带表卡规的制作方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种带表卡规，涉及一种量具，能够有效提高带表卡规的测量精度。包括表爪量块和带测针的卡表，表爪量块安装在下手柄上，卡表安装在上手柄上，其测针与表爪量块顶端的曲面接触，并能够在上、下手柄相对转动的过程中在该曲面上沿着曲线的轨迹移动，下手柄上安装表爪量块处设有两个装配基准面，两个所述装配基准面相邻且相互垂直，两装配基准面距离卡规转轴轴心的尺寸均有严格的公差控制，用于厚度测量。
【专利说明】带表卡规
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种量具，尤其是一种带表卡规。
【背景技术】
[0002]在测量产品厚度时，通常可以使用带表卡规，带表卡规各零部件的制造及装配精度等因素会导致一定的测量误差，并影响到最终的检测精度，如表爪量块的装配过程，安装表爪量块时先粗定位，然后使用一系列厚度的标准量块来反复微调表爪量块及卡表的位置，此种方法费时费力，且最终调教出的卡规精度并不理想，只能确保O-1Omm较小量程范围内的测量精度，在较大的量程范围测量时误差值随着量程变大而显著增大。而在实际应用中，很多被测产品的精度是至关重要的，因此，改进现有带表卡规，提高带表卡规的精度十分必要。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种具有超长测深的带表卡规，能够有效提高带表卡规的测
量精度。
[0004]根据上述目的，本发明提供了以下技术方案:
[0005]第一方面，一种具有超长测深的带表卡规，包括通过转轴铰接的上手柄和下手柄，所述上手柄和所述下手柄被所述转轴分为钳口端和手持端，在所述转轴附近靠近所述钳口端的所述上手柄和所述下手柄之间设有连接弹簧，所述弹簧的拉力将所述上手柄和所述下手柄头部贴合在一起；还包括:
[0006]表爪量块和带测针的卡表，其中:所述表爪量块安装在下手柄上，其顶端为具有特定曲线轨迹且具有一定宽度的曲面；所述卡表安装在上手柄上，其测针与所述表爪量块顶端的曲面接触，并能够在上、下手柄相对转动的过程中在该曲面上沿着所述曲线的轨迹移动，所述下手柄上安装所述表爪量块处设有两个装配基准面，两个所述装配基准面相邻且相互垂直，所述装配基准面距离所述转轴轴心的尺寸均有严格的公差控制。
[0007]第二方面，结合第一方面可能的实现方式，所述上手柄和所述下手柄的钳口端分别设有加强筋板，所述加强筋板用于增强所述上手柄和所述下手柄的刚性。
[0008]第三方面，结合第一方面或第二方面可能的实现方式，所述转轴附近设有压紧点，所述压紧点将所述上手柄和所述下手柄紧密贴合在一起。
[0009]第四方面，结合第二方面可能的实现方式，所述上手柄、所述下手柄分别和其上的所述加强筋板一体成型。
[0010]第五方面，结合第四方面可能的实现方式，所述上手柄和所述下手柄使用钢或钛合金制造。
[0011]第六方面，结合第五方面可能的实现方式，所述上手柄和所述下手柄使用3.5毫米厚的钢或钛合金制造，且钳口端长度大于525毫米。
[0012]第七方面，结合第六方面可能的实现方式，所述上手柄和下手柄的钳口端头部分别安装有上、下测头，所述下手柄的测头端高度在25mm以内。
[0013]第八方面，结合第七方面可能的实现方式，还包括提手，并且所述上手柄和所述下手柄的手持端设有手柄套。
[0014]第九方面，结合第八方面可能的实现方式，所述表爪量块顶端曲面的曲线轨迹由40个不同α值对应的曲线上的B点拟合确定，点B的坐标值(XB，Yb)满足以下公式:
[0015]Xb=Cos ( β - α ).d+2sin α.sin ( α /2).D/S,
[0016]YB=sin ( β - α ).d+2cos α.sin ( α /2).D/S ;
[0017]上述公式基于，在卡表测针头运动轨迹线所在平面内建立平面直角坐标系，以该平面与转轴中心线的交点为坐标原点，卡规下测头的测量点与该中心线之间的垂直距离为D，以平行于该直线距离的直线为X轴，其中，α为卡规的张角；d为卡规的上下测点咬合时卡表测针头到坐标原点的距离，β为此时测针头和坐标原点之间的连线与X轴正向之间的夹角，且β为30° -90°之间的任意值，具体由卡规上下测头咬合且卡表指示零位时测针头所在的位置决定；S表示卡表的表盘指示值与测针的行程位移之间的比值。
[0018]第十方面，结合第九方面可能的实现方式，所述表爪量块设有两条棱，两条棱分别和一个装配基准面平行，每条棱顶紧和其平行的所述装配基准面，使所述表爪量块固定在指定位置。
[0019]本发明实施例提供的带表卡规，下手柄上设有两个装配基准面，两个所述装配基准面相邻且相互垂直，所述装配基准面距离所述转轴轴心的尺寸均有严格的公差控制。表爪量块在装配时只需将右侧面与下底面分别与上述基准面对齐即可精确定位。有效的提高了带表卡规的装配调试效率及测量精度，极具工程应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明实施例中上下测头咬合时的示意图；
[0021]图2为下手柄上装配基准面结构示意图；
[0022]图3为图1中的带表卡规表爪量块通过装配基准面安装示意图；
[0023]图4为本发明实施例中针对FC-8A发动机转弯段、进口段的带表卡规结构示意图；
[0024]图5为图4实施例中增加加强筋板的结构示意图；
[0025]图6为图4实施例一体成型的加强筋板的结构示意图；
[0026]图7为图1中的带表卡规张开α角时的示意图；
[0027]图8为图2的局部放大图；
[0028]图9为本发明实施例中表爪量块系列曲面轨迹线；
[0029]图10为本发明另一实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0030]以下结合附图对本发明进行详细说明。
[0031]在对现有带表卡规试验件的装配环节中，发现表爪量块的装配位置精度对卡规最终的测量精度影响极大，为了解决这一问题，如图1所示，在本发明的最佳实施例中，带表卡规包括通过转轴铰接的上手柄和下手柄，所述上手柄和所述下手柄被所述转轴分为钳口端和手持端，在所述转轴附近靠近所述钳口端的所述上手柄和所述下手柄之间设有连接弹簧，所述弹簧的拉力将所述上手柄和所述下手柄头部贴合在一起；还包括:
[0032]还包括表爪量块和带测针的卡表，其中:表爪量块安装在下手柄上，其顶端为具有特定曲线轨迹且具有一定宽度的曲面；卡表安装在上手柄上，其测针头与表爪量块顶端的曲面接触，并能够在上、下手柄相对转动的过程中在该曲面上沿着设定的曲线轨迹移动，所述下手柄上安装所述表爪量块处设有两个装配基准面，图2示出了装配基准面的结构，两个所述装配基准面相邻且相互垂直，所述装配基准面距离卡规转轴轴心的尺寸均有严格的公差控制。测量中可以将该装置看做绕转轴中心线转动的杠杆传动机构，最终靠安装在测量器具上的百分表读出测量值。
[0033]表爪量块在装配时按图3所示只需将右侧面与下底面分别与上述基准面对齐即可精确定位。为了将表爪量块的两条邻边分别和两个装配基准面对齐，在安装时，可以用尺子等物品将表爪量块的一条边和对应的装配基准面拦截对齐，表爪量块装配到位后，进行卡表的装配，并在卡规测头咬合时将百分表调整到零位状态即可。
[0034]为了提高安装效率和装配精度，可以在表爪量块上设有两条棱，两条棱分别和一个所述装配基准面平行，每条棱顶紧和其平行的所述装配基准面，使所述表爪量块固定在指定位置。
[0035]卡规装配到位后，使用标准量块对卡规进行了不同厚度的测量试验，测量结果表明卡规在O-1Omm的量程范围内精度可达±0.05mm,在10_30mm的量程范围内精度可达±0.1mm，较以往测量精度有一定提高，特别是在较大的量程测量中精度提高较大。
[0036]带表卡规通过上下测头卡住待测壁厚区的上下表面来进行测量，此时测量装置上下测头间张开的弦长可近似认为就是待测的壁厚值。该弦长可按一定比例关系变换后传递到卡表读数端。例如卡表的表盘指示值与测针的行程位移比例关系假设为5:1 (即S=5)，这就意味着待测壁厚值传递到读数端后，测针的位移值为待测值的1/5，而卡表表盘指示值再将测针的位移值以5倍放大还原，从而最终指示出待测壁厚值。
[0037]卡表可选用百分表。卡表测针头与表爪量块表面接触，并在表爪量块表面引导下来发生滑动位移，即测针的位移量取决于表爪量块的曲面轨迹。所以要使测量端待测弦长与卡表测针位移量严格按照一定比例关系运动变化，必须依靠表爪量块上特定的曲面轨迹来实现，因此需要求出表爪量块曲面的数学表达式，该表达式也即卡表测针头的运动轨迹方程。
[0038]在卡规测量中，要求上、下手柄应具有一定的刚性，以免发生过大的弹性变形从而影响到测量值的准确性及稳定度；手柄的钳口形状设计应满足测量深度及针对测量型腔的可达性的要求；手柄的手持部位应考虑手持操作的便利性。
[0039]针对某些特异型腔铸件，进一步的，在上述卡规的基础上，从上述异型腔铸件的测量技术指标出发，如图4所示，我们将测头到转轴的距离D值设计为525mm，该值约为前期卡规试验件D值的3倍多，也远远超过了市购卡规的有效测量深度。另外，所述上手柄和下手柄的钳口端头部分别安装有上、下测头，为了便于卡规一段测头能够伸入狭长铸件腔体内部，采用了上下手柄钳口形状的不对称设计，将卡规下手柄的测头端高度控制在25mm以内。
[0040]进一步的，为了解决由于卡规钳口过长，不锈钢材质的钳身刚性不足，存在明显的震颤现象的问题，提高所述上手柄和所述下手柄的刚性，如图5所示，可以在所述上手柄和所述下手柄的钳口端分别设有加强筋板。优选的，如图6所示，所述上手柄、所述下手柄分别和其上的所述加强筋板一体成型。
[0041]进一步的，为了提高了上下手柄间的贴合度从而消除了上下测头的错位现象，如图5所示，可以在所述转轴附近设有压紧点，所述压紧点将所述上手柄和所述下手柄紧密
贴合在一起。
[0042]所述上手柄和所述下手柄可以使用钢或钛合金制造，为了进一步提高卡规的刚性及操作性，所述上手柄和所述下手柄材料使用韧性更好的3Crl3钢或钛合金制造。
[0043]为了进一步保证卡规的刚性，所述上手柄和所述下手柄使用3.5mm厚的3Crl3钢或钛合金制造，且钳口端长度大于525毫米。
[0044]为了便于携带和操作，如图6所示，上述带表卡规还包括提手，并且所述上手柄和所述下手柄的手持端设有手柄套。
[0045]在本发明中，所述表爪量块顶端曲面的曲线轨迹由40个不同α值对应的曲线上的B点拟合确定:首先，在卡表测针头运动轨迹线所在平面内建立平面直角坐标系，以该平面与转轴中心线的交点为坐标原点0，卡规下测头的测量点与该中心线之间的垂直距离为D，以平行于该直线距离的直线为X轴，曲线上每一点在该坐标系中点B的坐标值(ΧΒ，ΥΒ)均满足以下公式:
[0046]Xb=Cos ( β - α ).d+2sin α.sin ( α /2).D/5(I) [0047]YB=sin ( β - α ).d+2cos α.sin ( α /2).D/5(2)
[0048]其中，α为卡规的张角；d为卡规的上下测点咬合时卡表测针头到坐标原点的距离，β为此时测针头和坐标原点之间的连线与X轴正向之间的夹角，且β为30° -90°之间的任意值，具体由卡规上下测头咬合且卡表指示零位时测针头所在的位置决定。
[0049]式(I)、(2)中除开合角α为变量外，其他值均为已知常量。将不同的开合角α代入式12、13，即可计算得到与之对应的B点的精确坐标值(ΧΒ，ΥΒ)，如果将得到的一系列的B点进行曲线拟合，即可得到测针头的运动轨迹，也就是表爪量块曲面轨迹线。
[0050]显然，在一定的坐标取值范围内，用于曲线拟合的B点数量越多，拟合得到的表爪量块曲面轨迹将越精准，最终的测量精度将越高。
[0051]为了便于读者理解，结合图1和图7，参考图8的布局放大图，下面对公式(I) (2)的推导过程进行简要说明:
[0052]在图1所示状态中，卡规处于测头闭合状态。此时已知如下初始值:测头到O点的距离为D，卡表测针头到O点的距离为d，测针头与O点的连线与水平线的夹角为β，卡表的表盘指示值与测针的行程位移比例关系为5:1。
[0053]当卡规张开α角时(下手柄不动，转动上手柄)，此时位置如图7及图8所示，按图中所示O点为圆心,建立X-Y直角坐标系。
[0054]根据三角函数关系，可得出卡钳张开的弦长L与张开角α的关系式:
[0055]L=2D*sin(a/2)(3)
[0056]此时卡表测针的回退行程为R，且R与L应满足下式:
[0057]R=L/5(4)
[0058]将式3代入式4，可得[0059]R=2D*sin(a/2)/5(5)
[0060]图8中的A点为测针延长线与以O点为圆心且半径为d的基圆的交点，该点在X-Y坐标系中的坐标值(XA、YA)可根据三角函数关系求得:
[0061]XA=cos ( β - a ).d(6)
[0062]YA=sin ( β - a ).d(7)
[0063]图8中的B点为测针头转动角a后的位置，该点坐标值(XB、YB)无法直接求出，但可根据三角函数关系求出B点相对于A点在X、Y坐标方向的增量值:
[0064]X 增=sin a.R(8)[0065]Y 增=Cos a.R(9)
[0066]B点坐标值(XB、YB)与A点坐标值(XA、YA)间显然有如下关系:
[0067]XB=XA+X 增(10)
[0068]YB=YA+Y 增(11)
[0069]将式6及式8代入式10，可得:
[0070]XB=Cos ( β - a ) d+sin a R(12)
[0071]将式7及式9代入式11，可得:
[0072]YB=sin ( β - a ).d+cos a.R(13)
[0073]最后将式5分别代入式12及式13，可得:
[0074]XB=Cos ( β - a ).d+2sin a.sin ( a /2).D/5(I)
[0075]YB=sin ( β - a ).d+2cos a.sin ( a /2).D/5(2)
[0076]至此，B点坐标值(XB、YB)的数学表达式已求出。式1、2中除开合角a为变量外，其他值均为已知常量。将不同的开合角a代入式1、2，即可计算得到与之对应的B点的精确坐标值(XB、YB)，如果将得到的一系列的B点进行曲线拟合，即可得到测针头的运动轨迹，也就是表爪量块曲面轨迹线。
[0077]优选的，在式(1)(2)中，150mm< D < 550mm。
[0078]由式1、2可知，其中的常量D、d、β取不同的初始值，将直接导致表爪量块曲面轨迹线出现不同的曲率形状。为了摸索出上述常量值不同的初始值与表爪量块曲面轨迹线的对应关系，将D值设为一定值(D值即为给定的测量深度)，卡表的表盘指示值与测针的行程位移比例关系为5:1的条件下，分别取不同的d值及β值，在一定a角开合范围内来计算并绘制表爪量块曲面轨迹线，得到了如图9所示的系列曲面轨迹线。
[0079]由图10可见，β初始角越小，曲面轨迹线越陡峭、短促，d初始值越大，曲面轨迹线越长，但d值所导致的陡峭度并非单向性，而是以d=0.2D为分界值，比此值越大、或越小，均趋于陡峭。在分界值处，D与d的比值为5:1，该比例值也是选定的卡表的表盘指示值与测针的行程位移比例值。
[0080]表爪量块曲面轨迹线较佳的曲率形状应该是不过于陡峭、短促，并与卡表测针尽量成垂直的位置关系，由此确定的β初始角合理取值范围为:30° -90°，d值取0.2D的相近值为佳。
[0081]测厚卡规的各零部件的制造精度直接影响到最终的测量精度，因此有必要严格控制各零部件的制造精度。
[0082]表爪量块是卡规各零部件中制造精度要求最高的零件，对最终的测量精度影响最大，故此零件的制造精度应重点保证。
[0083]由前文可知，表爪量块的曲面轨迹线精度与用于拟合曲线的B点数量成正比，理论上可以将开合角a在一定取值范围内无限细分，并代入式1、2从而计算出任意多的B点，但受限于线切割设备的制造精度，最终可确保的曲面轨迹轮廓度公差值为±0.01mm，这意味着用于曲线拟合的B点数量超过某一阈值后将无法进一步提高表爪量块的制造精度。
[0084]考虑到表爪量块会与卡表测针频繁地发生滑动摩擦，为了保证卡规的使用耐久度与测量稳定性，最终选定了 Crl2MoV钢来作为表爪量块的制造材质。
[0085]为了保证上下手柄之间转轴的旋转精度，可以考虑采用高精度薄型轴承件。在本发明中，选用了哈轴生产的代号为Z529的轴承，实际使用效果良好。
[0086]为了保证上下测头与被测铸件表面的良好贴合，同时考虑到测头的使用耐久度，测头使用Crl2MoV钢来作为制造材质，结构上采用了的球头设计来做为测头端。
[0087]卡规使用一段时间后，难免出现测头磨损并由此带来测量误差的增大，一定范围内的误差值可通过卡规精度调教来使之减小乃至消除。当由测头磨损导致的测量误差值无法通过卡规精度调教减小至0.05_的误差范围内时，应更换测头并按技术要求重新调校卡规，以恢复卡规应有的测量精度。
[0088]在本发明的另一实施例中，具有超长测深的带表卡规如图10所示。其结构与图1所示的带表卡规类似，主要零件基本相同，采用上述表卡量块1，但上手柄2、下手柄3的长度更大。并且上手柄与下手柄的钳口为非对称形状，所述上测点距离上手柄钳口的高度为下测点距离下手柄钳口高度的3倍以上。
[0089]在本发明的其他实施例中，采用不同设计参数设计，运用上述表爪两块曲线公式
(I)和(2)，设计出了各种规格的超长测深卡规，其主要结构参数及测量精度的检测结果如下表所示。
[0090]表 I
[0091]
【权利要求】
1.一种带表卡规，其特征在于，包括通过转轴铰接的上手柄和下手柄，所述上手柄和所述下手柄被所述转轴分为钳口端和手持端，在所述转轴附近靠近所述钳口端的所述上手柄和所述下手柄之间设有连接弹簧，所述弹簧的拉力将所述上手柄和所述下手柄头部贴合在一起；还包括: 表爪量块和带测针的卡表，其中:所述表爪量块安装在下手柄上，其顶端为具有特定曲线轨迹且具有一定宽度的曲面；所述卡表安装在上手柄上，其测针与所述表爪量块顶端的曲面接触，并能够在上、下手柄相对转动的过程中在该曲面上沿着所述曲线的轨迹移动，所述下手柄上安装所述表爪量块处设有两个装配基准面，两个所述装配基准面相邻且相互垂直，所述装配基准面距离所述转轴轴心的尺寸均有严格的公差控制。
2.如权利要求1所述的带表卡规，其特征在于，所述上手柄和所述下手柄的钳口端分别设有加强筋板，所述加强筋板用于增强所述上手柄和所述下手柄的刚性。
3.如权利要求1或2所述的带表卡规，其特征在于，所述转轴附近设有压紧点，所述压紧点将所述上手柄和所述下手柄紧密贴合在一起。
4.如权利要求2所述的带表卡规，其特征在于，所述上手柄、所述下手柄分别和其上的所述加强筋板一体成型。
5.如权利要求4所述的带表卡规，其特征在于，所述上手柄和所述下手柄使用钢或钛合金制造。
6.如权利要求5所述的带表卡规，其特征在于，所述上手柄和所述下手柄使用3.5毫米厚的钢或钛合金制造， 且钳口端长度大于525毫米。
7.如权利要求6所述的带表卡规，其特征在于，所述上手柄和下手柄的钳口端头部分别安装有上、下测头，所述下手柄的测头端高度在25mm以内。
8.如权利要求7所述的带表卡规，其特征在于，还包括提手，并且所述上手柄和所述下手柄的手持端设有手柄套。
9.如权利要求8所述的带表卡规，其特征在于，所述表爪量块顶端曲面的曲线轨迹由40个不同α值对应的曲线上的B点拟合确定，点B的坐标值(XB，Yb)满足以下公式:
Xb=Cos ( β - α ).d+2sin α.sin ( α /2).D/S,
YB=sin ( β - α ).d+2cos α.sin ( α /2).D/S ; 上述公式基于，在卡表测针头运动轨迹线所在平面内建立平面直角坐标系，以该平面与转轴中心线的交点为坐标原点，卡规下测头的测量点与该中心线之间的垂直距离为D，以平行于该直线距离的直线为X轴，其中，α为卡规的张角；(1为卡规的上下测点咬合时卡表测针头到坐标原点的距离，β为此时测针头和坐标原点之间的连线与X轴正向之间的夹角，且β为30° -90°之间的任意值，具体由卡规上下测头咬合且卡表指示零位时测针头所在的位置决定；S表示卡表的表盘指示值与测针的行程位移之间的比值。
10.如权利要求9所述的带表卡规，其特征在于，所述表爪量块设有两条棱，两条棱分别和一个装配基准面平行，每条棱顶紧和其平行的所述装配基准面，使所述表爪量块固定在指定位置。
【文档编号】G01B3/38GK103542783SQ201310489127
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月18日 优先权日:2013年10月18日
【发明者】赵鹏飞, 李丰, 周垚, 杨月, 宋一凡 申请人:北京动力机械研究所