GSYB型光栅数显式引伸计标定仪的研制

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JJG762-2007《引伸计》国家计量检定规程规定，引伸计的示值误差和进回程示值误差应使用符合 JJF1096- 2002《引伸计标定器》规定的A类或 B类引伸计标定器进行测量。但由于 B类引伸计标定器是使用螺旋副结构的测微头同时实现位移和测量的，虽然使用方便，但其给定位移量的示值误差受螺旋副的制造能力所限，故在对0.5级引伸计的(0～1)- 测量范围内的示值误差和进回程示值误差测量时，存在测量准确度不满足的问题。

而A类引伸计标定器是使用螺旋副结构的测微头、量块和贝0微仪实现位移和测量的，故存在给定位移量受量块标称尺寸的限制而有测量点不能均匀分布以及测量工作效率低等问题。另外 ，A类和 B类引伸计标定器是纯机械结构，不可能实现检测原始记录和检测数据的智能化处理。

1 标定仪测量原理图 1 GSYB标定仪测量原理图GSYB型光栅数显式引伸计标定仪采用符合阿贝原理的测量原理(见图 1)。使用螺旋副结构，当螺杆作旋转运动的同时产生直线位移，由于移动芯轴的下端面与螺杆头保持可靠接触，上端面与测量光栅的测头保持可靠接触，则螺杆的直线位移通过移动芯轴传递给测量光栅产生位移量显示。设计-个套筒与测量光栅(传感器)的套筒刚性连接并同轴，成为安装引伸计的固定套筒，设计-个套筒与移动芯轴刚性连接并同轴，成为安装引伸计的可动套筒～被检引伸计正确安装在固定套筒和可动套筒上，则测量光栅显示的给定位移示值可与引伸计的位移示值进行比较。由此，实现引伸计示值误差和进回程示值误差的直接比较测量。

2 标定仪结构设计、设计性能指标及关键部件设计2.1 结构设计(参见图2)在结构设计上，我们是本着符合阿贝原理；结构简单；测量链最短的原则进行结构设计。以 B类引伸计标定器的支架为机械结构主体；用高准确度测量光栅替代A类引伸计标定器使用量块和测微仪实现位移和测量。

这是因为，高准确度测量光栅具有测量误差小；回程误差趋于零；测量范围满足；便于检测原始记录和检测数据的智能化处理等特点。

2.2 设计性能指标设计性能指标：按 JJI 62-20o7《引伸计》国家计量检定规程规定，对0.5级引伸计示值误差和进回程示值误差测量，使用标定仪的示值最大允许误差分为绝对误差和相对误差。既标定仪在校准范围不超过 1/3mm时采用绝对误差，最大允许误差为 ±0.5/ma；在校准范围超过1/3mm时采用相对误差，最大允许误差为 ±0.15%。

据此，研究设计的标定仪的性能指标定为：(0～1)rnlTl测量范围时采用绝对误差，最大允许误差为 ±0.5tan；(1～5)mm贝0量范围时采用相对误差，最大允许误差为±0.15%；(5 20)mm测量范围采用相对误差，最大允许误差为±0.10%。

2.3 关键部件设计(参见图2)宋LCg：C.SYB型光橱数显式 伸计标定仪的研制图 2 GSYB标足仪结构图(1)仪器基座和基准面采用B类引伸计标定器铸铁基体经机械加工而成的仪器基座的设计。该仪器基座具有结构简单，紧凑，外型线条直，易加工，稳固，形变小等诸多优点。基座直立时的背面；第二下平面定为基准面。仪器基座、测量光栅、移动芯轴、螺旋副结构的测微头、导向(防转)装置均以这二个基准面作为/jq-，安装 ，调试，检测时的基准。

(2)测量光栅依标定仪的设计性能指标，研究采用由市场直接选购并经检测筛选的高准确度测量光栅的设计。测量光栅的示值最大允许误差定为：任意 lmm：±0.4/ma，任意5mm：±0.6/a'n，全程范围：±1.0tma。这样可减少研制成本，缩短研制周期。

(3)螺旋副研究采用 B类引伸计标定器的特制螺旋副微分筒组的设计。达到研制的标定仪在实现光栅数显测量后仍然保留B类引伸计标定器使用螺旋副结构的测微头同时实现位移和测量的功能。

(4)移动芯轴研究采用轴承钢，经淬火处理并加工而成的超细长杆的设计。其长度为 260mm，全长直线度误差不大于0.002mm；直径为 8mm，直径尺寸公差为 4-0.005mm；两个端面与其长度方向的轴线的垂直度不大于 30 。

(5)固定套筒，可动套筒研究采用与测量光栅套筒高精度配合并且在紧固螺钉作用下与仪器座刚性连接的固定套筒的设计∩动套筒采用与移动芯轴高精度配合并且与导向滑板刚性连接的设计。另外，为了解决由于测量光栅套筒和固定套筒的配合长度尺寸小，可能引起固定套筒与测量光栅的测量轴线不重合，则增加了在固定套筒的端面有调节螺钉的设计，这样，就保证了受检引伸计的可靠装夹和将移动芯轴的直线位移直接传递于测量光栅。

(6)导向(防转)装置研究采用与移动芯轴在竖直方向平行的导向轴和移动滑板精密组合而成的导向装置设计。导向装置与移动芯轴刚性连结后随移动芯轴移动，以防止移动芯轴移动时在水平面发生转动。

3 标定仪性能指标分析和符合性判定(主要误差因素分析、误差计算和合成)由关键零部件的尺寸、形状误差等技术指标确定后，对标定仪的主要误差因素分析、误差计算和合成进行符合性判定。

3.1 误差因素分析标定仪的主要误差因素有：(1)测量光栅数显示值误差引人的误差；(2)N量光栅数显量化误差引人的误差；(3)N量光栅测量力变化引入的误差；(4)移动芯轴直线度、移动芯轴测量面与测量轴线垂直度引人的误差；(5)固定套筒、可动套筒的不同轴度引人的误差；(6)移动芯轴、测量光栅刻度尺与标准温度之差，移动芯轴与测量光栅刻度尺线胀系数之差引入的误差。

3.2 误差计算(1)测量光栅示值误差引入的误差：任意 lmm示值误差为±0.4tma，则 ±0.4/，m；任意 5mm示值误差为±0.6tan，则 艿12±O.6 m；全程范围示值误差为±1.0tma，则 613±1.0t.rn。

(2)N量光栅数显量化误差引入的误差：测量光栅数显的分辨力为 0.1/.tm，则量化误差为 ±0.05ptm。

(3)N量光栅测量力变化引入的误差：测量，-JN量光栅测量力变化产生对移动芯轴接触面的压陷量不同，使测量结果出现误差，根据测量光栅的测量力，该分量估计为 ±0.014tma。

(4)移动芯轴直线位移的直线度、移动芯轴测量面与测量轴线垂直度引人的误差：因为设计移动芯轴与筒套的配合长度为 200mm；配合间隙为0.04mm，(a4o，)。

因为设计移动芯轴测量面与其轴线垂直度为30 ，而测量光栅测头与其接触位置变化仅为O.02mm，该项误差可忽略。故 0(5)固定套筒、可动套筒的不同轴度引入的误差：因为设计固定套筒、可动套筒在 100ram长度的不同轴度为 0.1mm，(a20o )。

(6)移动芯轴、测量光栅刻度尺与标准温度之差，移动芯轴与测量光栅刻度尺线胀系数之差引入的误差：因《计：f-与鼬试技术)2013年攀4o卷第2期为标定仪校准时正常工作条件的环境温度为(20±1)clC，移动芯轴、测量光栅刻度尺与标准温度之差均可控制在±0.3℃内，移动芯轴线胀系数为口 11.5±l X 10～/C，刻度尺线胀系数为 a，v10.5±1 X 10- /℃ 。

依：ALLa ( -20)-d/v( -20)]则标定仪在(0～1)lnm测量范围时：6l±l[(1 1.5 X 0.3-10.5 X(-0.3)]X 10-。±0.007txm。

(1 5)I'nlTI测量范围时：62±5[(11.5 X 0.3-10.5 X(-0.3)]×10- ±0.033m。

(5～20)lnn'l测量范围时：63±20[(11.5 X 0.3-10.5×(-0.3)]X 10-。

3.3 误差合成(1)(0～1)1TITI 惫 1醴 翻 ；酲1总 ： ±0.41/.tm(2)(1～5)ram： 惫 2 岛醴 ；2总±0.6tan，[±(0：06%～0.01%)](3)(5～20)mm： 惫占3 ； ；翻 路.哲 ±1.0tan，[±(0.02%～O.005%)]3.4 标定仪性能指标符合性判定(见表 1)表 1由表1可知，按设计确定的测量光栅数显，移动芯轴，固定套筒、可动套筒，移动芯轴和测量光栅刻度尺线胀系数等关键零部件的尺寸、形状误差等技术指标分析标定仪性能指标(误差合成)在标定，tSti，2St-性能指标范围内。

4 标定仪的校准、实测比对验证、检测应用在标定仪整机总装和调试后进行校准、实测比对验证、检测应用。

4.1 校准标定仪的校准是：将标定仪送具有资质的上级计量部门按JJF1096-2002《引伸计标定器》校准规范进行校准～标定仪送中国测试技术研究院校准结果：标定仪测量范围在(0 1)rnln时，示值误差最的值为O.4/zm；在(1～5)IⅢl时，示值误差最的值为0.05%；在(5～20)mil时，示值误差最大值为0.02%。校准结果为满意。

4.2 实测比对验证标定仪实测比对验证的过程是：选-台0.5级引伸计，使用GSYB型光栅数显式引伸计标定仪，按JJG762-2007《引伸计》国家计量检定规程对其进行示值误差检测后，再由上级计量部门进行示值误差检测，实测比对验证结果为满意。见表 2。

表 24.3 检测应用标定仪的检测应用是：使用 CSYB型光栅数显式引伸计标定仪对我市的某公司使用的0.5级电子引伸计按JJG762-2O07《引伸计》国家计量检定规程对其进行检定合格使用半年后，由用户出具使用情况证明。祥见使用正常证明书。

5 研究的结论(1)GSYB型光栅数显式引伸计标定仪的校准结果符合设计性能指标。分别由误差计算合成、校准证书、实测比对结果，使用情况证明多方面得到证实♀决了在执行JG762-20o7(l，fO计》国家计量检定规程对0.5级引伸计示值误差和进回程误差测量工作中存在的：B类引伸计标定器的测量准确度有不满足；A类引伸计标定器存在的给定位移量受量块标称尺寸限制而有测量点不能均匀分布和测量工作效率低等问题。

(2)GSYB型光栅数显式引伸计标定仪的给定位移采用高精度测量光栅和特制螺旋副微分筒组的设计，实现了检测原始记录和数据处理的智能化。

(3)GSYB型光栅数显式引伸计标定仪保留了使用螺旋副结构的测微头同时实现位移和测量的功能。

(4)GSYB型光栅数显式引伸计标定仪适用于标距为(15-100)ram，行程标称值不大于40mm的0.5级及其以下准确度级别的电子、球铰式、碟式引伸计示值误差和进回程误差的测量。