毕业设计（论文）-基于虚交点的圆锥孔端面尺寸数显测量装置设计.doc

本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） 论文题目：基于虚交点的圆锥孔端面尺寸数显测论文题目：基于虚交点的圆锥孔端面尺寸数显测 量装置量装置 学生姓名：学生姓名： 所在院系：所在院系： 机电学院机电学院 所学专业：所学专业： 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 导师姓名：导师姓名： 完成时间：完成时间： 摘摘 要要 在机械加工中，常常会碰到圆锥孔的测量问题。圆锥孔的主要控制参数是锥孔 锥度和锥孔端面直径尺寸。在圆锥孔大小端端面直径尺寸已知的情况下，圆锥孔 的锥度可以通过简单的计算获得。故测量圆锥孔端面直径尺寸显得特别重要。圆 锥孔由于结构的特殊性导致其端面直径不易测量。在机械加工中，通常采用锥度 塞规涂色法作为圆锥孔加工和终检的量具，通过塞规与圆锥孔的接触面积来判 断锥度和尺寸是否合格；也可用正弦规或三坐标测量仪等进行检测。但这些测量 方式或者效率较低，或者成本过高，难以适应现场批量生产时的检测需要。特别 是对那些精度要求较高的圆锥孔，由于缺少合适的现场测量工具，往往很难保证 达到要求的精度1。本文设计一种基于虚交点的圆锥孔端面尺寸数显测量装置， 可在机直接测量，不需计算，数显直读，且结构简单，测量范围大，有效地解决了 生产现场检测锥孔端面直径的问题，也可用于间接测量椎孔的锥度。 关关键词键词： ：圆锥圆锥孔端面直径，孔端面直径，测测量装置，精度分析，容量装置，精度分析，容栅栅位移位移传传感器感器 BASED ON THE VIRTUAL END-POINT OF INTERSECTION OF THE CONICAL HOLE SIZE DIGITAL MEASURING DEVICE Abstract In machining, the often encountered problem of cone-hole measurement. Conical hole is the main control parameters and cone taper taper hole diameter face hole. Hole in the cone diameter the size of end-to-end face of known cases, the cone of the taper hole can be obtained through simple calculation. Therefore, measurement of end-cone diameter hole is of particular importance. Conical hole as a result of the specificity of the structure led to easy measurement of the diameter of its end. In machining, taper plug gauge used as a coloring process and the end of conical hole measuring location, with the cone through the plug hole to determine the contact area and dimensions of taper is qualified; also be used sinusoidal regulation or instrument, such as CMM test. However, these measurement or less efficient, or cost is too high, it is difficult to adapt to the scene at the time of detection of the need for mass production. Especially for those who require a higher accuracy of the conical holes, the field due to the lack of suitable measurement tools is often very difficult to guarantee the required accuracy. In this paper, the design of a virtual point of intersection of the cone-based end-hole-size digital display measuring device can be directly measured in the machine, without calculation, direct-reading digital display and simple structure, wide measurement range, an effective solution to the production scene detection end taper hole diameter also can be used for indirect measurement of the taper foramen. Keywords: conical end hole diameter measuring devices, precision analysis, capacitive displacement sensor 目目录录 1 绪论绪论.1 1.1 目前对几何测量的研究现状1 1.1.1 几何量测量的基本概念1 1.1.2 计量器具的基本技术性能指标 1 1.1.3 测量方法的分类2 1.1.4 测量量具的分类3 1.1.5 几何测量仪的新进展 4 1.2 目前对锥孔端面直径测量装置的研究现状 5 1.3 本次设计的意义和主要内容5 2 装置的装置的测测量原理和量原理和结结构构.6 2.1 装置的测量原理7 2.2 装置的结构8 3 装置的装置的测测量范量范围围分析分析.8 3.1 最小测量直径的确定 8 3.2 最大测量直径的确定 9 3.3 可测圆锥孔的锥度确定10 4 装置的装置的结结构构设计设计.13 4.1 卡脚结构设计 13 4.2 不完全铰链结构设计13 4.3 定位机构设计 14 4.4 数显系统选择 14 5 装置装置测测量精度的分析量精度的分析.15 5.1 主测量尺不完全铰链中心线与主测量尺定位面不共面（误差为 1）对测量精 度的影响 16 5.2 主测量尺卡脚不完全铰链中心线与主测量卡脚工作面不共面（误差为 2）对 测量精度的影响17 5.3 改善和提高装置测量精度的措施17 6 注意事注意事项项.19 6.1 安装量具时注意事项19 6.2 应用注意事项 19 7 结语结语.20 致致谢谢.20 参考文献参考文献.21 1 绪论绪论 1.1 目前目前对对几何几何测测量的研究量的研究现现状状 1.1.1 几何量几何量测测量的基本概念量的基本概念 零件加工后，其几何量需加以测量或检验，以确定它们是否符合零件图上给 定的技术要求。几何量测量是指为了确定被测几何量的量值，将被测几何量 X 与 作为计量单位的标准量 E 进行比较，从而得出两者比值 q 的过程。这可用下式表 示： X = qE 由上式可知，任何一个几何量测量过程必须有被测对象和所采用的计量单 位。此外，还包含：两者应怎么进行比较（即应采用适当的测量方法），并保证测量 结果准确可靠（即应保证测量精度）。 1.1.2 计计量器具的基本技量器具的基本技术术性能指性能指标标 计量器具的基本技术性能指标是合理选择和使用计量器具的重要依据。也 是设计量具时必须要考虑的。其中主要的指标如下： （1）标尺刻度间距 标尺刻度间距是指计量器具标尺或分度盘上相邻两刻线中心之间的距离或 圆弧长度。为适于人眼观察，刻度间距一般为 12.5mm 。 （2）标尺分度值 标尺分度值是指计量器具标尺或分度盘上每一刻度间距所代表的量值。一 般长度计量器具的分度值有 0.1mm、0.05mm、0.02mm、0.01mm、0.005mm、0.001mm 等几种. （3）分辨力 分辨力是指计量器具所能显示的最末一位数所代表的量值。由于在一些量 仪（如数字式量仪）中，读数采用非标尺或非分度盘显示，因此就不能使用分度值 这一概念，而将其称作分辨力。 （4）标尺示值范围 标尺示值范围是指计量器具所能显示或指示的被测几何量起始值到终止值 的范围。 （5）计量器具测量范围 计量器具测量范围是指计量器具在允许的误差限内所能测出的被测几何量 量值的下限值到上限值的范围。测量范围上限值与下限值之差为量程。 （6）计量器具的测量步确定度 计量器具的测量不确定度数指在规定条件下测量时，由于计量器具的误差 而对被测几何量值不能肯定的程度。它用测量极限误差表示。 1.1.3 测测量方法的分量方法的分类类 在几何量测量中，测量方法应根据被测零件的特点（如材料硬度、外形尺寸、 结构、批量大小等）和被测对象的精度要求来选择和确定。现有的测量方法主要 有以下几种。 （1）按实测几何量是否为被测几何量划分 测量可分为直接测量和间接测量。 1）直接测量 直接测量是指被测几何量的量值直接由计量器具读出。例如，用游标卡尺、 千分尺或者侧长仪测出轴径或孔径的大小，用公法线千分尺测出齿轮公法线长 度的数值。 2）间接测量 间接测量是指欲测量的几何量的量值由实测几何量的量值按一定的函数关 系式运算后获得。例如，用正弦尺和量块、指示式量仪测量外圆锥角，用三针法 测量外螺纹的单一中径。 间接测量的测量精度通常比直接测量的低。 （2）按计量器具上的示值是否为被测几何量的量值划分 测量可分为绝对测量和相对测量。 1）绝对测量 绝对测量是指计量器具显示或指示的示值即是被测几何量的量值。例如，用 游标卡尺、千分尺或立式测长仪测量轴径的大小。 2）相对测量 相对测量（比较测量）是指计量器具显示出或指示出被测几何量相对于已知 标准量的偏差，被测几何量的量值为已知标准量与该偏差的代数和。 一般来说，相对测量的测量精度比绝对测量的高。 （3）按测量时被测表面与计量器具的测头是否接触划分 测量可分为接触测量和非接触测量。 1）接触测量 接触测量是指测量时测量器具的测头与被测表面接触，并有机械作用的测 量力。例如，用机械比较仪测量轴径，用千分尺测量轴径。 用接触测量法测量不同形状的被测表面时，应选用相对形状的测头。例如， 测量球面、圆柱面和平面时应分别使用平面形测头、刀刃形测头和球形测头。 2）非接触测量 非接触测量是指测量时计量器具的测头步与被测表面接触。例如，用光切显 微镜测量表面粗糙度轮廓的最大高度，在工具显微镜上用影响法测量外螺纹的 牙侧角、螺距和中径。 （4）按被测工件上是否有几个几何量一起划分 测量可分为单项测量和综合测量。 1）单项测量 单项测量是指分别多工件上的几个被测几何量进行独立的测量。例如，用工 具想未经分别测量外螺纹的牙侧角、螺距和中径，用渐开线测量仪和双测头式齿 距比较仪分别测量同一齿轮的齿廓总偏差和单个齿距偏差。 2）综合测量 综合测量是指同时测量工件上几个相关几何量的综合效应和综合指标，以 判断综合结果是否合格。例如，用螺纹量规的通规检验螺纹单一牙侧角、螺距和 中径实际值的测量结果是否合格，用齿轮双啮仪测量齿轮齿廓总偏差的综合结 果是否合格。 1.1.4 测测量量具的分量量具的分类类 （1）量块 量块是指相互平行的两个测量面间具有精确尺寸且截面形状为矩形的长度 计量器具。它是长度量值传递系统中的实物标准，是实现从光波波长（自然长度 基准）到测量实践之间长度量值传递的媒介，是机械制造中实际使用的长度基准。 它可以用来检定和调整计量量具、机床、工具和其他设备，也可直接用于测量工 件。 （2）游标尺 游标尺有游标卡尺、游标深度尺、游标高度尺、游标测齿卡尺等几种。它们 的读数装置都由主尺和游标两部分组成，读数原理和读数方法皆分别相同。它们 用于测量线性尺寸。 （3）千分尺 千分尺（百分尺）有外径千分尺、内径千分尺、深度千分尺和专用千分尺（如 公法线千分尺）等几种。它们都是利用螺旋副运动原理制成的计量器具。它们的 读数原理和读数方法皆分别相同。它们用于测量线性尺寸。 （4）指示表 指示表按其分度盘的分度值分为百分表（分度值为 0.01mm）和千分表（分度 值为 0.005mm、0.002mm 或 0.001mm），按其外形分为钟表型指示表和杠杆型指 示表。它们利用齿轮传动将测杆的微量直线位移放大转换成指针的角位移，在分 度盘上指示出来。它们用于测量线性尺寸、行位误差和齿轮误差等。 （5）机械比较仪 比较仪按实现原始信号转换的方法分为机械式量仪、光学式量仪、电动式 量仪和气动式量仪等几类。机械比较仪是指用机械方法实现原始信号转换的量 仪，如指示表、杠杆齿轮式比较仪和杠杆式比较仪等。它们用于测量线性尺寸、 形位误差和齿轮误差等。 1.1.5 几何几何测测量量仪仪的新的新进进展展 （1）测量速度高 现代制造业进行的是大规模、大批量、专业化生产，需要多参数、实时在线 测量，故要求测试仪器|仪表的测量速度高、设备轻便、操作界面直观。如激光干 涉测量技术作为精密测量的一种重要方法，各种激光干涉测量系统向着轻巧、便 携、高测速的方向发展。雷尼绍 XL-80 干涉仪款型小巧，可提供 4m/s 最大的测量 速度和 50kHz 记录速率，可实现 1nm 的分辨率；激光跟踪仪可实现快速数据采集 与处理，有利于测量精度的提高。各种影像测量设备利用触摸屏可以方便直观地 实现特征尺寸的测量。 （2）三维测量多样化 三维测量技术向着高精度、轻型化、现场化的方向发展。传统基于直角坐标 的三坐标测量机经过 50 年的发展，其技术愈加成熟，测量更加快捷，功能更加强 大。这次参展的国内外数十家坐标测量机生产厂商，各具特色，特别是国内很多 厂家推出实用廉价的各种三坐标测量机，说明三坐标测量技术在我国已经走向 全面实用化、特色化发展的道路。除直角坐标测量系统外，极坐标测量仪器体现 出自身独特的优势，如 FARO、ROMER 等厂家生产的激光跟踪仪对大尺寸结构 的装备现场具有方便灵活的特点。对于小尺寸测量，FARO、ROMER 等生产的关 节臂测量机因其低廉的成本、较高的精度、现场方便的操作等优势，在汽车等行 业展现出广阔的应用前景。 （3）测量智能化 测量设备借助于计算机技术向着智能化、虚拟化的方向进一步发展。测量仪 器的虚拟化、接口的标准化以及测量软件的模块化，加速了测量技术的发展，使 测量仪器的应用更加方便、直观、智能。根据测量需求以及测量对象的不同，可 基于同一软件平台使用不同的仪器协同工作，采用不同的测量软件模块，实现了 广普测量仪器的网络化、协同化，提高了测量的自动化水平。在这次展会上，国 内一些独立的测量软件公司进行了参展，对于测量设备的智能化、网络化具有推 动作用。 1.2 目前目前对锥对锥孔端面直径孔端面直径测测量装置的研究量装置的研究现现状状 目前，圆锥孔端面直径的测量装置及测量方法主要有以下几种： （1） 采用锥度塞规的方法测量2，这种测量方法简单，但塞规的制造较困难，且 不具有通用性。 （2） 利用两个精密钢球和通用量具间接测量3，这对不同的锥孔要有相应的精密 钢球，否则无法进行。然而在实际测量中，会遇到各种尺寸、锥度不同的锥孔，一 般难以提供相应的精密钢球。 （3） 采用钢球式锥孔检测工具测量4，这种检具测量时需要多次专用的工装，并 且检具中的钢球和检套要有不同的规格，测量精度也不是很高。 （4） “钢球、圆柱组合法”5，此测量装置需两个大小不同的精密钢球，将它们同 圆柱标准心轴或“三针”等进行不同的组合，可测量任意大小的内圆锥孔。但是此 测量装置对钢球和圆柱的要求很高，制造费用较高，且测量时需要计算，测量精 度不高。 （5） 由深度千分尺、支承套和钢球组成的测量装置测量6。支承套、钢球根据被 测量零件有关尺寸及形状配置和更换。此测量装置使用与具有深度孔的圆锥孔 端面直径测量，且测量时需要计算。 1.3 本次本次设计设计的意的意义义和主要内容和主要内容 圆锥孔配合在机械设备中应用十分广泛。圆锥孔的加工虽不及内孔、平面加 工那样广泛，但在机械加工中也常遇到，不同用途的锥孔的要求也不一样，在制 造圆锥孔工件时，需要控制工件的锥孔直径尺寸（锥孔面与端面交线尺寸），当尺 寸精度要求较高时，使用通用量具在生产现场很难实现对该尺寸的精确测量。而 且圆锥孔的端面往往有毛刺或倒角，尤其是有倒角时，所测点在实体上并不存在， 转化成测空间交点距离的问题，测空间交点距离也需专用测量工具并进行计算， 有时还需在工件上设置工艺孔或工艺凸台，增加了加工工序。 上述的测量方法要么不能进行定量检测、要么需专用检具，而且还不能直接 测出数据，需利用所得数据进行计算才可获得所需尺寸，操作不便，测量时间也 较长，不利于缩短工时，提高生产率，且不适合生产现场使用，特别是不能在机 上检测。 为了解决上述种种问题，立此课题，利用大学所学的相关专业知识设计一种 基于虚交点的圆锥孔端面尺寸数显测量装置。此测量装置可在机直接测量，不需 计算，数显直读，且结构简单，测量范围大，有效地解决了生产现场检测锥体端 面直径的问题。 2 装置的装置的测测量原理和量原理和结结构构 2.1 装置的装置的测测量原理量原理 如图 1 所示，以圆锥孔大端面直径测量为例。直线 MN 和直线 PQ 位于定位 面（定位面与圆锥孔大圆端面共面）内，且直线 MN 和直线 PQ 平行。直线 AC 与 直线 MN 垂直相交与点 A，直线 BD 与直线 PQ 垂直相交与点 B，且直线 AC 和 直线 BD 共面，则 AB 即为圆锥孔大圆端面的直径，又由数学原理可知，AB 分别 垂直与直线 MN 和直线 PQ，则 AB 即为直线 MN 和直线 PQ 间的距离。故测圆 锥孔大圆端面直径可转化为测两平行直线 MN 和 PQ 间的距离。在设计量具时， 卡脚的测量部位（可绕不完全铰链旋转，自动适应圆锥孔锥度的变化，时刻保持 AC主卡脚与圆锥孔切线 BD游标卡脚与圆锥孔切线 图 1 测量装置原理图 与圆锥孔锥面的切线重合）就是主卡脚与圆锥孔圆锥面的切线 AC、游标卡脚与 圆锥孔圆锥面的切线 BD。主尺和游标尺上的定位面就是图 1 所示的定位面。将 A、B 附近的测量面镂空，即可避开 A、B 处的毛刺，完成对圆锥孔大圆端面直径 的测量。 另外，测的圆锥孔大、小端面直径后，再测得圆锥孔长度，通过简单的数学 计算即可得到圆锥孔的锥度。 2.2 装置的装置的结结构构 如下图 2 所示，测量装置的结构主要有主尺部件、游标部件和数显装置等几 部分组成。 1主测量尺；2主测量尺半圆盖；3主测量尺弧形垫片；4主测量尺 不完全铰链固定螺栓；5主测量卡脚；6主测量尺半圆盖固定螺栓；1 主测量尺；2主测量尺半圆盖；3主测量尺弧形垫片；4主测量尺不完全铰链固 定螺栓；5主测量卡脚；6主测量尺半圆盖固定螺栓；7游标测量尺；8游标测 量尺半圆盖；9游标测量尺卡脚；10游标测量尺弧形垫片；11游标测量尺半圆 盖固定螺栓；12游标测量尺不完全铰链固定螺栓；13游标体；14开启清零按钮； 15 数显关闭按钮；16数显客体；17数显锁紧螺钉；18主尺体；19磁尺；20 限位挡片； K指主、游标测量卡脚工作面，分别与图 1 中的直线 AC、BD 对应 L指向主测量尺和游标测量尺的定位面，与图 1 所标出的定位面对应 图 2 圆锥孔大圆端面直径测量装置 主尺部件包括主测量尺 1、主测量尺半圆盖 2、主测量尺弧形垫片 3、主测量 尺不完全铰链固定螺栓 4、主测量卡脚 5、主测量尺半圆盖固定螺栓 6 和主尺体 18 等。主尺体和主测量尺之间通过螺栓固定连接（必须保证在连接固定时主尺体 和主测量尺工作面垂直）；主测量尺和主测量尺卡脚之间通过不完全铰链连接（必 须保证主测量尺工作面和不完全铰链中心线共面）；主测量尺卡脚工作面 K（直 线 AC）通过不完全铰链中心线；主测量尺上设计有定位面 L（定位面），定位面也 通过不完全铰链中心线，则不完全铰链的中心线相当于 MN。 游标部件组包括游标测量尺 7、游标测量尺半圆盖 8、游标测量尺卡脚 9、游 标测量尺弧形垫片 10、游标测量尺半圆盖固定螺栓 11、游标测量尺不完全铰链 固定螺栓 12 和游标体 13 等。游标体和游标测量尺之间通过螺栓固定连接（必须 保证游标体工作侧面和游标测量尺定位工作面垂直），游标测量尺和游标测量卡 脚之间通过不完全铰链连接，游标测量卡脚的工作面 K（直线 BD）通过铰链中心 线；游标测量尺上设计有定位面 L（定位面），定位面也通过铰链中心线，则不完 全铰链的中心线相当于 PQ。 在加工装配时，必须保证主测量尺定位面和游标测量尺定位面共面，主测量 尺不完全铰链中心线和主测量尺定位面共面，游标测量尺不完全铰链中心线和 游标测量尺定位面共面，且主测量尺不完全铰链中心线和游标测量尺不完全铰 链中心线相互平行。 3 装置的装置的测测量范量范围围分析分析 3.1 最小最小测测量直径的确定量直径的确定 最小测量直径 dmin确定：量具上不完全铰链的中心距就是所测圆锥孔大圆端 面直径。若测量端面直径过小，在移动游标体时会出现图 3 所示的情况，造成游 标测量尺和主测量尺相撞，故图 3 所示的情况即为所设计的测量装置所能测量 最小直径的情况。在设计时，取主测量尺不完全铰链中心线与主测量尺右侧相距 10mm（参考图 3），游标测量尺不完全铰链中心线与游标尺左侧相距 10mm（参考 图 3）。因此不完全铰链中心线间的最小距离为 20mm，所以取最小测量直径为 20mm。 图 3 圆锥孔大圆端面直径测量装置 3.2 最大最大测测量直径的确定量直径的确定 最大测量直径 dmax的确定：量具上不完全铰链的中心距就是所测圆锥孔大圆 端面直径。由对圆锥孔大圆端面测量装置的工作原理分析知，在理论上所设计的 测量装置能够测量无限大的圆锥孔端面直径。但是由于主尺体的厚度只有 3mm（参考图 5 主尺），而游标部件和数显装置的零件较多（参考图 6 游标部件和 数显装置组合体），相对其质量也较大，当测量直径过大时，容易造成主尺体产生 弯曲变形，而造成较大的测量误差，不能满足应有的测量精度，故测量直径不能 过大。由于本设计设计任务为：最大测量直径 150mm。因此本测量装置的最大测 量直径取 150mm，所设计的磁尺如图 4 所示。 测量装置测量圆锥孔大端圆孔直径的范围定为：20mmd150mm。 图 5 主尺 图 6 游标部件和数显装置的组合体 3.3 可可测圆锥测圆锥孔的孔的锥锥度确定度确定 图 4 磁尺 图 7 测量卡脚的二维模型 由相关的设计参数来确定测量装 置能测量的最大圆锥孔锥度 L 为卡脚的长度 H 为卡脚的宽度 A 角为卡脚能工作的范围 卡脚上螺纹孔中心线与卡脚右侧 工作刀形面（即为 AC、BD）共线 图 8 测量卡脚的三维模 型 由图示可知圆弧环的中 心线即为不完全铰链的 中心线；图示右侧的刀面 即为测量时与锥孔相切 的工作面（AC、BD）并且 必须保证此工作面与卡 脚头部用于固定的螺纹 孔中心线共线 图示所示的 a 角为此测量装置所能测量的最大锥度，当所测量的圆锥孔锥度大于 a 角时会由于卡脚相撞而无法测量，故所测量圆锥孔锥度需小于或等于角 a 图 9 为可测圆锥孔最大锥度的工作情况 有图 7、8、9 可知，在测量圆锥孔大端面圆直径时，有两个原因限制了测量 锥度。原因分别为：（1）随着测量圆锥孔的锥度的增大，两测量卡脚分别绕着各自 的不完全铰链中心线向内旋转，可能会造成两测量卡脚的头部面分别与主测量 尺和游标测量尺上的定位面发生干涉；（2）随着测量圆锥孔的锥度的增大，两测 量卡脚向内侧靠近，两卡脚的背面（图示 9 所示的非工作面）可能相撞而无法继 续测量。 本设计要求的最大测量锥度为 120，故测量卡脚在测量时允许的旋转角度 需 a60。故由图 7 可知欲达到最大测量锥度的要求，需 r30。由图 9 的测量模 拟可知，当所测的圆锥孔锥度相等时，圆锥孔大圆端面直径愈小愈容易发生如图 9 所示的相撞情况。故只要在所能测量的圆锥孔端面直径最小的情况小，能满足 锥度要求，测所设计的测量装置就满足锥度要求。所以取测量圆锥孔大圆端面的 直径为 20mm，测量圆锥孔的锥度为 120的情况进行分析。 图 10 由测量锥度确定卡脚的主要尺寸 由图 10 可知在测量直径为 d=20mm 和测量锥度为 a=120的情况下，当测量 卡脚宽度 H=3mm 时，卡脚的长度 L=9.81mm。又有图 10 中的几何关系可知，在 卡脚宽度一定的情况下，卡脚长度愈小愈容易保障最大的测量锥度；在卡脚长度 一定的情况下，卡脚的宽度愈小愈容易满足最大的测量锥度。在此测量装置中， 卡脚的宽度和长度分别取 H=3mm、L=9mm。由图 10 可知此测量装置能满足设 计所规定的要求（最大测量锥度为 a=120）。 4 装置的装置的结结构构设计设计 4.1 卡脚卡脚结结构构设计设计 卡脚结构的二维模型如图 7 所示，卡脚结构的三维模型如图 8 所示。在对测 量装置圆锥孔的锥度确定中，已经确定了卡脚的宽度、卡脚的长度和卡脚头部的 相关尺寸。 参考图 1 测量装置的工作原理，可知测量卡脚的工作面（AC、BD）与圆锥孔 锥面相切，且必须保证两测量工作面相对（共面），测量卡脚工作面和相对应的不 完全铰链中心线垂直相交。所以在设计卡脚结构时把卡脚的工作面（图 8 卡脚右 侧面）设计成刀形，并且保证所设计的卡脚刀形工作面和不完全铰链中心线共面， 从而满足设计原理的要求。 4.2 不完全不完全铰链结铰链结构构设计设计 有测量装置图 2 可知，不完全铰链的主要作用是保证卡脚绕着规定的中心 线（图 1 中的直线 MN、PQ）旋转。 1测量尺；2测量尺半圆形盖；3测量尺弧形垫片；4测量尺不完全铰链固定螺栓； 5测量尺卡脚；6测量尺半圆形盖固定螺栓 图 11 不完全铰链、卡脚和测量尺的组合结构图 对测量原理的分析知，不完全铰链的中心线和卡脚的刀形工作面垂直相交， 因此在不完全铰链固定中，测量尺不完全铰链固定螺栓（图 11 所示的零件 4）的 轴线和测量卡脚的刀形工作面共线（如图 11 所示）。为了保证不完全铰链中心线 和测量尺定位面共面，在设计时采用弧形垫片（图 11 所示的零件 3）来调节控制 使测量装置中的不完全铰链中心线和定位面共面。测量时，卡脚和不完全铰链作 为一体以不完全铰链中心线为中心线做圆周运动（如图 11 所示）。 4.3 定位机构定位机构设计设计 L测量装置的定位面 图 12 测量装置定位面 图 12 中的 L 面即为所设计的定位面，定位面距不完全铰链中心线有一定的 距离，这样在测量时，会不受被测圆锥孔端面圆周处倒角和毛刺的影响，从而保 证了测量精度。另一方面，在设计定位面时，尽量减小定位面，否则在测量时，容 易受到被测圆锥孔端面的平面度的影响，而造成较大的测量误差。综合以上因素， 设计出的定位面如图 12 中的 L 面。 4.4 数数显显系系统选择统选择 直线位移传感器有光学式、激光式、超声式、光栅式等多种。容栅式位移传 感器1112是一种高精度的数字式传感器，与其它大位移传感器（如光栅、感应同 步器、磁栅）相比，具有体积小、造价低、环境适应能力强、易于屏蔽、能耗小、精 度可达到 0.001mm，并且具有量程大、无温漂、时漂等特点。考虑到生产现场的 使用条件，本测量装置数显装置选用容栅式位移传感器，并配以大规模集成电路 和液晶显示装置。 设计的数显系统如图 13 所示： 1紧固螺钉；2数显客体；3液晶显示器；4数显关闭按钮；5清零按钮 图 13 数显装置 5 装置装置测测量精度的分析量精度的分析 本测量装置为普通量具，其制造精度可选 IT4IT5，影响量具测量精度的主 要因素有：主测量尺不完全铰链中心线与主测量尺体定位面不共面（设位置误差 为 1）；主测量尺卡脚不完全铰链中心线与主测量尺卡脚工作面不共面（设位置误 差为 2）；游标测量尺不完全铰链中心线与游标测量尺体定位面不共面（设位置误 差为 3）；游标测量尺卡脚不完全铰链中心线与游标测量尺卡脚工作面不共面（设 位置误差为 4）；主测量尺不完全铰链中心线与主尺体导向面间的垂直度 5；游 标测量尺不完全铰链中心线与游标体滑槽导向面间的垂直度 6；主测量卡脚工作 面（AC）和游标测量卡脚工作面（BD）的不共面（设位置误差为 7）等。其中不完全 铰链中心线和主测量尺、游标测量尺内的半圆形孔的中心线重合，主测量尺和主 尺体由螺栓固定连接，游标测量尺和游标体也由螺栓固定连接，加工安装后，主 测量尺内的半圆孔的中心线和主尺体导向面的垂直度将固定不变，游标测量尺 内的半圆孔中心线和游标体导向面的垂直度也将固定不变，所以 5、6的影响为 常值系统误差，可通过校核量具消除；由于卡脚工作面的特殊刀形结构，在测量 时，时刻保证和圆锥孔内锥面相切，并且两卡脚相距最远（即两卡脚的工作面过 圆锥孔大端直径的两端点），所以 7不影响测量精度（前提测量卡脚的刀形工作 面应做的尽可能的尖）；1、2的影响和 3、4的影响相似，故一下重点讨论 1、2的影响。 5.1 主主测测量尺不完全量尺不完全铰链铰链中心中心线线与主与主测测量尺定位面不共面（量尺定位面不共面（误误差差为为 1） ）对测对测量精量精 度的影响。度的影响。 如图 14，设主测量尺不完全铰链中心线比主测量尺定位面高 1，由图可见 测量误差 r1 为 r1=1 tan 图 14 误差为 1测量精度的影响 5.2 主主测测量尺卡脚不完全量尺卡脚不完全铰链铰链中心中心线线与主与主测测量卡脚工作面不共面（量卡脚工作面不共面（误误差差为为 2） ）对测对测 量精度的影响量精度的影响 如图 15，设主测量尺卡脚工作面与不完全铰链中心线偏移 2，由图可见测 量误差 r2 为 r2= 2 /cos 3、4的影响和 1、2的影响相似，同时考虑到误差的方向和随机性，总的测 量误差为 r = 4*43*32*21*1rrrrrrrr = (1 tan)2 + (2 /cos)2 + (3 tan)2 + (4 /cos)2 若主测量尺与游标测量尺按同样精度等级制造，即 1 = 2 = 3 =4，则有 r = / cos 2 + 2sin2 测量误差 r 与被测圆锥孔锥度的关系如表 1 所示。显然：测量误差 r 与被测 圆锥孔锥度有关，锥度越大，则测量误差越大。 表 1 锥度 与 r 的关系 ( )10203040506070 R 1.461.751.832.22.73.745.67 5.3 改善和提高装置改善和提高装置测测量精度的措施量精度的措施 改善和提高精度的方法，大致可概括为以下几种：减小原始误差法、补偿原 始误差法、转移原始误差法、均分原始误差法、均化原始误差法、“就地加工”法。 （1）减少原始误差 图 15 误差为 2对测量精度的影响 这种方法是生产中应用较广的一种基本方法。它是在查明产生加工误差的 主要因素之后，设法消除或减少这些因素。例如细长轴的车削，现在采用了大走 刀反向车削法，基本消除了轴向切削力引起的弯曲变形。若辅之以弹簧顶尖，则 可进一步消除热变形引起的热伸长的影响。 （2）补偿原始误差 误差补偿法，是人为地造出一种新的误差，去抵消原来工艺系统中的原始误 差。当原始误差是负值时人为的误差就取正值，反之，取负值，并尽量使两者大 小相等；或者利用一种原始误差去抵消另一种原始误差，也是尽量使两者大小相 等，方向相反，从而达到减少加工误差，提高加工精度的目的。 （3）转移原始误差 误差转移法实质上是转移工艺系统的几何误差、受力变形和热变形等。 误差转移法的实例很多。如当机床精度达不到零件加工要求时，常常不是一 味提高机床精度，而是从工艺上或夹具上想办法，创造条件，使机床的几何误差 转移到不影响加工精度的方面去。如磨削主轴锥孔保证其和轴颈的同轴度，不是 靠机床主轴的回转精度来保证，而是靠夹具保证。当机床主轴与工件之间用浮动 联接以后，机床主轴的原始误差就被转移掉了。 （4）均分原始误差 在加工中，由于毛坯或上道工序误差（以下统称“原始误差”）的存在，往往造 成本工序的加工误差，或者由于工件材料性能改变，或者上道工序的工艺改变 （如毛坯精化后，把原来的切削加工工序取消），引起原始误差发生较大的变化， 这种原始误差的变化，对本工序的影响主要有两种情况： 1） 误差复映，引起本工序误差； 2） 定位误差扩大，引起本工序误差。 解决这个问题，最好是采用分组调整均分误差的办法。这种办法的实质就是 把原始误差按其大小均分为 n 组，每组毛坯误差范围就缩小为原来的 1/n，然后 按各组分别调整加工。 （5）均化原始误差 对配合精度要求很高的轴和孔，常采用研磨工艺。研具本身并不要求具有高 精度，但它能在和工件作相对运动过程中对工件进行微量切削，高点逐渐被磨掉 （当然，模具也被工件磨去一部分）最终使工件达到很高的精度。这种表面间的摩 擦和磨损的过程，就是误差不断减少的过程。这就是误差均化法。它的实质就是 利用有密切联系的表面相互比较，相互检查从对比中找出差异，然后进行相互修 正或互为基准加工，使工件被加工表面的误差不断缩小和均。在生产中，许多精 密基准件（如平板、直尺、角度规、端齿分度盘等）都是利用误差均化法加工出来 的。 （6）就地加工法 在加工和装配中有些精度问题，牵涉到零件或部件间的相互关系，相当复杂， 如果一味地提高零、部件本身精度，有时不仅困难，甚至不可能，若采用就地加 工法（也称自身加工修配法）的方法，就可能很方便地解决看起来非常困难的精 度问题。就地加工法在机械零件加工中常用来作为保证零件加工精度的有效措 施。 根据以上原则，可分析本装置的改善措施如下： 1）要注意控制不完全铰链中心线与主测量尺、游标测量尺定位面的共面误 差 1、3和不完全铰链中心线与主测量尺卡脚、游标测量尺卡脚工作面的共面误 差 2、4，以减小测量误差。 2）主测量尺和游标测量尺上的定位面不宜过宽和过长，且在不完全铰链中 心线附近的定位面应切出凹槽。过宽将会与圆锥孔端面凸台发生干涉，使卡脚工 作面无法贴合在圆锥孔锥面上。本量具定位面越过不完全铰链中心线 10mm，故 测量圆锥孔端面的凸台距离圆孔的尺寸不得小于 10 mm；过长则会限制测量装置 的测量范围。制造时在定位面上切出半圆形凹槽（如图 12 所示）是为了避免定位 面与圆锥孔端面圆周接触，以消除毛刺的影响,从而使测量的精度更高。 6 注意事注意事项项 6.1 安装量具安装量具时时注意事注意事项项 (1)安装时，通过调节不完全铰链处的弧形垫片的松紧使主测