地球大約在46億年前形成,我們的遠古祖先大約在5百萬年前開始使用石器工具,而現代人類在50萬年前出現在這個星球上。如今,他們的后代在這個星球上建筑大型建筑物,設計生產高速交通工具,同時還生產肉眼不可見的精微部件。
制造工業的一個基本元素—機床,最早是適應鐘表制作者的需要而產生的。而機械加工過程密不可分的就是各種各樣的測量儀器,比如千分尺。在生產線上使用各種測量儀器,從而確保生產的產品符合其設計規格。
機床也叫做工作母機,是工業發展進步的基礎之一。而在18 世紀發明的千分尺則是在這個過程中起關鍵的支持要素之一。
最初的千分尺體積龐大,只能在工作臺上使用。隨著時間的發展,如今的千分尺精巧到可以單手操作同時提供精確的測量尺度。
本手冊簡要介紹了隨著現代工業發展的腳步,千分尺誕生和發展演化的過程。
測量活動最早出現在5000年前埃及人建造金字塔時。
螺紋原理早在希臘時期就在提升水中得到應用。盡管通過旋轉螺紋能夠將微小的線性距離放大為相當大的圓周距離,但那時候還沒有將螺紋用于測量的想法。
用螺紋測量物體的長度最早在17世紀得到實現。1638 年,英國約克郡的天文學家W. Gascogine應用螺紋原理測量星星的距離。通過旋轉螺紋來精調望遠鏡,從而測量了夜空中的星星。在這個測量方法中,并沒有運用螺紋來直接測量物體的長度,但是這個通過轉動螺紋測量距離的方法已經接近了現代測量的概念。1693 年,他又發明了一個叫做“卡鉗千分尺”的測量尺,
這是一個螺紋軸一端連著旋轉手輪,另一端連著可移動量爪的測量系統。測量讀數可以通過計數帶有讀數刻盤的手輪的旋轉來獲得。讀數刻盤的一周被分成10
等分,這樣就可以通過移動量爪來測量距離。
在Gascogine 發明他的測量儀器一個世紀之后,蒸汽機的發明者James Watt 發明了第一臺臺式千分尺。其設計的一個關鍵因素就是基于螺紋的放大倍率。JamesWatt 的名字被寫進了所有的史書,如果沒有他千分尺的歷史就會在此中斷。
簡單的說,這個發明就是將一個齒輪- 齒條機構連接到旋轉螺紋上。在實際測量中,先將一個薄片測砧裝在齒條上,通過測砧接觸物體來得到測量結果。螺紋的移動可在附在螺紋端頭的兩個刻度盤上讀出。大的刻度盤可顯示螺紋旋轉的圈數,小的刻度盤則可以顯示小數。刻度盤上的最小讀數為萬分之一英寸。
James Watt 最早使用的U 型結構設計在后來成了千分尺的標準。在James Watt 所處的時代,測量儀器大都龐大笨重,因此這臺設備是放在工作臺上的。但是U型結構的設計在他之后就截止了。在很長一段時間內,采用此設計的千分尺沒有在市場上出現過。
在19 世紀的早期,HenryMausdlay 爵士以倫敦最好的機床制造者聞名。直到19 世紀晚期市場上才有精密測量儀器出售。他在大約1800年發明的螺紋切割機床被認為是現代機床的起源。另外,他還生產了一個用于大量生產遠洋輪船的滑輪的機床。他還構思了現代機床的銷售思想并做出了平面磨床和銑床的建議。他在英國受到廣泛的尊敬并被譽為“機床之父”。在機床的歷史上,他的名字和萊昂納多· 達· 芬奇排在一起。
Mausdlay 同樣在測量儀器的歷史上留下了自己的腳印。他發明的臺式千分尺“大法官”能測量當時最精密的尺寸并被認為是精密測量儀器的開端。“大法官”由黃銅制作而成, 長40cm,四角分別帶有支柱,一對測砧塊用來將被測物件夾在中間。在鞍形下邊是一個精度達萬分之一英寸的開放刻度。這在當時是一個相當高的精確度,直到1918 年,人們又對它進行了一系列的測試并發現其仍然相當精確。
James Watt 和Mausdlay 的臺式千分尺在很大程度上是供他們自己使用的。直到19 世紀后葉市場上才有精密測量儀器出售。發明了著名的名為“Whitworth 螺紋”的螺紋軸承的Joseph Whitworth 爵士成功的推動了這一商品化過程。這一時期最具標志性的儀器就是他的百萬分之一英寸(0.254μm) 精度的測量設備,這個設備在當時大多數向公眾出售。他是工程界在Mausdlay 之后的又一個巨人,他的一個1.8 米長的測量設備在三豐博物館中展示。Whitworth 還是一名優秀的機床銷售公司的管理者。他還創建了一套生產平滑表面金屬板的方法并使用標準化的螺紋簡化了設備的維護。他總是對其產品進行試驗和測試,其決定往往基于數據。流線型生產操作和建立分析控制系統就是源于他的深刻見解。他是19 世紀中葉的領軍人物,他的貢獻在機床的發展過程中留下了永久的印記。
現代標準的千分尺具有U 型結構和單手操作的特點。很多生產商都采用千分尺這一共同的設計。這一典型設計可追溯至1848年,法國發明家J. Palmer 獲得叫做Palmer 系統的專利。
前文說過,使用螺紋測量線性距離源于1638 年Gascoigne 的發明。Palmer 的手持式緊湊型千分尺在本質上使用了同樣的原理。然而,他的設計要先進多并且奠定了現代千分尺的基礎。在千分尺的歷史上,Palmer 的貢獻是不可估量的。
現代千分尺幾乎都遵循了Palmer 系統的基本設計,比如U 型結構、套管、套筒、心軸和測砧等。套管邊緣的讀數稍微減縮成錐形以配合套筒上的刻度。套管的圓周平均分為20 等分,可提供最小0.05mm 的讀數。
B&S 公司的Brown & Sharpe 參觀了于1867 年舉行的巴黎國際博覽會。他們在那里第一次見到了Palmer 系統并把它帶回了美國。這次在巴黎的偶遇成功地使千分尺跨越大西洋來到美國。
Brown & Sharpe 帶回美國的千分尺在制作工藝上并不完美,它使用1mm 螺距的螺紋,最小讀數為0.05mm。Palmer 申請專利的圖紙上的規格參數在生產中并沒有很好地體現。例如,它沒有心軸鎖緊裝置,更重要的是它的刻度線都不是均勻分布的。但是Brown & Sharpe 并不在意這些微小的不足,他們用更精密的四十分之一英寸螺距的心軸來代替原設計,從而提高了千分尺的精確度。
Palmer 系統被兩個美國企業家發現并帶回美國。在美國,千分尺的設計得到了長足的發展,美國人對千分尺進行了不計其數的革新,使得千分尺在如今得到了充分的應用。現代千分尺在法國誕生,在美國發展壯大。
千分尺在美國的發展主要是為了滿足當時黃銅板材生產的需要。當時,黃銅板材的生產商、購買方以及第三方的驗證機構都各自采用獨自的測量儀器來判定板材的厚度。
Bridgeport 黃銅板材公司的首席檢驗員,S. Wilmot 根據臺式千分尺的原理設計了六個試驗計量儀并在紐約的一家公司生產。Wilmot 將其中的一個樣品原型帶給Brown & Sharpe 公司并建議他們在市場上廣泛銷售。
這個樣品的圓形外觀和原理接近于普通的千分尺,但是他的讀數卻更復雜, 操作者必須根據刻度線的匯合點來讀出測量值。這一設計被證明是不成功的。
Brown & Sharpe 仔細研究了他們從巴黎帶回的千分尺,并在其中增加了兩個機構:一個能更好的控制心軸的機構和一個心軸鎖緊裝置。他們在1868 年生產出了袖珍型千分尺并在第二年將之推向市場。
Brown & Sharpe 正確的預測了千分尺在所有的機械制造車間應用的必要性。1887年,在用于測量板材厚度的袖珍型千分尺推出10年之后,他們生產出了第一個11英寸外徑千分尺( 讀數0.001英寸,約0.025mm)。回想起來,這個時刻似乎來得晚了一些。
在1877 年11 月份的“美國技工”雜志的創刊號上,Victor 機械公司發布了一個廣告,展示了一個美國制造的千分尺, 但Brown & Sharpe 公司卻沒有做廣告。
似乎Brown & Sharpe 公司與Victor 機械公司幾乎同時發展了千分尺。美國在這一時期,鋸床成了一個流行的產品。為了生產更精密的鋸床零件和組件,千分尺必定要得到廣泛的應用。
不管是哪家公司首先將千分尺推向市場,他們都盡力使千分尺成為一種人人都能買到的產品。千分尺隨即在各生產車間得到了廣泛的應用,并大大提高了產品的質量。正是這些公司大量生產千分尺使之得到市場的承認并在市場上廣泛銷售。
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