半量程卡尺的設計與快速成型

李 迎

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

在機械加工中，經常需要對機械產品的半量程和中心距等數值進行測量和標注，現有的測量方法需要借助多個測量工具，進行多次測量以及間接計算才可以實現，存在測量步驟多，測量誤差大等不足．圍繞這方面的研究也主要限制在孔中心距測量的設計與應用[1，2]，如果需要對機械產品某個尺寸的中心點進行標注并完成半程量測量，目前還沒有直接的測量工具和相關的成熟技術．本研究借鑒游標卡尺的結構優點，設計和制作了一種能夠直接進行工件中點定位以及半程量值測量的卡尺．

1 半量程卡尺測量原理

以相對中位點兩側等距移動原理為基礎，半量程卡尺的測量原理如圖1所示．以中點指針位置為中心點，利用齒輪和齒條的配合運動，兩組外測量爪相對中點指針同時反向等位移滑動，這樣不論外測量爪之間的距離如何改變，都可以保證中點指針始終位于兩端外測量爪的中心．以中點指針處為零刻度，兩側各自有獨立刻度值，這樣中心點到任意一邊外測量爪的位移量都是兩外測量爪的半程量值，同時中心指針始終保持在兩外測量爪中點，如此則可以實現中點定位以及半程量測量的半量程卡尺的設計與實現．

圖1 半量程卡尺測量原理圖

2 半量程卡尺結構設計

基于半量程卡尺的理論分析，將半量程卡尺設計由主尺、底座、兩組外測量爪、齒輪共五個部分組成．主尺正面雙側標示刻度，量程為雙側各80mm（該尺寸可以根據測量要求進行設計調整），分度值為1mm，如圖2所示．

圖2 半量程卡尺主尺示意圖

卡尺底座如圖3所示，設計了2條滑動軌道，以便與2組外測量爪的導軌槽配合，實現2組外測量爪在導軌上的移動．卡尺底座設計了2種類型的中點指針，指針外向型和指針內向型．指針外向型適于手動標記中心點，指針內向型適用于指尖直接在測量物體上劃出中心點或中線，2種類型都不影響半程量的測量和讀數．主尺與底座的裝卡是由定位銷和螺母固定．

卡尺外測量爪如圖4所示，其爪尖借鑒了游標卡尺的結構，為的是測量時精確接觸測量物體面，保證測量精度．外測量爪上設計導軌槽與底座的滑動軌道配合，同時設計有一排齒條，實現與齒輪嚙合并保證兩組外測量爪的同步反向滑動，測量爪的尾部設計成斜面，以防止外測量爪滑出底座．

圖3 半量程卡尺底座示意圖

圖4 半量程外測量爪示意圖

3 半量程卡尺快速成型與應用

3.1 FDM快速成型技術

熔融沉淀成型（Fused Deposition Modeling，FDM）是由計算機對三維模型進行切片，生成路徑，然后在計算機控制下，噴頭按路徑移動出絲，噴出的絲黏結在工作臺已有層面上，每掃描加工完一層，工作臺即下降一截面層的高度，噴頭再進行下一層截面的掃描噴絲，如此反復組層沉積，直到最后一層，這樣熔絲黏結成所要求的實體模型[3，4]．

3.2 快速成型準備

快速成型設備為AiOXYZprinting 3D立體打印掃描一體機，打印噴嘴為單噴嘴，噴嘴直徑0.4mm，耗材直徑 1.75mm，最大成型尺寸為20cm×20cm×19cm，最佳打印精度 0.1mm，熱塑性材料為ABS，使用的軟件是XYZprintin，三維國際有限公司自己開發的XYZware軟件．在快速成型前還需要將 UG建模的半量程卡尺 PRT文件導出成STL文件，至此做好快速成型準備．

3.3 產品成型與后處理

半量程卡尺快速成型的后處理主要是去除支撐部分和毛刺等表面工作，最終的零部件和裝配成品分別如圖5，6所示．

圖5 半量程卡尺零部件圖

圖6 半量程卡尺裝配成品圖

3.4 半量程卡尺的應用

3.4.1 半程量測量

圓柱半徑量的測量往往是利用直接測量的直徑量進行運算獲得．利用半量程卡尺可以直接測量得到半徑值，且可以根據需要進行中心點標注．如圓柱工件半徑測量值半量程卡尺與游標卡尺半徑量測量結果分別為68.9 mm和68.98 mm．

3.4.2 中心位置標注

圖7中方形工件外輪廓中心點與突臺中心點是否重合是保證位置公差的重要測量要素，以往的測量手段需要多步測量，步驟繁瑣．利用半量程卡尺，分別用卡尺卡住工件外圍以及突臺外圍利用中點指針標注點/線，即可判斷 2點/線的重合情況，十分簡單直觀．

圖7 方形工件中位標示示意圖

4 結論

本文設計的一種可以實現半量程測量與中心點標注的半量程卡尺，利用UG建模并實現了產品的快速成型，為了驗證產品的可使用性，對圓柱、塊體等零件的相關尺寸及中心點進行了測量和標注，結果與實際情況相符．實際制作過程中，產品質量受到快速成型設備、加工材料等因素的影響，導致測量精度受限，還需要進一步優化來滿足高精度的測量需求．

[1]郭建強．孔中心距專用測量工具設計與應用[J]．柴油機設計與制造，2014（1）：38-40．

[2]袁小江．高精度大尺寸機件的中心矩測量檢具設計[J]．機械設計與研究，2009，25（1）：75-77．

[3] 譚劍峰，吳志超，金宗宇，等．FDM 快速成型技術在動漫模型制作中的應用[J]．機械設計與制造，2014（6）：233-235．

[4] 段康容，賴思琦，熊開封．FDM 快速成型技術在無線電測向機創新設計上的應用研究[J]．制造業自動化，2013，35（11）：51-53．