步距規

在長度計量領域裏，量塊是一種使用非常廣泛的實物標準器，很多計量器具都是用量塊進行量值溯源。但是在有些情況下，使用量塊進行計量工作會使操作人員感到不方便。例如：使用量塊對座標機示值偏差進行校準時，由於量塊尺寸的單一性，使得每次校準都需要很多個量塊，並需要專用的裝置進行裝卡。另外，大尺寸量塊比較容易損壞，如果攜帶外出開展校準工作，很可能損壞量塊，造成損失。步距規克服了量塊的這些缺點，它的特點是多尺寸、高精度、剛性好，攜帶方便。但是這種計量器具在設計、製造和校準方面有一定的難度，到目前為止我國沒有步距規產品。中國計量科學研究院長度處在過去的幾年裏對步距規進行了研究，試製了一種用陶瓷量塊組合體作為尺寸標準，用花崗石作為基體的步距規。這種步距規有如下特點：（1）用量塊組合出步距尺寸，這樣可以提高步距尺寸的精度，並降低造價；（2）步距規的基體和量塊組合體各自獨立膨脹或收縮，減少外部因素對步距規精度的影響；（3）陶瓷量塊的線漲係數較低，減小了環境温度對步距規精度的影響。 ^[1] 

市場上現有的步距規有以下幾種：

1、用於水平測量的卧式步距規；

2、用於垂直測量的立式步距規；

3、用於水平和垂直測量的立卧兩用步距規；

4、用於空間角度位移的測量（需要加支座），比如三座標測量機。 ^[1] 

1、步距規的外部特徵

步距規主要由基體、基面定位塊、量塊組合體和側蓋組成，其外形如圖1所示。量塊組合體左邊的第一個量塊與基面定位塊的一個平面研和，基面定位塊具有很高的平行度，它的另一個平面可以作為步距規的一個基準平面，這種結構可以使步距規有一個較大的基準平面，以方便使用。量塊組合體是由一定數量的量塊研和而成的，它形成了步距規的實物標準尺寸。通過使用各種尺寸的量塊可以組合出不同步距的量塊組合體，從而形成不同步距尺寸的步距規，以滿足不同用户的要求。步距規的基體是用花崗石製成的，有良好的穩定性和剛性，方便使用和運輸。

2、步距規的內部結構

圖2表示了步距規的內部結構。

量塊組合體是安裝在步距規基體內部的，壓緊塊通過兩根拉絲將量塊組合體壓緊在基面塊上，壓緊塊的中間有一個凸起的球體，這個球體將壓緊力作用在量塊組合體上，使壓緊力通過量塊組合體的軸線。基面塊、量塊、拉絲和壓緊塊構成了一個獨立的系統，由於拉絲很細，可以視為彈性體，當温度發生變化時，量塊按陶瓷的熱漲係數自由膨脹或收縮。基體與量塊組合體之間有一定的間隙，這樣在温度發生變化時，基體和量塊組合體各自獨立膨脹或收縮，相互之間沒有作用力，提高了步距規的精度和穩定性。 ^[1] 

一般認為，量塊是最高精度的實物標準。量塊可以相互研和，組成一定長度標準，但是將幾十個量塊研和在一起，組成一個高精度的尺寸列是十分困難的，即使在一定的技術裝備幫助下，可以將幾十個量塊研和在一起，在將研和好的量塊組合體裝入步距規的基體時，也很容易破壞研和狀態，進而影響步距規尺寸列的精度。除此之外，壓緊塊對量塊組合體的壓緊力，温度變化等因素也影響步距規的精度。

1、影響步距規精度的因素

步距規的一個長度尺寸可以公式1表達：

L= l₀+Δl₁+Δl₂+Δl₃（1）

式中，L為步距規某一尺寸的實際長度；l₀為組成步距規某一尺寸的量塊的理想長度；Δl₁為量塊的偏差值；Δl₂為量塊組合體平行性導致的偏差值；Δl₃為温度導致的長度偏差。

（1）量塊的偏差值Δl₁

量塊的偏差是由量塊檢定的不確定度產生的。3等量塊的檢定不確定度是（0.1+ L）μm，如果使用60個10mm的量塊組成600mm長的步距規，這個長度的偏差為：

Δl₁=

= 0.85μm （2）

（2）量塊組合體平行性導致的偏差值Δl₂

由於研和、裝配的原因，步距規量塊工作面不可能完全平行。一般情況下，步距規量塊的可使用面積是10mm× 10mm，如果將這個面積上平行度最大偏差控制在3μm以內，而量塊的實際使用面積控制在3mm× 3mm，則量塊組合體平行性導致的偏差值：Δl₂≈ 1.0μm （3）

（3）温度導致的長度偏差Δl₃

步距規所使用的陶瓷量塊具有熱膨脹特性，其熱膨脹係數約4× 10^-6K^-1。對於600mm長的步距規每温度變化1K所引起的長度偏差為：Δl₃= 2.4μm （4）

以上三個影響步距規精度的因素中，量塊的偏差值Δl₁是由於量塊檢定不確定度而產生的，不能避免和減少；量塊組合體平行性導致的偏差值Δl₂是由於量塊研和及步距規組裝過程所產生的，這項偏差可以通過不斷改進步距規的製造工藝而逐步減小；温度導致的長度偏差Δl₃是由於材料的熱膨脹特性所產生的，這項偏差可以通過改善步距規使用的環境條件，和使用温度傳感器測量工作温度，根據材料的熱脹係數對長度尺寸進行補償而減小。

2、步距規的穩定性

由於步距規的基體是由花崗石製造的，因此在整體上有很好的剛性和穩定性，在使用過程中步距規不像量塊那樣嬌氣，甚至可以像對機械部件一樣對它進行裝卡。但是步距規也有薄弱環節，由於結構原理和設計的原因，步距規的基體與量塊組合體之間有一定的間隙，量塊組合體在這個間隙範圍內具有一定的自由度，在一定外部條件影響下量塊組合體可能會發生一些變化，進而影響步距規的精度。解決這個問題有兩個辦法，一是在步距規的基體與量塊組合體之間的間隙內加入彈性介質，其作用是對量塊組合體的移動和變化有一定的限制，同時不完全約束其自由度；另外一個辦法是改變結構設計，使量塊組合體完全避免外力的作用，具體結構可能會很多，設計人員可以通過創造力自行設計。 ^[1] 

由於步距規是使用廣泛的高精度實物標準器，因此能否校準這種計量器具是衡量幾何量校準實驗室能力的重要標誌。國際計量局（BIPM）把步距規列入了國際比對項目，我國是比對參加國之一。計量院長度處螺紋/座標實驗室除了開展日常的步距規校準工作，還承擔步距規的國際比對任務。

1、測量設備和環境條件

根據實驗室現有條件，步距規的校準可以通過兩種方法完成，一種方法是使用LeitzPMM12106座標測量機對步距規的尺寸直接進行測量；另一種方法是結合使用座標機和美國惠普公司的5529雙頻激光干涉儀對步距規進行測量。實驗室共有8個房間，其中有兩個房間的環境温度設計指標為（20± 0.2）℃ ，其餘房間的環境温度設計指標為（20± 1）℃ ，步距規的校準是在環境温度為（20± 0.2）℃的房間內進行的。

2、測量過程和測量不確定度

（1）單獨使用座標機的測量過程和測量不確定度

將步距規沿座標機長軸放置，適當卡緊。以步距規基面定位塊的一個平面、基體的一個側面和步距規上部任意一點為元素，在步距規上建立三維笛卡兒座標系。座標機接觸式測頭對步距規上的量塊工作面進行測量，每個平面測5點，計算機計算出量塊平面之間的距離和平面之間的平行性，量塊之間的距離和平行性是評價步距規的兩個指標參數。這種測量方法的測量不確定度主要有座標機的長度測量示值誤差、温度傳感器的精度、環境條件等因素，這種方法的總測量不確定度約為：U=（0.6+ L/600）μm，K= 2。

（2）結合使用座標機和激光干涉儀的測量過程和測量不確定度

將激光干涉儀的反射鏡和步距規裝卡在座標機移動工作台上，調整光路，使激光光路與工作台的移動方向平行。Leitz座標測量機的測頭有一個特性，就是可以在鎖緊按鈕時，以一個恆定的偏移靠在被測物體表面，步距規的校準就是利用座標測量機的這個特性，依次將測頭靠在步距規量塊的指定測量點上，讀入激光干涉儀的示值，換句話説就是，使用座標測量機對步距規的每個測量面進行瞄準，通過激光干涉儀的指示值進行示值測量。為了提高測量準確度，我們使用了高準確度的氣壓計、温度計對波長進行修正。通過計算機將這些儀器與5528激光干涉儀連機，實現了自動實時補償。影響這種測量方法不確定度的因素有座標機測頭穩定性、激光干涉儀的測長不確定度、座標機移動工作台移動的角擺和直線性、環境條件等因素。

根據計算和實驗得出這種測量方法的測量不確定度約為：U=（0.4+ 0.4L/1000）μm，K= 2。 ^[2]