帶表卡規(guī)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例公開了一種帶表卡規(guī)，涉及一種量具，能夠有效提高帶表卡規(guī)的測量精度。包括表爪量塊和帶測針的卡表，表爪量塊安裝在下手柄上，卡表安裝在上手柄上，其測針與表爪量塊頂端的曲面接觸，并能夠在上、下手柄相對轉動的過程中在該曲面上沿著曲線的軌跡移動，下手柄上安裝表爪量塊處設有兩個裝配基準面，兩個所述裝配基準面相鄰且相互垂直，兩裝配基準面距離卡規(guī)轉軸軸心的尺寸均有嚴格的公差控制，用于厚度測量。
【專利說明】帶表卡規(guī)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種量具，尤其是一種帶表卡規(guī)。
【背景技術】
[0002]在測量產品厚度時，通?？梢允褂脦П砜ㄒ?guī)，帶表卡規(guī)各零部件的制造及裝配精度等因素會導致一定的測量誤差，并影響到最終的檢測精度，如表爪量塊的裝配過程，安裝表爪量塊時先粗定位，然后使用一系列厚度的標準量塊來反復微調表爪量塊及卡表的位置，此種方法費時費力，且最終調教出的卡規(guī)精度并不理想，只能確保O-1Omm較小量程范圍內的測量精度，在較大的量程范圍測量時誤差值隨著量程變大而顯著增大。而在實際應用中，很多被測產品的精度是至關重要的，因此，改進現(xiàn)有帶表卡規(guī)，提高帶表卡規(guī)的精度十分必要。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種具有超長測深的帶表卡規(guī)，能夠有效提高帶表卡規(guī)的測
量精度。
[0004]根據(jù)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術方案:
[0005]第一方面，一種具有超長測深的帶表卡規(guī)，包括通過轉軸鉸接的上手柄和下手柄，所述上手柄和所述下手柄被所述轉軸分為鉗口端和手持端，在所述轉軸附近靠近所述鉗口端的所述上手柄和所述下手柄之間設有連接彈簧，所述彈簧的拉力將所述上手柄和所述下手柄頭部貼合在一起；還包括:
[0006]表爪量塊和帶測針的卡表，其中:所述表爪量塊安裝在下手柄上，其頂端為具有特定曲線軌跡且具有一定寬度的曲面；所述卡表安裝在上手柄上，其測針與所述表爪量塊頂端的曲面接觸，并能夠在上、下手柄相對轉動的過程中在該曲面上沿著所述曲線的軌跡移動，所述下手柄上安裝所述表爪量塊處設有兩個裝配基準面，兩個所述裝配基準面相鄰且相互垂直，所述裝配基準面距離所述轉軸軸心的尺寸均有嚴格的公差控制。
[0007]第二方面，結合第一方面可能的實現(xiàn)方式，所述上手柄和所述下手柄的鉗口端分別設有加強筋板，所述加強筋板用于增強所述上手柄和所述下手柄的剛性。
[0008]第三方面，結合第一方面或第二方面可能的實現(xiàn)方式，所述轉軸附近設有壓緊點，所述壓緊點將所述上手柄和所述下手柄緊密貼合在一起。
[0009]第四方面，結合第二方面可能的實現(xiàn)方式，所述上手柄、所述下手柄分別和其上的所述加強筋板一體成型。
[0010]第五方面，結合第四方面可能的實現(xiàn)方式，所述上手柄和所述下手柄使用鋼或鈦合金制造。
[0011]第六方面，結合第五方面可能的實現(xiàn)方式，所述上手柄和所述下手柄使用3.5毫米厚的鋼或鈦合金制造，且鉗口端長度大于525毫米。
[0012]第七方面，結合第六方面可能的實現(xiàn)方式，所述上手柄和下手柄的鉗口端頭部分別安裝有上、下測頭，所述下手柄的測頭端高度在25mm以內。
[0013]第八方面，結合第七方面可能的實現(xiàn)方式，還包括提手，并且所述上手柄和所述下手柄的手持端設有手柄套。
[0014]第九方面，結合第八方面可能的實現(xiàn)方式，所述表爪量塊頂端曲面的曲線軌跡由40個不同α值對應的曲線上的B點擬合確定，點B的坐標值(XB，Yb)滿足以下公式:
[0015]Xb=Cos ( β - α ).d+2sin α.sin ( α /2).D/S,
[0016]YB=sin ( β - α ).d+2cos α.sin ( α /2).D/S ;
[0017]上述公式基于，在卡表測針頭運動軌跡線所在平面內建立平面直角坐標系，以該平面與轉軸中心線的交點為坐標原點，卡規(guī)下測頭的測量點與該中心線之間的垂直距離為D，以平行于該直線距離的直線為X軸，其中，α為卡規(guī)的張角；d為卡規(guī)的上下測點咬合時卡表測針頭到坐標原點的距離，β為此時測針頭和坐標原點之間的連線與X軸正向之間的夾角，且β為30° -90°之間的任意值，具體由卡規(guī)上下測頭咬合且卡表指示零位時測針頭所在的位置決定；S表示卡表的表盤指示值與測針的行程位移之間的比值。
[0018]第十方面，結合第九方面可能的實現(xiàn)方式，所述表爪量塊設有兩條棱，兩條棱分別和一個裝配基準面平行，每條棱頂緊和其平行的所述裝配基準面，使所述表爪量塊固定在指定位置。
[0019]本發(fā)明實施例提供的帶表卡規(guī)，下手柄上設有兩個裝配基準面，兩個所述裝配基準面相鄰且相互垂直，所述裝配基準面距離所述轉軸軸心的尺寸均有嚴格的公差控制。表爪量塊在裝配時只需將右側面與下底面分別與上述基準面對齊即可精確定位。有效的提高了帶表卡規(guī)的裝配調試效率及測量精度，極具工程應用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明實施例中上下測頭咬合時的示意圖；
[0021]圖2為下手柄上裝配基準面結構示意圖；
[0022]圖3為圖1中的帶表卡規(guī)表爪量塊通過裝配基準面安裝示意圖；
[0023]圖4為本發(fā)明實施例中針對FC-8A發(fā)動機轉彎段、進口段的帶表卡規(guī)結構示意圖；
[0024]圖5為圖4實施例中增加加強筋板的結構示意圖；
[0025]圖6為圖4實施例一體成型的加強筋板的結構示意圖；
[0026]圖7為圖1中的帶表卡規(guī)張開α角時的示意圖；
[0027]圖8為圖2的局部放大圖；
[0028]圖9為本發(fā)明實施例中表爪量塊系列曲面軌跡線；
[0029]圖10為本發(fā)明另一實施例的示意圖。
【具體實施方式】
[0030]以下結合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。
[0031]在對現(xiàn)有帶表卡規(guī)試驗件的裝配環(huán)節(jié)中，發(fā)現(xiàn)表爪量塊的裝配位置精度對卡規(guī)最終的測量精度影響極大，為了解決這一問題，如圖1所示，在本發(fā)明的最佳實施例中，帶表卡規(guī)包括通過轉軸鉸接的上手柄和下手柄，所述上手柄和所述下手柄被所述轉軸分為鉗口端和手持端，在所述轉軸附近靠近所述鉗口端的所述上手柄和所述下手柄之間設有連接彈簧，所述彈簧的拉力將所述上手柄和所述下手柄頭部貼合在一起；還包括:
[0032]還包括表爪量塊和帶測針的卡表，其中:表爪量塊安裝在下手柄上，其頂端為具有特定曲線軌跡且具有一定寬度的曲面；卡表安裝在上手柄上，其測針頭與表爪量塊頂端的曲面接觸，并能夠在上、下手柄相對轉動的過程中在該曲面上沿著設定的曲線軌跡移動，所述下手柄上安裝所述表爪量塊處設有兩個裝配基準面，圖2示出了裝配基準面的結構，兩個所述裝配基準面相鄰且相互垂直，所述裝配基準面距離卡規(guī)轉軸軸心的尺寸均有嚴格的公差控制。測量中可以將該裝置看做繞轉軸中心線轉動的杠桿傳動機構，最終靠安裝在測量器具上的百分表讀出測量值。
[0033]表爪量塊在裝配時按圖3所示只需將右側面與下底面分別與上述基準面對齊即可精確定位。為了將表爪量塊的兩條鄰邊分別和兩個裝配基準面對齊，在安裝時，可以用尺子等物品將表爪量塊的一條邊和對應的裝配基準面攔截對齊，表爪量塊裝配到位后，進行卡表的裝配，并在卡規(guī)測頭咬合時將百分表調整到零位狀態(tài)即可。
[0034]為了提高安裝效率和裝配精度，可以在表爪量塊上設有兩條棱，兩條棱分別和一個所述裝配基準面平行，每條棱頂緊和其平行的所述裝配基準面，使所述表爪量塊固定在指定位置。
[0035]卡規(guī)裝配到位后，使用標準量塊對卡規(guī)進行了不同厚度的測量試驗，測量結果表明卡規(guī)在O-1Omm的量程范圍內精度可達±0.05mm,在10_30mm的量程范圍內精度可達±0.1mm，較以往測量精度有一定提高，特別是在較大的量程測量中精度提高較大。
[0036]帶表卡規(guī)通過上下測頭卡住待測壁厚區(qū)的上下表面來進行測量，此時測量裝置上下測頭間張開的弦長可近似認為就是待測的壁厚值。該弦長可按一定比例關系變換后傳遞到卡表讀數(shù)端。例如卡表的表盤指示值與測針的行程位移比例關系假設為5:1 (即S=5)，這就意味著待測壁厚值傳遞到讀數(shù)端后，測針的位移值為待測值的1/5，而卡表表盤指示值再將測針的位移值以5倍放大還原，從而最終指示出待測壁厚值。
[0037]卡表可選用百分表。卡表測針頭與表爪量塊表面接觸，并在表爪量塊表面引導下來發(fā)生滑動位移，即測針的位移量取決于表爪量塊的曲面軌跡。所以要使測量端待測弦長與卡表測針位移量嚴格按照一定比例關系運動變化，必須依靠表爪量塊上特定的曲面軌跡來實現(xiàn)，因此需要求出表爪量塊曲面的數(shù)學表達式，該表達式也即卡表測針頭的運動軌跡方程。
[0038]在卡規(guī)測量中，要求上、下手柄應具有一定的剛性，以免發(fā)生過大的彈性變形從而影響到測量值的準確性及穩(wěn)定度；手柄的鉗口形狀設計應滿足測量深度及針對測量型腔的可達性的要求；手柄的手持部位應考慮手持操作的便利性。
[0039]針對某些特異型腔鑄件，進一步的，在上述卡規(guī)的基礎上，從上述異型腔鑄件的測量技術指標出發(fā)，如圖4所示，我們將測頭到轉軸的距離D值設計為525mm，該值約為前期卡規(guī)試驗件D值的3倍多，也遠遠超過了市購卡規(guī)的有效測量深度。另外，所述上手柄和下手柄的鉗口端頭部分別安裝有上、下測頭，為了便于卡規(guī)一段測頭能夠伸入狹長鑄件腔體內部，采用了上下手柄鉗口形狀的不對稱設計，將卡規(guī)下手柄的測頭端高度控制在25mm以內。
[0040]進一步的，為了解決由于卡規(guī)鉗口過長，不銹鋼材質的鉗身剛性不足，存在明顯的震顫現(xiàn)象的問題，提高所述上手柄和所述下手柄的剛性，如圖5所示，可以在所述上手柄和所述下手柄的鉗口端分別設有加強筋板。優(yōu)選的，如圖6所示，所述上手柄、所述下手柄分別和其上的所述加強筋板一體成型。
[0041]進一步的，為了提高了上下手柄間的貼合度從而消除了上下測頭的錯位現(xiàn)象，如圖5所示，可以在所述轉軸附近設有壓緊點，所述壓緊點將所述上手柄和所述下手柄緊密
貼合在一起。
[0042]所述上手柄和所述下手柄可以使用鋼或鈦合金制造，為了進一步提高卡規(guī)的剛性及操作性，所述上手柄和所述下手柄材料使用韌性更好的3Crl3鋼或鈦合金制造。
[0043]為了進一步保證卡規(guī)的剛性，所述上手柄和所述下手柄使用3.5mm厚的3Crl3鋼或鈦合金制造，且鉗口端長度大于525毫米。
[0044]為了便于攜帶和操作，如圖6所示，上述帶表卡規(guī)還包括提手，并且所述上手柄和所述下手柄的手持端設有手柄套。
[0045]在本發(fā)明中，所述表爪量塊頂端曲面的曲線軌跡由40個不同α值對應的曲線上的B點擬合確定:首先，在卡表測針頭運動軌跡線所在平面內建立平面直角坐標系，以該平面與轉軸中心線的交點為坐標原點0，卡規(guī)下測頭的測量點與該中心線之間的垂直距離為D，以平行于該直線距離的直線為X軸，曲線上每一點在該坐標系中點B的坐標值(ΧΒ，ΥΒ)均滿足以下公式:
[0046]Xb=Cos ( β - α ).d+2sin α.sin ( α /2).D/5(I) [0047]YB=sin ( β - α ).d+2cos α.sin ( α /2).D/5(2)
[0048]其中，α為卡規(guī)的張角；d為卡規(guī)的上下測點咬合時卡表測針頭到坐標原點的距離，β為此時測針頭和坐標原點之間的連線與X軸正向之間的夾角，且β為30° -90°之間的任意值，具體由卡規(guī)上下測頭咬合且卡表指示零位時測針頭所在的位置決定。
[0049]式(I)、(2)中除開合角α為變量外，其他值均為已知常量。將不同的開合角α代入式12、13，即可計算得到與之對應的B點的精確坐標值(ΧΒ，ΥΒ)，如果將得到的一系列的B點進行曲線擬合，即可得到測針頭的運動軌跡，也就是表爪量塊曲面軌跡線。
[0050]顯然，在一定的坐標取值范圍內，用于曲線擬合的B點數(shù)量越多，擬合得到的表爪量塊曲面軌跡將越精準，最終的測量精度將越高。
[0051]為了便于讀者理解，結合圖1和圖7，參考圖8的布局放大圖，下面對公式(I) (2)的推導過程進行簡要說明:
[0052]在圖1所示狀態(tài)中，卡規(guī)處于測頭閉合狀態(tài)。此時已知如下初始值:測頭到O點的距離為D，卡表測針頭到O點的距離為d，測針頭與O點的連線與水平線的夾角為β，卡表的表盤指示值與測針的行程位移比例關系為5:1。
[0053]當卡規(guī)張開α角時(下手柄不動，轉動上手柄)，此時位置如圖7及圖8所示，按圖中所示O點為圓心,建立X-Y直角坐標系。
[0054]根據(jù)三角函數(shù)關系，可得出卡鉗張開的弦長L與張開角α的關系式:
[0055]L=2D*sin(a/2)(3)
[0056]此時卡表測針的回退行程為R，且R與L應滿足下式:
[0057]R=L/5(4)
[0058]將式3代入式4，可得[0059]R=2D*sin(a/2)/5(5)
[0060]圖8中的A點為測針延長線與以O點為圓心且半徑為d的基圓的交點，該點在X-Y坐標系中的坐標值(XA、YA)可根據(jù)三角函數(shù)關系求得:
[0061]XA=cos ( β - a ).d(6)
[0062]YA=sin ( β - a ).d(7)
[0063]圖8中的B點為測針頭轉動角a后的位置，該點坐標值(XB、YB)無法直接求出，但可根據(jù)三角函數(shù)關系求出B點相對于A點在X、Y坐標方向的增量值:
[0064]X 增=sin a.R(8)[0065]Y 增=Cos a.R(9)
[0066]B點坐標值(XB、YB)與A點坐標值(XA、YA)間顯然有如下關系:
[0067]XB=XA+X 增(10)
[0068]YB=YA+Y 增(11)
[0069]將式6及式8代入式10，可得:
[0070]XB=Cos ( β - a ) d+sin a R(12)
[0071]將式7及式9代入式11，可得:
[0072]YB=sin ( β - a ).d+cos a.R(13)
[0073]最后將式5分別代入式12及式13，可得:
[0074]XB=Cos ( β - a ).d+2sin a.sin ( a /2).D/5(I)
[0075]YB=sin ( β - a ).d+2cos a.sin ( a /2).D/5(2)
[0076]至此，B點坐標值(XB、YB)的數(shù)學表達式已求出。式1、2中除開合角a為變量外，其他值均為已知常量。將不同的開合角a代入式1、2，即可計算得到與之對應的B點的精確坐標值(XB、YB)，如果將得到的一系列的B點進行曲線擬合，即可得到測針頭的運動軌跡，也就是表爪量塊曲面軌跡線。
[0077]優(yōu)選的，在式(1)(2)中，150mm< D < 550mm。
[0078]由式1、2可知，其中的常量D、d、β取不同的初始值，將直接導致表爪量塊曲面軌跡線出現(xiàn)不同的曲率形狀。為了摸索出上述常量值不同的初始值與表爪量塊曲面軌跡線的對應關系，將D值設為一定值(D值即為給定的測量深度)，卡表的表盤指示值與測針的行程位移比例關系為5:1的條件下，分別取不同的d值及β值，在一定a角開合范圍內來計算并繪制表爪量塊曲面軌跡線，得到了如圖9所示的系列曲面軌跡線。
[0079]由圖10可見，β初始角越小，曲面軌跡線越陡峭、短促，d初始值越大，曲面軌跡線越長，但d值所導致的陡峭度并非單向性，而是以d=0.2D為分界值，比此值越大、或越小，均趨于陡峭。在分界值處，D與d的比值為5:1，該比例值也是選定的卡表的表盤指示值與測針的行程位移比例值。
[0080]表爪量塊曲面軌跡線較佳的曲率形狀應該是不過于陡峭、短促，并與卡表測針盡量成垂直的位置關系，由此確定的β初始角合理取值范圍為:30° -90°，d值取0.2D的相近值為佳。
[0081]測厚卡規(guī)的各零部件的制造精度直接影響到最終的測量精度，因此有必要嚴格控制各零部件的制造精度。
[0082]表爪量塊是卡規(guī)各零部件中制造精度要求最高的零件，對最終的測量精度影響最大，故此零件的制造精度應重點保證。
[0083]由前文可知，表爪量塊的曲面軌跡線精度與用于擬合曲線的B點數(shù)量成正比，理論上可以將開合角a在一定取值范圍內無限細分，并代入式1、2從而計算出任意多的B點，但受限于線切割設備的制造精度，最終可確保的曲面軌跡輪廓度公差值為±0.01mm，這意味著用于曲線擬合的B點數(shù)量超過某一閾值后將無法進一步提高表爪量塊的制造精度。
[0084]考慮到表爪量塊會與卡表測針頻繁地發(fā)生滑動摩擦，為了保證卡規(guī)的使用耐久度與測量穩(wěn)定性，最終選定了 Crl2MoV鋼來作為表爪量塊的制造材質。
[0085]為了保證上下手柄之間轉軸的旋轉精度，可以考慮采用高精度薄型軸承件。在本發(fā)明中，選用了哈軸生產的代號為Z529的軸承，實際使用效果良好。
[0086]為了保證上下測頭與被測鑄件表面的良好貼合，同時考慮到測頭的使用耐久度，測頭使用Crl2MoV鋼來作為制造材質，結構上采用了的球頭設計來做為測頭端。
[0087]卡規(guī)使用一段時間后，難免出現(xiàn)測頭磨損并由此帶來測量誤差的增大，一定范圍內的誤差值可通過卡規(guī)精度調教來使之減小乃至消除。當由測頭磨損導致的測量誤差值無法通過卡規(guī)精度調教減小至0.05_的誤差范圍內時，應更換測頭并按技術要求重新調?？ㄒ?guī)，以恢復卡規(guī)應有的測量精度。
[0088]在本發(fā)明的另一實施例中，具有超長測深的帶表卡規(guī)如圖10所示。其結構與圖1所示的帶表卡規(guī)類似，主要零件基本相同，采用上述表卡量塊1，但上手柄2、下手柄3的長度更大。并且上手柄與下手柄的鉗口為非對稱形狀，所述上測點距離上手柄鉗口的高度為下測點距離下手柄鉗口高度的3倍以上。
[0089]在本發(fā)明的其他實施例中，采用不同設計參數(shù)設計，運用上述表爪兩塊曲線公式
(I)和(2)，設計出了各種規(guī)格的超長測深卡規(guī)，其主要結構參數(shù)及測量精度的檢測結果如下表所示。
[0090]表 I
[0091]
【權利要求】
1.一種帶表卡規(guī)，其特征在于，包括通過轉軸鉸接的上手柄和下手柄，所述上手柄和所述下手柄被所述轉軸分為鉗口端和手持端，在所述轉軸附近靠近所述鉗口端的所述上手柄和所述下手柄之間設有連接彈簧，所述彈簧的拉力將所述上手柄和所述下手柄頭部貼合在一起；還包括: 表爪量塊和帶測針的卡表，其中:所述表爪量塊安裝在下手柄上，其頂端為具有特定曲線軌跡且具有一定寬度的曲面；所述卡表安裝在上手柄上，其測針與所述表爪量塊頂端的曲面接觸，并能夠在上、下手柄相對轉動的過程中在該曲面上沿著所述曲線的軌跡移動，所述下手柄上安裝所述表爪量塊處設有兩個裝配基準面，兩個所述裝配基準面相鄰且相互垂直，所述裝配基準面距離所述轉軸軸心的尺寸均有嚴格的公差控制。
2.如權利要求1所述的帶表卡規(guī)，其特征在于，所述上手柄和所述下手柄的鉗口端分別設有加強筋板，所述加強筋板用于增強所述上手柄和所述下手柄的剛性。
3.如權利要求1或2所述的帶表卡規(guī)，其特征在于，所述轉軸附近設有壓緊點，所述壓緊點將所述上手柄和所述下手柄緊密貼合在一起。
4.如權利要求2所述的帶表卡規(guī)，其特征在于，所述上手柄、所述下手柄分別和其上的所述加強筋板一體成型。
5.如權利要求4所述的帶表卡規(guī)，其特征在于，所述上手柄和所述下手柄使用鋼或鈦合金制造。
6.如權利要求5所述的帶表卡規(guī)，其特征在于，所述上手柄和所述下手柄使用3.5毫米厚的鋼或鈦合金制造， 且鉗口端長度大于525毫米。
7.如權利要求6所述的帶表卡規(guī)，其特征在于，所述上手柄和下手柄的鉗口端頭部分別安裝有上、下測頭，所述下手柄的測頭端高度在25mm以內。
8.如權利要求7所述的帶表卡規(guī)，其特征在于，還包括提手，并且所述上手柄和所述下手柄的手持端設有手柄套。
9.如權利要求8所述的帶表卡規(guī)，其特征在于，所述表爪量塊頂端曲面的曲線軌跡由40個不同α值對應的曲線上的B點擬合確定，點B的坐標值(XB，Yb)滿足以下公式:
Xb=Cos ( β - α ).d+2sin α.sin ( α /2).D/S,
YB=sin ( β - α ).d+2cos α.sin ( α /2).D/S ; 上述公式基于，在卡表測針頭運動軌跡線所在平面內建立平面直角坐標系，以該平面與轉軸中心線的交點為坐標原點，卡規(guī)下測頭的測量點與該中心線之間的垂直距離為D，以平行于該直線距離的直線為X軸，其中，α為卡規(guī)的張角；(1為卡規(guī)的上下測點咬合時卡表測針頭到坐標原點的距離，β為此時測針頭和坐標原點之間的連線與X軸正向之間的夾角，且β為30° -90°之間的任意值，具體由卡規(guī)上下測頭咬合且卡表指示零位時測針頭所在的位置決定；S表示卡表的表盤指示值與測針的行程位移之間的比值。
10.如權利要求9所述的帶表卡規(guī)，其特征在于，所述表爪量塊設有兩條棱，兩條棱分別和一個裝配基準面平行，每條棱頂緊和其平行的所述裝配基準面，使所述表爪量塊固定在指定位置。
【文檔編號】G01B3/38GK103542783SQ201310489127
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月18日 優(yōu)先權日:2013年10月18日
【發(fā)明者】趙鵬飛, 李豐, 周垚, 楊月, 宋一凡 申請人:北京動力機械研究所