0～300mm電子數顯高度卡尺的優化設計

2018-01-15 03:16:14閆列雪黃桂云

裝備制造技術 2017年11期

閆列雪，黃桂云

電子數顯高度卡尺是利用電子測量以及數字顯示原理，對裝置在尺框上的劃線爪工作面與底座工作面相對移動分隔的距離進行讀數的測量器具和劃線工具，主要由尺身、尺框、電子顯示器、劃線爪和底座等構成。在生產和使用過程中，發現電子數顯高度卡尺的方形底座結構、形式以及尺身結構等存在不足，導致生產成本高，使用者操作費力等缺陷，基于此，本文對電子數顯高度卡尺的底座、尺身進行優化設計。

1 原電子數顯高度卡尺設計的不足

高度卡尺原來的結構如圖1所示，經過對原有產品按國家標準GB/T21390-2008及國家計量檢定規程JJG31-2011進行檢測分析，結合客戶反饋意見，發現存在以下主要問題：

圖1 高度卡尺原結構圖

1.1 底座的結構形式與材料

1.1.1 底座的結構形式

由圖1、圖2可知，底座由兩大部分組成，即由鑲鐵通過螺釘與底座主體連接而成。底座的零件簡圖如圖1所示。在圖1中，可以看到，這種底座是方形的，專業上稱它為方形底座，它由底座體、左鑲鐵、右鑲鐵及8顆螺釘組成。當操作使用時，操作者的手要緊握住底座，它的后兩個尖角會硌到手掌，時間長了，會使人的手掌產生不適，具有又酸又麻的感覺和疲勞疼痛。

圖2 方形底座結構示意圖

1.1.2 底座的材料

按GB/T21390-2008中的規定，高度尺底座工作面（底面）的硬度不應低于509 HV或50 HRC[1].底座體的材料為HT150，不能通過熱處理滿足標準要求，這就必須在底座體底面裝上鋼制鑲條，鑲鐵的材料為3Cr13，為了保持與底座體底面輪廓一致，必須用線切割加工鑲條外形，既費工時，又費材料。

1.2 尺身剛性不夠

尺身的剛性問題，實際上就是一段懸臂梁在受到外力作用后所產生的端頭轉角θB的大小以及最大撓度ymax的大小。現在，把高度尺在工件上劃線時受力狀況簡化為一段懸臂梁（尺身）受到一固定載荷P的作用，如圖3所示。

圖3 尺身受力狀況圖

在圖3中，θB為尺身端頭轉角，ymax為尺身最大撓度，其中 θB＝ Pl2/2EI，ymax＝ Pl3/3EI.上式中，P 為固定載荷，一般為12 N左右；l為尺身上某固定點（劃線爪）距底面距離，按最大測量范圍計算，應為300 mm，E為材料的彈性模量，材料為不銹鋼，由《機械設計手冊》可知E=2.06×105 N/mm2，因此，可計算現有高度尺尺身的最大撓度ymax1及端頭轉角θB1[2].

如圖4所示，現有尺身寬度h=20 mm，厚度b=6 mm，又因為 I=bh3/12，所以

圖4 尺身截面示意圖

如圖5所示，由于尺身的端頭轉角，不可避免地使劃線爪也產生轉角，從而引起劃線爪爪尖偏離理論正確位置，產生一個偏移量s1.劃線爪爪尖距尺身中心線的最小距離為75 mm，所以

s1=75×tan0.039°=0.05＞0.04 mm

而實際上這個偏移量s1也就是產生了一個測量誤差，按照檢定規程JJG31-2011的規定最大允許誤差，測量范圍上限為300 mm時最大允許誤差為±0.04 mm，因此偏移量s1=0.05 mm已經超過了檢定規程的規定值，由此可見原有的尺身剛性是不夠的。正是由于尺身的結構剛性不足，從而引起示值超過最大允許誤差[3]。

圖5 尺身劃線找爪偏移示意圖

2 優化設計方案

電子數顯高度卡尺的優化設計必須首先改變底座外形以適宜人的手感，其次再加寬尺身以增強尺身的剛性，從而提高示值誤差的一次合格率，提升產品的整體質量。

2.1 底座的形式、結構與材料

2.1.1 底座的形式

經過分析和對比，參考國外相似產品，底座的形式采用馬蹄形，如圖6所示。由圖中可以看出，它底面大而頂部較小，后部又是半圓形并帶有的圓角，這樣就很適合人的手掌掌握，而且腰部還開有一條半圓通槽，在前端部還有一個轉折，便于給人的大拇指很好的握緊操作，這樣操作使用時操作者的手會很輕易地握緊底座而不會覺得硌手，使用起來不會有不適的感覺。