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1簡介

在長度計(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，到目前為止我國沒有步距規(guī)產(chǎn)品。中國計(jì)量科學(xué)研究院長度處在過去的幾年里對(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。

2分類

編輯
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)。

3步距規(guī)的基本特征

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)
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(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。基體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，相互之間沒有作用力，提高了步距規(guī)的精度和穩(wěn)定性。

4步距規(guī)的精度

一般認(rèn)為，量塊是高精度的實(shí)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(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(gè)10mm的量塊組成600mm長的步距規(guī)，這個(gè)長度的偏差為：
Δl1= 根號(hào)60*0.11 ²= 0.85μm （2）
（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*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(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)組裝過程所產(chǎn)生的，這項(xiàng)偏差可以通過不斷改進(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(duì)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?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*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*避免外力的作用，具體結(jié)構(gòu)可能會(huì)很多，設(shè)計(jì)人員可以通過創(chuàng)造力自行設(shè)計(jì)。

5步距規(guī)的校準(zhǔn)

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。國際計(jì)量局（BIPM）把步距規(guī)列入了國際比對(duì)項(xiàng)目，我國是比對(duì)參加國之一。計(jì)量院長度處螺紋/坐標(biāo)實(shí)驗(yàn)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(duì)任務(wù)。
1、測量設(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)可以通過兩種方法完成，一種方法是使用LeitzPMM12106坐標(biāo)測量機(jī)對(duì)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(duì)步距規(guī)進(jìn)行測量。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(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)接觸式測頭對(duì)步距規(guī)上的量塊工作面進(jìn)行測量，每個(gè)平面測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(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)測量機(jī)的測頭有一個(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(gè)特性，依次將測頭靠在步距規(guī)量塊的*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(duì)步距規(guī)的每個(gè)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(jì)、溫度計(jì)對(duì)波長進(jìn)行修正。通過計(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(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)得出這種測量方法的測量不確定度約為：U=（0.4+ 0.4L/1000）μm，K= 2。