長度計量基礎(chǔ)知識講座(四十五)

顧耀宗/上海市計量測試技術(shù)研究院

長度計量基礎(chǔ)知識講座(四十五)

顧耀宗/上海市計量測試技術(shù)研究院

第四十五講 光學(xué)、數(shù)顯分度頭和光學(xué)分度臺

光學(xué)、數(shù)顯分度頭和光學(xué)、數(shù)顯分度臺（以下分別簡稱分度頭、分度臺）是以光學(xué)度盤，或圓光柵，或圓感應(yīng)同步器等作為圓分度元件（以下統(tǒng)稱圓分度元件）進(jìn)行角度測量或加工的計量儀器。分度頭廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造和計量部門，主要用于分度盤、分度板、齒輪和花鍵軸等零件的測量或加工，配以阿貝測量頭后還可以測量凸輪和圓柱斜齒輪螺旋角等參數(shù)。分度臺可以作為精密銑床、座標(biāo)鏜床、加工中心等高精度機(jī)床的附屬設(shè)備，對零件進(jìn)行圓分度，用來加工鉆模、多面體、分度板、齒輪等要求精密的分度零部件。工作臺可傾斜的高精度可傾式分度臺還在航天、航空和航海領(lǐng)域用于陀螺儀器的檢測和調(diào)試。

1 基本結(jié)構(gòu)

1.1 分度頭的基本結(jié)構(gòu)

分度頭的種類較多，具體結(jié)構(gòu)也各有特點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)基本一致，包括分度頭主體1、尾座2和工作臺3三大部件（見圖1）。

圖1 分度頭外形

工作臺的作用是承持、固定分度頭主體及尾座，并保證分度頭主體主軸與尾座頂針同軸，并與工作臺相關(guān)平面平行。 尾座的作用是輔助主軸頂針頂住被測量工件。

分度頭主體由下列幾個部分組成：殼體鞍型座部分、主軸系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、鎖緊系統(tǒng)、讀數(shù)顯示系統(tǒng)。其中殼體鞍型座部分主要是組合各部件并加以準(zhǔn)確定位作用。

1.1.1 主軸系統(tǒng)

主軸系統(tǒng)是分度頭的“心臟”，其主要作用是：a）支持工件：主軸前端有錐孔（標(biāo)準(zhǔn)莫氏4號錐度或規(guī)定比值的錐度），可安裝頂針、花盤或其他夾具，借以夾持被測或加工的工件；b）轉(zhuǎn)動工件：當(dāng)測量或加工時，通過傳動機(jī)構(gòu)使主軸帶動夾持在主軸上的工件轉(zhuǎn)動需要的角度；c）固緊工件：當(dāng)工件需加工或其他用途定位時，靠鎖緊系統(tǒng)將主軸固定，達(dá)到使工件固定在某一位置的目的；d）分度工件：支持、轉(zhuǎn)動、固緊工件的最終目的是為了分度工件，以達(dá)到測量或加工的目的。

通過固定在主軸上并經(jīng)過精密調(diào)整與主軸旋轉(zhuǎn)軸心嚴(yán)格同心的圓分度元件來達(dá)到測量或加工工件時所需要的準(zhǔn)確分度。

1.1.2 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)的作用是通過一定的傳動件組合，達(dá)到使主軸轉(zhuǎn)動的目的。分度頭的分度值較小，因此要求傳動系統(tǒng)的靈敏度高，也即傳動比應(yīng)足夠大。另外，分度頭的準(zhǔn)確度高，要求傳動系統(tǒng)平穩(wěn)，避免主軸竄動。因此，一般分度頭最少應(yīng)采用二級傳動，目的在于減少第一級傳動引起的震動直接傳入主軸。

1.1.3 鎖緊系統(tǒng)

當(dāng)分度頭用于零件加工時，就必須將工件夾持在分度頭上固定的某個位置，且要在承受一定的切削力時不會松動。因此對工件的定位準(zhǔn)確度要求很高，要求鎖緊系統(tǒng)既要鎖緊可靠，又要在鎖緊或放松過程中不會引起工件的位置變化。

1.1.4 讀數(shù)顯示系統(tǒng)

分度頭的讀數(shù)顯示系統(tǒng)根據(jù)不同的分度元件分為光學(xué)讀數(shù)（以光學(xué)度盤作為圓分度元件）和數(shù)字顯示（以圓光柵、或圓感應(yīng)同步器等作為圓分度元件）兩大類。光學(xué)讀數(shù)的需一套完整的照明、成像、放大和測微、讀數(shù)系統(tǒng)。數(shù)字顯示的需一套完整的電源、放大和細(xì)分、顯示系統(tǒng)。

1.2 分度臺的基本結(jié)構(gòu)

分度臺的種類也較多，基本結(jié)構(gòu)主要由工作臺和底座兩大部件（見圖2）。

圖2 分度臺的基本結(jié)構(gòu)

1.2.1 工作臺

工作臺用來裝夾被加工或被測量的工件，能在底座上轉(zhuǎn)動并能得到精確的角度位置。在加工零件時，工作臺所受的軸向力和徑向力分別通過軸向支承和徑向支承傳給底座。

1.2.2 底座

底座除了支承工作臺以外，還包括軸系、測微讀數(shù)系統(tǒng)、傳動機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)等幾個部件。

1）軸系 軸系的作用是支承儀器全部可旋轉(zhuǎn)部分，還要承受工作臺上被加工零件傳遞過來的軸向力和徑向力。并且要在一定軸向力和徑向力的條件下保持旋轉(zhuǎn)靈活、平穩(wěn)和旋轉(zhuǎn)中心的恒定。作為圓分度元件安裝在軸上，保持嚴(yán)格同心，在任何情況下圓分度元件中心不變，保證測量和加工的重復(fù)性。

2）測微讀數(shù)系統(tǒng) 裝在主軸上的圓分度元件由于本身加工條件的限制，必需通過一套光學(xué)或電子系統(tǒng)包括照明、測微、調(diào)零和讀數(shù)顯示系統(tǒng)來滿足測量和加工的需要。讀數(shù)顯示系統(tǒng)有顯微讀數(shù)、投影讀數(shù)和數(shù)字顯示等多種型式。

3）傳動機(jī)構(gòu) 傳動機(jī)構(gòu)的作用就是通過手動或電機(jī)帶動，使主軸帶動工作臺按測量或加工需要轉(zhuǎn)動。它既要轉(zhuǎn)動靈活、平穩(wěn)，又絲毫不能影響分度準(zhǔn)確度，而且要根據(jù)各類分度臺的要求具有足夠的靈敏度。傳動機(jī)構(gòu)還可以和主軸脫開，當(dāng)工作臺需要大角度旋轉(zhuǎn)時，可以直接撥動工作臺快速旋轉(zhuǎn)。

4）鎖緊機(jī)構(gòu) 在分度臺上裝夾零件并進(jìn)行加工時，工作臺就會受到加工力矩的作用，因此必須將工作臺可靠地鎖緊。鎖緊機(jī)構(gòu)除了要保證鎖緊的可靠性外，還必需保證在鎖緊或放松時，主軸不能有絲毫的蠕動。

可傾式分度臺除了水平軸系外，另有一套軸系包括圓分度元件、傳動、鎖緊等系統(tǒng)可以進(jìn)行垂直方向及0 ～ 90°范圍內(nèi)任意角度的測量和加工。這套垂直方向上的結(jié)構(gòu)與水平方向基本一樣，只不過軸系的軸心線與水平軸系相垂直。

2 主要技術(shù)要求

2.1 分度頭的主要技術(shù)要求

分度頭的主要技術(shù)要求見表1。

2.2 分度臺的主要技術(shù)要求

見表2、表3。

表1 分度頭的主要技術(shù)要求

表2 分度臺工作臺的主要技術(shù)要求

表3 分度臺示值誤差的要求

3 示值誤差的檢定或校準(zhǔn)方法

對于示值誤差MPE大于1″的分度頭、分度臺用非整度數(shù)23面棱體直接測量，MPE不大于1″的，采用23面棱體以排列互比法組合測量。所謂非整度數(shù)多面棱體，其相鄰角的標(biāo)稱角度值不是整度數(shù)，有度、分和秒。23面棱體相鄰角的標(biāo)稱角度值為15°39′7.83″。采用非整度數(shù)多面棱體可以反映被檢儀器的短周期誤差和細(xì)分誤差。

3.1 直接測量方法

以分度頭為例，將多面棱體借助專用心軸固定在分度頭上，分度頭處于0°位置，調(diào)整多面棱體使自準(zhǔn)直儀對準(zhǔn)其第1工作面，在分度頭上讀數(shù)a1；然后轉(zhuǎn)動分度頭，使自準(zhǔn)直儀依次對準(zhǔn)多面棱體的第2，第3，…，第23工作面；在分度頭上依次讀得讀數(shù)a2，a3，… ，a23。這一測量應(yīng)在分度頭正、反旋轉(zhuǎn)方向各測量一次。在對多面棱體的角度偏差依次進(jìn)行修正后，分別求得每個位置的誤差值，示值誤差以正、反轉(zhuǎn)方向上的最大值與最小值之差來確定。

3.2 排列互比法測量

以分度頭為例，采用23面棱體排列互比法進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)時，第1測回，分度頭處于0°位置，調(diào)整多面棱體使自準(zhǔn)直儀對準(zhǔn)其第1工作面，與上述相同，依次讀得讀數(shù)a1-1，a1-2，a1-3，… ，a1-23。第2測回分度頭仍處于0°位置，調(diào)整多面棱體使自準(zhǔn)直儀對準(zhǔn)其第2工作面，依次讀得讀數(shù)a2-1，a2-2，a2-3，… ，a2-23。以相同方法依次進(jìn)行第3，4，…，23測回。最后通過計算消除多面棱體角度的偏差。