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河南科技學(xué)院 2009 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 論文題目：基于虛交點的圓錐孔端面尺寸數(shù)顯測 量裝置 學(xué)生姓名： 賈振龍 所在院系： 機電學(xué)院 所學(xué)專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 導(dǎo)師姓名： 陳錫渠 完成時間： 2009 年 5 月 摘 要 在機械加工中，常常會碰到圓錐孔的測量問題。圓錐孔的主要控制參數(shù)是錐 孔錐度和錐孔端面直徑尺寸。在圓錐孔大小端端面直徑尺寸已知的情況下，圓 錐孔的錐度可以通過簡單的計算獲得。故測量圓錐孔端面直徑尺寸顯得特別重 要。圓錐孔由于結(jié)構(gòu)的特殊性導(dǎo)致其端面直徑不易測量。在機械加工中，通常 采用錐度塞規(guī)涂色法作為圓錐孔加工和終檢的量具，通過塞規(guī)與圓錐孔的接觸 面積來判斷錐度和尺寸是否合格；也可用正弦規(guī)或三坐標(biāo)測量儀等進行檢測。 但這些測量方式或者效率較低，或者成本過高，難以適應(yīng)現(xiàn)場批量生產(chǎn)時的檢 測需要。特別是對那些精度要求較高的圓錐孔，由于缺少合適的現(xiàn)場測量工具， 往往很難保證達到要求的精度 1。本文設(shè)計一種基于虛交點的圓錐孔端面尺寸 數(shù)顯測量裝置，可在機直接測量，不需計算，數(shù)顯直讀，且結(jié)構(gòu)簡單，測量范 圍大，有效地解決了生產(chǎn)現(xiàn)場檢測錐孔端面直徑的問題，也可用于間接測量椎 孔的錐度。 關(guān)鍵詞：圓錐孔端面直徑，測量裝置，精度分析，容柵位移傳感器 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 目錄 1 緒論 ............................................................................................................................1 1.1 目前對幾何測量的研究現(xiàn)狀 .............................................................................1 1.1.1 幾何量測量的基本概念 ...............................................................................1 1.1.2 計量器具的基本技術(shù)性能指標(biāo) ...................................................................1 1.1.3 測量方法的分類 ...........................................................................................2 1.1.4 測量量具的分類 ...........................................................................................3 1.1.5 幾何測量儀的新進展 ...................................................................................4 1.2 目前對錐孔端面直徑測量裝置的研究現(xiàn)狀 .....................................................5 1.3 本次設(shè)計的意義和主要內(nèi)容 .............................................................................5 2 裝置的測量原理和結(jié)構(gòu) ............................................................................................6 2.1 裝置的測量原理 .................................................................................................7 2.2 裝置的結(jié)構(gòu) .........................................................................................................8 3 裝置的測量范圍分析 ................................................................................................8 3.1 最小測量直徑的確定 .........................................................................................8 3.2 最大測量直徑的確定 .........................................................................................9 3.3 可測圓錐孔的錐度確定 ....................................................................................10 4 裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .......................................................................................................13 4.1 卡腳結(jié)構(gòu)設(shè)計 ....................................................................................................13 4.2 不完全鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計 ........................................................................................13 4.3 定位機構(gòu)設(shè)計 ....................................................................................................14 4.4 數(shù)顯系統(tǒng)選擇 ....................................................................................................14 5 裝置測量精度的分析 ...............................................................................................15 5.1 主測量尺不完全鉸鏈中心線與主測量尺定位面不共面（誤差為 1）對測量 精度的影響 ..............................................................................................................16 5.2 主測量尺卡腳不完全鉸鏈中心線與主測量卡腳工作面不共面（誤差為 2） 對測量精度的影響 ..................................................................................................17 5.3 改善和提高裝置測量精度的措施 ...................................................................17 6 注意事項 ...................................................................................................................19 6.1 安裝量具時注意事項 ........................................................................................19 6.2 應(yīng)用注意事項 ....................................................................................................19 7 結(jié)語 ..........................................................................................................................20 致謝 ..............................................................................................................................20 參考文獻 ......................................................................................................................21 1 緒論 1.1 目前對幾何測量的研究現(xiàn)狀 1.1.1 幾何量測量的基本概念 零件加工后，其幾何量需加以測量或檢驗，以確定它們是否符合零件圖上 給定的技術(shù)要求。幾何量測量是指為了確定被測幾何量的量值，將被測幾何量 X 與作為計量單位的標(biāo)準(zhǔn)量 E 進行比較，從而得出兩者比值 q 的過程。這可用 下式表示： X = qE 由上式可知，任何一個幾何量測量過程必須有被測對象和所采用的計量單 位。此外，還包含：兩者應(yīng)怎么進行比較（即應(yīng)采用適當(dāng)?shù)臏y量方法） ，并保證 測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠（即應(yīng)保證測量精度） 。 1.1.2 計量器具的基本技術(shù)性能指標(biāo) 計量器具的基本技術(shù)性能指標(biāo)是合理選擇和使用計量器具的重要依據(jù)。也 是設(shè)計量具時必須要考慮的。其中主要的指標(biāo)如下： （1）標(biāo)尺刻度間距 標(biāo)尺刻度間距是指計量器具標(biāo)尺或分度盤上相鄰兩刻線中心之間的距離或 圓弧長度。為適于人眼觀察，刻度間距一般為 12.5mm 。 （2）標(biāo)尺分度值 標(biāo)尺分度值是指計量器具標(biāo)尺或分度盤上每一刻度間距所代表的量值。一 般長度計量器具的分度值有 0.1mm、0.05mm、0.02mm、0.01mm、0.005mm、0.001mm 等幾種. （3）分辨力 分辨力是指計量器具所能顯示的最末一位數(shù)所代表的量值。由于在一些量 儀（如數(shù)字式量儀）中，讀數(shù)采用非標(biāo)尺或非分度盤顯示，因此就不能使用分 度值這一概念，而將其稱作分辨力。 （4）標(biāo)尺示值范圍 標(biāo)尺示值范圍是指計量器具所能顯示或指示的被測幾何量起始值到終止值 的范圍。 （5）計量器具測量范圍 計量器具測量范圍是指計量器具在允許的誤差限內(nèi)所能測出的被測幾何量 量值的下限值到上限值的范圍。測量范圍上限值與下限值之差為量程。 （6）計量器具的測量步確定度 計量器具的測量不確定度數(shù)指在規(guī)定條件下測量時，由于計量器具的誤差 而對被測幾何量值不能肯定的程度。它用測量極限誤差表示。 1.1.3 測量方法的分類 在幾何量測量中，測量方法應(yīng)根據(jù)被測零件的特點（如材料硬度、外形尺 寸、結(jié)構(gòu)、批量大小等）和被測對象的精度要求來選擇和確定。現(xiàn)有的測量方 法主要有以下幾種。 （1）按實測幾何量是否為被測幾何量劃分 測量可分為直接測量和間接測量。 1）直接測量 直接測量是指被測幾何量的量值直接由計量器具讀出。例如，用游標(biāo)卡尺、 千分尺或者側(cè)長儀測出軸徑或孔徑的大小，用公法線千分尺測出齒輪公法線長 度的數(shù)值。 2）間接測量 間接測量是指欲測量的幾何量的量值由實測幾何量的量值按一定的函數(shù)關(guān) 系式運算后獲得。例如，用正弦尺和量塊、指示式量儀測量外圓錐角，用三針 法測量外螺紋的單一中徑。 間接測量的測量精度通常比直接測量的低。 （2）按計量器具上的示值是否為被測幾何量的量值劃分 測量可分為絕對測量和相對測量。 1）絕對測量 絕對測量是指計量器具顯示或指示的示值即是被測幾何量的量值。例如， 用游標(biāo)卡尺、千分尺或立式測長儀測量軸徑的大小。 2）相對測量 相對測量（比較測量）是指計量器具顯示出或指示出被測幾何量相對于已 知標(biāo)準(zhǔn)量的偏差，被測幾何量的量值為已知標(biāo)準(zhǔn)量與該偏差的代數(shù)和。 一般來說，相對測量的測量精度比絕對測量的高。 （3）按測量時被測表面與計量器具的測頭是否接觸劃分 測量可分為接觸測量和非接觸測量。 1）接觸測量 接觸測量是指測量時測量器具的測頭與被測表面接觸，并有機械作用的測 量力。例如，用機械比較儀測量軸徑，用千分尺測量軸徑。 用接觸測量法測量不同形狀的被測表面時，應(yīng)選用相對形狀的測頭。例如， 測量球面、圓柱面和平面時應(yīng)分別使用平面形測頭、刀刃形測頭和球形測頭。 2）非接觸測量 非接觸測量是指測量時計量器具的測頭步與被測表面接觸。例如，用光切 顯微鏡測量表面粗糙度輪廓的最大高度，在工具顯微鏡上用影響法測量外螺紋 的牙側(cè)角、螺距和中徑。 （4）按被測工件上是否有幾個幾何量一起劃分 測量可分為單項測量和綜合測量。 1）單項測量 單項測量是指分別多工件上的幾個被測幾何量進行獨立的測量。例如，用 工具想未經(jīng)分別測量外螺紋的牙側(cè)角、螺距和中徑，用漸開線測量儀和雙測頭 式齒距比較儀分別測量同一齒輪的齒廓總偏差和單個齒距偏差。 2）綜合測量 綜合測量是指同時測量工件上幾個相關(guān)幾何量的綜合效應(yīng)和綜合指標(biāo)，以 判斷綜合結(jié)果是否合格。例如，用螺紋量規(guī)的通規(guī)檢驗螺紋單一牙側(cè)角、螺距 和中徑實際值的測量結(jié)果是否合格，用齒輪雙嚙儀測量齒輪齒廓總偏差的綜合 結(jié)果是否合格。 1.1.4 測量量具的分類 （1）量塊 量塊是指相互平行的兩個測量面間具有精確尺寸且截面形狀為矩形的長度 計量器具。它是長度量值傳遞系統(tǒng)中的實物標(biāo)準(zhǔn)，是實現(xiàn)從光波波長（自然長 度基準(zhǔn)）到測量實踐之間長度量值傳遞的媒介，是機械制造中實際使用的長度 基準(zhǔn)。它可以用來檢定和調(diào)整計量量具、機床、工具和其他設(shè)備，也可直接用 于測量工件。 （2）游標(biāo)尺 游標(biāo)尺有游標(biāo)卡尺、游標(biāo)深度尺、游標(biāo)高度尺、游標(biāo)測齒卡尺等幾種。它 們的讀數(shù)裝置都由主尺和游標(biāo)兩部分組成，讀數(shù)原理和讀數(shù)方法皆分別相同。 它們用于測量線性尺寸。 （3）千分尺 千分尺（百分尺）有外徑千分尺、內(nèi)徑千分尺、深度千分尺和專用千分尺 （如公法線千分尺）等幾種。它們都是利用螺旋副運動原理制成的計量器具。 它們的讀數(shù)原理和讀數(shù)方法皆分別相同。它們用于測量線性尺寸。 （4）指示表 指示表按其分度盤的分度值分為百分表（分度值為 0.01mm）和千分表 （分度值為 0.005mm、0.002mm 或 0.001mm） ，按其外形分為鐘表型指示表和 杠桿型指示表。它們利用齒輪傳動將測桿的微量直線位移放大轉(zhuǎn)換成指針的角 位移，在分度盤上指示出來。它們用于測量線性尺寸、行位誤差和齒輪誤差等。 （5）機械比較儀 比較儀按實現(xiàn)原始信號轉(zhuǎn)換的方法分為機械式量儀、光學(xué)式量儀、電動式 量儀和氣動式量儀等幾類。機械比較儀是指用機械方法實現(xiàn)原始信號轉(zhuǎn)換的量 儀，如指示表、杠桿齒輪式比較儀和杠桿式比較儀等。它們用于測量線性尺寸、 形位誤差和齒輪誤差等。 1.1.5 幾何測量儀的新進展 （1）測量速度高 現(xiàn)代制造業(yè)進行的是大規(guī)模、大批量、專業(yè)化生產(chǎn)，需要多參數(shù)、實時在 線測量，故要求測試儀器| 儀表的測量速度高、設(shè)備輕便、操作界面直觀。如激 光干涉測量技術(shù)作為精密測量的一種重要方法，各種激光干涉測量系統(tǒng)向著輕 巧、便攜、高測速的方向發(fā)展。雷尼紹 XL-80 干涉儀款型小巧，可提供 4m/s 最大的測量速度和 50kHz 記錄速率，可實現(xiàn) 1nm 的分辨率；激光跟蹤儀可實現(xiàn) 快速數(shù)據(jù)采集與處理，有利于測量精度的提高。各種影像測量設(shè)備利用觸摸屏 可以方便直觀地實現(xiàn)特征尺寸的測量。 （2）三維測量多樣化 三維測量技術(shù)向著高精度、輕型化、現(xiàn)場化的方向發(fā)展。傳統(tǒng)基于直角坐 標(biāo)的三坐標(biāo)測量機經(jīng)過 50 年的發(fā)展，其技術(shù)愈加成熟，測量更加快捷，功能更 加強大。這次參展的國內(nèi)外數(shù)十家坐標(biāo)測量機生產(chǎn)廠商，各具特色，特別是國 內(nèi)很多廠家推出實用廉價的各種三坐標(biāo)測量機，說明三坐標(biāo)測量技術(shù)在我國已 經(jīng)走向全面實用化、特色化發(fā)展的道路。除直角坐標(biāo)測量系統(tǒng)外，極坐標(biāo)測量 儀器體現(xiàn)出自身獨特的優(yōu)勢，如 FARO、ROMER 等廠家生產(chǎn)的激光跟蹤儀對 大尺寸結(jié)構(gòu)的裝備現(xiàn)場具有方便靈活的特點。對于小尺寸測量， FARO、ROMER 等生產(chǎn)的關(guān)節(jié)臂測量機因其低廉的成本、較高的精度、現(xiàn)場方 便的操作等優(yōu)勢，在汽車等行業(yè)展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。 （3）測量智能化 測量設(shè)備借助于計算機技術(shù)向著智能化、虛擬化的方向進一步發(fā)展。測量 儀器的虛擬化、接口的標(biāo)準(zhǔn)化以及測量軟件的模塊化，加速了測量技術(shù)的發(fā)展， 使測量儀器的應(yīng)用更加方便、直觀、智能。根據(jù)測量需求以及測量對象的不同， 可基于同一軟件平臺使用不同的儀器協(xié)同工作，采用不同的測量軟件模塊，實 現(xiàn)了廣普測量儀器的網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化，提高了測量的自動化水平。在這次展會 上，國內(nèi)一些獨立的測量軟件公司進行了參展，對于測量設(shè)備的智能化、網(wǎng)絡(luò) 化具有推動作用。 1.2 目前對錐孔端面直徑測量裝置的研究現(xiàn)狀 目前，圓錐孔端面直徑的測量裝置及測量方法主要有以下幾種： （1） 采用錐度塞規(guī)的方法測量 2，這種測量方法簡單，但塞規(guī)的制造較困難， 且不具有通用性。 （2） 利用兩個精密鋼球和通用量具間接測量 3，這對不同的錐孔要有相應(yīng)的 精密鋼球，否則無法進行。然而在實際測量中，會遇到各種尺寸、錐度不同的 錐孔，一般難以提供相應(yīng)的精密鋼球。 （3） 采用鋼球式錐孔檢測工具測量 4，這種檢具測量時需要多次專用的工裝， 并且檢具中的鋼球和檢套要有不同的規(guī)格，測量精度也不是很高。 （4） “鋼球、圓柱組合法” 5，此測量裝置需兩個大小不同的精密鋼球，將它 們同圓柱標(biāo)準(zhǔn)心軸或“ 三針 ”等進行不同的組合，可測量任意大小的內(nèi)圓錐孔。 但是此測量裝置對鋼球和圓柱的要求很高，制造費用較高，且測量時需要計算， 測量精度不高。 （5） 由深度千分尺、支承套和鋼球組成的測量裝置測量 6。支承套、鋼球根 據(jù)被測量零件有關(guān)尺寸及形狀配置和更換。此測量裝置使用與具有深度孔的圓 錐孔端面直徑測量，且測量時需要計算。 1.3 本次設(shè)計的意義和主要內(nèi)容 圓錐孔配合在機械設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛。圓錐孔的加工雖不及內(nèi)孔、平面 加工那樣廣泛，但在機械加工中也常遇到，不同用途的錐孔的要求也不一樣， 在制造圓錐孔工件時，需要控制工件的錐孔直徑尺寸（錐孔面與端面交線尺寸） ， 當(dāng)尺寸精度要求較高時，使用通用量具在生產(chǎn)現(xiàn)場很難實現(xiàn)對該尺寸的精確測 量。而且圓錐孔的端面往往有毛刺或倒角，尤其是有倒角時，所測點在實體上 并不存在，轉(zhuǎn)化成測空間交點距離的問題，測空間交點距離也需專用測量工具 并進行計算，有時還需在工件上設(shè)置工藝孔或工藝凸臺，增加了加工工序。 上述的測量方法要么不能進行定量檢測、要么需專用檢具，而且還不能直 接測出數(shù)據(jù)，需利用所得數(shù)據(jù)進行計算才可獲得所需尺寸，操作不便，測量時 間也較長，不利于縮短工時，提高生產(chǎn)率，且不適合生產(chǎn)現(xiàn)場使用，特別是不 能在機上檢測。 為了解決上述種種問題，立此課題，利用大學(xué)所學(xué)的相關(guān)專業(yè)知識設(shè)計一 種基于虛交點的圓錐孔端面尺寸數(shù)顯測量裝置。此測量裝置可在機直接測量， 不需計算，數(shù)顯直讀，且結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍大，有效地解決了生產(chǎn)現(xiàn)場檢測 錐體端面直徑的問題。 2 裝置的測量原理和結(jié)構(gòu) 2.1 裝置的測量原理 如圖 1 所示，以圓錐孔大端面直徑測量為例。直線 MN 和直線 PQ 位于定 位面（定位面與圓錐孔大圓端面共面）內(nèi)，且直線 MN 和直線 PQ 平行。直線 AC 與直線 MN 垂直相交與點 A，直線 BD 與直線 PQ 垂直相交與點 B，且直線 AC 和直線 BD 共面，則 AB 即為圓錐孔大圓端面的直徑，又由數(shù)學(xué)原理可知， AB 分別垂直與直線 MN 和直線 PQ，則 AB 即為直線 MN 和直線 PQ 間的距離。 故測圓錐孔大圓端面直徑可轉(zhuǎn)化為測兩平行直線 MN 和 PQ 間的距離。在設(shè)計 量具時，卡腳的測量部位（可繞不完全鉸鏈旋轉(zhuǎn)，自動適應(yīng)圓錐孔錐度的變化， 時刻保持與圓錐孔錐面的切線重合）就是主卡腳與圓錐孔圓錐面的切線 AC、 游標(biāo)卡腳與圓錐孔圓錐面的切線 BD。主尺和游標(biāo)尺上的定位面就是圖 1 所示 的定位面。將 A、B 附近的測量面鏤空，即可避開 A、B 處的毛刺，完成對圓 AC主卡腳與圓錐孔切線 BD游標(biāo)卡腳與圓錐孔切線 圖 1 測量裝置原理圖 錐孔大圓端面直徑的測量。 另外，測的圓錐孔大、小端面直徑后，再測得圓錐孔長度，通過簡單的數(shù) 學(xué)計算即可得到圓錐孔的錐度。 2.2 裝置的結(jié)構(gòu) 如下圖 2 所示，測量裝置的結(jié)構(gòu)主要有主尺部件、游標(biāo)部件和數(shù)顯裝置等 幾部分組成。 1主測量尺；2主測量尺半圓蓋；3主測量尺弧形墊片；4主測量 尺不完全鉸鏈固定螺栓；5主測量卡腳；6主測量尺半圓蓋固定螺栓； 1主測量尺；2主測量尺半圓蓋；3主測量尺弧形墊片；4主測量尺不完全 鉸鏈固定螺栓；5主測量卡腳；6主測量尺半圓蓋固定螺栓；7游標(biāo)測量尺； 8游標(biāo)測量尺半圓蓋；9游標(biāo)測量尺卡腳；10游標(biāo)測量尺弧形墊片；11游 標(biāo)測量尺半圓蓋固定螺栓；12游標(biāo)測量尺不完全鉸鏈固定螺栓；13游標(biāo)體； 14開啟清零按鈕；15 數(shù)顯關(guān)閉按鈕；16數(shù)顯客體；17數(shù)顯鎖緊螺釘；18 主尺體；19磁尺；20限位擋片； K指主、游標(biāo)測量卡腳工作面，分別與圖 1 中的直線 AC、BD 對應(yīng) L指向主測量尺和游標(biāo)測量尺的定位面，與圖 1 所標(biāo)出的定位面對應(yīng) 圖 2 圓錐孔大圓端面直徑測量裝置 主尺部件包括主測量尺 1、主測量尺半圓蓋 2、主測量尺弧形墊片 3、主測 量尺不完全鉸鏈固定螺栓 4、主測量卡腳 5、主測量尺半圓蓋固定螺栓 6 和主尺 體 18 等。主尺體和主測量尺之間通過螺栓固定連接（必須保證在連接固定時主 尺體和主測量尺工作面垂直） ；主測量尺和主測量尺卡腳之間通過不完全鉸鏈連 接（必須保證主測量尺工作面和不完全鉸鏈中心線共面） ；主測量尺卡腳工作面 K（直線 AC）通過不完全鉸鏈中心線；主測量尺上設(shè)計有定位面 L（定位面） ， 定位面也通過不完全鉸鏈中心線，則不完全鉸鏈的中心線相當(dāng)于 MN。 游標(biāo)部件組包括游標(biāo)測量尺 7、游標(biāo)測量尺半圓蓋 8、游標(biāo)測量尺卡腳 9、 游標(biāo)測量尺弧形墊片 10、游標(biāo)測量尺半圓蓋固定螺栓 11、游標(biāo)測量尺不完全鉸 鏈固定螺栓 12 和游標(biāo)體 13 等。游標(biāo)體和游標(biāo)測量尺之間通過螺栓固定連接 （必須保證游標(biāo)體工作側(cè)面和游標(biāo)測量尺定位工作面垂直） ，游標(biāo)測量尺和游標(biāo) 測量卡腳之間通過不完全鉸鏈連接，游標(biāo)測量卡腳的工作面 K（直線 BD）通 過鉸鏈中心線；游標(biāo)測量尺上設(shè)計有定位面 L（定位面） ，定位面也通過鉸鏈中 心線，則不完全鉸鏈的中心線相當(dāng)于 PQ。 在加工裝配時，必須保證主測量尺定位面和游標(biāo)測量尺定位面共面，主測 量尺不完全鉸鏈中心線和主測量尺定位面共面，游標(biāo)測量尺不完全鉸鏈中心線 和游標(biāo)測量尺定位面共面，且主測量尺不完全鉸鏈中心線和游標(biāo)測量尺不完全 鉸鏈中心線相互平行。 3 裝置的測量范圍分析 3.1 最小測量直徑的確定 最小測量直徑 dmin 確定：量具上不完全鉸鏈的中心距就是所測圓錐孔大圓 端面直徑。若測量端面直徑過小，在移動游標(biāo)體時會出現(xiàn)圖 3 所示的情況，造 成游標(biāo)測量尺和主測量尺相撞，故圖 3 所示的情況即為所設(shè)計的測量裝置所能 測量最小直徑的情況。在設(shè)計時，取主測量尺不完全鉸鏈中心線與主測量尺右 側(cè)相距 10mm（參考圖 3） ，游標(biāo)測量尺不完全鉸鏈中心線與游標(biāo)尺左側(cè)相距 10mm（參考圖 3） 。因此不完全鉸鏈中心線間的最小距離為 20mm，所以取最 小測量直徑為 20mm。 圖 3 圓錐孔大圓端面直徑測量裝置 3.2 最大測量直徑的確定 最大測量直徑 dmax 的確定：量具上不完全鉸鏈的中心距就是所測圓錐孔大 圓端面直徑。由對圓錐孔大圓端面測量裝置的工作原理分析知，在理論上所設(shè) 計的測量裝置能夠測量無限大的圓錐孔端面直徑。但是由于主尺體的厚度只有 3mm（參考圖 5 主尺） ，而游標(biāo)部件和數(shù)顯裝置的零件較多（參考圖 6 游標(biāo)部件 和數(shù)顯裝置組合體） ，相對其質(zhì)量也較大，當(dāng)測量直徑過大時，容易造成主尺體 產(chǎn)生彎曲變形，而造成較大的測量誤差，不能滿足應(yīng)有的測量精度，故測量直 徑不能過大。由于本設(shè)計設(shè)計任務(wù)為：最大測量直徑 150mm。因此本測量裝置 的最大測量直徑取 150mm，所設(shè)計的磁尺如圖 4 所示。 測量裝置測量圓錐孔大端圓孔直徑的范圍定為：20mmd150mm。 圖 5 主尺 圖 4 磁尺 圖 6 游標(biāo)部件和數(shù)顯裝置的組合體 3.3 可測圓錐孔的錐度確定 圖 7 測量卡腳的二維模型 由相關(guān)的設(shè)計參數(shù)來確定測量裝 置能測量的最大圓錐孔錐度 L 為卡腳的長度 H 為卡腳的寬度 A 角為卡腳能工作的范圍 卡腳上螺紋孔中心線與卡腳右側(cè) 工作刀形面（即為 AC、BD）共 線 圖 8 測量卡腳的三維模 型 由圖示可知圓弧環(huán)的中 心線即為不完全鉸鏈的 中心線；圖示右側(cè)的刀 面即為測量時與錐孔相 切的工作面 （AC、BD ）并且必須 保證此工作面與卡腳頭 部用于固定的螺紋孔中 心線共線 圖示所示的 a 角為此測量裝置所能測量的最大錐度，當(dāng)所測量的圓錐孔錐度大于 a 角時會由于卡腳相撞而無法測量，故所測量圓錐孔錐度需小于或等于角 a 圖 9 為可測圓錐孔最大錐度的工作情況 有圖 7、8、9 可知，在測量圓錐孔大端面圓直徑時，有兩個原因限制了測 量錐度。原因分別為：（1）隨著測量圓錐孔的錐度的增大，兩測量卡腳分別繞 著各自的不完全鉸鏈中心線向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，可能會造成兩測量卡腳的頭部面分別與 主測量尺和游標(biāo)測量尺上的定位面發(fā)生干涉；（2）隨著測量圓錐孔的錐度的增 大，兩測量卡腳向內(nèi)側(cè)靠近，兩卡腳的背面（圖示 9 所示的非工作面）可能相 撞而無法繼續(xù)測量。 本設(shè)計要求的最大測量錐度為 120，故測量卡腳在測量時允許的旋轉(zhuǎn)角度 需 a60。故由圖 7 可知欲達到最大測量錐度的要求，需 r30。由圖 9 的測量 模擬可知，當(dāng)所測的圓錐孔錐度相等時，圓錐孔大圓端面直徑愈小愈容易發(fā)生 如圖 9 所示的相撞情況。故只要在所能測量的圓錐孔端面直徑最小的情況小， 能滿足錐度要求，測所設(shè)計的測量裝置就滿足錐度要求。所以取測量圓錐孔大 圓端面的直徑為 20mm，測量圓錐孔的錐度為 120的情況進行分析。 圖 10 由測量錐度確定卡腳的主要尺寸 由圖 10 可知在測量直徑為 d=20mm 和測量錐度為 a=120的情況下，當(dāng)測量 卡腳寬度 H=3mm 時，卡腳的長度 L=9.81mm。又有圖 10 中的幾何關(guān)系可知， 在卡腳寬度一定的情況下，卡腳長度愈小愈容易保障最大的測量錐度；在卡腳 長度一定的情況下，卡腳的寬度愈小愈容易滿足最大的測量錐度。在此測量裝 置中，卡腳的寬度和長度分別取 H=3mm、L=9mm。由圖 10 可知此測量裝置能 滿足設(shè)計所規(guī)定的要求（最大測量錐度為 a=120） 。 4 裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 卡腳結(jié)構(gòu)設(shè)計 卡腳結(jié)構(gòu)的二維模型如圖 7 所示，卡腳結(jié)構(gòu)的三維模型如圖 8 所示。在對 測量裝置圓錐孔的錐度確定中，已經(jīng)確定了卡腳的寬度、卡腳的長度和卡腳頭 部的相關(guān)尺寸。 參考圖 1 測量裝置的工作原理，可知測量卡腳的工作面（AC、BD ）與圓 錐孔錐面相切，且必須保證兩測量工作面相對（共面） ，測量卡腳工作面和相對 應(yīng)的不完全鉸鏈中心線垂直相交。所以在設(shè)計卡腳結(jié)構(gòu)時把卡腳的工作面（圖 8 卡腳右側(cè)面）設(shè)計成刀形，并且保證所設(shè)計的卡腳刀形工作面和不完全鉸鏈 中心線共面，從而滿足設(shè)計原理的要求。 4.2 不完全鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計 有測量裝置圖 2 可知，不完全鉸鏈的主要作用是保證卡腳繞著規(guī)定的中心 線（圖 1 中的直線 MN、PQ）旋轉(zhuǎn)。 1測量尺；2測量尺半圓形蓋；3測量尺弧形墊片；4測量尺不完全鉸鏈固定螺栓； 5測量尺卡腳；6測量尺半圓形蓋固定螺栓 圖 11 不完全鉸鏈、卡腳和測量尺的組合結(jié)構(gòu)圖 對測量原理的分析知，不完全鉸鏈的中心線和卡腳的刀形工作面垂直相交， 因此在不完全鉸鏈固定中，測量尺不完全鉸鏈固定螺栓（圖 11 所示的零件 4） 的軸線和測量卡腳的刀形工作面共線（如圖 11 所示） 。為了保證不完全鉸鏈中 心線和測量尺定位面共面，在設(shè)計時采用弧形墊片（圖 11 所示的零件 3）來調(diào) 節(jié)控制使測量裝置中的不完全鉸鏈中心線和定位面共面。測量時，卡腳和不完 全鉸鏈作為一體以不完全鉸鏈中心線為中心線做圓周運動（如圖 11 所示） 。 4.3 定位機構(gòu)設(shè)計 圖 12 中的 L 面即為所設(shè)計的定位面，定位面距不完全鉸鏈中心線有一定的 距離，這樣在測量時，會不受被測圓錐孔端面圓周處倒角和毛刺的影響，從而 保證了測量精度。另一方面，在設(shè)計定位面時，盡量減小定位面，否則在測量 時，容易受到被測圓錐孔端面的平面度的影響，而造成較大的測量誤差。綜合 以上因素，設(shè)計出的定位面如圖 12 中的 L 面。 4.4 數(shù)顯系統(tǒng)選擇 直線位移傳感器有光學(xué)式、激光式、超聲式、光柵式等多種。容柵式位移 傳感器 1112是一種高精度的數(shù)字式傳感器，與其它大位移傳感器（如光柵、感 應(yīng)同步器、磁柵）相比，具有體積小、造價低、環(huán)境適應(yīng)能力強、易于屏蔽、 L測量裝置的定位面 圖 12 測量裝置定位面 能耗小、精度可達到 0.001mm，并且具有量程大、無溫漂、時漂等特點。考慮 到生產(chǎn)現(xiàn)場的使用條件，本測量裝置數(shù)顯裝置選用容柵式位移傳感器，并配以 大規(guī)模集成電路和液晶顯示裝置。 設(shè)計的數(shù)顯系統(tǒng)如圖 13 所示： 1緊固螺釘；2數(shù)顯客體；3液晶顯示器；4數(shù)顯關(guān)閉按鈕；5清零按鈕 圖 13 數(shù)顯裝置 5 裝置測量精度的分析 本測量裝置為普通量具，其制造精度可選 IT4IT5，影響量具測量精度的 主要因素有：主測量尺不完全鉸鏈中心線與主測量尺體定位面不共面（設(shè)位置 誤差為 1） ；主測量尺卡腳不完全鉸鏈中心線與主測量尺卡腳工作面不共面（設(shè) 位置誤差為 2） ；游標(biāo)測量尺不完全鉸鏈中心線與游標(biāo)測量尺體定位面不共面 （設(shè)位置誤差為 3） ；游標(biāo)測量尺卡腳不完全鉸鏈中心線與游標(biāo)測量尺卡腳工作 面不共面（設(shè)位置誤差為 4） ；主測量尺不完全鉸鏈中心線與主尺體導(dǎo)向面間的 垂直度 5；游標(biāo)測量尺不完全鉸鏈中心線與游標(biāo)體滑槽導(dǎo)向面間的垂直度 6； 主測量卡腳工作面（AC）和游標(biāo)測量卡腳工作面（ BD）的不共面（設(shè)位置誤 差為 7）等。其中不完全鉸鏈中心線和主測量尺、游標(biāo)測量尺內(nèi)的半圓形孔的 中心線重合，主測量尺和主尺體由螺栓固定連接，游標(biāo)測量尺和游標(biāo)體也由螺 栓固定連接，加工安裝后，主測量尺內(nèi)的半圓孔的中心線和主尺體導(dǎo)向面的垂 直度將固定不變，游標(biāo)測量尺內(nèi)的半圓孔中心線和游標(biāo)體導(dǎo)向面的垂直度也將 固定不變，所以 5、 6 的影響為常值系統(tǒng)誤差，可通過校核量具消除；由于卡 腳工作面的特殊刀形結(jié)構(gòu)，在測量時，時刻保證和圓錐孔內(nèi)錐面相切，并且兩 卡腳相距最遠（即兩卡腳的工作面過圓錐孔大端直徑的兩端點） ，所以 7 不影 響測量精度（前提測量卡腳的刀形工作面應(yīng)做的盡可能的尖） ； 1、 2 的影響和 3、 4 的影響相似，故一下重點討論 1、 2 的影響。 5.1 主測量尺不完全鉸鏈中心線與主測量尺定位面不共面（誤差為 1）對測量 精度的影響。 如圖 14，設(shè)主測量尺不完全鉸鏈中心線比主測量尺定位面高 1，由圖可見 測量誤差 r1 為 r1=1 tan 圖 14 誤差為 1 測量精度的影響 圖 15 誤差為 2 對測量精度的影響 5.2 主測量尺卡腳不完全鉸鏈中心線與主測量卡腳工作面不共面（誤差為 2）對 測量精度的影響 如圖 15，設(shè)主測量尺卡腳工作面與不完全鉸鏈中心線偏移 2，由圖可見測 量誤差 r2 為 r2= 2 /cos 3、 4 的影響和 1、 2 的影響相似，同時考慮到誤差的方向和隨機性，總 的測量誤差為 r = 4*32*rr = (1 tan)2+(2 /cos)2+ (3 tan)2+ (4 /cos)2 若主測量尺與游標(biāo)測量尺按同樣精度等級制造，即 1 = 2 = 3 =4，則有 r = / cos2+2sin2 測量誤差 r 與被測圓錐孔錐度的關(guān)系如表 1 所示。顯然：測量誤差 r 與被 測圓錐孔錐度有關(guān)，錐度越大，則測量誤差越大。 表 1 錐度 與 r 的關(guān)系 ( ) 10 20 30 40 50 60 70 R 1.46 1.75 1.83 2.2 2.7 3.74 5.67 5.3 改善和提高裝置測量精度的措施 改善和提高精度的方法，大致可概括為以下幾種：減小原始誤差法、補償 原始誤差法、轉(zhuǎn)移原始誤差法、均分原始誤差法、均化原始誤差法、“就地加工” 法。 （1）減少原始誤差 這種方法是生產(chǎn)中應(yīng)用較廣的一種基本方法。它是在查明產(chǎn)生加工誤差的 主要因素之后，設(shè)法消除或減少這些因素。例如細長軸的車削，現(xiàn)在采用了大 走刀反向車削法，基本消除了軸向切削力引起的彎曲變形。若輔之以彈簧頂尖， 則可進一步消除熱變形引起的熱伸長的影響。 （2）補償原始誤差 誤差補償法，是人為地造出一種新的誤差，去抵消原來工藝系統(tǒng)中的原始 誤差。當(dāng)原始誤差是負值時人為的誤差就取正值，反之，取負值，并盡量使兩 者大小相等；或者利用一種原始誤差去抵消另一種原始誤差，也是盡量使兩者 大小相等，方向相反，從而達到減少加工誤差，提高加工精度的目的。 （3）轉(zhuǎn)移原始誤差 誤差轉(zhuǎn)移法實質(zhì)上是轉(zhuǎn)移工藝系統(tǒng)的幾何誤差、受力變形和熱變形等。 誤差轉(zhuǎn)移法的實例很多。如當(dāng)機床精度達不到零件加工要求時，常常不是 一味提高機床精度，而是從工藝上或夾具上想辦法，創(chuàng)造條件，使機床的幾何 誤差轉(zhuǎn)移到不影響加工精度的方面去。如磨削主軸錐孔保證其和軸頸的同軸度， 不是靠機床主軸的回轉(zhuǎn)精度來保證，而是靠夾具保證。當(dāng)機床主軸與工件之間 用浮動聯(lián)接以后，機床主軸的原始誤差就被轉(zhuǎn)移掉了。 （4）均分原始誤差 在加工中，由于毛坯或上道工序誤差（以下統(tǒng)稱“原始誤差” ）的存在，往 往造成本工序的加工誤差，或者由于工件材料性能改變，或者上道工序的工藝 改變（如毛坯精化后，把原來的切削加工工序取消），引起原始誤差發(fā)生較大 的變化，這種原始誤差的變化，對本工序的影響主要有兩種情況： 1） 誤差復(fù)映，引起本工序誤差； 2） 定位誤差擴大，引起本工序誤差。 解決這個問題，最好是采用分組調(diào)整均分誤差的辦法。這種辦法的實質(zhì)就 是把原始誤差按其大小均分為 n 組，每組毛坯誤差范圍就縮小為原來的 1/n，然 后按各組分別調(diào)整加工。 （5）均化原始誤差 對配合精度要求很高的軸和孔，常采用研磨工藝。研具本身并不要求具有 高精度，但它能在和工件作相對運動過程中對工件進行微量切削，高點逐漸被 磨掉（當(dāng)然，模具也被工件磨去一部分）最終使工件達到很高的精度。這種表 面間的摩擦和磨損的過程，就是誤差不斷減少的過程。這就是誤差均化法。它 的實質(zhì)就是利用有密切聯(lián)系的表面相互比較，相互檢查從對比中找出差異，然 后進行相互修正或互為基準(zhǔn)加工，使工件被加工表面的誤差不斷縮小和均。在 生產(chǎn)中，許多精密基準(zhǔn)件（如平板、直尺、角度規(guī)、端齒分度盤等）都是利用 誤差均化法加工出來的。 （6）就地加工法 在加工和裝配中有些精度問題，牽涉到零件或部件間的相互關(guān)系，相當(dāng)復(fù) 雜，如果一味地提高零、部件本身精度，有時不僅困難，甚至不可能，若采用 就地加工法（也稱自身加工修配法）的方法，就可能很方便地解決看起來非常 困難的精度問題。就地加工法在機械零件加工中常用來作為保證零件加工精度 的有效措施。 根據(jù)以上原則，可分析本裝置的改善措施如下： 1）要注意控制不完全鉸鏈中心線與主測量尺、游標(biāo)測量尺定位面的共面誤 差 1、 3 和不完全鉸鏈中心線與主測量尺卡腳、游標(biāo)測量尺卡腳工作面的共面 誤差 2、 4，以減小測量誤差。 2）主測量尺和游標(biāo)測量尺上的定位面不宜過寬和過長，且在不完全鉸鏈中 心線附近的定位面應(yīng)切出凹槽。過寬將會與圓錐孔端面凸臺發(fā)生干涉，使卡腳 工作面無法貼合在圓錐孔錐面上。本量具定位面越過不完全鉸鏈中心線 10mm，故測量圓錐孔端面的凸臺距離圓孔的尺寸不得小于 10 mm；過長則會 限制測量裝置的測量范圍。制造時在定位面上切出半圓形凹槽（如圖 12 所示） 是為了避免定位面與圓錐孔端面圓周接觸，以消除毛刺的影響,從而使測量的精 度更高。 6 注意事項 6.1 安裝量具時注意事項 (1)安裝時，通過調(diào)節(jié)不完全鉸鏈處的弧形墊片的松緊使主測量尺定位面 和其不完全鉸鏈中心線共面，游標(biāo)測量尺定位面和其不完全鉸鏈中心線共面。 （2）安裝時，通過調(diào)節(jié)主測量尺固定螺栓和游標(biāo)測量尺固定螺栓，保證主 測量尺定位面和游標(biāo)測量尺定位面共面。 6.2 應(yīng)用注意事項 （1）測量裝置使用前將測量面和定位面清凈，參照國家計量檢定規(guī)程通 用卡尺鑒定規(guī)程（JJC30 2002），可用 10 mm 標(biāo)準(zhǔn)量塊（不低于 6 等量塊 的精度）校準(zhǔn)清零，以消除常值系統(tǒng)誤差。注意：（示值+10）mm 為測量結(jié)果。 （2）測量時，首先主測量尺通過其上的定位面在圓錐孔端面定位，同時主 測量尺卡腳工作面與被測圓錐孔錐面貼合，然后推動游標(biāo)部件，使游標(biāo)測量尺 上的定位面也在被測圓錐孔端面定位，同時游標(biāo)測量尺卡腳工作面與錐面貼合 即可直接讀出測量結(jié)果。注意游標(biāo)測量尺相對于主測量尺的最大移動速度應(yīng) 1.5 mm，否則將產(chǎn)生錯誤計數(shù)。 （3）卡尺不要放在強磁場附近（如磨床的磁性工作臺上） ，以免使游標(biāo)卡 尺感受磁性，影響使用。 （4）卡尺要防塵、防水，不要與諸如冷卻液等腐蝕性液體接觸。 （5）不要在卡尺的任何部位加電，否則卡尺內(nèi)芯片將被毀壞。 （6）當(dāng)工作環(huán)境濕度 80%時，卡尺測量尺寸會發(fā)生突變，可將卡尺拿 到陽光或干燥處一段時間，即可恢復(fù)正常。 （7）如長期不用，取出電池放入包裝盒內(nèi)貯存。 7 結(jié)語 本文主要介紹了基于虛交點的圓錐孔端面尺寸數(shù)顯測量裝置設(shè)計原理和注 意事項，該裝置主要用于測量圓錐孔端面的直徑，裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單方 便，無視值誤差，在線數(shù)顯直讀，有一定的通用性。一般的設(shè)備有的測量設(shè)備 成本較高；有的需專用檢具并計算，操作不便；有的為定性測量，無法獲得具 體尺寸數(shù)值，均不適合生產(chǎn)現(xiàn)場使用，特別是不能在機上檢測，該量具能有效 的解決上述問題，值得推廣應(yīng)用。 通過這次畢業(yè)設(shè)計，學(xué)到了很多知識，在老師的指導(dǎo)下，閱讀了很多關(guān)于 量具和機械設(shè)計的知識。既鞏固了學(xué)過的知識，又有新的理解和更加深入的認 識，獲益匪淺。 致謝 本次設(shè)計能夠順利的完成，除了自己的努力外，首先應(yīng)該感謝的是我 的輔導(dǎo)老師陳老師。就是因為在他的指導(dǎo)下，我的設(shè)計才得以如此順利的完 成。由于陳老師每周都需要花費時間來細致地給我們指導(dǎo)，同時檢查進度， 分析我們前一周所做的成果，指點出錯誤和應(yīng)該注意的地方，使得我們可以 在一周一周的設(shè)計、修改、在設(shè)計的過程中不斷的認識自己的不足和改進。 在此，我要衷心的感謝他的付出。 其次要感謝的是教會我們知識的老師們。如果沒有他們的教導(dǎo)，知識 的傳授，我的知識將會是非常的薄弱，設(shè)計將會做得非常的吃力。謝謝他們。 最后需要感謝的是我的同學(xué)們，在我設(shè)計的時候他們給予了我鼓勵和監(jiān)督， 在一些問題上他們有時會給我一點建議來引導(dǎo)我的思路，使我的設(shè)計能夠做得 更加順利。 參考文獻 1陳錫渠，王振寧，蘇建修，王占奎. 自適應(yīng)圓錐體端面直徑測量裝置 J.制造技術(shù)與 機床，2008， （9）：118121 2 傅克寶. 一種測量內(nèi)圓錐孔錐度和大徑的方法.北京理工大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院 , 1999 3祝偉駿.內(nèi)圓錐孔截面直徑的測量與誤差分析.機械制造 ,1996 4張輝.鋼球式錐孔檢測工具.機械制造,1997 5曲貴龍 李霄.圓錐孔的錐角和直徑的間接測量.測量與設(shè)備， 2001 6楊光.機車傳動鏈中大型精密錐孔的檢測原理與運用.質(zhì)量管理， 2005 7張煥州.測量錐口直徑的檢具.計量技術(shù)，2003 8陳本慶.交點尺寸的測量.工具技術(shù)，1999 9甄立志 李秀東 李加琦.大型錐孔加工方法及測量.機械工藝師， 1999 10劉亞男.關(guān)于交點尺寸極坐標(biāo)測量方法的研究.測試技術(shù)學(xué)報， 1998 11郝衛(wèi)東.容柵位移傳感器.桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報，1997 12王習(xí)文、齊欣、宋玉泉.容柵傳感器及其發(fā)展前景.吉林大學(xué)學(xué)報 (工學(xué)版)，2003 13周富臣，周鵬飛，張改. 機械制造計量檢測手冊 .北京：機械工業(yè)出版社，1998 14雒運強. 使用機械加工測量技巧 450 例 .北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008 15才家剛. 圖解常用量具的使用方法和測量實例 .北京：機械工業(yè)出版社，2006 16鄭叔芳，吳曉琳. 機械工程測量學(xué) .北京：科學(xué)出版社，1999 17梁國明，張寶勤. 常用量具的使用與保養(yǎng) 270 問 .北京：國防工業(yè)出版社，2007