數顯卡尺校驗裝置的結構設計

數顯卡尺常用的校驗方法是量塊測量法，用多個塊量塊作為基準長度，根據數顯卡尺中內部程序設定好的檢定點，分別用不同的量塊依次校驗，將顯示器上的數據調整與量塊相同并保存，直至所有檢定點依次校準結束即達到校準的要求。國內大多數廠家都是采用人工校驗的方法，少數企業是通過容柵系統中的定柵校驗來提高卡尺的精度和準確性，所以，研究自動化技術是十分必要的。

1、設計原理及技術要求

1.1 阿貝原理

只有當被測量軸線與基準軸線重合，或在其延長線時，由于導軌的直線度或間隙引起的測量誤差為最小，這就是阿貝原理。測量儀器按不按阿貝測長原則設計，所產生的測量誤差差別較大，應用阿貝測長原則，可以顯著減少測量頭移動方向偏差對測量結果的影響，因此阿貝測長是精密測量中非常重要的原則。

1.2 技術要求

根據各類數顯卡尺測量范圍和生產批量不同，經研究確定對校驗裝置提出如下技術要求：

測量范圍為0-500mm，分辨率為0.001mm；測量溫度20℃±5℃，相對濕度≤80%；測量精度小于0.002mm；對校驗件具有通用性，可以校驗500mm以內各種長度的數顯卡尺。

2、機械結構設計

本設計的數顯卡尺自動化校驗裝置主要由工作臺、定位機構、夾緊機構、水平移動機構、光柵裝置、計算機等組成。總體結構如圖1所示。

裝置的工作過程為：①將待校驗數顯卡尺放在校驗臺面上，通過定位機構的三個定位面確定數顯卡尺與裝置的相對位置，用夾緊機構將數顯卡尺夾緊，通過光柵裝置采集數顯卡尺起始位置的數據，通過數據處理判定數顯卡尺起始位置并記錄位置坐標，而后傳遞到計算機；②數顯卡尺副尺保持靜止，通過水平移動機構沿軸向移動數顯卡尺主尺至下一個校驗點，暫停移動并由光柵裝置記錄移動位移量傳遞到計算機；③重復步驟2直至光柵裝置獲取到所設定的最后一個校驗點校驗完成；④計算機將所獲得的光柵數據與所有校驗點數據進行綜合處理、誤差補償，并判斷出待測數顯卡尺是否合格。其工作原理如圖2。

2.1 水平移動機構

在校驗過程中，為了校驗數顯卡尺的所有校驗點，實現數顯卡尺的副尺自動化地移動到校驗點，在設計中采用滾動直線導軌帶動卡尺運動，保證數顯卡尺的運動軌跡與導軌的運動軌跡平行。水平移動機構采用步進電機為驅動，利用滾珠絲杠將旋轉運動轉換為直線運動，同時配合使用直線導軌，保證了結構的穩定性。

水平移動機構與數顯卡尺的尺尾部分連接，保證當該機構運動時，數顯卡尺主尺運動，因此在該機構上設計有定位塊Y和夾具C。定位塊Y保證數顯卡尺在裝置中Y軸方向的位置，由于數顯卡尺校驗過程中，深度尺部分會伸出，因此，在定位塊Y中心線處留有一條寬度略大于深度尺的縫隙，以防影響數顯卡尺深度尺的運動。夾具C采用的是垂直式快速夾具，用于夾緊數顯卡尺主尺的尾部，使其在運動過程中與滑臺保持相對靜止。

2.2 光柵裝置的設計

在校驗過程中，量程為150mm的數顯卡尺所允許的最大誤差為0.03mm，故儀器精度的高低對數顯卡尺校驗結果影響很大。通常儀器的精度應為被測件精度的1/10，其中基準傳感器精度直接影響儀器的測量精度。數顯卡尺屬直線位移校驗，校驗基準傳感器可以采用光柵、磁柵尺、感應同步器、長度編碼器等，也有用激光干涉儀直接校驗的。經綜合分析，由于光柵傳感器的綜合性能優于其余幾種，故裝置所用基準傳感器選光柵比較好。

如圖4所示，光柵裝置包括光柵讀數頭、標尺光柵，為了減少阿貝誤差，標尺光柵安裝在工作臺上的位置需要非常重要，要保證其中心線與導軌的中心線在同一條水平線上。光柵讀數頭通過移動臺與夾具A、夾具B固定在一起，根據數顯卡尺的結構特點和夾緊需要，夾具A采用的是垂直式快速夾具，與定位塊Z保證數顯卡尺在裝置中上下方向的位置；夾具B采用的是推拉式快速夾具，確定數顯卡尺在Y軸方向的位置，使光柵讀數頭位移量與滾珠絲杠的滑臺位移量相同。

2.3 支撐架的設計

根據數顯卡尺特殊的結構，校驗過程中不僅需要保證數顯卡尺主尺的相對位置，還需要保證副尺的相對位置。在本設計中，校驗過程是由主尺運動、副尺保持靜止來實現的，既簡化裝置的設計，又保證精度，減少不必要的誤差。因此，除了在主尺的兩端設計定位、夾緊機構，還需設計副尺的支撐及定位機構。如圖5所示，為支撐架的結構設計圖。

根據光柵裝置和水平移動機構的高度，為保證數顯卡尺在安裝過程中的水平放置，設計出高度為60mm，厚度為8mm的支撐架。為了實現副尺的定位，采用推拉式快速夾具D，與定位塊X共同作用。根據推拉式快速夾具的實際高度及數顯卡尺的高度，支撐架的一邊高度需要重新調整，其厚度減少為3mm，具體設計如圖5所示。

3、結論

本校驗裝置的機械結構具有模塊化程度高、傳動方案簡單、易于裝調等優點，整體的機械結構性能和各零部件之間的機械強度均滿足要求。不僅實現了對國標中的校驗點校驗，也可以對任意一點進行校驗，解決了傳統人工校驗的速度慢，人工誤差較大的難題，尤其是引入了光柵測長系統，大大提高了校驗準確度。因此具有校驗精度高，速度快，操作簡單方便等優點，很大的滿足了數顯卡尺行業的校驗需求，具有很大的發展潛力和應用前景。

（作者單位：無錫機電高等職業技術學校）