顧耀宗/上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

長(zhǎng)度計(jì)量基礎(chǔ)知識(shí)講座(四十五)

顧耀宗/上海市計(jì)量測(cè)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(tái)

光學(xué)、數(shù)顯分度頭和光學(xué)、數(shù)顯分度臺(tái)（以下分別簡(jiǎn)稱分度頭、分度臺(tái)）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(cè)量或加工的計(jì)量?jī)x器。分度頭廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造和計(jì)量部門，主要用于分度盤、分度板、齒輪和花鍵軸等零件的測(cè)量或加工，配以阿貝測(cè)量頭后還可以測(cè)量凸輪和圓柱斜齒輪螺旋角等參數(shù)。分度臺(tái)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(duì)零件進(jìn)行圓分度，用來(lái)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(tái)可傾斜的高精度可傾式分度臺(tái)還在航天、航空和航海領(lǐng)域用于陀螺儀器的檢測(cè)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(tái)3三大部件（見圖1）。

圖1 分度頭外形

工作臺(tái)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(tái)相關(guān)平面平行。 尾座的作用是輔助主軸頂針頂住被測(cè)量工件。

分度頭主體由下列幾個(gè)部分組成：殼體鞍型座部分、主軸系統(tǒng)、傳動(dòng)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(hào)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?shī)A持被測(cè)或加工的工件；b）轉(zhuǎn)動(dòng)工件：當(dāng)測(cè)量或加工時(shí)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使主軸帶動(dòng)夾持在主軸上的工件轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，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(dòng)、固緊工件的最終目的是為了分度工件，以達(dá)到測(cè)量或加工的目的。

通過(guò)固定在主軸上并經(jīng)過(guò)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(lái)達(dá)到測(cè)量或加工工件時(shí)所需要的準(zhǔn)確分度。

1.1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是通過(guò)一定的傳動(dòng)件組合，達(dá)到使主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。分度頭的分度值較小，因此要求傳動(dòng)系統(tǒng)的靈敏度高，也即傳動(dòng)比應(yīng)足夠大。另外，分度頭的準(zhǔn)確度高，要求傳動(dòng)系統(tǒng)平穩(wěn)，避免主軸竄動(dòng)。因此，一般分度頭最少應(yīng)采用二級(jí)傳動(dòng)，目的在于減少第一級(jí)傳動(dòng)引起的震動(dòng)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(shí)，就必須將工件夾持在分度頭上固定的某個(gè)位置，且要在承受一定的切削力時(shí)不會(huì)松動(dòng)。因此對(duì)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(guò)程中不會(huì)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(cè)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(tái)的基本結(jié)構(gòu)

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

圖2 分度臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)

1.2.1 工作臺(tái)

工作臺(tái)用來(lái)裝夾被加工或被測(cè)量的工件，能在底座上轉(zhuǎn)動(dòng)并能得到精確的角度位置。在加工零件時(shí)，工作臺(tái)所受的軸向力和徑向力分別通過(guò)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(tái)以外，還包括軸系、測(cè)微讀數(shù)系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)等幾個(gè)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(tái)上被加工零件傳遞過(guò)來(lái)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(cè)量和加工的重復(fù)性。

2）測(cè)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(guò)一套光學(xué)或電子系統(tǒng)包括照明、測(cè)微、調(diào)零和讀數(shù)顯示系統(tǒng)來(lái)滿足測(cè)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(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用就是通過(guò)手動(dòng)或電機(jī)帶動(dòng)，使主軸帶動(dòng)工作臺(tái)按測(cè)量或加工需要轉(zhuǎn)動(dòng)。它既要轉(zhuǎn)動(dòng)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(tái)的要求具有足夠的靈敏度。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)還可以和主軸脫開，當(dāng)工作臺(tái)需要大角度旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以直接撥動(dòng)工作臺(tái)快速旋轉(zhuǎn)。

4）鎖緊機(jī)構(gòu) 在分度臺(tái)上裝夾零件并進(jìn)行加工時(shí)，工作臺(tái)就會(huì)受到加工力矩的作用，因此必須將工作臺(tái)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(shí)，主軸不能有絲毫的蠕動(dòng)。

可傾式分度臺(tái)除了水平軸系外，另有一套軸系包括圓分度元件、傳動(dòng)、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(cè)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(guò)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(tái)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(tái)工作臺(tái)的主要技術(shù)要求

表3 分度臺(tái)示值誤差的要求

3 示值誤差的檢定或校準(zhǔn)方法

對(duì)于示值誤差MPE大于1″的分度頭、分度臺(tái)用非整度數(shù)23面棱體直接測(cè)量，MPE不大于1″的，采用23面棱體以排列互比法組合測(cè)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(cè)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(duì)準(zhǔn)其第1工作面，在分度頭上讀數(shù)a1；然后轉(zhuǎn)動(dòng)分度頭，使自準(zhǔn)直儀依次對(duì)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(cè)量應(yīng)在分度頭正、反旋轉(zhuǎn)方向各測(cè)量一次。在對(duì)多面棱體的角度偏差依次進(jìn)行修正后，分別求得每個(gè)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(lái)確定。

3.2 排列互比法測(cè)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(shí)，第1測(cè)回，分度頭處于0°位置，調(diào)整多面棱體使自準(zhǔn)直儀對(duì)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(cè)回分度頭仍處于0°位置，調(diào)整多面棱體使自準(zhǔn)直儀對(duì)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(cè)回。最后通過(guò)計(jì)算消除多面棱體角度的偏差。