丁 洋

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

0 引言

現(xiàn)代機械加工制造手段眾多，但無論使用何種加工手段，產(chǎn)品加工完畢后均須進行質(zhì)量檢測。檢測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)品的最終精度由計量器具保證。無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，它可以測量尺寸精度IT11～14級的工件，是零件加工過程中使用最頻繁、最普遍的計量器具。

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械有限公司，該公司擁有加工設(shè)備100 多臺（套），并擁有大量量具、驗具。由于游標(biāo)卡尺是一種即經(jīng)濟又廉價的通用量具，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)常會出現(xiàn)零值誤差，從而影響測量精度，進而影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量。在此背景下，與該公司共同申請了天津市濱海新區(qū)科技小巨人成長計劃科技型企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展項目課題（項目編號：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量外尺寸過程中，零值會隨著外測量面的磨損而發(fā)生變化。當(dāng)兩外測量面的磨損量超過0.01 mm時，就會造成游標(biāo)的“0”標(biāo)記與主尺尺身的“0”標(biāo)記不對齊，造成游標(biāo)卡尺的零值不準(zhǔn)，游標(biāo)卡尺的零位就會產(chǎn)生偏差。通常情況是當(dāng)游標(biāo)卡尺的兩個外測量爪并攏后，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

游標(biāo)卡尺存在零值誤差，會對測量結(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量結(jié)果中加上修正值，以抵消零值誤差帶來的影響。而修正值的大小與零值誤差的大小相等且符號相反。

利用修正值法消除零值誤差，帶來的問題是每次測量結(jié)束后都必須在測量結(jié)果中加上一個修正值。在多次或長時間的測量過程中，疲勞操作極易在測量結(jié)果中漏掉修正值的代入或?qū)?shù)值算錯而造成粗大誤差，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廢。

2.2.2 維修法及“錘擊法”的應(yīng)用

實際應(yīng)用中使用最多的是維修法，即通過維修游標(biāo)卡尺來消除零值誤差。方法是通過調(diào)整游標(biāo)卡尺上游標(biāo)尺的相對于主尺“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)固定卡爪和活動卡爪的兩外測量面接觸后，尺身與尺框就在游標(biāo)卡尺的一個極限位置，這個極限位置是游標(biāo)卡尺的最小測量極限位置，是游標(biāo)卡尺的零值位置。游標(biāo)卡尺游標(biāo)尺上有螺釘過孔，游標(biāo)尺通過螺釘聯(lián)接到尺框上，因此游標(biāo)尺上的螺釘過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，應(yīng)對螺釘過孔進行擴大或二次加工以保證足夠的調(diào)整量。調(diào)整零值時常采用“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。當(dāng)游標(biāo)尺移動過量時，左右反復(fù)敲擊直至零值合格。由于敲擊過程中游標(biāo)尺產(chǎn)生移動，會造成聯(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，擰緊后確認零值是否準(zhǔn)確，確認零值準(zhǔn)確無誤后才可以使用。

“錘擊法”是“敲擊→擰緊→敲擊→擰緊”的反復(fù)過程。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，而重新擰緊螺釘時游標(biāo)尺和尺框之間可能產(chǎn)生相對運動，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，游標(biāo)螺釘不可松開，因此當(dāng)用銅錘敲擊時，要求對錘擊的力度掌握的要恰到好處?；谝陨显?，游標(biāo)卡尺的零值調(diào)整必須在專職人員的指導(dǎo)下進行，否則可能會產(chǎn)生不良后果。因為調(diào)整卡尺零值有以上的特點，所以能進行卡尺零值調(diào)整的人員非常有限，且必須通過專項培訓(xùn)。

3 新型卡尺調(diào)零裝置

設(shè)計新型游標(biāo)卡尺調(diào)零裝置時，為保證使用過程的可靠性，要求卡尺的定位穩(wěn)定、安全可靠。設(shè)計定位裝置時，首先要便于操作者的觀察，同時還要考慮不同游標(biāo)卡尺品牌和型號的關(guān)系。因此，根據(jù)所有的游標(biāo)卡尺的共性特點，即所有游標(biāo)卡尺端面與尺身側(cè)面垂直這一共性進行多種方案的驗證，最終確定定位槽和尺端擋塊結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)最為簡單，同時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題。解決卡尺定位問題后，需要解決固定卡尺的問題，也就是夾緊問題。一般來說，首先要求夾緊裝置固定可靠，否則卡尺發(fā)生移動達不到調(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。通過反復(fù)論證，卡尺的夾緊動作采用機械加工生產(chǎn)上廣泛使用的壓板夾緊形式，不僅可以夾緊工件，而且還可以限制卡尺上下移動的自由度，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)零裝置的重點在于調(diào)零，調(diào)整零位的動作即調(diào)整游標(biāo)尺位置的動作是整個裝置的重點，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，以抓取游標(biāo)尺兩側(cè)為基礎(chǔ)的設(shè)計方向，設(shè)計出調(diào)整爪。調(diào)整爪采用一端固定、一端活動的兩個調(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)。兩個調(diào)整爪均固定在滑臺上。通過橫向、縱向的兩個滑臺帶動兩個調(diào)整爪自由滑動。該裝置可以根據(jù)卡尺外形結(jié)構(gòu)的大小來調(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法取出，將使卡尺報廢，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，而采用對游標(biāo)尺施加一個非沖擊載荷。采用螺旋傳動機構(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，還要考慮到零值誤差的實際情況，可能“+”也可能“-”，該裝置的調(diào)整范圍是雙向的，螺旋傳動具有雙向施加載荷的能力，無論順時針旋轉(zhuǎn)還是逆時針旋轉(zhuǎn)均可以傳遞動力，因此采用螺旋傳動方式驅(qū)動工作臺，同時解決了雙向施加載荷的問題，這對調(diào)整零值的設(shè)計是必要的。因為調(diào)整爪要抓住游標(biāo)，還要將動力傳遞給游標(biāo)，而且要方便觀察，設(shè)計時采用調(diào)整爪固定游標(biāo)兩端的方法，且兩個調(diào)整爪水平放置在整個裝置中，觀察游標(biāo)最直觀，游標(biāo)受力變形也比較小，松開后游標(biāo)幾乎沒有回彈現(xiàn)象，便于調(diào)整零位操作。

調(diào)整爪通過橫向、縱向兩個滑臺和升降楔塊完成左右、前后和上下6 個方向的移動，實現(xiàn)全方位的移動，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?；_導(dǎo)軌采用T 形槽導(dǎo)軌，穩(wěn)定性高。橫向滑臺和調(diào)整爪的移動均采用螺旋傳動方式，螺旋傳動的特點是傳動平穩(wěn)且傳動精度高，可以精確傳動和定位，便于調(diào)整零位時微小位移的操作，同時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，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺紋軸帶動整個橫向滑臺移動，此時觀察游標(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，擰緊過程中不必擔(dān)心游標(biāo)移動。

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。尺身座、尺端擋塊和尺框支撐塊的上下移動采用斜楔機構(gòu)，該機構(gòu)的特點是易于自鎖，當(dāng)一側(cè)不動時，另一側(cè)移動可以使整個尺身座傾斜，便于卡尺尺身有撓度變化的情況。

5 結(jié)束語

游標(biāo)卡尺調(diào)零裝置操作簡單、調(diào)整方便，可以大幅降低卡尺的修復(fù)損壞率，對提高卡尺的重復(fù)利用率、延長使用壽命、降低生產(chǎn)成本、減小維修難度、降低維修勞動強度、簡化修復(fù)卡尺過程具有極其重要的意義。