千分尺簡(jiǎn)史

前言

地球大約在46億年前形成，我們的遠(yuǎn)古祖先大約在5百萬(wàn)年前開(kāi)始使用石器工具，而現(xiàn)代人類(lèi)在50萬(wàn)年前出現(xiàn)在這個(gè)星球上。如今，他們的后代在這個(gè)星球上建筑大型建筑物，設(shè)計(jì)生產(chǎn)高速交通工具，同時(shí)還生產(chǎn)肉眼不可見(jiàn)的精微部件。

制造工業(yè)的一個(gè)基本元素—機(jī)床，最早是適應(yīng)鐘表制作者的需要而產(chǎn)生的。而機(jī)械加工過(guò)程密不可分的就是各種各樣的測(cè)量?jī)x器，比如千分尺。在生產(chǎn)線(xiàn)上使用各種測(cè)量?jī)x器，從而確保生產(chǎn)的產(chǎn)品符合其設(shè)計(jì)規(guī)格。

機(jī)床也叫做工作母機(jī)，是工業(yè)發(fā)展進(jìn)步的基礎(chǔ)之一。而在18 世紀(jì)發(fā)明的千分尺則是在這個(gè)過(guò)程中起關(guān)鍵的支持要素之一。

最初的千分尺體積龐大，只能在工作臺(tái)上使用。隨著時(shí)間的發(fā)展，如今的千分尺精巧到可以單手操作同時(shí)提供精確的測(cè)量尺度。

本手冊(cè)簡(jiǎn)要介紹了隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的腳步，千分尺誕生和發(fā)展演化的過(guò)程。

機(jī)床和千分尺的歷史

第一章：早期


用螺紋測(cè)量長(zhǎng)度的最初嘗試

測(cè)量活動(dòng)最早出現(xiàn)在5000年前埃及人建造金字塔時(shí)。

螺紋原理早在希臘時(shí)期就在提升水中得到應(yīng)用。盡管通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺紋能夠?qū)⑽⑿〉木€(xiàn)性距離放大為相當(dāng)大的圓周距離，但那時(shí)候還沒(méi)有將螺紋用于測(cè)量的想法。

用螺紋測(cè)量物體的長(zhǎng)度最早在17世紀(jì)得到實(shí)現(xiàn)。1638 年，英國(guó)約克郡的天文學(xué)家W. Gascogine應(yīng)用螺紋原理測(cè)量星星的距離。通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺紋來(lái)精調(diào)望遠(yuǎn)鏡，從而測(cè)量了夜空中的星星。在這個(gè)測(cè)量方法中，并沒(méi)有運(yùn)用螺紋來(lái)直接測(cè)量物體的長(zhǎng)度，但是這個(gè)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋測(cè)量距離的方法已經(jīng)接近了現(xiàn)代測(cè)量的概念。1693 年，他又發(fā)明了一個(gè)叫做“卡鉗千分尺”的測(cè)量尺，

這是一個(gè)螺紋軸一端連著旋轉(zhuǎn)手輪，另一端連著可移動(dòng)量爪的測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量讀數(shù)可以通過(guò)計(jì)數(shù)帶有讀數(shù)刻盤(pán)的手輪的旋轉(zhuǎn)來(lái)獲得。讀數(shù)刻盤(pán)的一周被分成10

等分，這樣就可以通過(guò)移動(dòng)量爪來(lái)測(cè)量距離。

Watt 的臺(tái)式千分尺

在Gascogine 發(fā)明他的測(cè)量?jī)x器一個(gè)世紀(jì)之后，蒸汽機(jī)的發(fā)明者James Watt 發(fā)明了第一臺(tái)臺(tái)式千分尺。其設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素就是基于螺紋的放大倍率。JamesWatt 的名字被寫(xiě)進(jìn)了所有的史書(shū)，如果沒(méi)有他千分尺的歷史就會(huì)在此中斷。

簡(jiǎn)單的說(shuō)，這個(gè)發(fā)明就是將一個(gè)齒輪- 齒條機(jī)構(gòu)連接到旋轉(zhuǎn)螺紋上。在實(shí)際測(cè)量中，先將一個(gè)薄片測(cè)砧裝在齒條上，通過(guò)測(cè)砧接觸物體來(lái)得到測(cè)量結(jié)果。螺紋的移動(dòng)可在附在螺紋端頭的兩個(gè)刻度盤(pán)上讀出。大的刻度盤(pán)可顯示螺紋旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，小的刻度盤(pán)則可以顯示小數(shù)。刻度盤(pán)上的最小讀數(shù)為萬(wàn)分之一英寸。

James Watt 最早使用的U 型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在后來(lái)成了千分尺的標(biāo)準(zhǔn)。在James Watt 所處的時(shí)代，測(cè)量?jī)x器大都龐大笨重，因此這臺(tái)設(shè)備是放在工作臺(tái)上的。但是U型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在他之后就截止了。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，采用此設(shè)計(jì)的千分尺沒(méi)有在市場(chǎng)上出現(xiàn)過(guò)。

機(jī)床之父發(fā)明的“大法官”

在19 世紀(jì)的早期，HenryMausdlay 爵士以倫敦最好的機(jī)床制造者聞名。直到19 世紀(jì)晚期市場(chǎng)上才有精密測(cè)量?jī)x器出售。他在大約1800年發(fā)明的螺紋切割機(jī)床被認(rèn)為是現(xiàn)代機(jī)床的起源。另外，他還生產(chǎn)了一個(gè)用于大量生產(chǎn)遠(yuǎn)洋輪船的滑輪的機(jī)床。他還構(gòu)思了現(xiàn)代機(jī)床的銷(xiāo)售思想并做出了平面磨床和銑床的建議。他在英國(guó)受到廣泛的尊敬并被譽(yù)為“機(jī)床之父”。在機(jī)床的歷史上，他的名字和萊昂納多· 達(dá)· 芬奇排在一起。

Mausdlay 同樣在測(cè)量?jī)x器的歷史上留下了自己的腳印。他發(fā)明的臺(tái)式千分尺“大法官”能測(cè)量當(dāng)時(shí)最精密的尺寸并被認(rèn)為是精密測(cè)量?jī)x器的開(kāi)端。“大法官”由黃銅制作而成， 長(zhǎng)40cm，四角分別帶有支柱，一對(duì)測(cè)砧塊用來(lái)將被測(cè)物件夾在中間。在鞍形下邊是一個(gè)精度達(dá)萬(wàn)分之一英寸的開(kāi)放刻度。這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)相當(dāng)高的精確度，直到1918 年，人們又對(duì)它進(jìn)行了一系列的測(cè)試并發(fā)現(xiàn)其仍然相當(dāng)精確。

Whitworth 首先將之商品化

James Watt 和Mausdlay 的臺(tái)式千分尺在很大程度上是供他們自己使用的。直到19 世紀(jì)后葉市場(chǎng)上才有精密測(cè)量?jī)x器出售。發(fā)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(dòng)了這一商品化過(guò)程。這一時(shí)期最具標(biāo)志性的儀器就是他的百萬(wàn)分之一英寸(0.254μm) 精度的測(cè)量設(shè)備，這個(gè)設(shè)備在當(dāng)時(shí)大多數(shù)向公眾出售。他是工程界在Mausdlay 之后的又一個(gè)巨人，他的一個(gè)1.8 米長(zhǎng)的測(cè)量設(shè)備在三豐博物館中展示。Whitworth 還是一名優(yōu)秀的機(jī)床銷(xiāo)售公司的管理者。他還創(chuàng)建了一套生產(chǎn)平滑表面金屬板的方法并使用標(biāo)準(zhǔn)化的螺紋簡(jiǎn)化了設(shè)備的維護(hù)。他總是對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試，其決定往往基于數(shù)據(jù)。流線(xiàn)型生產(chǎn)操作和建立分析控制系統(tǒng)就是源于他的深刻見(jiàn)解。他是19 世紀(jì)中葉的領(lǐng)軍人物，他的貢獻(xiàn)在機(jī)床的發(fā)展過(guò)程中留下了永久的印記。

第二章：青銅時(shí)代

現(xiàn)代千分尺的誕生

現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)的千分尺具有U 型結(jié)構(gòu)和單手操作的特點(diǎn)。很多生產(chǎn)商都采用千分尺這一共同的設(shè)計(jì)。這一典型設(shè)計(jì)可追溯至1848年，法國(guó)發(fā)明家J. Palmer 獲得叫做Palmer 系統(tǒng)的專(zhuān)利。

前文說(shuō)過(guò)，使用螺紋測(cè)量線(xiàn)性距離源于1638 年Gascoigne 的發(fā)明。Palmer 的手持式緊湊型千分尺在本質(zhì)上使用了同樣的原理。然而，他的設(shè)計(jì)要先進(jìn)多并且奠定了現(xiàn)代千分尺的基礎(chǔ)。在千分尺的歷史上，Palmer 的貢獻(xiàn)是不可估量的。

現(xiàn)代千分尺幾乎都遵循了Palmer 系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)，比如U 型結(jié)構(gòu)、套管、套筒、心軸和測(cè)砧等。套管邊緣的讀數(shù)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(shù)。

B&S 公司的Brown & Sharpe 參觀了于1867 年舉行的巴黎國(guó)際博覽會(huì)。他們?cè)谀抢锏谝淮我?jiàn)到了Palmer 系統(tǒng)并把它帶回了美國(guó)。這次在巴黎的偶遇成功地使千分尺跨越大西洋來(lái)到美國(guó)。

法國(guó)誕生， 美國(guó)發(fā)展

Brown & Sharpe 帶回美國(guó)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(shù)為0.05mm。Palmer 申請(qǐng)專(zhuān)利的圖紙上的規(guī)格參數(shù)在生產(chǎn)中并沒(méi)有很好地體現(xiàn)。例如，它沒(méi)有心軸鎖緊裝置，更重要的是它的刻度線(xiàn)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(lái)代替原設(shè)計(jì)，從而提高了千分尺的精確度。

Palmer 系統(tǒng)被兩個(gè)美國(guó)企業(yè)家發(fā)現(xiàn)并帶回美國(guó)。在美國(guó)，千分尺的設(shè)計(jì)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，美國(guó)人對(duì)千分尺進(jìn)行了不計(jì)其數(shù)的革新，使得千分尺在如今得到了充分的應(yīng)用。現(xiàn)代千分尺在法國(guó)誕生，在美國(guó)發(fā)展壯大。

用于薄板測(cè)量的千分尺

千分尺在美國(guó)的發(fā)展主要是為了滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)黃銅板材生產(chǎn)的需要。當(dāng)時(shí)，黃銅板材的生產(chǎn)商、購(gòu)買(mǎi)方以及第三方的驗(yàn)證機(jī)構(gòu)都各自采用獨(dú)自的測(cè)量?jī)x器來(lái)判定板材的厚度。

Bridgeport 黃銅板材公司的首席檢驗(yàn)員，S. Wilmot 根據(jù)臺(tái)式千分尺的原理設(shè)計(jì)了六個(gè)試驗(yàn)計(jì)量?jī)x并在紐約的一家公司生產(chǎn)。Wilmot 將其中的一個(gè)樣品原型帶給Brown & Sharpe 公司并建議他們?cè)谑袌?chǎng)上廣泛銷(xiāo)售。

這個(gè)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(shù)卻更復(fù)雜, 操作者必須根據(jù)刻度線(xiàn)的匯合點(diǎn)來(lái)讀出測(cè)量值。這一設(shè)計(jì)被證明是不成功的。

Brown & Sharpe 仔細(xì)研究了他們從巴黎帶回的千分尺，并在其中增加了兩個(gè)機(jī)構(gòu)：一個(gè)能更好的控制心軸的機(jī)構(gòu)和一個(gè)心軸鎖緊裝置。他們?cè)?868 年生產(chǎn)出了袖珍型千分尺并在第二年將之推向市場(chǎng)。

多功能千分尺

Brown & Sharpe 正確的預(yù)測(cè)了千分尺在所有的機(jī)械制造車(chē)間應(yīng)用的必要性。1887年，在用于測(cè)量板材厚度的袖珍型千分尺推出10年之后，他們生產(chǎn)出了第一個(gè)11英寸外徑千分尺( 讀數(shù)0.001英寸，約0.025mm)。回想起來(lái)，這個(gè)時(shí)刻似乎來(lái)得晚了一些。

在1877 年11 月份的“美國(guó)技工”雜志的創(chuàng)刊號(hào)上，Victor 機(jī)械公司發(fā)布了一個(gè)廣告，展示了一個(gè)美國(guó)制造的千分尺, 但Brown & Sharpe 公司卻沒(méi)有做廣告。

似乎Brown & Sharpe 公司與Victor 機(jī)械公司幾乎同時(shí)發(fā)展了千分尺。美國(guó)在這一時(shí)期，鋸床成了一個(gè)流行的產(chǎn)品。為了生產(chǎn)更精密的鋸床零件和組件，千分尺必定要得到廣泛的應(yīng)用。

不管是哪家公司首先將千分尺推向市場(chǎng)，他們都盡力使千分尺成為一種人人都能買(mǎi)到的產(chǎn)品。千分尺隨即在各生產(chǎn)車(chē)間得到了廣泛的應(yīng)用，并大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。正是這些公司大量生產(chǎn)千分尺使之得到市場(chǎng)的承認(rèn)并在市場(chǎng)上廣泛銷(xiāo)售。

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千分尺見(jiàn)得多了，但發(fā)展史還是第一次見(jiàn)到！