步距规

检测机床工作台移动精度的设备

步距规，也叫节距规，阶梯规。它由精密的量块直线排列，永久固定于一个坚固的框架中，框架表面进行喷塑或镀层保护处理，可用于检测机床工作台移动精度和校准三坐标测量机，便于调整机床以补偿误差，提高设备定位精度。

简介

在长度计量领域里，量块是一种使用非常广泛的实物标准器，很多计量器具都是用量块进行量值溯源。但是在有些情况下，使用量块进行计量工作会使操作人员感到不方便。例如：使用量块对坐标机示值偏差进行校准时，由于量块尺寸的单一性，使得每次校准都需要很多个量块，并需要专用的装置进行装卡。另外，大尺寸量块比较容易损坏，如果携带外出开展校准工作，很可能损坏量块，造成损失。步距规克服了量块的这些缺点，它的特点是多尺寸、高精度、刚性好，携带方便。但是这种计量器具在设计、制造和校准方面有一定的难度，到目前为止我国没有步距规产品。中国计量科学研究院长度处在过去的几年里对步距规进行了研究，试制了一种用陶瓷量块组合体作为尺寸标准，用花岗石作为基体的步距规。这种步距规有如下特点：（1）用量块组合出步距尺寸，这样可以提高步距尺寸的精度，并降低造价；（2）步距规的基体和量块组合体各自独立膨胀或收缩，减少外部因素对步距规精度的影响；（3）陶瓷量块的线涨系数较低，减小了环境温度对步距规精度的影响。

分类

市场上现有的步距规有以下几种：

1、用于水平测量的卧式步距规；

2、用于垂直测量的立式步距规；

3、用于水平和垂直测量的立卧两用步距规；

4、用于空间角度位移的测量（需要加支座），比如三坐标测量机。

步距规的基本特征

1、步距规的外部特征

步距规主要由基体、基面定位块、量块组合体和侧盖组成，其外形如图1所示。量块组合体左边的第一个量块与基面定位块的一个平面研和，基面定位块具有很高的平行度，它的另一个平面可以作为步距规的一个基准平面，这种结构可以使步距规有一个较大的基准平面，以方便使用。量块组合体是由一定数量的量块研和而成的，它形成了步距规的实物标准尺寸。通过使用各种尺寸的量块可以组合出不同步距的量块组合体，从而形成不同步距尺寸的步距规，以满足不同用户的要求。步距规的基体是用花岗石制成的，有良好的稳定性和刚性，方便使用和运输。

2、步距规的内部结构

图2表示了步距规的内部结构。

量块组合体是安装在步距规基体内部的，压紧块通过两根拉丝将量块组合体压紧在基面块上，压紧块的中间有一个凸起的球体，这个球体将压紧力作用在量块组合体上，使压紧力通过量块组合体的轴线。基面块、量块、拉丝和压紧块构成了一个独立的系统，由于拉丝很细，可以视为弹性体，当温度发生变化时，量块按陶瓷的热涨系数自由膨胀或收缩。基体与量块组合体之间有一定的间隙，这样在温度发生变化时，基体和量块组合体各自独立膨胀或收缩，相互之间没有作用力，提高了步距规的精度和稳定性。

步距规的精度

一般认为，量块是最高精度的实物标准。量块可以相互研和，组成一定长度标准，但是将几十个量块研和在一起，组成一个高精度的尺寸列是十分困难的，即使在一定的技术装备帮助下，可以将几十个量块研和在一起，在将研和好的量块组合体装入步距规的基体时，也很容易破坏研和状态，进而影响步距规尺寸列的精度。除此之外，压紧块对量块组合体的压紧力，温度变化等因素也影响步距规的精度。

1、影响步距规精度的因素

步距规的一个长度尺寸可以公式1表达：

L= l0+Δl1+Δl2+Δl3（1）

式中，L为步距规某一尺寸的实际长度；l0为组成步距规某一尺寸的量块的理想长度；Δl1为量块的偏差值；Δl2为量块组合体平行性导致的偏差值；Δl3为温度导致的长度偏差。

（1）量块的偏差值Δl1

量块的偏差是由量块检定的不确定度产生的。3等量块的检定不确定度是（0.1+ L）μm，如果使用60个10mm的量块组成600mm长的步距规，这个长度的偏差为：

Δl1= = 0.85μm （2）

（2）量块组合体平行性导致的偏差值Δl2

由于研和、装配的原因，步距规量块工作面不可能完全平行。一般情况下，步距规量块的可使用面积是10mm× 10mm，如果将这个面积上平行度最大偏差控制在3μm以内，而量块的实际使用面积控制在3mm× 3mm，则量块组合体平行性导致的偏差值：Δl2≈ 1.0μm （3）

（3）温度导致的长度偏差Δl3

步距规所使用的陶瓷量块具有热膨胀特性，其热膨胀系数约4× 10-6K-1。对于600mm长的步距规每温度变化1K所引起的长度偏差为：Δl3= 2.4μm （4）

以上三个影响步距规精度的因素中，量块的偏差值Δl1是由于量块检定不确定度而产生的，不能避免和减少；量块组合体平行性导致的偏差值Δl2是由于量块研和及步距规组装过程所产生的，这项偏差可以通过不断改进步距规的制造工艺而逐步减小；温度导致的长度偏差Δl3是由于材料的热膨胀特性所产生的，这项偏差可以通过改善步距规使用的环境条件，和使用温度传感器测量工作温度，根据材料的热胀系数对长度尺寸进行补偿而减小。

2、步距规的稳定性

由于步距规的基体是由花岗石制造的，因此在整体上有很好的刚性和稳定性，在使用过程中步距规不像量块那样娇气，甚至可以像对机械部件一样对它进行装卡。但是步距规也有薄弱环节，由于结构原理和设计的原因，步距规的基体与量块组合体之间有一定的间隙，量块组合体在这个间隙范围内具有一定的自由度，在一定外部条件影响下量块组合体可能会发生一些变化，进而影响步距规的精度。解决这个问题有两个办法，一是在步距规的基体与量块组合体之间的间隙内加入弹性介质，其作用是对量块组合体的移动和变化有一定的限制，同时不完全约束其自由度；另外一个办法是改变结构设计，使量块组合体完全避免外力的作用，具体结构可能会很多，设计人员可以通过创造力自行设计。

步距规的校准

由于步距规是使用广泛的高精度实物标准器，因此能否校准这种计量器具是衡量几何量校准实验室能力的重要标志。国际计量局（BIPM）把步距规列入了国际比对项目，我国是比对参加国之一。计量院长度处螺纹/坐标实验室除了开展日常的步距规校准工作，还承担步距规的国际比对任务。

1、测量设备和环境条件

根据实验室现有条件，步距规的校准可以通过两种方法完成，一种方法是使用LeitzPMM12106坐标测量机对步距规的尺寸直接进行测量；另一种方法是结合使用坐标机和美国惠普公司的5529双频激光干涉仪对步距规进行测量。实验室共有8个房间，其中有两个房间的环境温度设计指标为（20± 0.2）℃ ，其余房间的环境温度设计指标为（20± 1）℃ ，步距规的校准是在环境温度为（20± 0.2）℃的房间内进行的。

2、测量过程和测量不确定度

（1）单独使用坐标机的测量过程和测量不确定度

将步距规沿坐标机长轴放置，适当卡紧。以步距规基面定位块的一个平面、基体的一个侧面和步距规上部任意一点为元素，在步距规上建立三维笛卡儿坐标系。坐标机接触式测头对步距规上的量块工作面进行测量，每个平面测5点，计算机计算出量块平面之间的距离和平面之间的平行性，量块之间的距离和平行性是评价步距规的两个指标参数。这种测量方法的测量不确定度主要有坐标机的长度测量示值误差、温度传感器的精度、环境条件等因素，这种方法的总测量不确定度约为：U=（0.6+ L/600）μm，K= 2。

（2）结合使用坐标机和激光干涉仪的测量过程和测量不确定度

将激光干涉仪的反射镜和步距规装卡在坐标机移动工作台上，调整光路，使激光光路与工作台的移动方向平行。Leitz坐标测量机的测头有一个特性，就是可以在锁紧按钮时，以一个恒定的偏移靠在被测物体表面，步距规的校准就是利用坐标测量机的这个特性，依次将测头靠在步距规量块的指定测量点上，读入激光干涉仪的示值，换句话说就是，使用坐标测量机对步距规的每个测量面进行瞄准，通过激光干涉仪的指示值进行示值测量。为了提高测量准确度，我们使用了高准确度的气压计、温度计对波长进行修正。通过计算机将这些仪器与5528激光干涉仪连机，实现了自动实时补偿。影响这种测量方法不确定度的因素有坐标机测头稳定性、激光干涉仪的测长不确定度、坐标机移动工作台移动的角摆和直线性、环境条件等因素。

根据计算和实验得出这种测量方法的测量不确定度约为：U=（0.4+ 0.4L/1000）μm，K= 2。

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