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卡尺的起源和变迁

发布时间:2021.01.26
信息摘要:
测量工具行业的标准

上世纪九十年代,在扬州邗江县的一个不起眼的村落里,出土了一把现存世界上最古老的卡尺——“青铜卡尺”,自此游标卡尺的起源被提前到了1600年前。

现存最古老的滑动卡尺


公元9年,王莽新朝制造了一把名为“玉尺“的“滑动卡尺”,因其尺身为铜制,被后人又名为“青铜卡尺”。

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公元9年 王莽新朝铜制滑动卡尺,做工非常精良

现存中国·北京·国家博物馆


这把1600岁的卡尺,滑动结构和现代大家所熟悉的游标卡尺及其类似,固定的主尺和沿主尺上的沟槽滑动的滑动尺上各有一个量爪,王莽新朝将印玺、玉石和宝石夹在量爪之前,来获得这些物件的外形尺寸。

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但在此1500年后乃至更长时间,滑动卡尺也就是游标卡尺的发展情况却不得而知。但可以想象,在很长的一段时间里,游标卡尺应该延续着王莽玉尺的L形尺滑动结构。



19世纪中叶前的

鞘箱型滑动卡尺



随着英国进入工业革命时代,鞘箱型滑动卡尺出现了,带量爪的尺鞘包裹着带量爪且标有刻度的主尺,主尺像刀子,可以在尺鞘中伸缩。测量物夹在两个量爪之间,在鞘口读取测量值,被称之为简易游标卡尺。

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 1840年前后 法国制造的鞘箱型滑动卡尺


1840年前后在法国制造的简易游标卡尺,这一期间的卡尺虽有主尺刻度,但没有作为副尺的游标刻度,所以也只能称为“滑动卡尺”。

现存世界最早的

带游标刻度的滑动卡尺

同一时期,法国陆军炮兵队皇家工厂还制造了正面毫米单位、背面法寸单位的带游标刻度的滑动卡尺,并投入使用,这是现存世界最早的带游标刻度的滑动卡尺。


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欧美1945年前后的

游标卡尺

从1840年前后到1950年前后,被普及使用的游标卡尺有两种样式,一个体系是上面介绍的鞘箱型滑动卡尺,通过滑块的指示来读取主尺刻度,也就是简易游标卡尺。另一个体系是带游标刻度的滑动卡尺,也就是正统的游标卡尺。二者各司其职,历经漫长的岁月,逐渐演变为了带游标刻度的游标卡尺。


1. 简易游标卡尺

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▲1905年前后  在德国使用的毫米刻度的简易游标卡尺


这一时期的简易游标卡尺去掉了尺鞘的一面,通过采用燕尾槽作为主尺与尺鞘接触的导槽,使主尺面与尺鞘面基本处于同一平面,精度也得到了进一步的提升。自1850年前诞生后,这样的简易游标卡尺被沿用了100多年。


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2.带游标刻度的滑动卡尺——游标卡尺

前面说到现存最早的“带游标刻度的滑动卡尺”诞生于法国,而带游标刻度的游标卡尺也是法国制造。由此可见,法国在游标卡尺的普及上走在了前面。

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▲1890年前后的法国制游标卡尺

读数为0.05mm,这在当时非常超前


法国制的游标卡尺采用了将19毫米20等分的游标刻度,最小读数为0.05毫米,更加精确,测量精度与现在的游标卡尺相同。这在广泛使用0.1毫米的当时,0.05毫米的最小读数可以说是极其超前的。

在1905年前后,阿道夫菲弗尔贸易公司开发并推出了“哥伦布卡尺”,量爪分为外侧量爪和内侧量爪,还配备了深度杆,是可以测量深度、高低差等数据的多功能游标卡尺。这样的结构在当时非常超前,与今天的游标卡尺具备相同的测量功能。



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▲ 阿道夫菲弗尔贸易公司的“哥伦布”游标卡尺名称令人联想到产品具有前人无法想象的新功能



在此之后,其他公司也不断推陈出新,不断拓展游标卡尺的测量范围和用途。1930年前后,欧美的游标卡尺在功能、形状上都已基本达到了成熟水平。


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 1940年 毛瑟公司(德国)制造的游标卡尺
游标卡尺基本达到了成熟水平

游标卡尺

在日本的使用、生产及普及


游标卡尺在日本得到全面应用,据说是始于大正初期从英国进口的普通型游标卡尺。但是,日本生产的游标卡尺大多还是从仿制德式,尤其是从毛瑟式起步的。M型游标卡尺采用德国毛瑟公司(Mauser)的形状,取其首字母命名。这种结构可用于外侧、内侧、深度等各种测量,是最常用的游标卡尺,也叫带深度型。

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▲1954年  JIS M1型游标卡尺


随着制造业的发展,应工业界要求,游标卡尺的日本工业标准JIS于1954年推出。得益于JIS的制定,日本的游标卡尺不断改进,到1965年前后,日本制已不逊于欧美产品。随着卡尺技术的显著进步,到1985年左右,日本产品在全世界已经拥有70%的份额。

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数显游标卡尺

开发和发展

日本在1956年开发出了采用差动变压器的电子千分尺,很快也实现了数显显示,这一趋势逐渐扩大到了各种长度测量仪器。在这样的情况下,瑞士司瓦卡公司的总经理梅耶开发并上市了静电电容型电子千分尺。


增量式数显游标卡尺的出现


1980年前后,瑞士司瓦卡公司以及瑞典皇家学院的安德莫分别将增量测量方式应用于游标卡尺,投产了最小显示量为0.01毫米的增量数显游标卡尺并开始销售,并逐渐推广到世界各地。
三丰通过开展技术合作获得专利使用权,在1983年开发了最小显示量为0.01毫米的增量数显游标卡尺,并在1984年8月之前共制造10万把稳定、价格低廉的游标卡尺,使其实现了普及。

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 三丰制造的增量数显游标卡尺 1983年

之后,瑞典皇家学院的数显游标卡尺发明者安德莫借助三丰的援助,于1987年在美国华盛顿州成立了微编码器研究所(Micro Encoder Inc.),这奠定了三丰数显游标卡尺进一步发展的基础。



绝对式数显游标卡尺的出现



以上说的是增量式,在1993年三丰开发出分辨力为0.01毫米的绝对式数显卡尺。它的检测方式由静电电容电极栅尺和采用发光二极管LED光源的光栅单轨栅尺组成。光栅与细密的静电电容电极轨道位于统一轨道,绝对式与增量式相比,扩大了使用范围。


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▲ 三丰制造的绝对数显游标卡尺 1993年



电磁感应式数显游标卡尺的开发



但是在机械加工现场,泼洒到工具和工件上的冷却液会飞溅,有时还要在冷却液中测量尺寸,但静电电容型游标卡尺却难以在这样的环境下使用。

在这样的需求下,IP54的防水型绝对数显卡尺于1997年应运而生,采用了封闭的检测方式,虽能满足通常使用的需要,但在大量使用冷却液且四处飞溅的现场,测量结果还是会受到影响。

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▲ 三丰 IP54防水型静电电容式数显游标卡尺 1997年


因此,三丰公司于2000年成功开发了采用电磁感应式检测方式的数显卡尺,它以位移检测方式实现了与静电电容检测方式相同的测量效果,但防护等级更高,可以在这样的环境下安心使用。此后进一步改进后又推出了符合IP67的产品,满足了机械加工现场的测量需求。

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卡尺的发展历史印证了社会需求是测量仪器发展的重要因素,在Smart Factory的需求下,快速、准确地读取数据成为新的课题,由此,带数据输出的数显卡尺应运而生,并在统计过程管理系统、计量管理系统等领域发挥着积极的作用。



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