利用空气规测测量矫形装置

精密骨科组件只有在各个制造步骤（从切割开始，到终加工结束）一贯稳定时，才能符合必要的高质量标准。这需要对特征进行过程导向检验、超出公差时的快速反馈以及所有过程数据的记录。

通常，零件在经历从原材料到最终产品的制造过程时，尺寸公差、表面光洁度和几何特征也变得越来越关键。骨科设备制造过程结束时，测量的尺寸特征之一是用于将零件匹配在一起的圆锥度上的紧密公差。例如，大多数髋关节和膝关节植入物使用圆锥度来提供最佳对准，以及将组件“锁定”到位。在这些设备的制造过程中，圆锥度和尺寸的控制决定了骨科植入物在其使用寿命内的性能。

为什么空气规测是最有效的方法

随着公差变得更紧密，量规必须更耐用，具有正确的设计特征以充分固定零件，并具有适当的分辨率和准确度以测量所需的公差。空气规测日益成为控制这些关键参数的首选检验工具。空气规测极其精确，并提供非常高的分辨率。它通常用于公差相当紧密的应用—通常小于 ±0.001 in.—并且表面粗糙度小于 50 µin.Ra。当这些条件存在时，与使用精密医疗锥时一样，空气规测通常是该应用的最佳解决方案。

空气规测也特别适用于检查尺寸关系。此外，气压计快速、易用并可在最恶劣的车间条件下持续使用数年，完成对数以百万计零件的测量。在某些情况下，甚至可以使用空气规测来检验和估计零件上的某些形状特征。

空气喷嘴是一个小孔，它放出空气以开始物理测量过程，正是由于它的存在，才会让空气规测在骨科圆锥度测量中大显身手。在测量多个直径或几何形状时，没有其他测量传感器可以这样小或可以放置在如此近的距离。小型电子传感器或涡流式传感器可能与空气喷嘴尺寸接近，但在制造的时候，没有什么能比得上它们的经济性或在车间环境中的工作能力。

可以使用电子传感器组合或带接触式测针的坐标测量仪 (CMM) 测量直径和圆锥度。但空气喷嘴可以内置于可用于在制造时测量零件的精密工具之中。这可以通过一次快速测量完成，操作员的参与很少。无论是 CMM 还是光学规测，都不具备在车间测量 100% 零件的同时提供对过程性能即时反馈所需的速度和精度。

选择合适的量规设计

正如锥形组件的制造商众多一样，指定圆锥度要求的方法也很多。制造商之间的基准面可能不同，公差也可能以不同的方式指定。

根据组件搭配方式，圆锥度公差可能比直径公差更紧密，反之亦然。或者，可能只在一个直径上有圆锥度公差的组合。因此，印刷品上的规格是选择使用哪种空气锥度量规设计的最佳指南。使用空气规测时，工具专为每个不同的圆锥度应用而制造，因此正确理解这些要求至关重要。

即便如此，其灵活性和优点仍无可匹敌。空气规测提供非常高的分辨率，并使用 0.050 in. 或更小的传感器；传感器可放置在彼此 0.10 in. 的范围内，并可以进行组合，在车间内产生任何数量的尺寸和几何结果。

空气锥度量规的类型

医用植入物必须极其耐用且耐受性极强，因此内外螺纹组件之间的锥度配合至关重要。这两个组件必须锁在一起，并安放在正确的高度。在制造过程中，通常要检验 100% 的零件，以确保两个组件的准确度。这通常通过微分空气规测来完成的，这种规测将必要的高分辨率和准确性与车间所需的速度、易用性和耐用性要求相结合。

最常见类型的空气量规锥度工装在相对的气路上有两对喷嘴，设计用于零件和工具之间的“卡紧配合”（见图 1）。如果锥度率过大，锥度小端的两个表面之间会有过大的间隙。如果锥度率过小，则大端会有过大的间隙。

任何一种情况都可能降低连接的刚性，并可能逐渐导致“锁”因松动和/或旋转而失效。如果锥角正确，但尺寸不正确，则矫形总成的总长度将不正确，会在植入后产生意外的结果。

卡紧配合工装不测量零件直径，而是对比显示工件上两点与基准件上相同两点的直径差。如果锥度大端的直径差大于小端的直径差，则上部喷嘴的背压将大于下部喷嘴的背压。这将显示负锥度或更大的锥角。如果小端的直径差较大，则情况相反，量规读数将为正的锥度值。

但由于差分空气计仅显示直径差，因此它不会显示任一位置的零件直径。因此，虽然这种类型的气动工具可以有效指示锥度磨损，并可以预测连接刚性的损失，但它并不能说明有关锥度组件定位准确度的任何信息。

为此，需要一种间隙式（有时称为肩式）气动工具，其中空气锥环腔的尺寸需要能够接纳整个锥形零件。根据零件参考面所在的位置，可以在锥度末端或靠着零件顶面的凸缘（台肩）上参考零件。这使在已知的高度测量直径成为可能（除了间隙的变化，如卡紧配合类型）。可额外增加一组喷嘴，以检查喇叭口和桶形，这两种情况会减少凸形和凹形组件之间的接触面积。

第三种空气锥度量规是前述款式的一种交叉类型。这种量规称作同时配合锥度规。它本质上是一个卡紧配合气动工具，带有一个在基准面上参考的指示器。它指示气动工具进入被测件的深度。

因此，当空气量规提供锥角读数时，指示器提供直径大小的指示。在测量内锥度零件时，如果锥度直径过大，量规将继续深入零件。如果直径过小，它落入零件的深度将达不到预期。
 

考虑表面因素

由于空气规测极其精确且分辨率高，因此它可能受零件表面光洁度的影响。一些零件有设计师专门要求的表面光洁度，而这样通常不利于进行空气规测。例如，假体股骨柄的测量包括位于股骨柄近端部分的打磨区域的粗糙度。该区域需由整形外科医生仔细目视检查其粗糙度。为了验证锥度的表面和波纹度质量，在同一测量中使用轮廓规来跟踪锥度。

这导致了空气规测应用的复杂化，因为良好的表面是利用它的必要条件。在正常使用过程中，空气喷嘴的气帘覆盖零件表面上的一个区域。这个气帘受表面限制以形成背压，后者是进行测量的必备条件。在光滑表面上，平均表面和峰值之间的差异（在 ID 零件的情况下意味着最小间隙）相当微不足道。但如果表面非常粗糙，则背压形成的区域或点可能会有很大的不同。这可能会记录在空气量规显示屏上，并影响指示的直径。

但当存在表面光洁度问题时，可以采取特殊步骤来解决这些问题。只要表面光洁度小于 50 微英寸，通常可以忽略偏移。即使不是这样，如果在工艺开发过程中发现了影响，也可以对误差进行补偿，并向机器操作员显示有效直径。通过了解表面的性质以及它对开放式空气喷射的反应，电子放大器和测量计算机也可以提供出色的平均或最大直径计算。

结论

精密矫形组件必须始终符合极高的质量标准。骨科设备制造过程中测量的关键尺寸特征之一是用于将零件匹配在一起的圆锥度上的紧密公差。随着公差变得更紧密，量规必须更耐用，具有正确的设计特征以充分固定零件，并具有适当的分辨率和准确度以测量所需的公差。空气规测日益成为控制这些关键参数的首选检验工具。

这篇文章的作者是美国罗德岛州普罗维登斯 Mahr Inc. 的精密量规总监 George Schuetz。