新型步距规的研制与探讨

(广西壮族自治区计量检测研究院 广西 南宁 530007)

一、引言

步距规是一种高精度多尺寸的长度标准器。主要用于检测数控机床的定位精度和三坐标测量机的位移精度。目前，数控机床和三坐标测量机广泛用于机械、汽车、航空、军工、家具、工具原型、机器等中小型配件、模具等行业中的箱体、机架、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、叶片、曲线、曲面等的测量，还可用于电子、五金、塑胶等行业中，对工件的尺寸、形状和形位公差进行精密检测，能高效地检测各类外形复杂工件的轮廓和外表外形及尺寸、角度和地位，特别是精细零部件的微观检测与质量节制，从而完成零件检测、外形测量、过程控制等重要任务。

制造业中的质量目标在于将零件的生产与设计要求保持一致。但是，保持生产过程的一致性要求对制造流程进行控制。建立和保持制造流程一致性最为有效的方法是准确地测量工件尺寸，获得尺寸信息后，分析和反馈数据到生产过程中，使之成为持续提高产品质量的有效工具。三坐标测量机是测量和获得尺寸数据的最有效的方法之一，并把复杂的测量任务所需时间从小时减到分钟，快速准确地评价尺寸数据，为操作者提供关于生产过程状况的有用信息，从而保证产品质量和稳定生产过程，提高生产效率。

因此，保证数控机床和三坐标测量机的测量精度，这将关系到企业在市场活动中的应变能力，而步距规作为数控机床和三坐标测量机的检测标准器，同时也是国际标准《坐标测量机的验收监测和复检检测》强烈推荐的实物长度标准器，其稳定性直接影响到企业产品的品质控制，所以，研制新型一体式高稳定性的步距规检测标准器，对于保障设备的长度综合精度，提高企业的市场竞争力，具有重要的决定作用。

二、步距规的现状

目前，高精度、多尺寸的步距规步距的尺寸数量可达100余个尺寸。可想而知,制造百余个高精度尺寸的步距规比制造单值尺寸量块困难多了,国际上先后研制出了三代步距规。第一代步距规为带垫块的组装式步距规(代表性生产企业为日本三丰公司,我国十余个生产步距规企业都是仿制三丰公司的结构)；第二代步距规为不带垫块的组装式步距规(代表性生产企业为德国KOBA公司,由于它组装调试工艺要求很高,生产困难因素多,技术难度大,我国步距规生产企业尚不能生产)；第三代步距规为一体式步距规(代表性生产企业为美国穆尔公司,由于它由超高精度的高端先进机床来制造,工艺流程复杂,我国步距规生产企业尚不能生产)。

前两代步距规有以下两大缺点：一是由于是组装式结构,需要将测量尺寸块组装在笨重的基座上,因而重量大,自重变形大,不便于携带和不便于安装使用；二是组装会有研合力、压紧力,历经数月、半年、一年后,应力变化和释放,尺寸精度会产生变化,年尺寸稳定性差是其先天的致命弱点,不能做为高精度的端度标准器,不能用于检测检测高精度长度计量仪器和高精度数控机床的坐标位移精度等重大高端设备,只能用于检测中低精度的长度计量仪器和中低精度的数控机床。第三代一体式步距规克服了前两代组装式步距规的两大缺点,达到了高精度量块的质量性能和年尺寸稳定性的要求。一台600mm长的步距规价格如下：国内生产的带垫块的组装式步距规约5万元,进口的不带垫块的组装式步距规约30万元,进口的一体式步距规约40多万元。

当前,我国十余家生产步距规企业都是停留在仿制日本三丰公司第一代带垫块的组装式步距规,为改变我国生产步距规的落后面貌,有必要研究一种高稳定度的步距规。高稳定度的步距规的研究将改变我国步距规产品的落后状态,促进和保障我国重大高精度制造设备的质量。

三、新型步距规研制的思路

研制新型一体式高稳定度步距规，首先研究设计结构形状合理的技术方案,其截面拟设计为变型矩形,结构形状简约,降低制造难度,使尺寸精度达到要求,刚性好,操作使用方便；试验研究制订合理的工艺流程,拟采用超高精度的坐标磨床磨削高精度测量面,再经研磨抛光加工,使测量面和拼接面达到尺寸精度和表面粗糙度的要求选用优质合金钢材质,热处理工艺流程中进行低温回火和深度冰冻处理,以保证步距规的年尺寸稳定性达到要求；经前期分析研究,采用了有别于两大尺寸量块夹板式的连接拼合结构,另辟蹊径设计了轴心线上连接拼合的结构,简单而可靠。步距规横截面比量块横截面大,因而拼合技术难度很大,对步距规拼合面的平面度和表面粗糙度要求极高。

四、新型步距规研制的方案

(一)整机结构设计

经查阅国内外步距规产品结构和质量指标,根据我国量具量仪加工能力,研究设计一体式步距规横截面为变型矩形面,基体与测量面凸块为大、小两矩形面。两步距规是采用了有别于两大尺寸量块夹板式的连接拼合结构,另辟蹊径设计了轴心线上连接拼合的结构,简单而可靠，拼接操作简单方案。

(二)整机加工工艺

根据我国量具量仪加工设备和工艺技术的实际情况，拟采用超高精度的坐标磨床磨削高精度测量面,再经研磨抛光加工,使测量面和拼接面达到尺寸精度和表面粗糙度的要求；选用优质合金钢材质,热处理工艺流程中进行低温回火和深度冰冻处理,以保证步距规的年尺寸稳定性达到要求。

五、新型步距规的优点

(1)该新型步距规是一体式高稳定性步距规，由于其横截面设计为变型矩形面,基体与测量面凸块为大、小两矩形面,它结构简约,容易加工,刚性好,还可以立、卧两用。它有别于美国穆尔公司的一体式步距规,它的横截面宽度大于高度,刚性差。也有别于国内某单位申请专利的一体式柱状步距规,柱状步距规结构复杂,加工困难,较笨重,刚性差；

(2)该新型步距规采用了有别于两大尺寸量块夹板式的连接拼合结构,而设计了轴心线上连接拼合的结构，简单而可。步距规的连接拼合方案只有横截面设计为变型矩形面一体式步距规才能很好实现,获得超大量程成为现实,使步距规能检测大型高精度三坐标测量机及大型数控机床成为可能,具有很大意义。