CN85109523A - 分度值0.01mm游标量具原理及设计 - Google Patents

Abstract

分度值0.01mm游标量具系机械制造工业长度 测量通用工具。

本发明创造一种新型游标读数原理，它能应用 在普通游标卡尺上，还能设计出游标型公法线卡尺、 螺纹卡尺等量具，替代微分量具的某些领域。本发明 设计有枪式分度值0.01mm游标卡尺，它能单手完 成测力、锁紧、解除锁紧等测量动作。

本发明的V型游标卡尺具有独特结构，读数值 可达0.005mm，它宜作可调整的检验卡具使用。

Description

分度值0.01mm游标量具系机械制造工业长度测量通用工具，目前国内外游标量具最小分度值为0.02mm。

查阅文献

〔1〕中华人民共和国计量器具检定规程汇编，长度部份（一）

1980统一书号1520.91

〔2〕通用量具手册（中）（下）上海市计量技术研究所上海市第一机电

工业局计量管理站    1978年12月

〔3〕DIN量具1984德意志联邦共和国标准

机械工业部成都工具研究所

〔4〕“特萨”长度测量仪器    1979by    TESA    S.A.Renens    1979年版

应用本发明中的放大型游标读数原理，能制造出分度值0.01mm的普通卡尺、深度尺、高度尺等游标量具，还能设计出制造容易的内测游标卡尺、公法线游标卡尺、螺纹游标卡尺、V形砧游标卡尺等新颖结构游标量具，替代目前微分量具的某些领域。

本发明中的枪式放大型分度值0.01mm游标卡尺，是应用放大型游标读数原理所设计的一种新颖款式的游标卡尺。

本发明中的V型分度值0.01mm游标卡尺，是另一种独特结构的游标卡尺，应用普通游标卡尺的读数原理就能进行设计制造，如果结合放大型游标读数原理，则能够设计制造出分度值0.005mm的游标卡尺。

一、概述

游标量具结构简单、易于制造、使用方便，它是机械制造工业中应用十分广泛的一类测量工具。

自1850年美国人发明游标卡尺以来，游标读数原理沿用至今已有一百多年历史。近年来国内外虽有电子数字显示卡尺问世，但相对来说价格昂贵並且有示值误差较大的不足之处。从应用价值的角度来衡量，电子数字显示卡尺的出现並没使原来的一般卡尺退居左右，传统的游标量具，由于其本身所具有的独特优点，依然是机械工业生产中的主要测量工具。因此提高它们的使用价值，依然是当今的研究课题。

游标量具的读数精度目前最高为0.02mm。随着机械加工另件精度的提高，对通用量具的精度相应提出了更高的要求。除电子数字显示、带表卡尺外，国内外在改进结构以消除读数视差方面发展了很多新品种，但是都没有从根本上进行改革。

在提高通用量具的精度及读数效率方面，除数字显示外，各国都有所改进。带指示表的游标卡尺在很多国家都有生产。据资料报导比普通卡尺提高读数效率50%;其它如英国生产的一种精密钢球高度尺，在高度尺测头上装有千分尺测头，精度达0.01mm;日本三丰厂生产的一种数字高度尺，读数部份由数字指示器和百分表组成，示值也为0.01mm;国内有苏州长风机械厂等单位生产的带表游标卡尺，读数示值为0.02mm。这类量具实质上由二类量具组合而成，增加了一项结构必然就增添了一项误差，並且导致造价高与制造复杂的因素。

从以上情况可知，目前要制造出分度值0.01mm的游标量具，在制造技术上已不成为问题，关键问题是要在读数方法上要有新的突破。

为什么目前游标读数精度最高以0.02mm为极限呢？以游标卡尺为例，主要有以下二点原因：

1.由于受到本身结构的限制，如不符合阿贝原理等原因。

2.受到眼睛对两条刻线的对准程度，即分辨能力的限制。眼睛的鉴别率不会小于0.006mm，若游标读数值小于0.02mm就不易分辨尺杆刻线与游标刻线是否对准。所以至今为止，认为游标的读数精度不能再提高了。

本发明的读数方法，具有0.01mm的读数能力，与V型结构结合具有0.005mm的读数能力。本发明提高了游标量具的测量精度，扩大了使用范围，按照这种原理能生产出具有普遍实用意义的新颖游标量具。

二、放大型分度值0.01mm游标读数原理及应用设计

以0～50mm规格测量范围的枪式放大型分度值0.01mm游标卡尺（以下简称抢卡）为例进行设计，参照图1A、图1B、图1C、图2。

图1A、图1B、图1C，为枪式放大型分度值0.01mm游标卡尺缩小比率的总图，弓架〔1〕硬质合金片〔2〕尺杆〔3〕游标片〔4〕锁紧放松按钮〔5〕锁紧装置〔6〕抢把手〔7〕测力机构〔8〕。

枪卡应用放大型分度值0.01mm游标读数原理，透明材料具有纵向放大镜片的游标片〔4〕刻线与尺杆〔2〕刻线重合的读数方式，设计有可调节的测力机构〔8〕、锁紧装置〔6〕等结构，可实行单手测量，完成：测力、锁紧、与解除锁紧的测量动作。因为式样有些象枪，所以简称枪卡，枪卡外型参照图2。

表1为枪卡的某些特点，与目前市场上所供应的电子数字显示卡尺、分度值0.02mm游标卡尺、普通外径千分尺作一比较，从中可看出枪卡的优越性。

表1

（一）枪卡的主要技术规格

1.测量范围：0～50mm;50～100mm或更大规格

2.分度值：0.01mm

3.用途：测量外径、高度、深浅，可设计出测内径的用途

（二）枪卡的结构特点

枪卡测力大小可由弹簧调节在一定范围，除尺杆、游标片、弓架需相应的尺寸精度外，其它结构如锁紧装置等均为钢塑压注件组成，制造精度要求低，降低了生产成本。

1.枪卡符合阿贝原理

即‘测量轴线只有在基准轴线的移长线上，才能获得精确的测量结果’。

2.目前游标卡尺的测力大小完全凭测量者的手感，测力会引起误差。枪卡设计有可调节的自动纵向测力机构，测力能调节在一定范围内。

3.采用游标片与尺杆的刻线是否重合来读数，能改善由于视差所引起的读数误差。通过园柱形镜面纵向放大，0.01mm读数的分辨力为0.025mm。

4.图1A锁紧装置〔6〕的板机紧靠在图1C测力机构〔8〕的测量板机之下，由于锁紧装置〔6〕有小于8度的斜面，能产生自锁作用。

（三）放大型分度值0.01mm游标读数原理及设计

放大型分度值0.01mm游标读数其特征是：毫米的十分位、百分位分别读数，由园柱片平凸镜纵向放大刻线间距及重合与否，为消除象差，使观察部位处在透镜的几何中心位置，为此毫米百分位读数的分布将由透镜的几何尺寸决定，两个或多个读数在同一区域的读数方式，将根据需要设计演变。

根据本发明的读数原理可直接应用在目前的游标卡尺上，还能设计制造出分度值为0.01mm的公法线游标卡尺、深度游标卡尺、高度游标卡尺、螺纹游标卡尺等新产品，替代微分量具的某些领域。

1.尺杆刻线参照图3A图3B

尺杆0刻线〔1〕尺杆百分位刻线〔2〕尺杆十分位游标基线〔3〕尺杆十分位刻线〔4〕

（1）尺杆二侧有少许突起，使与游标片配合时留有少许间隙，这样既可防止游标片透明部份摩擦起毛，又有利于加工。但间隙越小越好，以免增加视差，影响读数精度。

（2）为区别游标的红刻线，尺杆刻线涂黑色。

（3）尺杆十分位刻线〔4〕间隔为0.90mm，实际上相当于起着普通游标卡尺游标刻线的作用。

2.游标片

游标片由透明材料制作，最宜用树脂材料一次成型工艺。游标片刻线参照图4A、图4B、图4C。

游标百分位刻线〔1〕游标百分位基线〔2〕游标标准基线〔3〕游标标准刻线〔4〕尺杆与游标的相对位置〔5〕涂白或制成麻纱状的范围〔6〕第三行第六刻线〔7〕。

（1）为易于区别尺杆的黑刻线，游标片刻线涂红色。

（2）游标片游标百分位刻线〔1〕第三行第六刻线〔7〕为基准，每隔4.01mm为中心两旁留有0.25mm的间隙，其余涂白或制成麻纱状。

为什么要涂白呢？

①为了便于使视线能集中在几个狭小的缝隙间，能比较快地作出反应。

②尽可能使被观察的读数部位接近在近轴光路范围内，对于其它扰乱视线的象差部份尽可能地遮盖掉。

③读数方法是以游标片刻线与尺杆刻线重合与否来确定，所以几乎不产生相对位置所引起的视差。

（四）游标片园柱形放大镜片的设定

取平凸镜

主观放大率    J＝25

园柱曲率半径    R＝5mm

焦距    f＝10mm

刻线离镜面距离（即物距）    U＝5mm

实际放大率    β＝2.5mm

由于受到眼睛分辨力的限制，目前游标卡尺的读数精度最小为0.02mm。眼睛的分辨能力约相当于0.005～0.006mm，也就是说在明视距离250mm时，最小视角为70″，若游标读数小于0.02mm，就不易分辨出尺杆刻线与游标刻线是否对准。枪卡由于应用放大型分度值0.01mm游标读数原理，放大率为2.5倍，因此对0.01mm的读数，分辨力实则上相当于0.025mm。就象是室温计的曲面对红酒精，体温表的曲面对水银柱所产生的放大作用一样。

（五）枪卡读数原理及方法参照图3A、图3B、图4A、图4B、图4C。

1.枪卡在0位时，图3A尺杆十分位刻线〔4〕带箭头尺杆0刻线〔1〕与图4B游标标准刻线〔4〕的零位重合，同时又与图4B百分位游标刻线〔1〕第一行的第一线相重合。

2.由于图4B游标片标准刻线〔4〕两刻线的间隔为整1mm，图3A尺杆十分位刻线〔4〕的间隔是0.90mm，那末图4B游标标准刻线〔4〕的第二线（以0刻线为第一线）与尺杆十分位刻线〔4〕的第二线（与图4B游标标准刻线〔4〕0刻线相重合的图3A尺杆十分位刻线〔4〕为尺杆0刻线〔1〕，即尺杆第一线）相距为0.10mm。当尺杆相对游标片向右移动0.10mm时，这两条刻线就重合。同样在零位时图3A尺杆十分位刻线〔4〕的第三线与相邻游标标准刻线〔4〕相距为：（1×2）＝（0.90×2）＝0.20mm，以此类推相应刻线分别相距为：0.30～1.00mm。随着尺杆相对游标片向右位移，就能从相应重合的线段中读出0.10～1.00mm的毫米十分位读数值。

（1）可能出现图3A尺杆十分位刻线〔4〕与任一图4B游标标准刻线〔4〕都不对准的情况，即图3A两条尺杆十分位刻线〔4〕在图4B两条游标标准刻线之间，可先读出图3A尺杆十分位刻线〔4〕左边一条所反映出的数值，再读出百分位读数随后相加。

（2）图3A尺杆十分位刻线〔4〕分第一区与第二区，整数小于40mm可在第一区读数，整数大于10mm可在第二区读数。

（3）图3A尺杆百分位刻线〔2〕相邻刻线间距是0.5mm，图4B游标百分位刻线〔2〕相邻间距为4.01mm，上行的第一条刻线与下一行的第一条刻度线相距为0.1mm。当在零位时图3A尺杆零刻线〔1〕与图4B游标标准刻线〔4〕零刻线重合，此时图3A尺杆百分位刻线〔2〕第九刻线与图4B游标百分位刻线〔1〕的第一行第二条刻线相距0.01mm，相应尺杆百分位刻线第十七条刻线与游标百分位第三条刻线相距0.02mm，以此类推为0.03～0.1mm。如果尺杆相对游标片右移0.01～0.1mm的距离，就能相应在图4B游标百分位刻线〔1〕第一行里找到与图3A尺杆百分位刻线〔2〕相重合的线段，通过放大镜片找出百分位读数值。

零位时图3A尺杆零刻线〔1〕与图4B游标百分位刻线〔1〕的第二行第一线相距0.1mm，以此类推与第五行第一刻线相距为0.4mm，又因为图3A尺杆百分位刻线〔2〕是0.5mm一格间距，所以在整个图4B游标百分位刻线〔2〕的范围内根据以下的读数方法就能读出整个0.01～1.00mm范围内的毫米百分位读数。

凡是十分位读数是0、5，百分位读数找第一行;

凡是十分位读数是1、6，百分位读数找第二行;

凡是十分位读数是2、7，百分位读数找第三行;

凡是十分位读数是3、8，百分位读数找第四行;

凡是十分位读数是4、9，百分位读数找第五行。

（4）毫米读数由图3A尺杆的零刻线〔1〕上的箭头，在图4B游标片标准刻线〔4〕上指示读数值。

（六）读数举例参照图3A、图4B。

1.5.32mm的读数法：

（1）图3A带箭头尺杆零刻线〔1〕指在图4B游标标准刻线〔4〕5读数过头一些的位置，整数读数值为5mm。

（2）整数读数值小于40mm，所以可以在图3A尺杆十分位刻线〔4〕的第一区读数。尺杆第一区第四线与第五线在图4B游标标准刻线〔4〕某格之间，根据左侧读数的原则读作0.3mm值。

（3）因为十分位读数是3，所以百分位读数要在图4B游标百分位刻线〔4〕的第四行中找相重合线段所示尺寸，结果是第四行中的第三线段与尺杆的某一刻线相重合，读数值为0.02mm。

总读数为：5mm+0.30mm+0.02mm＝5.32mm

2.34.78mm的读数法：

（1）图3A带箭头尺杆0刻线〔1〕指在图4B游标标准刻线〔4〕34读数过头的位置，整数读数值为34mm。

（2）由于整数部份的读数值大于10mm，所以可以在图3A尺杆十分位刻线〔4〕的第二区读数，图3A尺身第二区的第八线与第九线在图4B游标标准刻线〔4〕的某格之间，读数读左边一格，即为7，因此毫米的十分位读数是0.70mm。

（3）因为十分位读数是7，所以要在图4B游标百分位刻线〔1〕的第三行中找出与图3A尺杆百分位刻线〔2〕相重合的刻线，结果是第三行中的第九刻度线与图3A尺杆百分位刻线〔2〕的某一刻线相重合，因此毫米的百分位读数值为0.08mm。

总读数为：34mm+0.7mm+0.08mm＝34.78mm。

（七）测力机构及锁紧装置的结构原理

1.图5是枪卡测力机构的结构原理图

尺杆〔1〕测力护框〔2〕测力调节片〔3〕测力调节螺丝〔4〕测量板机〔5〕枪把手〔6〕尺框〔7〕测力弹簧〔8〕。

测力弹簧〔8〕使尺杆〔1〕保持一定范围的测力，且不工作状态保持零位，调节测力调节螺丝〔4〕，使测力调节片〔3〕移动，从而调节弹簧力的大小-测力的大小。测力护框〔2〕使枪卡外型完整美观也是测力另件的联系部份。

2.图6A、图6B是枪卡锁紧装置的结构原理图

锁紧板机〔1〕固紧销〔2〕弹簧〔3〕弓架〔4〕滑条〔5〕锁紧斜楔〔6〕枪把手〔7〕锁紧放松按钮〔8〕锁紧条〔9〕铜塞片〔10〕尺杆〔11〕。

弓架〔4〕作为量具的主体，本身比较薄，所以锁紧装置不采用在弓架上打孔或开槽的形式，以免影响弓架变形。本装置用在把手〔7〕内开槽的方式，由于把手〔7〕是钢塑复合材料组成的，所以制造工艺要求低。

固紧销〔2〕连接销紧板机〔1〕滑条〔5〕，扣动锁紧板机〔1〕克服弹簧〔3〕的弹力，通过滑条〔5〕锁紧斜楔〔6〕移动，锁紧条〔9〕上移通过铜塞片〔10〕卡住尺杆〔11〕，由于锁紧斜楔〔6〕角度小于8度具有自锁作用，所以能使尺杆锁紧在一定的位置上。

解除锁紧只需按锁紧放松按钮〔8〕即能解除锁紧。

（八）枪卡的使用方法参照图1A、图1C

1.平时在不工作状态，由于测力机构〔8〕的作用，尺杆〔3〕处于零位位置。

2.开始测量姆指执枪把手〔7〕的上方，中指扣测力机构〔8〕的测量板机，使尺杆〔3〕向大尺寸方向移动，只须稍大于被测另件尺寸即可。

3.卡尺的二侧硬质合金片〔2〕测量面候准工件后，轻轻放松测力机构〔8〕测量板机，执量具的力自然地移到食指与姆指的虎口上。

4.待测量板机全松开后，再次候正与工件的位置，可在游标片〔4〕上按读数原理直接读数。

5.也可用锁紧装置〔6〕锁紧后再读数，继以上动作再用中指扣锁紧装置〔6〕的锁紧板机，随后轻轻离开工件再读数。

6.使用完毕，用姆指扣测力机构〔8〕测量板机，中指按锁紧松开按钮〔5〕，锁紧松开，尺杆〔3〕靠测力回复零位。为了使尺杆与弓架不受冲击力，要轻轻松开姆指与中指的距离使尺杆〔3〕渐渐复零。在测量过程中也可由近姆指的掌部碰锁紧放松按钮〔5〕进行复零。

三、V型分度值0.01mm游标卡尺的结构原理（以0～50mm规格为例）

V型分度值0.01mm游标卡尺（以下简称V卡）的特征是按照直角三角形斜边与直角边的关系，使游标读数值能放大的原理，通过V型结构达到精密测量。

（一）V卡原理

1.参照图7A直角三角形ABC，∠BAC＝30°根据几何定理直角三角形30°的锐角所对的直角边为斜边的一半。如有点M从A点移至B点，即点M沿CB方向移动距离为b，相对AB方向移动了2b。

2.参照图7A，EF相当于固定测砧，M相当于尺杆测量面上的点，AB相当于游标读数部分，由此可知当测量距离移动了a，游标读数部分反映出2a。

3.图7B为V卡的原始形式，测砧〔1〕、尺杆〔2〕、游标〔3〕弓架〔4〕。参照图7B应用普通游标卡尺读数原理，原来是0.02mm读数值反映在测砧〔1〕测量方向上的实际尺寸是0.01mm，如游标的刻线再增加一倍，则能读出整个0～1mm范围内0.01mm的任意读数，采用尺杆〔2〕刻线与透明游标片〔3〕刻线相重合的方式，使游标刻线分布在整个游标片上，达到缩短游标片长度的目的;如结合放大型游标读数原理，则能读出0.005mm的读数值。

（二）V卡的设计形式

1.为什么要设计成V形呢？因为V卡在测量不同大小尺寸时，除了在测量方向上有大小的变化外，在垂直于测量方向上相对也有大距离的移动，本发明采用二只游标框，弓架制成V型，二把测杆的方法来实施。在测量小尺寸时参照图8A示意，两测杆同时下移;在测量大尺寸时参照图8B示意，两测杆同时上移，这种方式解决了二测量面上下方向的相对位移，保持测量面合理的相对位置。

2.V卡的左侧尺杆与游标片只须有整数读数，右侧尺杆与游标片有完整的读数系统。

3.V卡下方装有铸钢座，既可作把手，又可作基座安放在工作台上。

4.V卡测量面镶有硬质合金薄片。

（三）V卡用途及总图

1.V卡的用途介于通用量具与专用量具之间，它最宜在批量生产中作检具使用，能起到活络卡板的作用。当作专用检具使用时，可调整到某一固定示值，装上百分表与之配合使用，分度值0.01mm的百分表能反映出0.005mm的示值，使读数清楚，使用方便。

2.V型分度值0.01mm游标卡尺参照图9A、图9B。

副游标片〔1〕尺杆锁紧螺丝〔2〕副尺杆〔3〕主游标片〔4〕主尺杆〔5〕硬质合金镶片〔6〕测量支点〔7〕测量支点锁紧螺丝〔8〕测量支点把手〔9〕V卡座〔10〕。

（四）V卡的使用方法参照图9A、图9B。

1.先大致估计出被测工件的大小，或根据图纸的公称尺寸，调整V卡的中间位置。

例：估计尺寸或图纸的公称尺寸为40mm，那末V卡左侧副尺杆〔3〕可先调整在副游标片〔1〕20mm的读数位置，锁紧尺杆锁紧螺丝〔2〕后再使用右侧主尺杆进行精确测量。左右二侧读数值相加，即为被测量尺寸的数值。

2.可用手把住V卡座〔10〕俟近工作测量，最宜把V卡安放在工作台上对小工件进行检验。

3.测量支点〔7〕可根据需要拨测量支点把手〔9〕上下调节，V卡座〔10〕上有刻度，可根据被检尺寸的大小进行调节，随后支紧测量支点锁紧螺丝〔8〕。

Claims (4)

1、分度值0.01mm游标量具系机械制造工业长度测量通用工具，目前国内外游标量具的最小分度值为0.02mm，本发明的特征是创造放大型分度值0.01mm游标读数原理，应用这种原理设计有枪式放大型分度值0.01mm游标卡尺，与本发明中的V型分度值0.01mm游标卡尺原理相结合，能够设计制造出分度值0.005mm的游标卡尺。

2、根据权利要求1规定的放大型分度值0.01mm游标读数原理其特征是毫米的十分位、百分位分别读数，由园柱片平凸镜纵向放大刻线间距及重合与否，为消除象差，使观察部位处在透镜的几何中心位置，为此决定刻线的分布形式，两个或多个读数在同一区域的读数方式。

a.根据权利要求2所规定的游标读数原理其特征是除读数部份留有狭小的缝隙外其余涂白，使被观察的读数部位接近在近轴光路范围内。

b.根据权利要求2所规定的游标读数原理其特征是以游标片刻线与尺杆或其它形式的刻线板刻线重合与否来确定示值。

c.根据权利要求2所规定的游标读数原理其特征是尺杆或其它形式的刻线板与游标片刻线，由两种不同颜色组成。

3、根据权利要求1所规定的枪式放大型分度值0.01mm游标卡尺其特征是符合阿贝原理，具有测力机构、锁紧装置。

a.根据权利要求3所规定的测力机构参照图5其特征是测力弹簧〔8〕使尺杆〔1〕保持一定范围的测力，且不工作状态保持零位，调节测力调节螺丝〔4〕，使测力调节片〔3〕移动，从而调节弹簧力的大小-测力大小。

b.根据权利要求3所规定的测力机构，参照图6A、图6B其特征是扣动锁紧板机〔1〕克服弹簧〔3〕的弹力，通过滑条〔5〕锁紧斜楔〔6〕移动，锁紧条〔9〕上移通过铜塞片〔10〕卡住尺杆〔11〕，锁紧斜楔〔6〕角度小于8度具有自锁作用，锁紧放松按钮〔8〕能解除锁紧。

c.根据权利要求3，a所规定的锁紧装置参照图6B其特征是以在把手〔7〕内开槽的方式相结合，把手〔7〕是钢塑复合材料组成。

4、根据权利要求1所规定的V型分度值0.01mm游标卡尺参照图9B其特征是由V卡座〔10〕主游标片〔4〕副游标片〔1〕主尺杆〔5〕副尺杆〔3〕测量支点〔7〕等组成的测量装置。

a.参照图9B根据权利要求4所规定的主尺杆〔5〕副尺杆〔3〕其特征是中心线相交角为60°。

b.参照图9B根据权利要求4所规定的副尺杆〔3〕副游标片〔1〕其特征是只须有整数读数，主尺杆〔5〕主游杆片〔4〕其特征是有完整的读数系统。

c.参照图9B根据权利要求4所规定的测量支点〔7〕其特征是可拨动测量支点把手〔9〕上下调节，V卡座〔10〕上有相应刻度可供对照。

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