数显卡尺校验装置的结构设计

数显卡尺常用的校验方法是量块测量法，用多个块量块作为基准长度，根据数显卡尺中内部程序设定好的检定点，分别用不同的量块依次校验，将显示器上的数据调整与量块相同并保存，直至所有检定点依次校准结束即达到校准的要求。国内大多数厂家都是采用人工校验的方法，少数企业是通过容栅系统中的定栅校验来提高卡尺的精度和准确性，所以，研究自动化技术是十分必要的。

1、设计原理及技术要求

1.1 阿贝原理

只有当被测量轴线与基准轴线重合，或在其延长线时，由于导轨的直线度或间隙引起的测量误差为最小，这就是阿贝原理。测量仪器按不按阿贝测长原则设计，所产生的测量误差差别较大，应用阿贝测长原则，可以显著减少测量头移动方向偏差对测量结果的影响，因此阿贝测长是精密测量中非常重要的原则。

1.2 技术要求

根据各类数显卡尺测量范围和生产批量不同，经研究确定对校验装置提出如下技术要求：

测量范围为0-500mm，分辨率为0.001mm；测量温度20℃±5℃，相对湿度≤80%；测量精度小于0.002mm；对校验件具有通用性，可以校验500mm以内各种长度的数显卡尺。

2、机械结构设计

本设计的数显卡尺自动化校验装置主要由工作台、定位机构、夹紧机构、水平移动机构、光栅装置、计算机等组成。总体结构如图1所示。

装置的工作过程为：①将待校验数显卡尺放在校验台面上，通过定位机构的三个定位面确定数显卡尺与装置的相对位置，用夹紧机构将数显卡尺夹紧，通过光栅装置采集数显卡尺起始位置的数据，通过数据处理判定数显卡尺起始位置并记录位置坐标，而后传递到计算机；②数显卡尺副尺保持静止，通过水平移动机构沿轴向移动数显卡尺主尺至下一个校验点，暂停移动并由光栅装置记录移动位移量传递到计算机；③重复步骤2直至光栅装置获取到所设定的最后一个校验点校验完成；④计算机将所获得的光栅数据与所有校验点数据进行综合处理、误差补偿，并判断出待测数显卡尺是否合格。其工作原理如图2。

2.1 水平移动机构

在校验过程中，为了校验数显卡尺的所有校验点，实现数显卡尺的副尺自动化地移动到校验点，在设计中采用滚动直线导轨带动卡尺运动，保证数显卡尺的运动轨迹与导轨的运动轨迹平行。水平移动机构采用步进电机为驱动，利用滚珠丝杠将旋转运动转换为直线运动，同时配合使用直线导轨，保证了结构的稳定性。

水平移动机构与数显卡尺的尺尾部分连接，保证当该机构运动时，数显卡尺主尺运动，因此在该机构上设计有定位块Y和夹具C。定位块Y保证数显卡尺在装置中Y轴方向的位置，由于数显卡尺校验过程中，深度尺部分会伸出，因此，在定位块Y中心线处留有一条宽度略大于深度尺的缝隙，以防影响数显卡尺深度尺的运动。夹具C采用的是垂直式快速夹具，用于夹紧数显卡尺主尺的尾部，使其在运动过程中与滑台保持相对静止。

2.2 光栅装置的设计

在校验过程中，量程为150mm的数显卡尺所允许的最大误差为0.03mm，故仪器精度的高低对数显卡尺校验结果影响很大。通常仪器的精度应为被测件精度的1/10，其中基准传感器精度直接影响仪器的测量精度。数显卡尺属直线位移校验，校验基准传感器可以采用光栅、磁栅尺、感应同步器、长度编码器等，也有用激光干涉仪直接校验的。经综合分析，由于光栅传感器的综合性能优于其余几种，故装置所用基准传感器选光栅比较好。

如图4所示，光栅装置包括光栅读数头、标尺光栅，为了减少阿贝误差，标尺光栅安装在工作台上的位置需要非常重要，要保证其中心线与导轨的中心线在同一条水平线上。光栅读数头通过移动台与夹具A、夹具B固定在一起，根据数显卡尺的结构特点和夹紧需要，夹具A采用的是垂直式快速夹具，与定位块Z保证数显卡尺在装置中上下方向的位置；夹具B采用的是推拉式快速夹具，确定数显卡尺在Y轴方向的位置，使光栅读数头位移量与滚珠丝杠的滑台位移量相同。

2.3 支撑架的设计

根据数显卡尺特殊的结构，校验过程中不仅需要保证数显卡尺主尺的相对位置，还需要保证副尺的相对位置。在本设计中，校验过程是由主尺运动、副尺保持静止来实现的，既简化装置的设计，又保证精度，减少不必要的误差。因此，除了在主尺的两端设计定位、夹紧机构，还需设计副尺的支撑及定位机构。如图5所示，为支撑架的结构设计图。

根据光栅装置和水平移动机构的高度，为保证数显卡尺在安装过程中的水平放置，设計出高度为60mm，厚度为8mm的支撑架。为了实现副尺的定位，采用推拉式快速夹具D，与定位块X共同作用。根据推拉式快速夹具的实际高度及数显卡尺的高度，支撑架的一边高度需要重新调整，其厚度减少为3mm，具体设计如图5所示。

3、结论

本校验装置的机械结构具有模块化程度高、传动方案简单、易于装调等优点，整体的机械结构性能和各零部件之间的机械强度均满足要求。不仅实现了对国标中的校验点校验，也可以对任意一点进行校验，解决了传统人工校验的速度慢，人工误差较大的难题，尤其是引入了光栅测长系统，大大提高了校验准确度。因此具有校验精度高，速度快，操作简单方便等优点，很大的满足了数显卡尺行业的校验需求，具有很大的发展潜力和应用前景。

（作者单位：无锡机电高等职业技术学校）