手动量具的发展趋势——更易用、更耐用
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数显/电子量具的出现为用户提供了立竿见影的优势。显而易见,数显读数消除了判读千分之一英寸精度游标刻度的麻烦。此外,电子量具可在不同的设定点置零,并且按一下按钮就能实现英制与公制单位的相互转换。
在过去几十年中,卡尺、千分尺、量规和其他小型量具的测量精度可能并没有太大的提高,但在其他方面却有很大改进。美国密歇根大学机械工程系实验室研究员和管理员Tom Bress认为,“量具的最大改进在于易用性的提高。”
数显/电子量具的出现为用户提供了立竿见影的优势。显而易见,数显读数消除了判读千分之一英寸精度游标刻度的麻烦。此外,电子量具可在不同的设定点置零,并且按一下按钮就能实现英制与公制单位的相互转换。
Bress将手动量具的这些改进与历史上从计算尺到电子计算器的跨越进行了类比:“计算尺是模拟式计算工具;计算器则是数字式计算工具。它们的计算精度都足以用于设计桥梁、汽车和飞机,但计算器更易于使用。”
手动量具的功能仍在不断改进——目的是使它们更易用、更耐用。在制造业,虽然更廉价、更小巧、更便携的坐标测量机和其他小型台式量仪的实用性日益增强,但手动量具的持续改进仍然很有必要。
许多加工零件的尺寸仍然需要用手频繁进行快速检测,因此,小型手动量具肯定还不会退出历史舞台。L.S. Starrett公司的Scott Robinson表示,“显然,精密量具或量规的使用既有必要,也很重要。不过,现在无需手动检测工件的情况可能会越来越多。如今的现代高速机床具有很高的精度,加工同一种零件的一致性比即使五年前都更高。因此,检测工件的周期可能会延长,但在某个时间点,仍然需要对工件进行抽样检查。”
三丰美国公司的George Mullen解释说,“当然,由于自动测量系统的广泛使用,与过去相比,手动量具在检测工作总量中所占的比例越来越小。不过,大多数机械师和专业测量人员的手边仍然会保留千分尺和卡尺。这有点像一位医生虽然随时可以为患者做心电图检查,但仍然把使用听诊器作为检查心脏的步骤之一。”除了其实用价值以外,小型量具和手动量规的另一个优势是比昂贵的大型量仪(如三坐标测量机)成本更低廉。
小型量具最具有技术含量的改进就是采用无线传输技术将测量值传送到显示/存储装置中。这使每把量具无需使用绊手绊脚的电缆线就能传输电子数据,缩短了测量和维护时间。

图1 M1 Wave电子孔径量规(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
一些企业已经开发出各自的小型量具无线传输技术。例如,马波斯(Marposs)公司推出了分别用于内径和外径测量的M1 Wave(图1)电子孔径量规和M2 Wave电子快速量规。
为了可靠地传输测量数据,无线传输设备制造商通常是在量具上配备可将离散的测量值发送到显示或存储装置的小型无线电发射器。马波斯的电子量规则是采用蓝牙技术,可以无线传输来自量具的连续数据流。据该公司量规产品经理Bob Harman介绍,M1和M2电子量规与采用液晶屏显示测量值,然后通过揿一个按钮,将该读数值传送到计算机存储器的无线电子量具有所不同。他用“快照与视频”来比喻两者之间的区别。蓝牙联接就像摄像机一样,可以传输连续的实时数据,能够检测工件的内孔或外径。他说,“因此,为了检测孔的特征(如锥度或椭圆度),用户可以探查和了解孔的实际形状。”例如,这种无线量规特别适合检测大型发动机或变速箱铸件上加工的孔。无线孔径量规可使检测人员在测量多个孔径时更方便、更快速。传统的电子量规需要用电缆线连接到信号放大器上,电缆线的扭曲、转弯和缠绕打结都可能造成时间延误。“可以想象一下,用1.8m或2.1m长的台架夹持一个这种铸件加工时,周围分布着一组有线量规,操作者要不断用这些量规按先后顺序反复测量多个孔径。即便用滑轮或挂钩将电缆线分开,仍然很不方便。在此类加工中,无线量规使用户可以避免电缆线带来的困扰。”
Harman补充说,与气动量规相比,无线量规也具有类似的优势。气动量规需要用软管输送压缩空气,再加上一组用于传输检测数据的硬件连接——量规先连接到气电转换器上,然后再连接到与放大器相连的电箱上。如果采用无线量规,这一系列硬件系统都可以取消。
在实际加工中,电子/无线量规优于气动量规的另一个好处是总成本更低、安全性更好。用气动量规检测工件需要使用压缩空气(这本身就会增加成本),而压缩空气可能会将冷却液从工件上吹走或使其雾化。在某些情况下,这可能会对环境和操作者的健康造成危害,从而会增加额外的环保费用(虽然也有人认为压缩空气有利于清洁工件)。
不过,气动量规也有自身的优势,其非接触测量方式特别适合检测高光洁表面、薄壁件或其他敏感零件。气动量规对检测人员的技能水平要求不高,并能检测用接触式量规可能很难测量的空间形位关系,如垂直度、直线度、平面度、沟槽宽度和平行度。
气动量规也可以设计制造得比较轻便小巧,就像马尔联邦公司的Micro-Dimensionair手持式数字气动量规那样。该公司认为,能从工件表面吹走污物是气动量规的优势之一。

图2 Pocket Surf PS1表面粗糙度测量装置(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
手持量具的检测范围并不仅仅局限于基本尺寸。例如,马尔联邦公司的新一代便携式表面粗糙度测量装置Pocket Surf PS1就能用感应式测头检测超过24项表面粗糙度参数。
海克斯康旗下Brown & Sharpe公司的Ray Funaro指出,在过去几年中,耐污染或许已成为手持式电子量具最重要的设计要素。“一些机械工人不愿意使用电子量具,因为如果有任何污物进入这种量具的模块中,就会使系统短路损坏。”
防水量具可用于铣床、磨床或任何冷却液四处飞溅的加工场合。海克斯康已经开发出了可在水下正常工作的电子量具,而在实际加工环境中,电子量具还可能暴露于冷却液、润滑油、切屑和各种碎屑微粒之中。因此,量具制造商提供了更多能满足关于电子器件外壳密封防止异物进入的IEC 529国际标准高防护等级(IP)的卡尺、千分尺乃至高度规。现在,市场上已有各种满足IP 65(防尘和耐水流喷射)或IP 67(防尘和耐短期水浸泡)防护等级的电子量具产品。Funaro说,刚开始时,满足IP防护等级的电子量具价格有所提高,但随着此类产品的大批量生产,价格也随之回落。
量具生产企业对更坚固耐用、防护性能更好的电子量具十分重视,正在扩大其符合IEC/IP等级标准的量具生产线。例如,马尔联邦公司推出了IP 65防护等级的EW系列数字千分尺,以及防护等级达到IP 67,并在滑尺中增加了“污物刮除装置”的EW系列数字卡尺。

图3 Starrett 797电子卡尺(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
Starrett公司也扩充了其IP等级量具产品线。该公司的797电子卡尺的防护等级达到IP 65,这就意味着,在测试条件下,该卡尺能抵御来自多个方向的水流喷射达3分钟。该卡尺采用数显读数,最大测量范围150-300 mm。
在车间环境中,还有一种虽然看不见,但却可能影响无线电子量具测量性能的污染——电磁干扰(EMI)。这些电磁波来自电机、旋转的主轴、感应固化剂和车间中的其他电气设备,它们可能会干扰无线量具的数据传输。
采用网状网络是在车间环境下最大限度地减少无线测量数据丢失或出错的有效方法。简单地说,网状网络通过多个路由器发送数据,可以选择信号最清晰的传输路径。通过编程,可对某一量具的每种传输路径进行检验,最终使测量数据到达作为“网关”存储点的电脑中。Starrett公司强调,网状网络与该公司的DataSure无线测量数据采集系统相结合,对电磁干扰具有极强的抗御能力。
密歇根大学的Bress指出,虽然电子数显量具使用起来很方便,在读取测量值时不易出错,但其背后也存在一些隐患。
数显量具可以显示小数点后几位数字,这意味着所有这些数字都是有效测量值。但是,“如果你的测量存在其他误差来源,你就必须知道哪些数字是可靠的,哪些数字并不靠谱。换句话说,仅仅因为数显量具可以显示小数点后6位数字,并不意味着其测量精度真正达到了± 0.000001。”
作为实验室管理员的Bress指出,经验不足的工程师们还需要汲取其他一些关于尺寸测量的经验教训。其中之一是:提高测量精度需要付出代价:更精确的测量难度更大,需要耗费更多的时间,还需要使用更昂贵的测量设备。他说,“工程师和技术人员在进行一项测量之前,必须对需要达到的精度水平具有良好的判断力。选用超过所需精度水平的量具会造成时间和金钱上的浪费,而测量中的其他误差源将会使增加的精度损失殆尽。”例如,只有当设备、夹具和工艺的设计精度都适合千分尺的精度水平时,选用千分尺才有意义。而误差较大的测量条件并不能从千分尺更高的测量精度中受益,在这种情况下,选用卡尺可能更合适一些。因此,使用手动量具时,最常犯的错误是选用不恰当的量具来完成手头的检测任务。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2012年第2期
上载于:2014-1-13 11:35:31

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