一种基于千分表的大孔径精密检测装置设计

吴光辉

(娄底职业技术学院机电工程学院，湖南 娄底 417000)

0 引言

某厂生产的一批高精度大孔径系列零件，孔径范围在Φ500～1000H7，精度比较高，目前常用的接杆式内径千分尺如图1所示，是在普通内径千分尺的基础上，通过一根加长的连接杆来实现大尺寸内径的测量，存在测量力不恒定、准确性和效率都比较低等不足，为提高检测效率和检测可靠性，需设计一款高精度、易操作的检测装置，用于该系列零件的检测。

图1 接杆式内径千分尺

1 设计原理

本设计的主体是一个具有可伸缩结构的杆形支座，两测头位于支座的两端，其中包括一个弹性测头，同时设计有把手、千分表座等满足功能和使用的结构。测量时，先根据被测对象调整杆形支座的伸缩杆，将测量装置的整体长度调整至略长于被测内径并锁紧，记录下此时测量装置的自然长度L，然后压缩弹性测头将测量装置卡入被测内径，弹性测头将带动千分表压缩，压缩量为Δ，则被测内径D=L-Δ，该测量装置的原理如图2所示。

图2 测量装置原理

2 结构设计

2.1 测量杆设计

测量杆是该测量装置的主体，整体长度与检测对象相对应，检测对象基本尺寸越大，则测量杆长度也越长。内部为中空设计，可以容纳弹性装置等其他零部件。为满足装配的方便性和零件的加工工艺要求，将测量杆分解成三段长度接近的套筒，用连接柱将三段套筒连成一体，并在外部中间段的外部设计了具有防滑效果的橡胶套，便于抓握使用。因测量杆弹性测头一侧的内部设计有弹性结构，故还设计了一个带螺纹的堵盖，测量杆的结构如图3所示。

图3 测量装置主体装配图

2.2 活动测头及组件设计

活动测头及其附件是由活动测头、活动测头座和弹簧组成的一个可以伸缩的装置，其结构如图4所示，活动测头与活动测头座通过一个M10的螺纹连成一体，在堵盖的作用下对弹簧进行适当的压缩。当测量时，活动测头1接触到被测对象并收到测量对象的反作用力，反作用力带动活动测头座向右移动，压缩弹簧发生形变，弹簧弹力的大小便是该测量装置测量力的大小，有研究表明，测量力与测量精度存在直接的关系[1]。由该测量装置的原理可知，每次测量时，活动测头的压缩量非常小，所以，该测量装置的测量力基本恒定，可最大限度的消除由测量力波动导致的测量误差。

图4 测量装置原理

2.3 固定测头及组件设计

固定测头及其组件如图5所示，固定测头的结构与活动测头完全一致，这样有利于测量装置后期的维护和零件更换。固定测头座通过两个螺钉与固定测头套筒联接，通过改变固定套筒座的位置可以调节固定套筒座伸出的长度，从而调节整个测量装置的初始长度，本设计针对检测对象基本尺寸为500 mm进行设计，其初始长度范围为495～525 mm。测量装置的调节范围由固定测头座上的键槽控制。

图5 测量装置原理

2.4 表架及附件设计

表架及附件包括表架、触头和触头座，其结构见图6所示，表架的作用是将千分表可靠的固定于测量装置上，千分表与表架的锁紧及表架与测量装置的锁紧均采用最简单的螺纹连接，触头座通过过盈配合固定于活动测头座上，触头座与千分表之间又设置了一个触头，以保证千分表的测头与触头座充分接触。表架及其附件的装配需确保千分表与触头接触并产生适当的预压缩量，这是测量装置准确测量的重要因素，预压缩量的设置与表的结构有关，对于大指针转一周为1 mm的，预压缩8～25个分度，对于大指针转一周为0.5 mm的，预压缩4～12个分度[2]。

图6 测量装置原理

2.5 测量装置整体结构

整个设计在UG软件中进行，零件设计完成后，在UG的装配环境下完成装置的三维总装并导出二维总装图，如图7所示。图示检测装置的检测范围为495～525 mm，而检测对象的系列尺寸跨度范围为500～1000 mm，更换长度合适的固定测头套筒15和固定测头座16，便可获得相应的检测范围。

图7 测量装置三维总装图

3 仪表的选用

该测量装置的设计中，仪表的正确选用是保证测量精度的基础。该测量装置将用于Φ500～Φ1000 mm内孔直径的检测，尺寸精度为IT7级。为了确保检测仪检测结果的准确性，本设计对三个范围的内孔直径尺寸进行计算，并查出相应范围的公差值，见表1所示。

表1 检测尺寸范围与公差值

根据互换性与测量技术基础[4]中量具设计相关理论，仪表的确定需根据被测工件情况和相关表格，确定工件安全裕度A、测量器具不确定度允许值u1和仪表的不确定度值u1’。其中安全裕度A和测量器具不确定度允许值u1可以通过工件公差值查得，仪表的不确定度值u1’可根据工件的基本尺寸查得，在查取u1’时，需结合本测量装置的原理综合考虑。本设计中，虽然被测工件的基本尺寸为500～1000 mm，而实际使用时，测量装置的主体长度会调整至略大于被测内径，千分表的实际测量是很小的，所以基本尺寸应按指示表不确定度表中的第一档0～25 mm所在行查取且满足式(1)，A、u1和u1’的值列于表2。

表2 A、u1和u1’的值

u1’

(1)

综上，本设计可选择的仪表，分度值为0.001 mm或0.002 mm，分度值为0.001 mm的0级千分表，在全程范围内满足检测要求，1级千分表在0.2 mm范围内满足检测要求；分度值为0.002 mm的千分表，在1圈范围内满足检测要求。

4 结论

该测量装置结构紧凑，制造成本低，测量精度高，测量力由内置弹簧决定，不拘泥于操作者的技术水平，减少了人工因素对测量结果的影响。

该测量装置灵活性好，只需改变固定测头套筒，便可对测量范围进行较大幅度的调整，能够实现对系列孔径Φ500～1000H7的检测。

该检测装置能对1000 mm以内不高于IT7级精度要求的大孔径或槽进行验证性检测，因受限于测量装置主体自重和刚性，不宜再扩大检测量程和提高精度。

在执行检测时，应根据具体的基本尺寸，计算出验收极限，并根据验收极限对产品进行验收，而并非直接根据公差值验收。