尺寸測量法和用於實施該方法的標準樣品的製作方法

2023-05-09 13:12:11

專利名稱：：尺寸測量法和用於實施該方法的標準樣品的製作方法
技術領域：
：本發明涉及測量方法，其中對待檢工件的實際尺寸進行測量，然後將測得值與相應的標準樣品的實際尺寸值進行比較，以便檢測任何可能出現的誤差值。在計量領域中需要提供一種可以改進測量的解析度和精度的系統。另一個相關的要求是重複測量性即相對於給定的標準樣品來說，在特定的自然和外界環境條件下，能再次讀出具有已知誤差的樣品自身的參數。這樣，在例如有資格的實驗室和作為B.I.P.M(國際計量局)分部的學院所之間循環使用著「循環樣品」，其目的是評價再現樣品特有尺寸的實驗性。根據已知的關係，通常在樣品測量中的所有誤差都取決於介入測量過程中的每種成份的分布。毫無疑問地，介入測量過程中的基本成份是溫度。溫度變化1度將會導致用鋼製成的100毫米長的樣品伸長0.00115毫米。這些變化是伴隨著不同的時間常數而形成的傳熱路徑產生的，其取決於實驗室的自然環境特性。如果將上述條件擴大到與實驗室不同的環境下，例如一個進行質量檢驗機構的車間中，那麼將能體會到溫度因素是多麼的關鍵，因為不管在什麼地方其變化都遠遠超出1度。眾所周知，對工件來說有意義的百分比實驗是在生產環境下通過手動或自動進行的。公知的技術還有通過在相關的儀器上對在工件上進行的測量和在配有儀器的比較樣品上進行的周期性測量作一一比較來進行檢驗。這些有時被稱之為「調零樣品」的樣品用於確定、實現、存儲或再現一個或多個已知的值，以便通過與其它值的比較來傳遞相同的值。現在，由於調零樣品的標稱值是在20℃的溫度下進行檢定的，所以根據傳統的尺寸測量方法，應在假定受檢工件和調零樣品有相同的熱膨脹係數的情況下對相應的測量結果進行比較。EP-A-0498780中公開了一種用於對例如儀器和測量機中的物理測長尺和類似物這樣的細長體的線性熱膨脹進行檢測和補償的方法和裝置，其中的測量誤差是由於用來校準物體長度的標準溫度發生變化並引起長度變化而形成的。該方法和裝置還基於測量與標準件的製造材料有關的物體的線性膨脹，標準件材料的線性熱膨脹係數與物體材料的線性熱膨脹係數不同，而且此後，如果合適的話，應確定對被測物體的長度進行修正的補償係數。這就是目前所採用的已有技術狀態下的車間計量。為此，所採用的設備通常均以計算機化的系統為基礎，其軟體也考慮了與溫度變化趨勢有關的執行程序。然而，這些手段通常並不完全可靠，而且由於該原因，在實際中對用於車間環境下來說同樣是不合適的。本發明的目的是提供一種在開始時所述類型的測量方法，該方法能夠克服以上缺陷並且在比較測量和絕對測量中，甚至在不對溫度進行控制的環境下均為一種新的簡化方法。根據本發明，在開始時所定類型的尺寸測量方法其實際特徵在於，比較樣品的材料與被檢工件的材料是一致的，而且具有實際上相同的熱膨脹係數，其中該方法進一步包括以下步驟給出一個由具有低熱膨脹係數的材料構成的標準樣品，其沿被測的實際尺寸方向上的膨脹基本上可忽略不計，測量所說標準樣品上相應的實際尺寸以便得到其實的絕對測量值，將所說的真實絕對測量值與所說比較樣品的測得值進行比較並通過該比較確定顯示相對熱膨脹的參數，如果在被檢工件實際尺寸測量值和比較樣品測得值之間有誤差的話，應分別應用該參數去修正所說的誤差。實際上，本發明所述的方法以「雙重比較」的測量方法為基礎，通過該方法，用將比較樣品與低熱膨脹係數的標準樣品進行比較的方式可以檢測相對膨脹而且其還與對被檢工件進行的讀數有關，由此可以象在20℃控溫環境下所進行的那樣，推導出其尺寸。從尺寸的角度來看，本發明所述的測量方法能夠使生產過程更穩定，且能限制其零點漂移和適當地縮短檢驗時間(減少穩定時間和控制室溫的人員及設備轉移的時間等)。對帶有線性編碼器的儀器或光學儀器的調零來說可以取得極好的效果。此外，在進行實驗室尺寸比較的情況下也能獲得明顯的效果。用於進行本發明所述方法的標準樣品的材料可以是稱之為「INVAR」(鎳含量為37%的金屬合金)的金屬，或是石英，或是包含聚合樹脂基體和層狀碳纖維的更合適的複合材料。合適的樹脂是環氧樹脂，而疊層纖維可以具有0°和90°之間的不同取向角度，合適的是，每層之間和相鄰層之間的偏移角度為10°。為了達到在接觸區中確保高的表面硬度以及高的耐磨性，合適地是對標準樣品塊進行表面塗覆處理，塗覆層包括陶瓷材料塗層或純石墨塗層，或甚至碳氟樹脂例如聚四氟乙烯塗層，塗層厚度為十分之幾個毫米。下面將參照附圖對本發明作詳細說明，這些附圖純粹是作為非限定性實例而給出的，其圖示地表示用於該測量方法中的不同設計類型的標準樣品。特別是圖1是加工成平行平面塊的第一標準樣品的概略性正視圖;圖2是沿圖1中的線Ⅱ-Ⅱ取下的剖面圖，圖3表示用於外徑檢驗的第二標準樣品的正視圖，圖4是根據圖3中的箭頭4看到的俯視圖，圖5是用於檢驗內徑的第三標準樣品的正視圖，圖6是沿圖5中的線Ⅵ-Ⅵ取下的剖面圖，和圖7是用於檢驗直徑和凸肩的第四標準樣品的正視圖。按照本發明，以「雙重比較」原則為基礎的尺寸測量方法提供了同時並存的兩個調零樣品，兩樣品具有與被檢工件相同的幾何形狀。標成「比較樣品」的第一樣品用與被檢工件一致的材料製成，而且兩者實際上具有相同的熱膨脹係數。本說明書中的術語「一致」是根據該術語在計量領域中的一般含義確定的。更確切地說，與熱特性有關，本文所用的術語「一致」還特指「比較樣品」與被校驗的工件具有相同的熱容量(根據材料組分和/或尺寸和/或形狀)。標成「標準樣品」的第二樣品由其熱膨脹係數極低的材料製成，實際上該係數在被測實際尺寸的方向上是可忽略不計的。藉助於傳統的測量設備，在本領域熟練人員的知識範圍內且為了簡便起見不再詳細說明，首先測量被檢工件的實際尺寸(通常為長度)，然後將測得值與相應的比較樣品的實際尺寸值相比較，以便得出任何誤差值。然後將比較樣品的實際尺寸值與相應的標準樣品實際尺寸值相比較，由於標準樣品值不受環境溫度的影響，所以它實際上相當於絕對測量值。比較之後，確定表示比較樣品相對熱膨脹的參數，並在有誤差的情況下用該參數來修正在被檢工件和比較樣品的實際尺寸測量值之間測出的誤差。實際上，由此通過兩個樣品之間的比較可以揭示出相對熱膨脹而且其還與在被檢工件上進行的讀數有關，這樣就可以象在20℃控溫環境下所進行的那樣，推導出工件尺寸。附圖概略地表示標準樣品可能出現的不同類型。在圖1和圖2的情況下，標準樣品是由方形塊構成的，其具有平面和平行表面，該方形塊最好是按照下文將要說明的生產技術用包含有與層狀碳纖維相結合的聚合樹脂基體的複合材料製作。塊1和測量設備之間的接觸表面(在本例中由上下橫向表面構成)塗覆有薄層2，3，薄層2，3的材料具有高表面硬度和高耐磨性。這種厚度可以是十分之幾毫米數量級的材料可以是陶瓷材料(例如CR2O3，ZrO2，等)，或是純石墨，或甚至是碳氟樹脂例如聚四氟乙烯，這些材料可按傳統的表面塗覆法提供。在圖3和圖4中標成4的第二標準樣品由用相同複合材料製成的板構成，該板具有呈圓弧形的兩個凸出對側5，6，圓弧的表面塗有與上述相同的具備高表面硬度和高耐磨性的材料。標準樣品4用於檢驗外直徑。在圖5和圖6中標為7的第三標準樣品大體上加工成方形板，板上帶有中心開口8，開口上有兩個呈圓弧形幾何形狀的凹形對側9、10。在這種情況下，板7也由相同的複合材料製成，而且在表面9和10上塗有同樣的具高硬度和耐磨性的材料。最後，在圖7中標為11的第四標準樣品由用於控制直徑φ1……φ5和凸肩L1……L3的橫向柱形表面和呈平面的前表面構成。即使在這種情況下，標準樣品11的主體也是用相同的複合材料製成的，而且在其橫向和前部表面上塗有同樣的具有高硬度和耐磨性的材料。複合材料環氧樹脂碳纖維具有極低的熱膨脹係數(實際上包含3和4×10-7℃-1之間的)，它能夠使標準樣品的特性在與測量方向重合的主方向上最佳。在與測量設備相接觸的區域中通過添加氧化陶瓷或純石墨進行的表面塗覆處理必須達到使這些表面具有高硬度(HRC＝64)。通常，使用Tenax型或Texi-pregs的聚酯膠片即，與其中含有凝固劑的凝固樹脂相結合的纖維來製作所示的標準樣品塊，其所具有的確定樹脂含量為重量的40%和50%之間，最好是接近重量的45%。複合材料塊具有對稱和平衡結構的單向特性，該特性是通過將厚度為約0.15毫米的聚酯膠片疊加而獲得的，聚酯膠片彼此間以不同的纖維取向角度(0，±20°，±30°，…90°)相互疊加。壓力和溫度的熱物理作用決定著聚酯膠片的硬度。在生產過程中，沉積和固化工序實際上彼此不同。在沉積工序中，包含在聚酯膠片中的纖維層按照所需的圖案並以最佳方式進行定位以便獲得所需的物理特性。在第二階段中，使樹脂凝固並使樣品塊獲得其最終的形狀。為了得到預期的厚度，例如約9毫米，可以將厚度約為4，5毫米的凝固材料塊藉助於熱固材料的機械粘接劑連在一起。固化過程是在加壓的容器中在8-9bar的壓力下進行的，接著要進行三個連續的加熱步驟以4°C/1′的速率加熱到120℃;在8bar壓力下保持120℃恆溫90′;和以同樣的速率冷卻。採用公知的具有足夠解析度(約10-8m/m)的幹涉雷射測量來完成對熱膨脹係數的控制。根據傳統的方法，熱膨脹係數的計算是基於層狀體多層複合平面的彈性理論(Halpcin和Pagano的理論;虎克定律的Duhamel-Neumann公式)。將複合材料的彈性特徵綜合如下其中E＝楊氐彈性模量;V＝泊松彈性模量。在考慮優選複合材料(環氧樹脂碳纖維)結構的同時，適合用於本發明所述測量方法中的標準樣品也可以用熱膨脹係數低的不同材料來製做，例如標為「INVAR」(含鎳量約為37%的合金)的金屬材料，石英或其它複合材料。通過以上說明可以看出，根據本發明的測量方法既可以達到在實驗室中的計量目的，又可以在生產環境下對產品進行質量控制，其能夠完成極精確和可靠的尺寸檢驗，而不需要對環境溫度進行任何控制。權利要求1.一種測量方法，其中測量被檢工件的實際尺寸，並將測量值與比較樣品的相應實際尺寸值進行比較，以便在有誤差的情況下測出誤差值，而且其中的比較過程是受環境溫度影響的，其特徵在於比較樣品是用與被檢工件相一致的材料製成的，而且兩者實際上具有相同的熱膨脹係數，該方法包含以下步驟提供由熱膨脹係數很低的材料構成的標準樣品(1；4；7；11)，該熱膨脹在被測的實際尺寸方向上實際上可忽略不計，測量所說標準樣品的相應實際尺寸以便獲得實際上的絕對測量值，將所說的實際絕對測量值與所說比較樣品的測得值進行比較，並通過比較來確定表示相對熱膨脹的參數，如果在被檢工件和比較樣品的實際尺寸測得值之間存在任何誤差，則要用所說的參數對出現的誤差值進行修正，用該參數分別修正出現在被檢工件的實際尺寸測量值和比較樣品之間可能的誤差值。2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，標準樣品(1，4，7，11)是由複合材料體構成的，複合材料體包含聚合樹脂基體和層狀碳纖維，層狀碳纖維的相鄰層之間呈不同的取向角度。3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於樹脂是環氧樹脂。4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於對標準樣品件進行表面塗覆處理以增強其表面硬度。5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於塗覆處理包括陶瓷材料塗覆。6.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於塗覆處理包括純石墨塗覆。7.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於塗覆處理包括碳氟樹脂塗覆。8.一種用於進行權利要求1所述方法且具有低的熱膨脹係數的標準樣品，其特徵在於該標準樣品由包含聚合樹脂基體和層狀碳纖維的複合材料體構成，層狀碳纖維的相鄰層之間具有不同的取向角度。9.根據權利要求8所述的標準樣品，其特徵在於樹脂是環氧樹脂。10.根據權利要求8所述的標準樣品，其特徵在於對樣品進行表面塗覆處理以增加表面硬度。11.根據權利要求10所述的標準樣品，其特徵在於塗覆處理包括陶瓷材料塗覆。12.根據權利要求10所述的標準樣品，其特徵在於塗覆處理包括純石墨塗覆。13.根據權利要求10所述的標準樣品，其特徵在於塗覆處理包括碳氟樹脂塗覆。14.根據權利要求8所述的標準樣品，其特徵在於所包含的樹脂含量為重量的40%和50%之間，優選為約45%。15.根據權利要求8所述的標準樣品，其特徵在於標準樣品體具有通過疊加聚酯膠片層而形成的對稱和平衡結構，聚酯膠片層的厚度為0.1和0.2毫米之間，優選為0.15毫米，彼此疊加的層上的纖維有0°和90°之間的不同取向角度，實際上在每個相鄰層之間取向角度為約±10°。16.根據權利要求8所述的標準樣品，其特徵在於標準樣品的熱膨脹係數實際上為3和4×10-70C-1之間。全文摘要本發明公開了一種對被檢工件進行尺寸測量的方法，其中使用了比較樣品和標準樣品，兩種樣品的材料分別為與被檢工件的材料相一致的材料和熱膨脹係數低的材料。通過對兩個樣品進行比較確定其相對熱膨脹，而該熱膨脹與對被檢工件進行的測量有關，由此可以象在控溫環境下所進行的測量那樣來確定工件的尺寸。用於完成該方法的標準樣品最好是用複合材料製做。文檔編號G01D3/028GK1112673SQ9412005公開日1995年11月29日申請日期1994年12月21日優先權日1993年12月21日發明者A·克裡泰利申請人:羅斯弗克裡泰利安東尼奧工程公司