摘要：研制了一种可精确测量大型圆锥体工件外锥面与端面交线尺寸的专用量具，介绍了量具结构及测量原理，分析了量具实际回转中心偏离设计回转中心的修正原理及检定方法。
1 引言
在制造大型圆锥体工件时，需要控制工件的外锥小径尺寸(外锥面与端面交线尺寸)，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。以前我们使用背锥直径规进行尺寸过止控制，但存在以下问题:①只能实现尺寸范围控制，不能直接得出工件实际尺寸，不利于加工工艺调整：②量规不具有通用性，必须针对被测工件进行一对一设计，制造成本高，加工周期长，不利于精益生产：③背锥直径规形状特殊，制造时未进行时效处理，使用一段时间后会产生较大变形，影响测量精度(大直径量规尤其如此)：④量规采用10mm厚20#钢板制作，用电火花线切割加工成由直线段组成的封闭形状，加工难度大，量规累积误差大，合格率低。为解决大型圆锥体工件外锥小径尺寸的精确测量问题，我们研制了一种新型专用量具。
1.主尺 2.固定转尺 3.左连接板
4.右连接板 5.活动转尺 6.游标 7.工件
图1 量具结构示意图
2 量具结构与测量原理
量具结构如图1所示。它由两把经改制的I型万能角度尺、特制游标尺、连接板及其它零件组成。两把万能角度尺分别固定在特制游标尺的主尺和副尺上，用连接板固定，连接板的位置应保证角度尺的弓尺圆心在角度尺测量面与游标尺测量面的交轴上。
测量时，将量具的游标主尺(定尺)紧靠在被测工件端面上，移动游标尺的副尺(动尺)，同时调整两把角度尺的基尺，使两基尺紧密贴合在工件外锥面上，在角度尺上读出工件外锥面角度值，在游标尺上直接读出外锥面与端面的交线尺寸值。
万能角度尺的示值误差为±0.02，特制游标尺的示值误差为±0.02mm。工件被测尺寸的称注公差为:外锥面角度公差±0.08，直径尺寸公差±0.13mm。根据一般测量原则，量具示值误差应为被测对象公差的1/3～1/5，因此该量具的角度和长度示值精度可分别满足工件测量要求，但组合尺寸的示值精度是否会发生变化，则是量具设计中必须考虑的问题。根据I型万能角度尺的工作原理，弓尺的圆心位于活动测量基面与固定测量基面的交线(回转中心)上，即弓尺转动时，其回转中心是一定的。设计量具时，以游标尺的侧面为弓尺的固定测量基面，弓尺的回转中心也在两测量基面的交线上，即设计回转中心也是一定的。因此，游标尺测得的尺寸值即为测量基面与游标尺主尺(定尺)、副尺(动尺)侧面交线的距离，它不随角度的变化而变化。由此可知，该量具的角度测量与长度测量是相互独立的，因此，角度尺和游标尺的示值精度即为量具本身的示值精度。
在设计量具时，只要保证游标尺的主尺与副尺的侧面等高，即可保证量具测得尺寸为工件外锥面与端面的交线尺寸。但由于存在制造误差，加工出的量具弓尺的回转中心并不一定准确位于两测量基面交线上。如将量具弓尺的实际回转中心设为零位，并据此标定游标卡尺的零位(标定零位)，则量具实际回转中心与设计回转中心的偏差对角度尺的示值并无影响，但对游标尺的示值有一定影响，表现为不同角度位置时的零位偏离标定零位。为此，必须对零位进行修正。如图2所示，设量具实际回转中心(标定零位)偏离游标尺侧面的距离为A，回转角度为Q，偏离标定零位的修正值为C(沿游标尺移动方向)，则:C=AcotQ。对定尺的修正值为:C
1=A1cotQ1：对动尺的修正值为:C2=A2cotQ2。设工件锥面与端面的交线尺寸为Ø，游标尺实测读数值为L，则有:Ø=L-C1-C2。
图2 回转中心偏离示意图
为了减小实际回转中心偏离设计回转中心而造成的测量误差，在加工和组装量具时，应争取将实际回转中心与设计回转中心的偏差调整到设计精度允许范围以内。通过检测计算，若测量范围内的偏差值保持在微米级，则不需修正：若偏差值的变化超出了微米级范围，则需根据角度的变化给出一组修正值。修正值用于修正零位偏差，对量具本身的示值精度没有影响，因此在加工制造量具时，即使弓尺的实际回转中心与设计回转中心的偏离量超过了设计精度要求，也可通过检测计算修正值而预加修正，以保证量具的测量要求。
3 量具检定方法
量具的检定方法如下:
- 量具的Ⅰ型万能角度尺部件按万能角度尺国家标准JJG33-79的相关要求进行检定。
- 量具游标尺部件的游标示值精度(不考虑零位误差)按游标量具国家标准JJG30-92的相关精度要求进行检定。
图3 锥台示意图
- 量具弓尺的实际回转中心偏差按前述零位修正原理进行检测和修正，为此需要加工制作三个不同尺寸的锥台(见图3)作为专用检具。锥台加工精度为:表面粗糙度Ra0.40µm，台面与轴线垂直度0.01mm(尺寸精度无要求)。
用计量仪器分别测出三个锥台的实际尺寸Ø
1、Ø2、Ø3、Q1、Q2、Q3：用该专用量具实测三个锥台的直径，测量值分别记为L1、L2、L3。若Ø1-L1=Ø2-L2=Ø3-L3=0，表明实际回转中心与设计回转中心重合，且游标尺零位准确，不需修正：若Ø1-L1=Ø2-L2=Ø3-L3=Y，表明实际回转中心与设计回转中心重合，且游标尺零位偏差为Y，需加修正值Y：若Ø1-L1≈Ø2-L2≈Ø3-L3≈Y(≤0.005mm)，表明实际回转中心与设计回转中心基本重合(偏移值很小，可忽略不计)，且游标尺零位偏差为Y，也需加修正值Y：若Ø1-L1=Y1，Ø2-L2=Y2，Ø3-L3=Y3，且Y1≠Y2≠Y3，Y2-Y1、Y3-Y1、Y3-Y2的值大于0.005mm，表明实际回转中心沿游标移动垂直方向偏离设计回转中心较多，应按不同的角度位置分别对零位进行修正。由于量具的实际回转中心和标定零点是一定的，因此A为一定值。为计算Ø-L值，用Ø1、Q1(≈35°)校对锥台确定一个相对零位，则Ø1-L1=Y1，再根据公式C=AcotQ可推导出如下关系:
Ø-L=[(Ø
2-L2)-(Ø1-L1)](cotQ1-cotQ)/(cotQ1-cotQ2)+(Ø1-L1) 实测值及修正值数据表角度
(°)设定值
(mm)实测值
(mm)实测修正值
(mm)计算修正值
(mm)修正值误差
(mm)368584.786-0.2140.2140-0.0190378584.861-0.1390.1573-0.0183388584.909-0.0910.1033-0.0123398584.982-0.0180.0515-0.0325408584.998-0.0020.0020.00
通过检测角度Ø、L的实际值，即可计算出不同角度位置的修正值。在实际使用时，可根据被测锥面角度由计量室检测计算出具体修正值。如对一把专用量具样品的检定结果如下:①外观质量及两测量基面的等高精度检测合格(高低差≤0.018mm)：②固定角度尺和活动角度尺的示值误差均为±2：③游标尺示值误差为±0.02mm：④设定值为85mm，角度位置分别为36°、37°、38°、39°、40°时的实测值及修正值数据如表。
由检测数据可知，该量具通过零位误差修正后完全可满足工件测量要求。实际生产应用情况表明，该量具可方便地测量不同规格的圆锥体工件，测量效率比量规测量法显著提高，缩短了新产品调试时间，保证了产品加工质量。该量具还可用于测量台体、燕尾及燕尾槽的交点尺寸。
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