通用卡尺内量爪检定装置的分析与设计_水清波.pdf

通用卡尺内量爪检定装置的分析与设计水清波（工业和信息化部电子第五研究所华东分所，江苏苏州215011）摘要：由于JJG 302012通用卡尺检定规程 中推荐使用的内尺寸专用检具示值单一，检定校准没有充足的规格可供选择，随着标称值的增加，给专用检具取用、携带和保存都增加了难度。针对现有内量爪检具的不足，设计了一套通用卡尺内量爪检定装置，结合通用卡尺的不确定度评定，证明了所设计的检定装置的可靠性和便利性。关键词：计量；通用卡尺；内量爪；夹具；结构中图分类号：TH 711文献标志码：A文章编号：1672-5468（2022）01-0042-05doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2022.01.09Analysis and Design of Universal Caliper InnerMeasuring Claw Verification DeviceSHUI Qingbo（CEPREI-EAST，Suzhou 215011，China）Abstract：Due to the single value of the special gauge for internal size recommended in JJG 30-2012“verification regulation of current calipers”and the lack of sufficient specifications forverification and calibration，with the increase of the nominal value，it is more difficult to take，carry and preserve the special gauge.Aiming at the deficiency of the exsting internalmeasuring claw inspection tools，aset of unirersal caliper internal measuring clawinspection device is designed.Combining with the uncertainty evaluation of universal calipers，the reliability and convenience of the designed verification device are proved.Keywords：measurement；universal caliper；internal measuring claw；fixture；structure收稿日期：2021-07-15作者简介：水清波（1984），女，江苏常熟人，工业和信息化部电子第五研究所华东分所工程师，主要从事长度力学专业仪器校准工作。电 子 产 品 可 靠 性 与 环 境 试 验ELECTRONIC PRODUCT RELIABILITY AND ENVIRONMENTAL TESTING计量与测试技术2022年2月第40卷 第1期Vol40 No1 Feb.，20220引言计量科学广泛地应用于现代科学如长度、热工、力学、声学、光学和电磁学等各个领域，涉及人类社会活动的方方面面，随着现代科技的高速发展，一些新的计量技术正在逐渐地形成。2012年，通用卡尺检定规程提出了对内量爪的示值误差进行控制的要求，而规程推荐的专用检具光面环规、步距规只有单一示值，不能通过研合来组成不同的尺寸，无法满足不同测量范围通用卡尺的校准要求1。我们发现采用内尺寸检具配合相应等级的量块就可以方便地测量通用卡尺的内量爪示值误差。我们首选万能测长仪配套内尺寸检具，其在300 mm测量范围内比使用标准环规、步距规更加方便实用，但因此款检具最大范围为300 mm，无法测量大于300 mm的通用卡尺内量爪示值误差。DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN42DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN第1期于是我们根据量块的长方形结构特点，将量块夹持在检具内部，配合相关附件卡块使用。但在校准600 mm通用卡尺的内量爪时，其内量爪检具的长度也必将大于600 mm，这就出现相应检具的重量过重，长度过长，存放不易，检定校准效率不高等问题。所以，设计一款结构小巧、使用方便的内尺寸检定装置具有重要的实际意义和应用价值。1检定装置的设计与分析通过多次设计，结合大于100 mm标准器量块的结构特点，设计的这一款全包围式检定装置。该检定装置主要针对校准通用卡尺内量爪的示值误差，在使用时，包括第一量块（检定装置中只放置一块量块时，被称为第一量块）、两个检具及两个卡块，每个检具上都设计有夹持口，第一量块的两端是可以拆卸的，以便将量块固定在两个检具的夹持口内，两个卡块分别是可拆卸的，设置于夹持口的底端，且卡块包括能够突出于夹具表面的检测部位，如图1-4所示。根据该检具设计的卡尺内量爪检定装置，结构简单，方便实用。通过设计两个具有夹持端口的检定装置，即检定装置是分体式的，两个一对使用，这样的好处是不仅使检定装置的尺寸不必大于第一量块的尺寸，而且不需要因第一量块尺寸不同而更换不同尺寸的检定装置，由此大大地提高了检定装置的通用性能。该检定装置的设计改变了以往检定装置的设计思路，直接利用标准量块的结构特点，利用连接孔，改变了以往检定装置的安装方式，具有方便实用，外形小巧，安装方便等优点2。检定装置夹一块量块时的指示图如图1所示。此检定装置的结构包括：一块量块、两个一对的检具、两个卡块，右视图如图2所示。预留放置量块的部位为夹持口，两个所述卡块也可分别拆卸，可分别置于该夹持口的底部，且卡块突出于所述检具表面，这个突出部分主要用于检测。如图3所示，箭头所指的方向为该检具的宽度方向。第一量块为标称长度根据量块的制作工艺为大于100 mm的量块，根据规程，大于100 mm的量块其两端有如上文所述的连接孔，且量块两端各有一个。在实际校准卡尺时，有些校准点由23块量块组合，于是就需要包括至少一个第二量块，这是为了可以拼接出校准通用卡尺刀口内量爪所需要的尺寸而加设的，一般拼接的量块数量不要超过3块，这可以满足校准通用卡尺刀口内量爪的示值的不确定度要求。这个第二或者第三量块可拆卸，主要放置于所述第一量块的端部与相对应的卡块之间。如图2所示的量块1与卡块3之间。U形检具成对使用，则另外一端也可以根据需要放置第三量块。此第三量块一般其标称长度不大于100 mm。此内量爪检定装置所组成的两个夹具的两侧壁上都设有同轴的通孔，其作用是配合插销使用，这个销体的一端一般设计有堵头，方便取用，在图1-2中均有说明，图1的箭头表示的是该夹具的高度方向。该堵头与销体是一体成型，主要作用是配合量块连接孔，此堵头为圆柱体，堵头的直径原则上应大于所述通孔及连接孔的直径。检定装置的底部，设计有带螺纹的孔，螺纹孔内设计配合可拆卸的螺杆，螺杆的主要作用是固定1第一量块；2夹具；3卡块；4销体；5螺杆；6第二量块；41堵头；51旋钮图4检定装置夹多块量块时的主视图31第一量块；2夹具；3卡块；4销体；41堵头；5螺杆；51旋钮图1检定装置夹一块量块时的主视图321夹持口；22通孔；23螺纹图2检定装置右视图34销体；31检测部；5螺杆；51旋钮图3检定装置剖视图3水清波：通用卡尺内量爪检定装置的分析与设计43电子产品可靠性与环境试验DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN电子产品可靠性与环境试验2022年所述第一量块和相应卡块，所述的旋钮与螺杆是相互连接的，且旋钮也是圆柱体，在所述的圆柱体侧面上设置压纹。其压纹的作用是加大摩擦力，以方便拧紧与松开。2测量装置的实例分析为了解决实际应用中的技术问题，本文将通过实例详细地阐述通用卡尺内量爪检定装置，结合图1-4，对该装置进行详细的描述，以明确此技术方案所能达到的技术效果。以夹持一块量块为例，如图1-4所示，由第一量块1、两个夹具2和两个卡块3，在每个夹具2上都设置一个夹持口21，其作用是可以把第一量块1的两端固定于两个夹具2的夹持口21内，这部分是可拆卸的，两个卡块3的使用位置分别设置于夹持口21的底部与第一量块1的端部之间，此处卡块3的作用是要有能够突出于检具2表面的检测部31；与此同时这两个卡块都是可以拆卸的。在本次设计中，检定装置的作用是方便测量范围大于300 mm的通用卡尺校准内量爪，同时也为测量范围在0300 mm的通用卡尺在校准大于100 mm测量点时多一种检定装置的选择。同时第一量块1的尺寸选择根据JJG 1462011量块检定规程2（以下简称规程），即第一量块1是标称长度大于100 mm的带有连接孔的量块。由上所述，卡块3上有突出夹具2表面的检测部31，其是卡块3的高度在设计时，要大于第一量块1和检具2的高度。在进行检定或校准时，将卡块3、第一量块和夹具2都放置在平板或工作台上。卡块3的下端面与第一量块1和夹具2沿高度方向的下端面保持齐平3。此前一种卡尺内量爪检定装置的工作情况证明3，本次研究中所述的通用卡尺内量爪检定装置，结构简单，方便实用。首先是设计两个具有夹持口21的夹具2，不仅使检具2的尺寸不需要大于第一量块1的尺寸，即不需要针对不同尺寸的第一量块1更换不同尺寸的夹具2，有效地提高了夹具2的通用性；与此同时减轻了夹具2的重量，更主要的是降低了检具2的制造成本，从而有利于夹具2的使用、携带、保存和维护，大大地提高了检定效率。如图4所示，本次研究是对上一研究的延伸，其区别在于，该装置中还包括至少一个第二量块6，这是可拆卸的，将其夹在第一量块1的测量面与卡块3之间，第二量块6为标称长度小于100 mm的量块。同时，如果需要也可以在该通用卡尺检定装置一对中的另一个上夹持量块。此通用卡尺内量爪检定装置，综上所述可以组合出多种校准尺寸，满足了各种尺寸的通用卡尺内量爪检定需求，同时检定装置重量的减轻，体积的缩小，在方便通用卡尺内量爪示值校准的同时，也利于检定装置的使用、携带、保存和维护，进一步地加强检定装置的通用性。3通用卡尺的刀口内量爪示值误差的不确定度评定此处以数显卡尺分度值为0.01 mm的内量爪检定为例，主要以141.8、491.8、991.8 mm校准点示值误差测量结果不确定度进行评定，量块的等级为3级5等。3.1测量模型通用卡尺的示值误差的测量模型为：e=L-L0（1）式（1）中：e示值误差；L读数值；L0量块的长度。温度偏离在20 时需考虑受钢制量块线膨胀系数及其温度差的影响4-5，可以进行如下简化：e=LC-Lb+LCCtC-Lbbtb（2）式（2）中：e读数示值误差；LC20 条件时的读数值；Lb20 条件时的量块长度；C，b线膨胀系数；tC，tb偏离标准温度20 时的温度值。3.2方差和灵敏系数由于tC和tb的测量使用的是同一个温度设备，它们之间具有相关性，过程相对复杂，必须进行适当的简化。令=c-b；t=tC-tb取LLcLb；=c=bt=tC=tb由公式（2）得：e=LC-Lb+Lt+Lt（3）由公式（3），u2c=（fxi）2u2（xi）得：u2c=u2（e）=c21u21+c22u22+c23u23+c24u24（4）44DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN第1期标准不确定度分量u（xi）不确定度来源标准不确定度值u（xi）Ci|ci|u（xi）/mu1读数误差0.011 000/6=4.1 m14.1u2五等量块偏差141.8 mm：1.7 m-11.7491.8 mm：5.2 m5.2991.8 mm：9.8 m9.8u3热膨胀系数差141.8 mm：0.810-6Lt0.6491.8 mm：0.810-62.0991.8 mm：0.810-64.0u4温度差141.8 mm：0.5/3=0.29 L0.5491.8 mm：0.5/3=0.29 1.6991.8 mm：0.5/3=0.29 3.3表1标准不确定度一览表式（4）中：c1=e/Lc=1；c2=e/Lb=-1；c3=e/=Lt；c4=e/t=L3.3标准不确定度评定3.3.1标准不确定度一览表标准不确定度一览表如表1所示。3.3.2数显卡尺读数的标准不确定度分量u1对0.01 mm分度值的数显卡尺，三角分布k=6，由公式得：u1=0.016=0.004 1 mm=4.1 m3.3.33级5等量块估算的标准不确定度分量u2假设均匀分布，其标准不确定度为：L=141.8 mm时，u2=3.0/3=1.7 mL=491.8 mm时，u2=9.0/3=5.2 mL=991.8 mm时，u2=17.0/3=9.8 m3.3.4通用卡尺与量块热膨胀系数的影响的标准不确定度分量u3由于通用卡尺与量块的材料性质不同，其材料热膨胀系数为（11.51）10-6/，视为均匀分布；而210-6/是的半宽，属于三角分布，即k=6，假设测量尺寸L一般偏离标准温度范围在5，计算结果如下：L=141.8 mm时，u3=141 8005210-6/6=0.6 mL=491.8 mm时，u3=491 8005210-6/6=2.0 mL=991.8 mm时，u3=991 8005210-6/6=4.0 m3.3.5通用卡尺和量块的温度差的标准不确定度分量u4温度差的区间半宽假设为0.5，那么该量块的线膨胀系数为11.510-6/，此处视为均匀分布，k=3，计算如下：L=141.8 mm时，u4=141 80011.510-60.5/3=0.5 mL=491.8 mm时，u4=491 80011.510-60.5/3=1.6 mL=991.8 mm时，u4=991 80011.510-60.5/3=3.3 m3.3.6合成不确定度当L=141.8 mm=141 800 m时，t=5，则：u2c=u21+u22+u23+u24=4.12+1.22+0.62+0.52=18.86 uc=4.3 m同理可得：当L=491.8 mm时，uc=7.1 m当L=991.8 mm时，uc=11.9 m3.3.7扩展不确定度取k=2，则扩展不确定度如下：当L=141.8 mm时，U=kuc=24.3=0.009 mm当L=491.8 mm时，U=kuc=27.1=0.014 mm当L=991.8 mm时，U=kuc=211.9=0.024 mm3.3.8测量不确定度报告根据相同的评定方 法，得 到L=491.8 mm和L=991.8 mm的 扩 展 不 确 定 度 是0.014 mm、0.024 mm。结论：通过不确定度的相关评定可以看出，01 000 mm测量范围的通用卡尺示值误差的不确定度结果基本接近线性分布，其中L的单位为mm，公式如下：U=（6+L/50）m，k=2（5）本检定装置的结构设计，目的在于提供量块放置的区域，通过使用量块自身的结构特点，配合卡块、卡销和螺母的支撑作用，简化检定装置的结构，增加通用卡尺内量爪检定和校准的准确度和可注：u1、u2、u3和u4分别表示Lc、Lb、和t的标准不确定度水清波：通用卡尺内量爪检定装置的分析与设计45电子产品可靠性与环境试验DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN电子产品可靠性与环境试验2022年行性。4结束语本文针对通用卡尺内量爪的检定和校准设计3款检定装置，希望可以给相应测量范围通用卡尺的内量爪的检定和校准提供参考。现代测量越来越向智能化方向发展，运用机电控制系统，保证运动轨迹的精度，配合采用传感装置、驱动装置、传动设备和相关软件的设计，控制通用卡尺的测量方向及其速度，将通用卡尺的检定及校准向自动化、智能化领域发展。在进一步的研究设计工作中，笔者将对高科技手段在通用卡尺的测量和应用继续进行探索，希望能够找到提高测量系统自动化精度和效率的切入点，使得研究过程更科学可信，测量结果更实用可靠。参考文献：1全国几何量工程计量技术委员会.通用卡尺：JJG 302012 S.北京：中国质检出版社，2012.2全国几何量长度计量技术委员会.量块：JJG 1462011S.北京：中国质检出版社，2012.3水清波，李升春，周涵瀛.一种卡尺内量爪检具：CN208606652U P.2019-03-15.4但渝霞.游标卡尺测量误差来源分析J.计量与测试技术，2009（8）：12-15.5水清波.螺纹量规中径或光滑量规定直径的不确定度讨论J.电子产品可靠性与环境试验，2020，38（3）：80-84.信 息 与 动 态欧研发收集海底垃圾的机器人系统据报道，一个欧洲科研团队最近开发了一种可在水下收集垃圾的机器人系统，并成功地进行了原型机的首次测试。该机器人系统由4个自主机器人组成，能通过深度学习算法和声学传感器将垃圾与海洋动植物区分开来。欧盟在“地平线2020”框架下向海底收集垃圾项目资助500万欧元，希望研发机器人系统来收集海底垃圾。现在，这个名为“净海”的联合研究项目成功地完成了原型机的首次测试。该项目由来自5个国家的8个合作团队和49名研究人员共同参与。“净海”项目的机器人系统由4个自主机器人组成，包括一个自主（或遥控）的母船、一架无人机和两个水下机器人。这两个水下机器人通过缆线从母船上获得电力。无人机和其中一个水下机器人用来识别垃圾。它们通过深度学习算法和声学传感器将垃圾与海洋动植物区分开来。使用定制设计的抓取器和抽吸设备收集所检测到的垃圾，然后将其放到位于水面的收集箱中。空中飞行的无人机可将收集的信息生成一个虚拟地图。然后，水下机器人会驶过地图上的某些点并收集垃圾。通过所谓的多主体控制技术，所有的机器人都可以相互连接，当一个机器人改变位置时，其他机器人就会知道。除了一个机器人的初始命令外，整个系统无须人工干预。参与该项目的德国慕尼黑工业大学为机器人提供人工智能算法，教会水下机器人何时以及在何种条件下以某种方式移动。一旦发现并定位了垃圾，即便遇到强大的潮流，机器人也会坚持围绕它移动。同时，算法力求用尽可能少的数据作出最好的预测。“净海”项目的目标是以80%的预测率对水下垃圾进行分类，并成功地收集其中的90%，大致与潜水员的工作效果相当。（摘自光明网）46