步距規(guī)步距規(guī)的精度

一般認(rèn)為，量塊是最高精度的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)。量塊可以相互研和，組成一定長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)，但是將幾十個(gè)量塊研和在一起，組成一個(gè)高精度的尺寸列是十分困難的，即使在一定的技術(shù)裝備幫助下，可以將幾十個(gè)量塊研和在一起，在將研和好的量塊組合體裝入步距規(guī)的基體時(shí)，也很容易破壞研和狀態(tài)，進(jìn)而影響步距規(guī)尺寸列的精度。除此之外，壓緊塊對(duì)量塊組合體的壓緊力，溫度變化等因素也影響步距規(guī)的精度。

1、影響步距規(guī)精度的因素

步距規(guī)的一個(gè)長(zhǎng)度尺寸可以公式1表達(dá)：

L= l₀ Δl₁ Δl₂ Δl₃（1）

式中，L為步距規(guī)某一尺寸的實(shí)際長(zhǎng)度；l₀為組成步距規(guī)某一尺寸的量塊的理想長(zhǎng)度；Δl₁為量塊的偏差值；Δl₂為量塊組合體平行性導(dǎo)致的偏差值；Δl₃為溫度導(dǎo)致的長(zhǎng)度偏差。

（1）量塊的偏差值Δl₁

量塊的偏差是由量塊檢定的不確定度產(chǎn)生的。3等量塊的檢定不確定度是（0.1 L）μm，如果使用60個(gè)10mm的量塊組成600mm長(zhǎng)的步距規(guī)，這個(gè)長(zhǎng)度的偏差為：

Δl₁=

（2）量塊組合體平行性導(dǎo)致的偏差值Δl₂

由于研和、裝配的原因，步距規(guī)量塊工作面不可能完全平行。一般情況下，步距規(guī)量塊的可使用面積是10mm× 10mm，如果將這個(gè)面積上平行度最大偏差控制在3μm以內(nèi)，而量塊的實(shí)際使用面積控制在3mm× 3mm，則量塊組合體平行性導(dǎo)致的偏差值：Δl₂≈ 1.0μm （3）

（3）溫度導(dǎo)致的長(zhǎng)度偏差Δl₃

步距規(guī)所使用的陶瓷量塊具有熱膨脹特性，其熱膨脹系數(shù)約4× 10^-6K^-1。對(duì)于600mm長(zhǎng)的步距規(guī)每溫度變化1K所引起的長(zhǎng)度偏差為：Δl₃= 2.4μm （4）

以上三個(gè)影響步距規(guī)精度的因素中，量塊的偏差值Δl₁是由于量塊檢定不確定度而產(chǎn)生的，不能避免和減少；量塊組合體平行性導(dǎo)致的偏差值Δl₂是由于量塊研和及步距規(guī)組裝過(guò)程所產(chǎn)生的，這項(xiàng)偏差可以通過(guò)不斷改進(jìn)步距規(guī)的制造工藝而逐步減??；溫度導(dǎo)致的長(zhǎng)度偏差Δl₃是由于材料的熱膨脹特性所產(chǎn)生的，這項(xiàng)偏差可以通過(guò)改善步距規(guī)使用的環(huán)境條件，和使用溫度傳感器測(cè)量工作溫度，根據(jù)材料的熱脹系數(shù)對(duì)長(zhǎng)度尺寸進(jìn)行補(bǔ)償而減小。

2、步距規(guī)的穩(wěn)定性

由于步距規(guī)的基體是由花崗石制造的，因此在整體上有很好的剛性和穩(wěn)定性，在使用過(guò)程中步距規(guī)不像量塊那樣?jì)蓺?，甚至可以像?duì)機(jī)械部件一樣對(duì)它進(jìn)行裝卡。但是步距規(guī)也有薄弱環(huán)節(jié)，由于結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)的原因，步距規(guī)的基體與量塊組合體之間有一定的間隙，量塊組合體在這個(gè)間隙范圍內(nèi)具有一定的自由度，在一定外部條件影響下量塊組合體可能會(huì)發(fā)生一些變化，進(jìn)而影響步距規(guī)的精度。解決這個(gè)問(wèn)題有兩個(gè)辦法，一是在步距規(guī)的基體與量塊組合體之間的間隙內(nèi)加入彈性介質(zhì)，其作用是對(duì)量塊組合體的移動(dòng)和變化有一定的限制，同時(shí)不完全約束其自由度；另外一個(gè)辦法是改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使量塊組合體完全避免外力的作用，具體結(jié)構(gòu)可能會(huì)很多，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)創(chuàng)造力自行設(shè)計(jì)。

1、步距規(guī)的外部特征

步距規(guī)主要由基體、基面定位塊、量塊組合體和側(cè)蓋組成，其外形如圖1所示。量塊組合體左邊的第一個(gè)量塊與基面定位塊的一個(gè)平面研和，基面定位塊具有很高的平行度，它的另一個(gè)平面可以作為步距規(guī)的一個(gè)基準(zhǔn)平面，這種結(jié)構(gòu)可以使步距規(guī)有一個(gè)較大的基準(zhǔn)平面，以方便使用。量塊組合體是由一定數(shù)量的量塊研和而成的，它形成了步距規(guī)的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)尺寸。通過(guò)使用各種尺寸的量塊可以組合出不同步距的量塊組合體，從而形成不同步距尺寸的步距規(guī)，以滿足不同用戶的要求。步距規(guī)的基體是用花崗石制成的，有良好的穩(wěn)定性和剛性，方便使用和運(yùn)輸。

2、步距規(guī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2表示了步距規(guī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

量塊組合體是安裝在步距規(guī)基體內(nèi)部的，壓緊塊通過(guò)兩根拉絲將量塊組合體壓緊在基面塊上，壓緊塊的中間有一個(gè)凸起的球體，這個(gè)球體將壓緊力作用在量塊組合體上，使壓緊力通過(guò)量塊組合體的軸線?；鎵K、量塊、拉絲和壓緊塊構(gòu)成了一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，由于拉絲很細(xì)，可以視為彈性體，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，量塊按陶瓷的熱漲系數(shù)自由膨脹或收縮?；w與量塊組合體之間有一定的間隙，這樣在溫度發(fā)生變化時(shí)，基體和量塊組合體各自獨(dú)立膨脹或收縮，相互之間沒(méi)有作用力，提高了步距規(guī)的精度和穩(wěn)定性。

市場(chǎng)上現(xiàn)有的步距規(guī)有以下幾種：

1、用于水平測(cè)量的臥式步距規(guī)；

2、用于垂直測(cè)量的立式步距規(guī)；

3、用于水平和垂直測(cè)量的立臥兩用步距規(guī)；

4、用于空間角度位移的測(cè)量（需要加支座），比如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。

在長(zhǎng)度計(jì)量領(lǐng)域里，量塊是一種使用非常廣泛的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器，很多計(jì)量器具都是用量塊進(jìn)行量值溯源。但是在有些情況下，使用量塊進(jìn)行計(jì)量工作會(huì)使操作人員感到不方便。例如：使用量塊對(duì)坐標(biāo)機(jī)示值偏差進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，由于量塊尺寸的單一性，使得每次校準(zhǔn)都需要很多個(gè)量塊，并需要專用的裝置進(jìn)行裝卡。另外，大尺寸量塊比較容易損壞，如果攜帶外出開(kāi)展校準(zhǔn)工作，很可能損壞量塊，造成損失。步距規(guī)克服了量塊的這些缺點(diǎn)，它的特點(diǎn)是多尺寸、高精度、剛性好，攜帶方便。但是這種計(jì)量器具在設(shè)計(jì)、制造和校準(zhǔn)方面有一定的難度，到目前為止我國(guó)沒(méi)有步距規(guī)產(chǎn)品。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院長(zhǎng)度處在過(guò)去的幾年里對(duì)步距規(guī)進(jìn)行了研究，試制了一種用陶瓷量塊組合體作為尺寸標(biāo)準(zhǔn)，用花崗石作為基體的步距規(guī)。這種步距規(guī)有如下特點(diǎn)：（1）用量塊組合出步距尺寸，這樣可以提高步距尺寸的精度，并降低造價(jià)；（2）步距規(guī)的基體和量塊組合體各自獨(dú)立膨脹或收縮，減少外部因素對(duì)步距規(guī)精度的影響；（3）陶瓷量塊的線漲系數(shù)較低，減小了環(huán)境溫度對(duì)步距規(guī)精度的影響。

由于步距規(guī)是使用廣泛的高精度實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器，因此能否校準(zhǔn)這種計(jì)量器具是衡量幾何量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的重要標(biāo)志。國(guó)際計(jì)量局（BIPM）把步距規(guī)列入了國(guó)際比對(duì)項(xiàng)目，我國(guó)是比對(duì)參加國(guó)之一。計(jì)量院長(zhǎng)度處螺紋/坐標(biāo)實(shí)驗(yàn)室除了開(kāi)展日常的步距規(guī)校準(zhǔn)工作，還承擔(dān)步距規(guī)的國(guó)際比對(duì)任務(wù)。

1、測(cè)量設(shè)備和環(huán)境條件

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，步距規(guī)的校準(zhǔn)可以通過(guò)兩種方法完成，一種方法是使用LeitzPMM12106坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)步距規(guī)的尺寸直接進(jìn)行測(cè)量；另一種方法是結(jié)合使用坐標(biāo)機(jī)和美國(guó)惠普公司的5529雙頻激光干涉儀對(duì)步距規(guī)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)室共有8個(gè)房間，其中有兩個(gè)房間的環(huán)境溫度設(shè)計(jì)指標(biāo)為（20± 0.2）℃ ，其余房間的環(huán)境溫度設(shè)計(jì)指標(biāo)為（20± 1）℃ ，步距規(guī)的校準(zhǔn)是在環(huán)境溫度為（20± 0.2）℃的房間內(nèi)進(jìn)行的。

2、測(cè)量過(guò)程和測(cè)量不確定度

（1）單獨(dú)使用坐標(biāo)機(jī)的測(cè)量過(guò)程和測(cè)量不確定度

將步距規(guī)沿坐標(biāo)機(jī)長(zhǎng)軸放置，適當(dāng)卡緊。以步距規(guī)基面定位塊的一個(gè)平面、基體的一個(gè)側(cè)面和步距規(guī)上部任意一點(diǎn)為元素，在步距規(guī)上建立三維笛卡兒坐標(biāo)系。坐標(biāo)機(jī)接觸式測(cè)頭對(duì)步距規(guī)上的量塊工作面進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)平面測(cè)5點(diǎn)，計(jì)算機(jī)計(jì)算出量塊平面之間的距離和平面之間的平行性，量塊之間的距離和平行性是評(píng)價(jià)步距規(guī)的兩個(gè)指標(biāo)參數(shù)。這種測(cè)量方法的測(cè)量不確定度主要有坐標(biāo)機(jī)的長(zhǎng)度測(cè)量示值誤差、溫度傳感器的精度、環(huán)境條件等因素，這種方法的總測(cè)量不確定度約為：U=（0.6 L/600）μm，K= 2。

（2）結(jié)合使用坐標(biāo)機(jī)和激光干涉儀的測(cè)量過(guò)程和測(cè)量不確定度

將激光干涉儀的反射鏡和步距規(guī)裝卡在坐標(biāo)機(jī)移動(dòng)工作臺(tái)上，調(diào)整光路，使激光光路與工作臺(tái)的移動(dòng)方向平行。Leitz坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭有一個(gè)特性，就是可以在鎖緊按鈕時(shí)，以一個(gè)恒定的偏移靠在被測(cè)物體表面，步距規(guī)的校準(zhǔn)就是利用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的這個(gè)特性，依次將測(cè)頭靠在步距規(guī)量塊的指定測(cè)量點(diǎn)上，讀入激光干涉儀的示值，換句話說(shuō)就是，使用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)步距規(guī)的每個(gè)測(cè)量面進(jìn)行瞄準(zhǔn)，通過(guò)激光干涉儀的指示值進(jìn)行示值測(cè)量。為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度，我們使用了高準(zhǔn)確度的氣壓計(jì)、溫度計(jì)對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行修正。通過(guò)計(jì)算機(jī)將這些儀器與5528激光干涉儀連機(jī)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)實(shí)時(shí)補(bǔ)償。影響這種測(cè)量方法不確定度的因素有坐標(biāo)機(jī)測(cè)頭穩(wěn)定性、激光干涉儀的測(cè)長(zhǎng)不確定度、坐標(biāo)機(jī)移動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)的角擺和直線性、環(huán)境條件等因素。

根據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得出這種測(cè)量方法的測(cè)量不確定度約為：U=（0.4 0.4L/1000）μm，K= 2。 2100433B

主要用于檢測(cè)線紋尺、光柵尺、容柵尺、以及激光干涉儀等一維線紋標(biāo)準(zhǔn)器及量塊、步距規(guī)等一維端面標(biāo)準(zhǔn)器。

TESA-HITE or TESA MICRO-HITE,無(wú)論手動(dòng)還是自動(dòng)，都不需要專業(yè)的技能，幾乎所有生產(chǎn)線的人可以輕松的掌握使用。

SCS校驗(yàn)證書

TESA-HITE和TESA MICRO-HITE生產(chǎn)線有了自己的由SCS認(rèn)證合格的溫度控制實(shí)驗(yàn)室，因此，每一款測(cè)高儀都包含有免費(fèi)的SCS的校驗(yàn)證書。

幾乎可以忽略的溫度變化(20°C ±0,1°)，以及采用高精度的步距規(guī)，在校驗(yàn)過(guò)程中可以做到最低的測(cè)量不確定度。

第一步，所有已裝配完成的測(cè)高儀系統(tǒng)誤差的自動(dòng)補(bǔ)償所需要的數(shù)值將通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助精度(CAA)獲得。

一旦計(jì)算完畢，每個(gè)單一的補(bǔ)償值將被存儲(chǔ)在測(cè)高儀內(nèi)存中以便在校驗(yàn)中自動(dòng)的對(duì)測(cè)量值做出校正修改。

最后，基于通過(guò)測(cè)量另外一個(gè)步距規(guī)所獲得的一系列測(cè)量數(shù)據(jù)得到相關(guān)的校驗(yàn)證書，校驗(yàn)步驟和SCS都確保每一款測(cè)高儀可以追溯到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。2100433B

TESA-HITE或TESA MICRO-HITE測(cè)高儀幾乎可以忽略的溫度變化(20°C ±0,1°)，采用高精度的步距規(guī)，在校驗(yàn)過(guò)程中可以做到最低的測(cè)量不確定度。所有已裝配完成的測(cè)高儀系統(tǒng)誤差的自動(dòng)補(bǔ)償所需要的數(shù)值將通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助精度(CAA)獲得。一旦計(jì)算完畢，每個(gè)單一的補(bǔ)償值將被存儲(chǔ)在測(cè)高儀內(nèi)存中以便在校驗(yàn)中自動(dòng)的對(duì)測(cè)量值做出校正修改。