量儀或工控機變比功能，將測量實際值1：1顯示出來。所以在實際生產中應用非常不便。

2? 杠桿式讀數(shù)卡規(guī)

基于傳統(tǒng)讀數(shù)卡規(guī)所存在的問題，我們開發(fā)了一款生產線上使用的杠桿式高效卡規(guī)（見圖2）。

這是一種軸類尺寸測量用讀數(shù)卡規(guī)，由本體1、下卡口2、楔塊3、楔塊螺釘4、金屬陶瓷工作口5、定位塊6、定位塊螺釘7、圓柱銷8、C型彈簧的掛銷9、杠桿銷10、測量口11、限位螺釘12、C型彈簧13、勾手14、勾手滑銷15、圓柱銷16表夾17、表夾緊固螺釘18、手柄緊固螺釘19、表20、測量塊21、夾表螺釘22、手柄23組成;

其特征在于：它采用了杠桿結構，杠桿支撐點是固定不變的（即測量端和顯示端傳感器或表到杠桿支撐點是近似相等的定值）銷軸10，測量力大小是可以控制的，測量量程可以到1mm，比傳統(tǒng)讀數(shù)卡規(guī)量程大十倍以上，最主要的是它直接采用百分表或千分表，這為普及應用奠定基礎，下面我就杠桿結構讀數(shù)卡規(guī)從理論計算和實際應用的理論值和實際測量值進行對比分析它的測量線性精度，杠桿結構讀數(shù)卡規(guī)，測量口以杠桿銷10為軸心，且測量口平面與杠桿銷10為軸心線共面、表測點采集面與杠桿銷10為軸心線共面，測量時下卡口與定位塊構成90度定位面，構成V型鐵結構，被測產品定位其中，測量口隨著被測產品尺寸大小變化繞杠桿銷10軸心線擺動，以40-41mm尺寸為例從理論闡述測量端尺寸變化和顯示端百分表或千分表之間誤差關系，按以上描述可以畫出圖3。

杠桿10中心到下卡口面的距離是40mm、到定位面的距離是30mm、到測量口與被測產品測點（切點）Hn（它是隨著尺寸變化值）、到表測點中心50.32mm，另外為了推導計算設定L：是測量工件中心到杠桿銷10的中心距離、（Ln任意尺寸）、r：是工件半徑（rn任意尺寸）、H測量點到杠桿銷中心距離，（Hn任意尺寸）、Δ：是表對應不同工件尺寸的測量值，αn、（Ln與Hn夾角）βn（Ln與下卡口面夾角）和θn（杠桿與下卡口夾角）是推導過程角度，εn：是表測頭中心線到杠桿投影點與表測頭球面的距離，為了計算設定測量端在40mm尺寸時下卡口與測量口平行，即下卡口與杠桿平行。

以下是推導公式和被測量工件尺寸變化顯示端的對應值的線性誤差如表1所示。

Ln2=（40-rn）2+（30+rn）2

SINαn=rn/Ln

SINβn=（40-rn）/Ln

Θn=αn-βn

εn=1.25/COS（Θn）-1.25

Δ=50.32×TANΘn-εn

3? 結論

從該表看按理論計算在測量40.49和40.50范圍的誤差值最大是小于0.0016mm，而在1mm范圍內線性誤差是60nm。為了驗證上述理論計算，做了Φ40mm、Φ40.2mm、Φ40.4mm、Φ40.6mm、Φ40.8mm、Φ41mm尺寸校準件，用讀數(shù)卡規(guī)實際測量，在1mm范圍尺寸內示值誤差0.002mm。這款卡規(guī)結構緊湊、高效快捷，經濟性好。適合推廣到線上使用。目前已經申請國家發(fā)明專利。

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