步距規(guī)作用及使用方法

市場上現(xiàn)有的步距規(guī)有以下幾種：

1、用于水平測量的臥式步距規(guī)；

2、用于垂直測量的立式步距規(guī)；

3、用于水平和垂直測量的立臥兩用步距規(guī)；

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

在長度計量領(lǐng)域里，量塊是一種使用非常廣泛的實物標(biāo)準(zhǔn)器，很多計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)行計量工作會使操作人員感到不方便。例如：使用量塊對坐標(biāo)機(jī)示值偏差進(jìn)行校準(zhǔn)時，由于量塊尺寸的單一性，使得每次校準(zhǔn)都需要很多個量塊，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。但是這種計量器具在設(shè)計、制造和校準(zhǔn)方面有一定的難度，到目前為止我國沒有步距規(guī)產(chǎn)品。中國計量科學(xué)研究院長度處在過去的幾年里對步距規(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；（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)境溫度對步距規(guī)精度的影響。

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量塊與基面定位塊的一個平面研和，基面定位塊具有很高的平行度，它的另一個平面可以作為步距規(guī)的一個基準(zhǔn)平面，這種結(jié)構(gòu)可以使步距規(guī)有一個較大的基準(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)的實物標(biāo)準(zhǔn)尺寸。通過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凸起的球體，這個球體將壓緊力作用在量塊組合體上，使壓緊力通過量塊組合體的軸線?；鎵K、量塊、拉絲和壓緊塊構(gòu)成了一個獨(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，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，基體和量塊組合體各自獨(dú)立膨脹或收縮，相互之間沒有作用力，提高了步距規(guī)的精度和穩(wěn)定性。

一般認(rèn)為，量塊是最高精度的實物標(biāo)準(zhǔn)。量塊可以相互研和，組成一定長度標(biāo)準(zhǔn)，但是將幾十個量塊研和在一起，組成一個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，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)的一個長度尺寸可以公式1表達(dá)：

L= l₀ Δl₁ Δl₂ Δl₃（1）

式中，L為步距規(guī)某一尺寸的實際長度；l₀為組成步距規(guī)某一尺寸的量塊的理想長度；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10mm的量塊組成600mm長的步距規(guī)，這個長度的偏差為：

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，如果將這個面積上平行度最大偏差控制在3μm以內(nèi)，而量塊的實際使用面積控制在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。對于600mm長的步距規(guī)每溫度變化1K所引起的長度偏差為：Δl₃= 2.4μm （4）

以上三個影響步距規(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)組裝過程所產(chǎn)生的，這項偏差可以通過不斷改進(jìn)步距規(guī)的制造工藝而逐步減小；溫度導(dǎo)致的長度偏差Δl₃是由于材料的熱膨脹特性所產(chǎn)生的，這項偏差可以通過改善步距規(guī)使用的環(huán)境條件，和使用溫度傳感器測量工作溫度，根據(jù)材料的熱脹系數(shù)對長度尺寸進(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，在使用過程中步距規(guī)不像量塊那樣嬌氣，甚至可以像對機(jī)械部件一樣對它進(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發(fā)生一些變化，進(jìn)而影響步距規(guī)的精度。解決這個問題有兩個辦法，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)，其作用是對量塊組合體的移動和變化有一定的限制，同時不完全約束其自由度；另外一個辦法是改變結(jié)構(gòu)設(shè)計，使量塊組合體完全避免外力的作用，具體結(jié)構(gòu)可能會很多，設(shè)計人員可以通過創(chuàng)造力自行設(shè)計。

由于步距規(guī)是使用廣泛的高精度實物標(biāo)準(zhǔn)器，因此能否校準(zhǔn)這種計量器具是衡量幾何量校準(zhǔn)實驗室能力的重要標(biāo)志。國際計量局（BIPM）把步距規(guī)列入了國際比對項目，我國是比對參加國之一。計量院長度處螺紋/坐標(biāo)實驗室除了開展日常的步距規(guī)校準(zhǔn)工作，還承擔(dān)步距規(guī)的國際比對任務(wù)。

1、測量設(shè)備和環(huán)境條件

根據(jù)實驗室現(xiàn)有條件，步距規(guī)的校準(zhǔn)可以通過兩種方法完成，一種方法是使用LeitzPMM12106坐標(biāo)測量機(jī)對步距規(guī)的尺寸直接進(jìn)行測量；另一種方法是結(jié)合使用坐標(biāo)機(jī)和美國惠普公司的5529雙頻激光干涉儀對步距規(guī)進(jìn)行測量。實驗室共有8個房間，其中有兩個房間的環(huán)境溫度設(shè)計指標(biāo)為（20± 0.2）℃ ，其余房間的環(huán)境溫度設(shè)計指標(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、測量過程和測量不確定度

（1）單獨(dú)使用坐標(biāo)機(jī)的測量過程和測量不確定度

將步距規(guī)沿坐標(biāo)機(jī)長軸放置，適當(dāng)卡緊。以步距規(guī)基面定位塊的一個平面、基體的一個側(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)接觸式測頭對步距規(guī)上的量塊工作面進(jìn)行測量，每個平面測5點(diǎn)，計算機(jī)計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價步距規(guī)的兩個指標(biāo)參數(shù)。這種測量方法的測量不確定度主要有坐標(biāo)機(jī)的長度測量示值誤差、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)和激光干涉儀的測量過程和測量不確定度

將激光干涉儀的反射鏡和步距規(guī)裝卡在坐標(biāo)機(jī)移動工作臺上，調(diào)整光路，使激光光路與工作臺的移動方向平行。Leitz坐標(biāo)測量機(jī)的測頭有一個特性，就是可以在鎖緊按鈕時，以一個恒定的偏移靠在被測物體表面，步距規(guī)的校準(zhǔn)就是利用坐標(biāo)測量機(jī)的這個特性，依次將測頭靠在步距規(guī)量塊的指定測量點(diǎn)上，讀入激光干涉儀的示值，換句話說就是，使用坐標(biāo)測量機(jī)對步距規(guī)的每個測量面進(jìn)行瞄準(zhǔn)，通過激光干涉儀的指示值進(jìn)行示值測量。為了提高測量準(zhǔn)確度，我們使用了高準(zhǔn)確度的氣壓計、溫度計對波長進(jìn)行修正。通過計算機(jī)將這些儀器與5528激光干涉儀連機(jī)，實現(xiàn)了自動實時補(bǔ)償。影響這種測量方法不確定度的因素有坐標(biāo)機(jī)測頭穩(wěn)定性、激光干涉儀的測長不確定度、坐標(biāo)機(jī)移動工作臺移動的角擺和直線性、環(huán)境條件等因素。

根據(jù)計算和實驗得出這種測量方法的測量不確定度約為：U=（0.4 0.4L/1000）μm，K= 2。 2100433B

主要用于檢測線紋尺、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,無論手動還是自動，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驗室，因此，每一款測高儀都包含有免費(fèi)的SCS的校驗證書。

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)，在校驗過程中可以做到最低的測量不確定度。

第一步，所有已裝配完成的測高儀系統(tǒng)誤差的自動補(bǔ)償所需要的數(shù)值將通過計算機(jī)輔助精度(CAA)獲得。

一旦計算完畢，每個單一的補(bǔ)償值將被存儲在測高儀內(nèi)存中以便在校驗中自動的對測量值做出校正修改。

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

TESA-HITE或TESA MICRO-HITE測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)，在校驗過程中可以做到最低的測量不確定度。所有已裝配完成的測高儀系統(tǒng)誤差的自動補(bǔ)償所需要的數(shù)值將通過計算機(jī)輔助精度(CAA)獲得。一旦計算完畢，每個單一的補(bǔ)償值將被存儲在測高儀內(nèi)存中以便在校驗中自動的對測量值做出校正修改。