游標卡尺零值調整裝置的研發

丁 洋

（天津職業技術師范大學，天津 300222）

0 引言

現代機械加工制造手段眾多，但無論使用何種加工手段，產品加工完畢后均須進行質量檢測。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，產品質量由操作者的技術水平決定，產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 研發背景

游標卡尺零調整裝置的研發受托于天津瑞馳船舶機械有限公司，該公司擁有加工設備100 多臺（套），并擁有大量量具、驗具。由于游標卡尺是一種即經濟又廉價的通用量具，被各生產部門廣泛使用，導致其磨損的速度比較快，經常會出現零值誤差，從而影響測量精度，進而影響產品的加工質量。在此背景下，與該公司共同申請了天津市濱海新區科技小巨人成長計劃科技型企業創新發展項目課題（項目編號：12ZXCXGX15300）。游標卡尺零值調整裝置屬于其中附帶的產品研發，已申請發明專利。

2 游標卡尺的零值誤差及消除辦法

2.1 游標卡尺的零值誤差

游標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生變化。當兩外測量面的磨損量超過0.01 mm時，就會造成游標的“0”標記與主尺尺身的“0”標記不對齊，造成游標卡尺的零值不準，游標卡尺的零位就會產生偏差。通常情況是當游標卡尺的兩個外測量爪并攏后，游標的“0”標記在主尺尺身“0”標記之前，這個誤差稱為游標卡尺的零值誤差。

2.2 游標卡尺零值誤差的消除辦法

2.2.1 修正值的優劣勢

游標卡尺存在零值誤差，會對測量結果產生很大的影響，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束后都必須在測量結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果中漏掉修正值的代入或將數值算錯而造成粗大誤差，不僅影響產品質量，還可能使產品成為廢品而直接報廢。

2.2.2 維修法及“錘擊法”的應用

實際應用中使用最多的是維修法，即通過維修游標卡尺來消除零值誤差。方法是通過調整游標卡尺上游標尺的相對于主尺“0”標記位置而消除零值誤差，使主尺“0”標記與游標尺“0”標記重合。由于游標卡尺活動卡爪與尺框是整體結構，外卡爪和尺身是整體結構，當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卡尺的一個極限位置，這個極限位置是游標卡尺的最小測量極限位置，是游標卡尺的零值位置。游標卡尺游標尺上有螺釘過孔，游標尺通過螺釘聯接到尺框上，因此游標尺上的螺釘過孔與螺釘之間的間隙量就是調整游標卡尺的零值調整量。由于鎖緊游標尺的螺釘比較小，故一般游標卡尺的調整量為±0.15 mm。當調整量大于間隙量時，應對螺釘過孔進行擴大或二次加工以保證足夠的調整量。調整零值時常采用“錘擊法”。“錘擊法”是用紫銅錘敲擊游標尺，敲擊方向與游標尺平行。游標尺在銅錘的沖擊載荷下發生位移。敲擊力量應由小至大，直至游標尺發生移動。當游標尺移動過量時，左右反復敲擊直至零值合格。由于敲擊過程中游標尺產生移動，會造成聯接游標尺螺釘的鎖緊力下降，需用鐘表改錐擰緊聯接螺釘，并觀察零值在擰緊過程中是否發生變化，如有變化繼續敲擊，敲擊后再次擰緊，擰緊后確認零值是否準確，確認零值準確無誤后才可以使用。

“錘擊法”是“敲擊→擰緊→敲擊→擰緊”的反復過程。造成反復的原因是敲擊力度不可控，敲擊后游標尺停留位置不確定，且敲擊后尺框之間的螺釘預緊力下降，必須重新擰緊螺釘，而重新擰緊螺釘時游標尺和尺框之間可能產生相對運動，因此需要反復敲擊及擰緊螺釘，直至合格。正常游標卡尺調整零位時，游標螺釘不可松開，因此當用銅錘敲擊時，要求對錘擊的力度掌握的要恰到好處。基于以上原因，游標卡尺的零值調整必須在專職人員的指導下進行，否則可能會產生不良后果。因為調整卡尺零值有以上的特點，所以能進行卡尺零值調整的人員非常有限，且必須通過專項培訓。

3 新型卡尺調零裝置

設計新型游標卡尺調零裝置時，為保證使用過程的可靠性，要求卡尺的定位穩定、安全可靠。設計定位裝置時，首先要便于操作者的觀察，同時還要考慮不同游標卡尺品牌和型號的關系。因此，根據所有的游標卡尺的共性特點，即所有游標卡尺端面與尺身側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構。該結構最為簡單，同時也是定位最可靠的一種方式。尺身座可以根據尺框的大小調整距離，滿足300 mm 以內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，否則卡尺發生移動達不到調整的目的；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。通過反復論證，卡尺的夾緊動作采用機械加工生產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，而且壓板夾緊結構技術成熟、夾緊力可靠、操作簡單、便于調整。游標卡尺調零裝置結構如圖1 所示。

圖1 游標卡尺調零裝置

4 調零裝置應用分析

游標卡尺調零裝置的重點在于調零，調整零位的動作即調整游標尺位置的動作是整個裝置的重點，它的可靠性決定調整零位是否有效。根據游標尺的結構特點，以抓取游標尺兩側為基礎的設計方向，設計出調整爪。調整爪采用一端固定、一端活動的兩個調整爪結構，該結構可以方便抓取不同大小的游標。兩個調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整爪自由滑動。該裝置可以根據卡尺外形結構的大小來調整調整爪的位置。確定調整爪結構后，就應確定聯接方式。由于卡尺零位調整的傳統方法是采用“錘擊法”敲擊，有敲擊必然有沖擊，在沖擊載荷的作用下游標螺釘容易折斷，不利于游標卡尺的修復，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，新研發的游標卡尺調零裝置必須放棄傳統的修復方法，而采用對游標尺施加一個非沖擊載荷。采用螺旋傳動機構施加柔性載荷，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，無論順時針旋轉還是逆時針旋轉均可以傳遞動力，因此采用螺旋傳動方式驅動工作臺，同時解決了雙向施加載荷的問題，這對調整零值的設計是必要的。因為調整爪要抓住游標，還要將動力傳遞給游標，而且要方便觀察，設計時采用調整爪固定游標兩端的方法，且兩個調整爪水平放置在整個裝置中，觀察游標最直觀，游標受力變形也比較小，松開后游標幾乎沒有回彈現象，便于調整零位操作。

調整爪通過橫向、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，實現全方位的移動，可以順利抓取不同空間位置的游標卡尺的游標，為卡尺調整零位做準備。滑臺導軌采用T 形槽導軌，穩定性高。橫向滑臺和調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且傳動精度高，可以精確傳動和定位，便于調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，避免卡尺游標螺釘折斷。

游標卡尺調整零位裝置調零時可以將卡尺的游標螺釘旋松，待調整爪抓緊游標后，通過旋轉調整螺紋軸帶動整個橫向滑臺移動，此時觀察游標尺“0”標記和主尺尺身“0”標記，待二者重合后，擰緊游標尺螺釘，將游標尺固定。由于卡尺固定，擰緊過程中不必擔心游標移動。

為了適應不同規格的卡尺，尺身座、尺端擋塊和尺框支撐塊應能做上、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，該機構的特點是易于自鎖，當一側不動時，另一側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 結束語

游標卡尺調零裝置操作簡單、調整方便，可以大幅降低卡尺的修復損壞率，對提高卡尺的重復利用率、延長使用壽命、降低生產成本、減小維修難度、降低維修勞動強度、簡化修復卡尺過程具有極其重要的意義。