游标卡尺的三维设计与研究.docx

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游标卡尺的三维设计与研究

游标卡尺的三维设计与研究

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xxx指导老师：

xxx

xxx大学11机制合肥230036

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另外，有需要电子档的同学可以加我2353118036，我保留着毕设的全套资料，旨在互相帮助，共同进步，建设社会主义和谐社会。

摘要:

游标卡尺，是一种测量长度、内外径、深度的量具。

游标卡尺由主尺和附在主尺上能滑动的游标两部分构成。

若从背面看，游标是一个整体。

主尺一般以毫米为单位，而游标上则有10、20或50个分格，根据分格的不同，游标卡尺可分为十分度游标卡尺、二十分度游标卡尺、五十分度格游标卡尺等。

游标卡尺的主尺和游标上有两副活动量爪，分别是内测量爪和外测量爪，内测量爪通常用来测量内径，外测量爪通常用来测量长度和外径。

深度尺与游标尺连在一起，可以测槽和筒的深度。

本论文内容包括游标卡尺的原理设计，精度设计，结构设计，误差分析和调修。

关键词游标卡尺长度精度误差

目录

第一章绪论

1.1纵观游标卡尺的发展历程.........................3

1.2游标卡尺的分类及用途...........................4

1.3游标卡尺的种类规格.............................4

第二章游标卡尺的设计与研究

2.1游标卡尺的各部分与用途..........................7

2.2用solidworks三维软件画出各个零部件..............7

2.3游标卡尺的测量................................14

第三章游标卡尺的后续保养与维修

3.1保养方法..................................................19

3.2常规维修...................................................19

总结……………………………………………..……22

致谢…………………………………………………………...……….22

参考文献………………………………………...……...23

第一章绪论

1.1纵观游标卡尺的发展历程

在形形色色的计量器具家族中，游标卡尺作为一种被广泛使用的高精度测量工具，它是刻在直尺的延伸和拓展，他最早起源于中国。

古代早期测量长度主要采用绳子，或用“迈步”的方法，待有了长度的单位制以后，就出现了刻线直尺。

这种刻线直尺在公元前3000年的古埃及，在公元前2000年的我国夏商时代都已有使用，当时主要是用象牙和玉石制成，直到青铜刻线直尺的出现这种“先进”的测量工具较多的应用于生产和天文测量中。

中国汉代科学技术发达，发明了大量的领先当时世界的先进仪器和器具，如浑天仪，地动仪，等，这些圆轴类零件的诞生，在昭示着这刻线直尺的诞生，都昭示这刻线直尺在中国的诞生。

在北京国家博物馆中珍藏的“新莽铜卡尺”，经过专家考证，它是全世界发现最早的卡尺，制造与公元9年，距今年2000多年。

与我国相比，国外在卡尺领域的发明晚了1000多年，最早的是英国的“卡钳尺”，外形酷似游标卡尺，但是与新莽铜卡尺一样，也仅仅是一把刻线直尺，精度和使用范围较低。

最具现代测量价值的游标卡尺一般认为是由法国人约尼尔·比尔发明的。

他是一名颇具名气的数学家，在他的数学专著《新四分圆的结构、利用及特性》中记述了游标卡尺的结构和原理，而他的名字Vernier变成了英文的游标一词沿用至今。

而这把赫赫有名的游标卡尺至今没有见到，因此有人质疑他是否制成了游标卡尺。

19世纪中叶，美国机械工业快速发展，美国夏普机械有限公司创始人与1985年秋，成功加工出了世界上第一批四把0-4英寸的游标卡尺，其精度达到了0.001毫米。

1851年由美国Brown&Sharpe公司将Nonuth及Vernier两个构想制造出第一支游标卡尺，后由德国Masuer兵工厂加以改良制造，是工程上应用最广的量具。

1854年荷、法、德、英、都普遍用上了游标卡尺，1856年日本也普及了游标卡尺，游标卡尺的制造技术逐渐更新迅速提高，使之成为了通用性的长度。

1992年5月在扬州市西北8公里的邗江县甘泉乡（今邗江区甘泉镇）顺利清理了一座东汉早期的砖室墓，从墓中出土了一件铜卡尺（见图），此铜卡尺由固定尺和活动尺等部件构成。

固定尺通长13.3厘米，固定卡爪长5.2厘米、宽0.9厘米、厚0.5厘米。

固定尺上端有鱼形柄，长13厘米，中间开一导槽，槽内置一能旋转调节的导销，循着导槽左右移动。

在活动尺和活动卡爪间接一环形拉手，便于系绳或抓握。

两个爪相并时，固定尺与活动尺等长。

使用时，将左手握住鱼形柄，右手牵动环形拉手，左右拉动，以测工件。

用此量具既可测器物的直径，又可测其深度以及长、宽、厚，均较直尺方便和精确。

惜因年代久远，其固定尺和活动尺上的计量刻度和纪年铭文，已锈蚀难以辨认。

东汉原始铜卡尺的出土，纠正了世人过去认为游标卡尺乃是欧美科学家发明的观念。

英国在1973年出版的《英国百科全书》第10卷402页，记述游标卡尺是法国数学家“PierreVernier”【维尼尔·皮】公元1580－1637年在1631年发明的工作原理。

由此也证明游标卡尺是有中国传至国外的！

1.2游标卡尺的分类及用途

游标类仪器包括：

游标卡尺、高度游标卡尺、深度游标卡尺、齿厚游标卡尺、游标角度规等。

游标类仪器是利用游标原理进行读数的，仪器主要同主尺和游标尺两部分组成。

仪器没有传动放大机械，被测量与游标相对主尺移动的距离相等，主尺的刻线间距等于主尺的分度值。

其读数精度的提高仅仅是利用游标原理。

游标类仪器没有测力控制装置，测力的大小由手的推力或使尺框微动来控制，带主观性，达不到统一的要求。

游标类仪器用来测量尺寸、外尺寸，也可测量内孔的深度，台阶的高度，一般角度和齿轮齿厚等。

1.3游标卡尺的种类规格

游标类仪器包括:

游标卡尺：

是一种测量长度、内外径、深度的量具。

游标卡尺由主尺和附在主尺上能滑动的游标两部分构成。

主尺一般以毫米为单位，而游标上则有10、20或50个分格，根据分格的不同，游标卡尺（如下图）可分为十分度游标卡尺、二十分度游标卡尺、五十分度格游标卡尺等。

1.31游标卡尺

游标卡尺的主尺和游标上有两副活动量爪，分别是内测量爪和外测量爪，内测量爪通常用来测量内径，外测量爪通常用来测量长度和外径。

高度游标卡尺根据读数形式的不同，高度游标卡尺可分为普通游标式和电子数显式两大类。

1.32高度游标卡尺

根据读数形式的不同，高度游标卡尺可分为普通游标式和电子数显式两大类。

　高度尺的规格常用的有0-300；0-500；0-1000；0-1500；0-2000　根据使用的情况不同及多有单柱式与双柱式！

　双柱式主要应用于较精密或测量范围较大的场合；0-300，0-500的常见的为单柱式。

　双柱数显高度尺有很多分类：

数显高度尺，代表高度尺，游标高度尺。

1.33深度游标卡尺

深度游标卡尺如下图所示，用于测量零件的深度尺寸或台阶高低和槽的深度。

如测量内孔深度时应把基座的端面紧靠在被测孔的端面上，使尺身与被测孔的中心线平行，伸入尺身，则尺身端面至基座端面之间的距离，就是被测零件的深度尺寸。

它的读数方法和游标卡尺完全一样。

1.34齿厚游标卡尺

齿厚游标卡尺是用来测量齿轮（或蜗杆）的弦齿厚和弦齿顶。

这种游标卡尺由两互相垂直的主尺组成，因此它就有两个游标。

A的尺寸由垂直主尺上的游标调整；B的尺寸由水平主尺上的游标调整。

刻线原理和读法与一般游标卡尺相同。

1.35游标角度规

游标角度规角度规又被称为万能角度尺、游标角度尺和万能量角器，它是利用游标读数原理来直接测量工件角或进行划线的一种角度量工具。

第二章游标卡尺的设计与研究

2.1游标卡尺的各部分与用途

游标卡尺主要由主尺、游标尺、内测量爪、外侧量爪、深度尺和紧固螺母组成。

①主尺：

用于读取游标尺刻度线对应的整毫米数；②游标尺：

用于读取对准主尺上某一条刻度线的游标尺上的刻度数；③内测量爪：

用于测量内径；④外测量爪：

用于测量外径；⑤深度尺：

用于测量深度；⑥紧固螺母：

用于固定游标尺

2.2用solidworks三维软件画出各个零部件

首先打开软件，画出主尺的三维立体图，得到下图1-1

图2-1

然后利用软件生成主尺的三视图。

图1-2

图2-2

接下来的步骤和以上的一样都将先画零部件的三维立体图画出，再利用软件得到零件的工程图。

图2-32-4是游标尺的三视图和三维立体图。

图2-3

图2-4

图2-52-6是尺身的三视图和三维立体图。

图2-5

图2-6

图2-72-82-92-10是紧固螺母的三视图和三维立体图。

图2-7

图2-8

图2-9

图2-10

图2-11

图2-12

图2-132-14是主尺上的螺丝的三视图和三维立体图。

图2-13

图2-14

当各个零部件都成功画好后，然后就开始组装，合成一个完整的游标卡尺三维立体图，即得到游标卡尺的装配图。

图2-15

图2-15

2.3游标卡尺的测量

2.31游标卡尺的工作原理

游标卡尺是工业上常用的测量长度的仪器，它由尺身及能在尺身上滑动的游标组成，若从背面看，游标是一个整体。

游标与尺身之间有一弹簧片（图中未能画出），利用弹簧片的弹力使游标与尺身靠紧。

游标上部有一紧固螺钉，可将游标固定在尺身上的任意位置。

尺身和游标都有量爪，利用内测量爪可以测量槽的宽度和管的内径，利用外测量爪可以测量零件的厚度和管的外径。

深度尺与游标尺连在一起，可以测槽和筒的深度。

尺身和游标尺上面都有刻度。

以准确到0.1毫米的游标卡尺为例，尺身上的最小分度是1毫米，游标尺上有10个小的等分刻度，总长9毫米，每一分度为0.9毫米，比主尺上的最小分度相差0.1毫米。

量爪并拢时尺身和游标的零刻度线对齐，它们的第一条刻度线相差0.1毫米，第二条刻度线相差0.2毫米，……，第10条刻度线相差1毫米，即游标的第10条刻度线恰好与主尺的9毫米刻度线对齐。

当量爪间所量物体的线度为0.1毫米时，游标尺向右应移动0.1毫米。

这时它的第一条刻度线恰好与尺身的1毫米刻度线对齐。

同样当游标的第五条刻度线跟尺身的5毫米刻度线对齐时，说明两量爪之间有0.5毫米的宽度，……，依此类推。

在测量大于1毫米的长度时，整的毫米数要从游标“0”线与尺身相对的刻度线读出。

2.32游标卡尺的使用方法

用软布将量爪擦干净，使其并拢，查看游标和主尺身的零刻度线是否对齐。

如果对齐就可以进行测量：

如没有对齐则要记取零误差：

游标的零刻度线在尺身零刻度线右侧的叫正零误差，在尺身零刻度线左侧的叫负零误差（这件规定方法与数轴的规定一致，原点以右为正，原点以左为负）。

测量时，右手拿住尺身，大拇指移动游标，左手拿待测外径（或内径）的物体，使待测物位于外测量爪之间，当与量爪紧紧相贴时，当测量零件的外尺寸时：

卡尺两测量面的联线应垂直于被测量表面，不能歪斜。

测量时，可以轻轻摇动卡尺，放正垂直位置，先把卡尺的活动量爪张开，使量爪能自由地卡进工件，把零件贴靠在固定量爪上，然后移动尺框，用轻微的压力使活动量爪接触零件。

如卡尺带有微动装置，此时可拧紧微动装置上的固定螺钉，再转动调节螺母，使量爪接触零件并读取尺寸。

决不可把卡尺的两个量爪调节到接近甚至小于所测尺寸，把卡尺强制的卡到零件上去。

这样做会使量爪变形，或使测量面过早磨损，使卡尺失去应有的精度。

即可读数.

读数时首先以游标零刻度线为准在尺身上读取毫米整数，即以毫米为单位的整数部分。

然后看游标上第几条刻度线与尺身的刻度线对齐，如第6条刻度线与尺身刻度线对齐，则小数部分即为0.6毫米（若没有正好对齐的线，则取最接近对齐的线进行读数）。

如有零误差，则一律用上述结果减去零误差（零误差为负，相当于加上相同大小的零误差），读数结果为：

L=整数部分+小数部分－零误差

判断游标上哪条刻度线与尺身刻度线对准，可用下述方法：

选定相邻的三条线，如左侧的线在尺身对应线之右，右侧的线在尺身对应线之左，中间那条线便可以认为是对准了

L=对准前刻度+游标上第n条刻度线与尺身的刻度线对齐*（乘以）分度值

如果需测量几次取平均值，不需每次都减去零误差，只要从最后结果减去零误差即可。

下面以图所示0.05游标卡尺的某一状态为例进行说明。

测量一盒子的内径

1.在主尺上读出副尺零刻度线以左的刻度，该值就是最后读数的整数部分。

图示24mm。

2.副尺上一定有一条与主尺的刻线对齐，在副尺上读出该刻线距副尺的零刻度线以左的刻度的格数，乘上该游标卡尺的精度0.05mm，就得到最后读数的小数部分。

或者直接在副尺上读出该刻线的读数，图示为0.70mm。

3.将所得到的整数和小数部分相加，就得到总尺寸为24.700mm。

测量一球的直径

1.在主尺上读出副尺零刻度线以左的刻度，该值就是最后读数的整数部分。

图示24mm。

2.副尺上一定有一条与主尺的刻线对齐，在副尺上读出该刻线距副尺的零刻度线以左的刻度的格数，乘上该游标卡尺的精度0.05mm，就得到最后读数的小数部分。

或者直接在副尺上读出该刻线的读数，图示为0.70mm。

3.将所得到的整数和小数部分相加，就得到总尺寸为24.700mm

2.33游标卡尺的精度

常用游标卡尺按其精度可分为3种：

即0.1毫米、0.05毫米和0.02毫米。

精度为0.05毫米和0.02毫米的游标卡尺。

它们的工作原理和使用方法与本文介绍的精度为0.05毫米的游标卡尺相同。

精度为0.05毫米的游标卡尺的游标上有20个等分刻度，总长为19毫米。

测量时如游标上第11根刻度线与主尺对齐，则小数部分的读数为11/20毫米=0.55毫米，如第12根刻度线与主尺对齐，则小数部分读数为12/20毫米=0.60毫米。

一般来说，游标上有n个等分刻度，它们的总长度与尺身上（n－1）个等分刻度的总长度相等，若游标上最小刻度长为x，主尺上最小刻度长为y

则nx=（n－1）y，

x=y－（y/n）

主尺和游标的最小刻度之差为

Δx=y－x=y/n

y/n叫游标卡尺的精度，它决定读数结果的位数。

由公式可以看出，提高游标卡尺的测量精度在于增加游标上的刻度数或减小主尺上的最小刻度值。

一般情况下y为1毫米，n取10、20、50其对应的精度为0.1，0.05毫米、0.02毫米。

精度为0.02毫米的机械式游标卡尺由于受到本身结构精度和人的眼睛对两条刻线对准程度分辨力的限制，其精度不能再提高。

第三章游标卡尺的后续保养与维修

3.1保养方法

游标卡尺使用完毕，用棉纱擦拭干净。

长期不用时应将它擦上黄油或机油，两量爪合拢并拧紧紧固螺钉，放入卡尺盒内盖好。

游标卡尺有0.1毫米（游标尺上标有10个等分刻度）、0.05毫米（游标尺上标有20个等分刻度）、和0.02毫米（游标尺上标有50个等分刻度）、0.01毫米（游标尺上标有100个等分刻度）4种最小读数值

3.2常规维修

游标卡尺常见的故障修理

游标卡尺（以下简称卡尺）是工业生产中最通用的量具之一，卡尺的结构简单，使用方便，测量范围大，用途广泛，由于卡尺使用频繁，容易磨损和损坏，现将使用中常见故障的排除方法总结如下：

外观的修理：

外观的要求：

卡尺表面应镀层均匀,标尺标记应清晰,表蒙透明清洁,不应有锈蚀、碰伤、毛刺，镀层脱落及明显划痕，无目力可见的断线或粗细不匀等以及影响外观质量的其它缺陷。

外观基本修理：

首先用工业汽油或用煤油将卡尺清洗干净，再用较好的细油石去掉毛刺，然后用零号细砂纸或用380号小砂纸加少量煤油，向一个方向顺着打光，打光后的表面，纹路力求均匀一致。

对于卡尺刻线面的打光，如有严重锈蚀，可将砂纸剪成比主尺宽度略小的窄条，用手压在主尺刻线面上进行打磨，防止产生断线现像。

对于镀铬卡尺，只要清洗干净，用碳化硼油石打掉毛刺即可,一般不必打光,以免镀铬层被打掉。

外观量爪折断的修理：

（一）折断部分较短，可将量爪同时用砂轮磨短磨齐。

（二）折断部分较长或全部折断，可将两量爪全部磨去，修成单面量爪使用。

外观其它明显损坏部分的修理：

卡尺使用中，由于意外事故，可能造成量爪扭曲，游框变形或卡死，以及主尺严重弯曲等明显损坏。

量爪扭曲和游框严重变形时，可夹在虎钳中和平板上用木锤校正。

2、卡尺各部分相互作用的要求和修理：

要求：

尺框沿尺身移动应手感平稳，不应有阻滞或松动现像。

尺框产生不灵活和晃动的修理：

（一）主尺变曲变形：

由于内应力没有消除造成的，可在夹压平口钳上进行调直，也可以放在木板上用硬木锤或表面光滑的紫铜锤调直。

（二）主尺基准面平直度和平行度不好，应在平板工作面上纵向推拉研磨主尺基准面，也可粗研量爪测量面，以达到此要求。

游框、游标与主尺间隙的修理：

（一）在游框内底面的两侧,用锡焊焊上两条适当厚度的薄铜片或钢片。

（二）对于死游标的卡尺，可用外径合适的金属棒放在游标斜面上,用虎钳挤压.

（三）对于活游标卡尺,可用小锉将游标底面修的向内侧倾斜一些；也可将游框上与游标贴合的面锉低或在平面磨上磨去一层。

微动装置的修理：

微动游框的槽磨损后，产生空行程，间隙小的，可在虎钳上将凹槽夹窄一些，用小锉修整即可。

间隙过大时，则应配制适应长度的螺母。

卡尺弹簧片的修理与配制：

在多次合拢量爪时，间隙或有或无，或大或小的现像，多半是由于弹簧片失去弹力作用造成的，应及时更换新的弹簧片，并使弹簧片适应尺身的大小，不能使游框过紧或过松。

卡尺零位的调整：

（一）调整压活游标方法。

（二）经长期使用无法用上述方法的，可用改装法，把尺框上打孔，攻丝，打好定心孔，即可装好游标，对好零位。

3、刀口形内量爪上下两平面摩擦的修理

首先查清哪个量爪变形，然后进行调整，可用铜锤或木锤敲击调直方向，但冲击力不能过大，以免量爪变形更大或击断。

4、卡尺测量面的平面性和平行性的修理

（一）手工研磨，研磨时将卡尺夹在虎钳在，手和研磨器应放平，用力均匀,不可偏斜。

测量面研磨余量较大时，应先用油石粗磨.这种修理方法是现在普遍使用的。

（三）平行性的修理通常与平面性的修理同时进行。

研磨器是修理卡尺平面性和平行性的主要工具。

5、卡尺示值误差的修理：

应根据产生误差的原因有针对性的修理。

由于示值误差综合反映卡尺各部分的误差，所以在其它各部分修理合格后，示值误差一般也会符合要求。

6、测深卡尺的平直度的修理：

可在木板上用木锤调直，如测深根部不合适，应予修复或更换新的配件。

更换的配件过长，可用手动砂轮进得修磨，一定得注意夹紧夹平卡尺，这样才能保证测深部分平直。

总结

通过这次的毕业设计让我更加深入的了解了游标卡尺也让我知道不管什么知识都没有最终的结果只有不断地探索,不断的深入我们才能有机会去了解这个事物的本质。

同时在我使用solidworks软件画图的同时我也相应的更加熟练的掌握了这门软件业更加了解了这个软件的强大。

虽然这些都是我的自己动手操作的但是我也深刻的认识到了自己的不足，自己的弱点，知道了自己所掌握的知识是多么的贫乏。

通过这次的重新认识自己我也会相应的对自己提出一些要求对自己更加严格。

怎增加自己知识量，是自己的弱点变成知己的强项！

致谢

历时将近两个月的时间终于将这毕业设计做完，在别业设计的制作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。

尤其要强烈感谢我的毕业设计指导老师—孔晓玲老师，她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行毕业设计的修改和改进。

另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。

在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！

由于我的能力有限，所做毕业设计难免有不足之处，恳请各位老师批评和指正！

参考文献

1唐县职教中心王宏力王忍;游标卡尺的使用与维护[N];河北科技报;2007年

2陈超众;;游标卡尺读数四步骤[J];中学生数理化（高二版）;2008年Z1期

3陈超祥胡其登SolidworksMotion运动仿真教程（2014版）机械工业出版社2014年

4蒋和平.常用测量不确定度评定方法及应用[期刊论文]-北京:

中国计量出版社,2004.

Abstract

Verniercalipers,itisakindofmeasuringlength,diameter,depthofmeasuringtool.Verniercaliperbythemainrulerandattachedtothemainrulercanslideiscomposedofthecursor.Iflookedfromtheback,thecursorisawhole.Mainscalegenerallyinmm,whilethecursorwith10,20or50points,accordingtothedifferentdivisions,verniercalipers,verniercalipercanbedividedintoverydegrees20verniercaliper,fiftydegrees,verniercaliper,etc.Mainrulerandcursorofverniercaliper,therearetwopairsofactivity,respectivelyistheinternalclawsandoutsidemeasurementclaw,measurewithinclawusuallyusedformeasuringinsidediameter,outsidemeasurementclawisusuallyusedtomeasurethelengthanddiameter.Togetherwithvernierdepthgaugecanmeasurethedepthofthegrooveandthecylinder.

Thispaperincludestheprincipleoftheverniercaliperdesign,precisiondesign,structuraldesign,erroranalysisandrepair.

Keywords:

verniercaliper;extent;accuracy；error.