专利名称:制造量规的方法及其测量元件系统的制作方法本发明涉及制备测量精度达1微米量级的称为工作量规的方法及其测量元件系统。工作量规，也叫校对规，例如是一个块状物体，它被加工成显示出两个表面区域之间所要求的精确距离，它用作各种生产部件高精度加工中的比较规。当该量规具有正确的尺寸时，再加上使用例如有足够精确的刻度表的台座，它就可足以进行生产部件的比较测量。例如在一天的生产中，常常需要进行几次量规测量，以便能不断地检验其它的测量设备，这就意味着量规有一定的磨损，即使量规用很硬的钢材制造，磨损也避免不了。因此，根据使用和频繁程度和其它使用条件，常常是用精确的绝对测量来校核规块，这就要用昂贵的测量设备。具有这种设备，例如有三座标测量仪的大企业里，在相应的测量部门前，常常要排队，而单次测量是很费时间的。如果，或是当量规的绝对测量结果变化了，那么这个量规还完全可以用，至少有小的偏差时还能用，这时量规应标有(最好是刻上)量规偏离其正常尺寸的偏差的标志，如“-4微米”。在使用中，用这个偏差值，再利用一个准确的刻度表或类似的不大贵的、能在狭窄的测量范围内，如10毫米内，进行精确测量的部件，就可以完成所要求的校正，这时所采用的总量程可以达到20至50厘米。然而，发现使用者仍然有时忘记了进行所要求的校正，我们知道，这会引起很昂贵的磨损，或者在以后引起严重的机械破损。不必花时间去制造一个在制造过程中具有有关的绝对控制测量的校对规，可以选择用许多标准标定的规块来组合一个校对规，每个规块的限定值都无需控制测量。然而，这些规块是相当昂贵的，还发现这些规块並不像通常所认为的那么精确。短暂的手的接触的热量足以造成两个微米的变化，再如，如果这些规块用作实际测量工具，而不是在专门的实验室(称为测量室)良好的防护环境下仅仅作为调整的标准，那么这些块要磨损。磨损的块规可以再彻底地标定，但这要花很高的费用及等待很长的时间才能达到，因为块规的生产和标定，是全世界只有少数几家企业才能具有的专长。与此有关，应当指出，发现工业应用的精确的长度测量标准几乎唯一地就是所说的块规，它们可以在控制的环境下，如室温20℃，叠加成任何尺寸。否则，使用者就要提供他们自己所基于的精确测量设备的量规或校对规，当然，这些工作规也得在控制的条件下工作。这些工作块规完全平滑、表面精确地平行，块规叠放在一起时，由于它们之间的空气完全排除，可以互相贴合。从测量技术的观点来看，块规的相对表面是一对真正完全平行的平面是非常重要的，一块块规相对两端如果相差万分之五毫米，那么五六块块规叠放在一起，所造成的测量误差就会增加到几个微米。还有，像刻度表，螺旋测微计等这些便宜的小距离测量仪器的高精确性，通常是由这些仪器和一个精确地垂直于仪器的作动顶针的运动方向的平面共同作用所决定的，因为如果不精确地垂直，这些顶针就会受到横向力的分量的影响。利用标准的块规，就有可能组合成具有严格要求尺寸的校对规(称之为零校对规)，而且还组成一个只是近似于所要求的尺寸的校对规，之后，最终的尺寸可再利用一个严格准确的短距离测量装置来确定。然而，块规仍应要经常用控制测量来检查，否则的话，在实际工作中，一个操作人员就可能会继续生产出不合格的产品，而自己却对产品达到所要求的公差充满信心，即使把给定的校正值，适当地考虑进去也会这样。本发明的目的就是提供一个测量元件系统，它可以大为简化並确保所制造的产品具有高精确度的正确的绝对长度尺寸。根据本发明，作为工作量规的设备，在下述称为校对规的设备中，使用一个或多个长度可变的或固定的校对规单元，用测量设备，即使不在实验室的条件下，这些工作规单元被调整到並固定为与标定过的量规的长度相应的尺寸，其长度是在同一个或相应测量设备测出的，标定过的量规可以包括叠放在一起的通常的块规;测量设备包括精确的短距离测量设备，诸如刻度表，该设备要能保证在短的距离范围内，如20到30毫米。能以高的精度进行测量。因此，就有可能，用相当少量的预先标定过的量规而组装成所有可能的校对规的尺寸，而校对规本身也相应地由少量的标准单元组成。由于校对规单元的长度尺寸是可以调节的，则就有可能用所说的测量设备和有关的标定的量规，用简单的调节的方法，来检查和校正校对规。这样，如果一次检查显示出校对规尺寸有变化，则可以快速而容易地重新建立起正确的尺寸，这样利用校对规就不必计算尺寸校正值，也就是说，校对规永远是“零校对规”，制成品公差错误的危险就大为减少。这些特点中，当然最重要的或者说首要的条件是，这种可调节的校对规单元要适于实际使用，並且要尺寸稳定，另外一件事也是重要的，即预先标定过的块规应比较便宜，尺寸要极度稳定。
根据这样的背景，本发明的一个非常重要的方面就是，它可以为一种新型的“块规”创造了条件，这种“块规”可调节並可以高的精确度而使用，既可用作易于调节的工作量规或校对规，又可以用作绝对测量所用的预先调节好的量规。一种可调节的通常的块规是很难想象的，但是涉及到本发明，可以体会到，使用预先标定过的量规时，实际上根本就不需要有宽的、带平行表面的块体，因为最好是(或者说这样更为有利)能使用一种只有一个宽的支撑面的块件，而另一个测量面的面积小，或者差不多就是点状的，在这两种情况下，所说的测量表面包括一根顶针的端部，这根顶针长度固定、可移动地插入具有宽阔支撑表面的块状部件上的孔洞之中。
应当指出，由美国专利US-A-4，219，934号中可以知道一种测量装置，它包括使用可调节的量规部件和一个附属的测量器具。这些已知的量规部件包括一个基块，块上有一个手工操作的螺纹部件，用它来把一根从基块上伸出来的顶针旋出一些;用一个夹具把顶针固定在指定的位置上，此后量规测量的就是顶针的自由端和相对的基块端面之间的距离。这种校对规部件，连同其附属的螺旋系统，制造起来必然是非常昂贵的，並且由于螺旋系统在量规测量的方向上占据一大块空间，故该部件的最小厚度必然也是较大的，这当然又是一个缺点。再有，按这种已知的安排，用于调节量规的测量设备，远远不能满足微米级的测量精度的要求，因为该设备主要相当于一个带游标系统的卡尺，它完全不能满足精度要求。这样，当真要进行精密测量或调节的时候，已知的安排就不得不用所说的块规，再有，所说的这份专利出版物确切地说只不过是不幸的事实中的许多实例中的一个，即操作人员满意地认为测量系统最外端的相对测量偏差非常小，仍没有任何相应于绝对尺寸的精确参考。在实际情况中，正是这种情形是造成许多机械损坏的真正原因，机械师倒是真正地注意到了真正的公差要求，但是根据工作量规来看，机件的尺寸可能大大地偏离了所要求的绝对尺寸。
根据本发明，所说的块件最好是圆柱形块体，其中，所说的顶针以可滑动的配合插入在柱体的中轴孔洞之中，用一个旋在柱体上的径向夹具把顶针固定住。这种块体的设计既可很好地用于调节校对规，又可用于绝对测量的固定规，当固定规用时，它要用现有的高精度量规或高精度测量机械来标定。标定则可以由移动和固定顶针来实现，无需对材料进行机械加工，並且，用一种简单而便宜的方法可以得到高的标定精度，即顶针的外端预先加工成所需求的形状和硬度。绝对测量用的量规的生产成本，比起通常的块规来，要大为减少。
比起通常的块规来，这种新颖的标准量规的普遍可用性，可能会受到一点限制，但是这里重点考虑的是用精密量规作为工作规的测量设备中以下一些测量的参考标准，在这种具体的关系中，本发明的标准量规不仅便宜，而且比通常的块规好。块状部件的圆形基面，最好是由块状部件底侧的最外面的环状区域构成，当尺寸合适的时候，例如外径大约是5厘米，该环状基面比起通常的块规的一个侧面，在测量技术上来说是更好的靠着支撑平面，通常的块规的测量基面大约相当于小火柴匣窄的一个侧面;原则上来说，圆环状的支撑面是均匀的三点支撑，不论怎么转动都一样，而对于矩形面来说就不是这样。
还有，根据本发明的量规比起通常的块规来说还有一个优点，它不易遭受外表面短暂的温度变化(如人手接触)所造成的尺寸变化，因为中心顶针与周围的块体有某种程度的热绝缘。
本发明非常重要的一个方面就是，所说的测量设备的设计能测量经标定过的标准量规的中心顶针的轴向高度，也能测量本发明所提供的类型的可调节式工作量规的轴向高度，因为它借助于在有关的测量轴的方向上直接操作的或以该轴为中心对称地操作的类型的短距离测量设备，就可以进行准确的测量，也就是说，测量本身不在偏离实际测量线的带有有关的不确定因素的线上进行(如用游标规测量就是在一条偏离实际测量线的线上进行)。
按照本发明，对量规进行要求的调节时，一个明显的问题是，难于以微米级的精度来直接移动顶针，因之重要的是，按本发明的测量设备以及所采用的校对规或工作量规部件，要设计得使测量设备带有一个操作部分，该部分有一个促动杆，它通过齿轮耦合而操作，进行缓慢的位移，位移再传送到校对规部件的中心顶针上，这样一来，该顶针就容易调节了，然后再以所要求的非常高的精度固定。
与本发明有关的一个特殊的问题，就是校对规部件的暂时固定住的顶针应当足够结实地固定，以保证在外力作用下，它不致产生多达1微米的位移。当然，用非常硬的顶针夹具是可以达到的，但是现难以标明如“足够结实地夹紧”的某些标准，反之，夹紧动作本身会造成顶针的长度的增加。如以下要详细披露的，本发明包括一个特殊的夹紧系统，用它就可以达到，中心顶针或者根本不夹住，或者是以足够的测量稳定性完全被夹紧，这样，操作人员就容易决定，夹紧是否有效。
以下，参考附图，详细描述本发明，其中图1是根据本发明的量规部件的透视图;
图2是其侧视图;
图3是根据本发明的测量设备的透视图;
图4是三种不同的量规部件的透视图;
图5是量规部件修改方案的剖面图;
图6是量规部件的部分顶视剖面图;
图7是根据本发明的量规的另一方案的透视图。
图1和图2表示一个量规单元2，它包括一个带有宽底部分6和中心孔的柱状体4，中心孔中插有顶针8，顶针固定得稍伸出块体4顶侧之上。顶针8可以用径向夹紧螺丝固定住。在下面还将要披露另一种不同的固定方法。在块体4的底面6上有一个中心凹槽10，使块体4有一个外环状底面12。这个底面12是高精度制成的平面，中心孔也要高精度加工，严格地垂直于环状表面12的平面。顶针8的上端为平面，其平面以高精度平行于环形底面12，或者顶针上端的形状如虚线所表示的圆盖的形状。
顶针8的下端可以通过凹槽10而从下面接触到，顶针就由此插入，再利用某种高精度测量装置使顶针向上移动直到上端可探查到，这样，顶针的上端和环状平面12之间的距离就准确地为所要求的距离，如在20℃的温度下为50.000毫米。以后，把顶针就固定到块体4上而无需改变其长度标志，该量规单元或是块体2就作为加工完毕的产品而准备交付给使用者，单独或是连同下面所说的其它部件交付。然而，这些预先标定好的量规单元2要以一些不同的尺寸来生产，就是说，按某个间距，如25毫米，以一序列尺寸来生产。到最后，顶针8可以由块体4伸出约25毫米，它可以用作50毫米的量规单元。然而，最好顶针只从规体4的顶部稍微伸出一点。这样，这些规体本身就要采用各种尺寸。
在这些事先标定好的量规单元中，顶针8是用不可松开的方式固定住的，例如用强力粘合剂材料。
量规单元意欲用于如图3所示的测量设备中的标定单元。该设备包括下部机座部分14，机座14的顶侧16成为一个平台以放置所说的量规部件，以及下面所叙述的工作规。在平台16上，安装了一对夹持螺丝18以用来把量规单元的底座6夹持到平台上。平台16的后部安置有直立的支柱20，其上带有套筒22，套筒上带有一个向前伸出的支撑托架24以便支撑带有随动促动器顶针28的测量仪器26。在这里未表示出的方式中，套筒22与沿立柱20后侧延伸的轴向沟槽咬合住，使套筒在立柱上可调节高度但不能转动。在套筒22的下面有一个承载螺母30，它和立柱20上的螺纹32配合，这样，套筒22及其上的测量仪器26就可以利用螺母30来调节沿立柱20上的高度。
当量规单元2放在平台16上时，量规2的中心区下面，在相对的夹持螺丝18的中心位置上，平台有一个带螺纹的孔洞，其中插有一根轴杆34，促动器顶针28与轴杆34共轴。轴杆34向下伸入到机座14之中，並可以通过侧面开口36接触到，以便利用一个下面的宽阔的手动轮38来转动该轴杆。
先让轴杆34的上部处于向下缩进的位置上，可以把量规单元2放在支撑平台16上，用夹持螺丝18对中，螺丝18把量规的底座部分6夹持到平台上。利用螺母30可以把可移动部件22、26调节到规定位置，在这个位置上，量规单元的顶针8的顶部把促动器顶针28向上推动了一段距离。现在仪器26的读数就精确地标示着平台16上侧面和促动器顶针28下端之间的距离。这个尺寸就是量规单元的尺寸加上测量仪器26的显示数。
每台测量仪器都有一定的滞后作用，所以，依据促动器顶针是朝向仪器还是背离仪器而到达其最终位置，其测量结果是不同的，已经建立了一个标准，当使促动器顶针朝向被测目标而移动时才能得到正确的读数。因此，图3上所示的测量仪器26以已知的方式提供有促动器把手40，用它可以有效操纵缩进和降下顶针28，这样，根据把手的操作就可以读出正确的测定值。
这样，启动把手40，抬起顶针28，松开量规单元，並从平台16上移开。
所应用的量规单元2的尺寸的选择要大致上相应于要生产的工作量规所要求的尺寸。作为实例，可以要求生产长56.500毫米，公差为±2微米的工作量规或校对规;把50毫米的事先标定好的量规单元安装在测量仪器上，使之得到米制的读数，如100到8000微米之间的某个数。读数可以是2134微米，这样，校对规的正确读数就应当是2.134+(56.6-50.0)＝8.634毫米±2微米。
该校对规可以完全按通常的方式生产，並在图3所示的仪器上进行控制测量，但是本发明还提供了一种专门的校对规元件，它可以快速而容易地调节到所要求的尺寸。这种校对规元件类似于量规单元2，但其顶针8並不是事先固定的，因之它们适宜于调节，並且在未到用户处时，可松开地夹住(甚至不必要在实验室条件)，这样，校对规元件就可以用作工作校对规，以后它可以再调节到另一个尺寸，或者再调节到维持原来指定的尺寸。
图4示出了三种不同长度的校对规44。其中选出一个尺寸与前述测量过的量规单元2最接近的安装在图3的仪器上，利用手轮38把促动器轴杆34向上移动，它就可以向上推动校对规单元44的中心顶针8，直到得到所要求的米制读数，如按上面的例子就是8.635毫米。然后就操作把手40来提升或降低促动器顶针28，以便更精确地得到尺寸的指示数，进行所要求的调节，直到得到正确的尺寸。然后，就用校对规柱体上的径向夹紧螺丝把顶针8固定住，利用螺丝刀42来拧动螺丝，要检查尺寸是否依然正确。
校对规顶针8可以伸出规体顶面之上几毫米甚至几厘米;这样作是允许的，因为校对规只在当地使用，並且过一段时间肯定要再检查和重新调节。
至于很长的量规单元和校对规，可以利用已叙述过的量规单元，再结合应用图5所示的专门的基座单元。这样的单元包括某一选定长度的管状元件50，它有底部经平面加工的底端平面52，和一个宽的底座部分53，顶部有个支撑表面54以便于放置量规单元2或是校对规44，用一个接管螺帽56固定住。当放置量规单元时，该组合件要在专门的实验室里调节和固定，接管螺母56例如可使用粘合剂不可拆除地固紧。
当与校对规44结合应用时，基座单元或是延长底座50带有中心杆58，杆的上端带有一个O形环60，杆就用这个O形环挂在上部横挡62上，而杆的下端就穿过一个中心导引部件64。组装好的单元50，44安装在测量仪器的平台16上，夹持螺丝18就应移到各自的另一个螺丝孔17上，离开轴杆34再远一点，这样较宽的底座部分53中心就可定在轴杆34上。这样，这种校对规就可以按没有延长底座的校对规的同样方式来调节，杆58将把轴杆34的位置传递给校对规上的顶针8。
可以认识到，分别使用少数几个尺寸的延长底座50和校对规44，就可以覆盖相当宽的测量范围，同样也可用到相应的预先标定好的量规单元上。
量规单元2可以备有登记号码，如固定在底部凹槽10上或管件50上的标牌上可以写上号码，並且带有其标称尺寸的标记，如“50毫米”。标称尺寸可以标在量规体4顶部的环形盘面上，其中还可以标出与标称尺寸有没有偏差的情况，如在标定之后，标上诸如“-0.004”。当然，这样的偏差应当在调节和使用测量仪器时考虑进来。某些仪器26可以置零或重新置零，利用任何读数，一旦量规和促动器针24接触，自然马上就实现这种重置，这时有关的读数本身就没有意义了。如果有偏差，则标出的量规尺寸的偏差可以读入测量仪器之中。
在本发明的开发过程中，就清楚地看到，利用夹紧螺丝对校对规顶针8进行的可以再松开的固定，会造成一些测量技术的问题，因为不够稳定的顶针的扣紧件和过大的夹持件之间的接触边界是相当不固定的。曾努力用各种方法来解决这个问题，一般都不成功，但是图6所示的唯一的一个解决办法证明有惊人的效能在块体4内钻中心孔之前，先在中心轴外方一点钻一个横穿块体的横孔70，然后再于孔70的同一个横断面内，再钻一个径向孔71。孔71做有螺纹，以便能旋入夹紧螺钉。孔70紧紧地塞入一根钢针72使孔有些膨胀。然后再钻中心孔73，如图所示，中心孔切入填塞钢针72的一侧。
当顶针8置入中心孔73，孔71中的夹紧螺丝紧贴在填塞针72的外侧时，来自夹紧螺丝的夹紧压力通过填塞针72的剩余部分传给顶针8，在旋入螺丝的过程中，或者是由于螺丝的旋入，出现了一个特点，就是顶针8从完全放松突然变得根本不能移动地固定。夹紧力只增加非常小的一点就发生这个变化，也就是说，对开始完全放松的顶针8，要把它完全稳定并不需要特别强的夹紧力。所说的特定效应的这个优点的一些细节以及确定可能的条件现在还不能解释，或还不能说清楚。
至于顶针8的细调，可以使用如图2所示的一种安排，顶针有一个柱状凹槽，其相对两端与块体4上一对径向针杆螺丝相配合，这样，可以有选择地上紧，从而推动顶针8向上或向下，从而最终达到正确的位置。然后再把顶针按上述方法固定，利用夹紧螺丝和/或用胶粘的方法固定，即这些适用于预先标定好的类型的量规单元。
本发明並不限于使用主要是简单的杆状量规单元和工作量规，由于用顶针作为固定距离部件，又作为可调距离部件，就有了一种优点，即还可以结合使用其它形状的量规和校对规。这样，就可以设计一种如图7所示的“深的校对规”，它有一个下部环状部分80和直立的承载柱状物82，环状部分80的底面加工成平面，柱状物82一端开口，並承载着顶部分84，在顶部分84上插有一个顶针，高度可调节並可利用夹紧螺丝71固定。在这种实施例中，首要的是顶针的下端，顶针和下部环状部分的底面共同构成了距离部件。可以用事先在测量仪器上准备的一个校对规来调节顶针，並可以定位在下部环状部分80之内。
已经说过，本提出的系统的元件由钢构成，並且在20℃时把量规单元调节到正确的绝对尺寸。钢要经受由温度变化所造成的长度变化，而在生产过程中的产品，也要经受同样的变化，所以这个系统或是一般校对规是否会用在较高的或较低的温度下並不重要。然而重要的是，系统的各个元件，即事先标定好的量规单元，测量仪器，以及工作校对规，都要用和所制造的物品的材料的热膨胀系数最好是严格相同的材料制成，否则，只有在校对规的准备及应用，甚至包括制品的生产都要在20℃时进行，才能达到所要求的高精度。


本发明提供了包括有专门的标准块规和专门的工作量规部件以及相关的专门的测量设备的一个系统，利用这个系统，只对两个互相固定的可移动元件简单的长度调节就可以生产工作量规，这种调节是通过对在测量设备上事先测好的标准块规的尺寸的比较而进行的。块规和工作量规可以有类似的形状，例如可包括一个圆柱状的规体和从规体伸出的一个确定尺寸用的顶针，这种结构就决定了块规的设计是很便宜的，并且决定了工作量规可很容易地调节。