陳錫渠 孔曉紅 王占奎 蘇建修 付素芳

（河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003）

基于不完整鉸鏈結(jié)構(gòu)的圓錐孔口直徑檢測(cè)量具設(shè)計(jì)與分析

陳錫渠 孔曉紅 王占奎 蘇建修 付素芳

（河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003）

由于圓錐孔口有毛刺或倒角導(dǎo)致其孔口直徑（尤其是大端直徑）不易測(cè)量，所設(shè)計(jì)的一種基于不完整鉸鏈結(jié)構(gòu)的圓錐孔口直徑檢測(cè)量具，可有效地解決定性測(cè)量無(wú)法獲得具體誤差值的問(wèn)題，又避免了原有方法進(jìn)行定量檢測(cè)時(shí)需利用測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算，操作比較麻煩，不適于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用等缺陷。該量具不依靠尺腳測(cè)量面與孔口的點(diǎn)接觸來(lái)進(jìn)行測(cè)量，而是通過(guò)采用不完整鉸鏈結(jié)構(gòu)使量具定位面和測(cè)量卡腳刀口分別與工件上圓錐孔端面和圓錐孔內(nèi)表面接觸，將原來(lái)卡腳刀口與孔口的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)化成空間交點(diǎn)（虛交點(diǎn)）來(lái)測(cè)定，避開(kāi)了圓錐孔口毛刺或倒角的影響，可在機(jī)上直接測(cè)量，數(shù)顯直讀，操作方便，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有一定的通用性，可有效地解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)定量檢測(cè)圓錐孔口尺寸的問(wèn)題，并可間接測(cè)量圓錐孔的錐度。

不完整鉸鏈 圓錐孔口尺寸 檢測(cè)量具 精度分析

本文設(shè)計(jì)了一種基于不完整鉸鏈結(jié)構(gòu)的圓錐孔口尺寸檢測(cè)量具，該量具不依靠尺腳測(cè)量面與孔口面的點(diǎn)接觸來(lái)進(jìn)行測(cè)量，而是通過(guò)定位面和測(cè)量卡腳刀口分別與錐孔端面和錐孔內(nèi)表面接觸，將原來(lái)測(cè)量卡腳與孔口的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)化成空間交點(diǎn)（虛交點(diǎn)）來(lái)測(cè)定，避開(kāi)了圓錐孔口毛刺或倒角的影響，可在機(jī)上直接測(cè)量，數(shù)顯直讀，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有一定的通用性，可有效地解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)定量檢測(cè)圓錐孔口尺寸的問(wèn)題，并可間接測(cè)量圓錐孔的錐度。

1 測(cè)量原理

由于圓錐的母線與端面不垂直，導(dǎo)致其直徑（尤其是大端直徑）不易準(zhǔn)確測(cè)量。如：卡尺（或內(nèi)徑千分尺）的測(cè)量卡腳與內(nèi)錐面接觸面過(guò)小，則易脫落，接觸面過(guò)大，則測(cè)出的數(shù)值已不是錐孔口的直徑;若圓錐孔口有毛刺或倒角時(shí)，更是無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得其直徑。

如圖1所示，以圓錐孔大端面直徑測(cè)量為例，平面Ⅰ、Ⅲ為過(guò)圓錐孔大端直徑兩端點(diǎn)a、b為分別與圓錐面相切的平面（切線為ac、bd，Ⅰ、Ⅲ同時(shí)也與圓錐孔大端圓相切），平面Ⅱ與圓錐孔大端面共面。顯然平面Ⅰ、Ⅱ的交線MN與平面Ⅱ、Ⅲ的交線PQ平行，且均與AB垂直，則測(cè)圓錐孔大端直徑ab可轉(zhuǎn)化為測(cè)兩直線MN和PQ間距離。在設(shè)計(jì)檢測(cè)量具時(shí)，卡腳上的刀口就是平面Ⅰ、Ⅲ（可繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)，自動(dòng)適應(yīng)錐體的錐度的變化，時(shí)刻保持與錐面相切，見(jiàn)圖2），主尺和游標(biāo)上的定位面就是平面Ⅱ，所以鉸鏈的中心線就是MN和PQ。因是在內(nèi)錐面上測(cè)量，故平面Ⅰ、Ⅲ演化為卡腳的刀口ac和bd（與游標(biāo)卡尺測(cè)量卡腳結(jié)構(gòu)相同）。同時(shí)為避開(kāi)a、b處毛刺的影響，需將a、b附近的鉸鏈（圖中沙紋面和斜紋面處）切除一部分，成為不完整鉸鏈結(jié)構(gòu)。

另外，測(cè)得錐孔大、小端面直徑后，再測(cè)得錐體長(zhǎng)度，通過(guò)計(jì)算即可得到錐體的錐度。

2 量具結(jié)構(gòu)

如圖2，量具主要由主尺部件、游標(biāo)部件組成。

主尺部件包括主尺體1、磁尺2、主尺鉸鏈體9、主測(cè)量卡腳7、簧片11、壓簧桿12、鉸鏈端蓋8、螺栓10等。主尺體、主鉸鏈體間通過(guò)兩互相垂直的平面定位，使用螺栓連接。主鉸鏈體、主測(cè)量卡腳之間通過(guò)不完整鉸鏈連接，主測(cè)量卡腳的刀口K1（平面Ⅰ）通過(guò)主鉸鏈中心線，主鉸鏈體上的定位面L1（平面Ⅱ）也通過(guò)鉸鏈中心線，則鉸鏈的中心線就是MN。由于主鉸鏈體孔和主測(cè)量卡腳上的圓柱面均非完整圓柱面（構(gòu)成不完整鉸鏈），隨著測(cè)量錐孔的錐度變化，主鉸鏈體、主測(cè)量卡腳之間的鉸鏈配合面會(huì)小于180°，為防止二者脫開(kāi)，二者之間通過(guò)壓簧桿和簧片連接。主測(cè)量卡腳在鉸鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，簧片在主鉸鏈體的外圓柱面上滑動(dòng)，壓簧桿在主鉸鏈體的周向槽內(nèi)擺動(dòng)。

游標(biāo)部件組包括游標(biāo)鉸鏈體4、副測(cè)量卡腳5、鉸鏈端蓋、數(shù)顯裝置3、壓簧桿、簧片、螺栓等。游標(biāo)鉸鏈體、副測(cè)量卡腳之間也通過(guò)不完整鉸鏈連接。副測(cè)量卡腳的刀口K2（平面Ⅲ）通過(guò)鉸鏈中心線，游標(biāo)鉸鏈體上的定位面L2（平面Ⅱ）也通過(guò)鉸鏈中心線，則鉸鏈的中心線就是PQ。同理游標(biāo)鉸鏈體、副測(cè)量卡腳之間也采用壓簧桿和簧片連接。

3 測(cè)量范圍

3.1 錐孔端面直徑的測(cè)量范圍

顯然量具鉸鏈的軸線方向尺寸越小，則量具可檢測(cè)的最小直徑就越小?？紤]量具結(jié)構(gòu)的具體需求，本量具鉸鏈的軸線方向尺寸選12 mm。

如圖3所示，鉸鏈孔徑d與待測(cè)錐孔最小孔徑Dmin間的關(guān)系為

顯然Dmin為d的非單調(diào)函數(shù)。令D′min=0，可知：當(dāng)d=12 mm 時(shí)，有D′min=12 mm。故選鉸鏈孔徑d=12 mm，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)上的需要，取鉸鏈外徑d′=20 mm，主尺鉸鏈與游標(biāo)鉸鏈會(huì)干涉，因此實(shí)際可測(cè)最小直徑大于20 mm，取D′min≥25 mm。

鉸鏈結(jié)構(gòu)對(duì)量具的最大測(cè)量孔徑無(wú)影響，故量具的最大測(cè)量孔徑取決于主尺刻度范圍。本量具的主尺刻度范圍設(shè)計(jì)為150 mm，故量具的孔徑測(cè)量范圍為

3.2 可測(cè)錐孔的錐度范圍

如圖4a為主尺鉸鏈體的部分結(jié)構(gòu)（游標(biāo)體上的鉸鏈結(jié)構(gòu)與其類似），壓簧桿在不完整鉸鏈上的周向槽中擺動(dòng)。其中鉸鏈部分外徑D=20 mm，內(nèi)徑d=12 mm。考慮到結(jié)構(gòu)上的要求，在槽的兩端保留的扇形實(shí)體中心角分別是45°和40°。

如圖4b為主測(cè)量卡腳鉸鏈部分的結(jié)構(gòu)與壓簧桿（直徑d′=12 mm）的位置，其外圍角度為主鉸鏈體上周向槽的周向位置和尺寸，內(nèi)層角度為主測(cè)量卡腳的結(jié)構(gòu)。壓簧桿對(duì)應(yīng)中心角為

顯然，測(cè)量卡腳可繞中心線逆時(shí)針或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的最大角度為

工程上一般不用很大的錐度，該量具測(cè)錐孔尺寸時(shí)可適應(yīng)的錐度范圍取為

4 測(cè)量精度分析

影響量具測(cè)量精度的主要因素包括：主尺鉸鏈中心線與其裝配定位面B（如圖4a）的距離誤差δ1，游標(biāo)鉸鏈中心線與其裝配定位面的距離誤差δ2，主尺鉸鏈體上的測(cè)量定位面（如圖2）與鉸鏈孔中心線的共面誤差δ3，游標(biāo)鉸鏈體上的測(cè)量定位面與鉸鏈孔中心線的共面誤差δ4，主測(cè)量卡腳鉸鏈中心線與主測(cè)量卡腳刀口的共面誤差為δ5，副測(cè)量卡腳鉸鏈中心線與副測(cè)量卡腳刀口的共面誤差為δ6。下面逐項(xiàng)分析。

4.1 誤差δ1和δ2對(duì)測(cè)量精度的影響

δ1和 δ2使兩鉸鏈中心連線與主尺不平行，產(chǎn)生平行度誤差Δ1（如圖5所示）?？紤]到誤差的隨機(jī)性，平行度誤差Δ1為

由圖5可知

則有Δ1產(chǎn)生的測(cè)量誤差ΔD1為

4.2 誤差δ3和δ4對(duì)測(cè)量精度的影響

δ3和δ4使鉸鏈體上的定位面與鉸鏈孔中心線的不共面，如圖6所示有兩種情況。如圖6a，誤差δ3和δ4使孔中心線按不同方向偏移，顯然

忽略式（6）中微小量δ3和δ4的平方項(xiàng)，測(cè)量誤差ΔDa為

如圖6b，誤差δ3和δ4使孔中心線按相同方向偏移，顯然

忽略式（8）中微小量δ3和δ4的平方項(xiàng)，測(cè)量誤差ΔDb為

4.3 誤差δ5和δ6對(duì)測(cè)量精度的影響

如圖7所示主測(cè)量卡腳刀口與鉸鏈中心線偏移δ5，由圖可見(jiàn)測(cè)量誤差 ΔD3為

同理可得游標(biāo)測(cè)量卡腳刀口與鉸鏈中心線偏移δ6引起的測(cè)量誤差 ΔD4為

考慮到各項(xiàng)誤差的隨機(jī)性，由量具結(jié)構(gòu)引起的總測(cè)量誤差ΔD為

總測(cè)量誤差ΔD與待測(cè)尺寸D和所測(cè)錐孔錐度α有關(guān)。D越大，測(cè)量誤差ΔD越小;α越大，測(cè)量誤差ΔD越大。測(cè)量裝置為普通量具，其制造精度可選 IT4［15］，則 ε1=0.006 mm，ε2=0.002 5 mm，ε3=0.002 5 mm，δ5=0.002 mm，δ6=0.002 mm，當(dāng) D=22 mm。α=40°時(shí)，總的測(cè)量誤差ΔD=0.007 mm。故量具的測(cè)量精度定為0.02 mm。

5 量具的特點(diǎn)和應(yīng)用

本量具的孔徑測(cè)量范圍為25 mm≤D≤150 mm，在測(cè)錐孔端面尺寸時(shí)可適應(yīng)的錐度變化范圍為0°≤錐孔錐度≤80°;測(cè)量精度為0.02 mm;重復(fù)定位精度為0.01 mm。本量具主要用于測(cè)量圓錐孔孔口直徑，也可用于間接測(cè)量圓錐體的錐度，但不適于大錐度錐體的測(cè)量（因測(cè)量誤差大）。該測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，無(wú)視值誤差，在線數(shù)顯直讀，有一定的通用性，既有效地解決了定性測(cè)量無(wú)法獲得具體誤差值的問(wèn)題，又避免了采用樣棒和定高塊（或量塊）等進(jìn)行定量檢測(cè)時(shí)需利用測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算，且操作比較麻煩的缺陷。在使用量具時(shí)需注意以下事項(xiàng)：

（1）測(cè)量裝置使用前需用標(biāo)準(zhǔn)量塊（不低于6等量塊的精度）校準(zhǔn)清零，以消除常值系統(tǒng)誤差;

（2）測(cè)量時(shí)，首先主尺通過(guò)其上的定位面在錐孔端面定位，同時(shí)主測(cè)量卡腳刀口與錐面貼合，然后拉動(dòng)游標(biāo)，使游標(biāo)上的定位面也在錐孔端面定位，同時(shí)副測(cè)量卡腳刀口與錐面貼合即可直接讀出測(cè)量結(jié)果。注意游標(biāo)相對(duì)于主尺的最大移動(dòng)速度應(yīng)v≤1.5 m/s，否則將產(chǎn)生錯(cuò)誤計(jì)數(shù);

（3）當(dāng)工作環(huán)境濕度φ≥80%時(shí)，卡尺測(cè)量尺寸會(huì)發(fā)生突變?？蓪⒖ǔ吣玫疥?yáng)光或干燥處一段時(shí)間，即可恢復(fù)正常。

1 楊光.機(jī)車傳動(dòng)鏈中大型精密錐孔的檢測(cè)原理與運(yùn)用［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2005（10）：20～22

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3 曲貴龍，李霄.圓錐孔的錐角和直徑的間接測(cè)量［J］.計(jì)量技術(shù)，2001（3）

4 康艾金，黃穎巧.圓錐孔錐度及孔口的測(cè)量計(jì)算［J］.機(jī)械工人（冷加工），1996，11：20 ～21

5 李利君.錐孔專用測(cè)量裝置的研制［J］.工具技術(shù)，2007（8）：110～111

6 張煥洲.測(cè)量錐口直徑的檢具［J］.計(jì)量技術(shù)，2003（9）

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The Design and Analysis of Conical Bore Diameter Measuring Tool Based on Incomplete Hinges

CHEN Xiqu，KONG Xiaohong，WANG Zhankui，SU Jianxiu，F(xiàn)U Sufang
（Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang 453003，CHN）

There are burrs and beveling in conical bore edge which cause that it is difficult to measuring its diameter（especially big－end），so the paper designs a measuring tool based on incomplete hinges which is available to measure its size errors easily and avoid the defects of already existing method，such as：handle trouble，can’t field－working and so on.This tool measures the conical bore diameter not based on the point－contact between foot rulers measuring plane and conical bore.It is actually transforming the point－contact between foot rulers measuring plane and conical bore end plane into a space point－contact by contacting between tool locating plane and conical bore end plane，and other contacting between foot rulers measuring plane and conical bore inner plane，which can avoid affecting of burrs and beveling.It can measure the conical bore edge sizes directly in field－working and measure the taper value of conical bore indirectly.

Incomplete Iron Hinge;Conical Bore Edge Sizes;Measuring Tools;Precision Analysis

陳錫渠，男，1965年生，副教授，碩士，主要研究方向：先進(jìn)制造與測(cè)量技術(shù)，發(fā)表文章40余篇。

（編輯 周富榮）（

2009―08―13）

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