高解析度萬能光電數顯分度頭的製作方法

2023-06-01 16:55:01 1

專利名稱：高解析度萬能光電數顯分度頭的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及工具機切削加工及鉗工劃線分度的工具，特別是涉及銑床的主要附件，結合光學和電子技術對工件進行角度計量的萬能分度頭。
機械零件和切削工具在銑削時需要利用分度頭對圓周分度，才能銑出等分的齒槽。現有技術的分度頭是完全機械式的，如


圖1所示，其中主軸8用來安裝卡盤以便夾持工件，它隨迴轉體5一起作俯仰90°運動。蝸輪15和主軸8同軸線連結，蝸杆22則垂直於主軸8同蝸輪15嚙合，藉助該蝸輪蝸杆付，旋轉手柄6使主軸8轉動，兩者轉動平面互相垂直。這種傳統的完全機械式的分度頭主要缺點在於1.系統精度低，只能達到±30分；2.操作不方便，要配合分度盤、差動掛輪等附件，對任意角度計量還要通過複雜的計算，常容易出錯，有時甚至無法計量；3.解析度低。
在中國專利CN2043155U中公開了一項名為「光電分度頭」的技術方案，它比傳統的完全機械式的分度頭改進之處在於將一個圓光柵盤同軸安裝在傳動蝸杆上，該盤切割光電轉換元件的光路，光電轉換元件則連接計數電路和數字顯示電路。採用這一接術方案可以對任意角度進行計量，結構簡單，但是解析度仍然很低，為角度值1分。
現有技術中利用圓光柵和電子細分技術計量角度，從而達到很高解析度的產品時有所見，例如聯邦德國海登哈因(HEIDENHAIN)公司的旋轉編碼器，其原理結構及光電輸出信號波形見圖2和圖3，其中2－1為長壽命微型燈泡，2－2是聚焦透鏡，2－3是指示光柵，2－4是光電池組(1、2、3、4共四片)，2－5表示輸出的電信號，2－6是刻有徑向光柵條紋的玻璃圓盤，2－7為參考標誌；圖3上，左面A是光電池組的配置和電路結構，上面B是行間隔和指示柵線有關係的圓盤旋轉0、1／4、1／2和3／4的情況，下面C是正弦信號波形圖。類似的產品還有我國59型坦克上用的光柵傳感器。但是它們都只是計量角度的器械，不能作為銑床附件而直接用於工具機切削加工及鉗工的劃線分度。
本實用新型的目的在於克服上述現有技術中的不足之處，將光柵測量角度的技術，配合數字顯示電路，用於完全機械式的萬能分度頭，取消其中一部分機構，製成一種光、機、電技術統一於一體的高解析度萬能分度頭，並同時大大提高系統精度，方便使用。
本實用新型的目的可以通過以下措施來達到在分度頭蝸杆的一端裝置光柵傳感器，其中動光柵與蝸杆同軸線聯結，隨之一起旋轉，靜光柵固定在傳感器主軸繫上，再與蝸杆偏心套筒聯結，分度時不轉動；動、靜光柵受光照產生莫爾條紋映射在四片半導體光電池上，輸出兩路互差90°的正弦電壓信號至四細分電路，包括計數脈衝形成電路和加減控制電路，以及由兩片進位不同的計數器直接級聯組成的計數、解碼和驅動電路，最後由發光二極體顯示分度值。本實用新型的分度頭比CN2043155U的分度頭先進之處在於1.CN2043155U的分度頭應用幾何光學原理，靠線制很粗的光柵盤切割光路計量角度，因而解析度很低；本實用新型則是應用物理光學中動、靜光柵相對運動產生莫爾條紋的放大原理來計量角度，柵線刻制甚密，解析度極高；2.CN2043155U的分度頭只是光柵盤裝在蝸杆軸上，傳感器另行安裝；本實用新型則是整個光柵傳感器裝置在蝸杆軸上，隨迴轉體一起作俯仰90°運動，保證動、靜光柵之間相對運動不受俯仰運動的影響；3.CN2043155U的分度頭用中規模集成電路作二倍頻細分和計數；本實用新型則是四倍頻細分和用大規模集成電路不同進位的兩片計數器直接級聯計數，性能優良、簡潔可靠。
本實用新型各附圖的圖面說明如下
圖1是現有技術完全機械式萬能分度頭的外形和傳動系統；圖2是海登哈因公司旋轉編碼器的原理結構示意圖；圖3是海登哈因公司旋轉編碼器的光電輸出信號波形；圖4是本實用新型分度頭的蝸杆偏心套筒和偏心叉板；圖5是本實用新型傳感器內部結構圖；圖6是電子細分電路圖。
以下結合一個最佳實施例詳細說明本實用新型的萬能分度頭。
本實用新型的萬能分度頭採用傳統的蝸輪蝸杆付傳動，速比為154，藉助偏心叉板24和蝸杆偏心套筒21，使蝸輪蝸杆可以脫開，以便快速分度，見圖4。蝸輪蝸杆精度為6級，中心距A＝63.5毫米，蝸輪15的齒數Z1＝54，模數m6＝2，螺旋升角為6°，蝸杆22的頭數為1。為保證分度頭中心高，蝸輪15的外徑就是喉徑，屬非標準設計。其次，選取59坦克上用的光柵傳感器，其上園光柵30一圈刻線3，000條，通過動光柵軸26與蝸杆22同軸線聯結，見圖5，靜光柵28則與蝸杆偏心套筒21聯結。傳動聯結這樣設計有兩大優點1)傳感器與迴轉體5能一致轉動俯、仰角90±5°，不影響分度值變動2)傳感器與蝸杆22一起可與蝸輪15脫開，不影響粗加工分度。實際上，動光柵軸26是用連接螺母23與蝸杆軸22同軸線連結成一體，在垂直於軸線的方向上用兩顆彈性螺釘鎖緊，並用固體薄膜保護劑″823″封死。在分度過程中，動光柵30、動光柵軸26和蝸杆軸22是旋轉的。靜光柵28膠合在靜光柵窗27上，然後用螺釘固緊在靜光柵座29上，後者則直接旋蓋在傳感器主軸系25上。傳感器主軸系25的另一端用3顆螺釘同偏心叉板24的兩叉連結，偏心叉板24的端面又用螺釘固定在蝸杆偏心套筒21上。在分度過程中靜光柵28和傳感器主軸系25是靜止的，兩者只在分度頭主軸8作俯仰運動時才跟隨一起運動。這樣設計比現有純機械式的分度頭減少一級直齒輪傳動、一級直角斜齒輪傳動，並取消一套差動補償系統，所以只有一級傳遞誤差，即蝸輪蝸杆的傳遞誤差。
光柵傳感器的動光柵(園光柵)30和靜光柵28迭置部分在光源照射下產生莫爾(MOIRE)條紋，光線透過那些條紋照射在四片半導體光電池上。四片光電池組合成兩個電路，輸出兩路互相相差90°的正弦電壓信號(見圖3)再進行電子細分。從兩組光電池輸出的分度信號首先通過施密特(SCHMIDT)反相器整形，接著送入四細分電路處理，見圖6，該電路目前採用TTL電路構成。細分後得到的脈衝頻率為輸入正弦電壓信號頻率的四倍。通過計數脈衝形成電路中的延時電路，再將每個細分脈衝變為寬度1～2微秒、間隔8～10微秒的兩個計數脈衝，送入計數電路，以便實現偶數計數。在計數脈衝形成電路中設有奇偶校驗電路，由於幹擾等原因使計數數值變為奇數時，電路會自動加入或減去一個脈衝予以糾正，從而保證偶數計數。
從光電池組輸出的是A、B兩路相位相差90°的信號。動光柵30順時針轉動時，信號A超前信號B；動光柵30逆時針轉動時，信號B超前信號A。在四細分電路和計數脈衝形成電路中，利用這兩個信號相互的相位關係，由一個D觸發器和一個異或門組成加／減控制電路，產生＋／－控制信號送到計數電路中去。
計數電路由兩片進位不同的大規模集成電路ICM7217直接級聯組成。低四位(分、秒)採用60進位，從00′00″到59′58″；高三位(度)採用10進位，從0°到999°，帶上符號後顯示範圍為999°59′58″。這種不同進位計數器集成電路片直接級聯，可以省去不少進位解碼電路，使整個電路更加簡單。所用大規模集成電路本身帶有解碼器和驅動器，直接驅動LED數碼指示管，因而大大減少所用的元器件，提高了電路的穩定性和可靠性。
為了使用方便，所述電路還設計有清零和鎖緊功能。清零功能——操作者在任意時刻按下清零按鈕，數碼指示管顯示器即顯示全零。鎖緊功能－－鎖緊開關搬到鎖緊位時，不論有無信號輸入，顯示器都顯示鎖緊當時的數值不變。利用這一功能配合機械鎖緊裝置，可以保證機械加工時分度值穩定。
為了抗幹擾，所述電子細分電路全部裝入屏蔽罩內，其接地端與分度頭外殼以及整個工具機和大地可靠聯結。
鑑於蝸輪蝸杆傳動速比為154，園光柵一圈刻線3，000條，以及電子細分電路使信號頻率提高四倍，所以本發明的萬能分度頭最高解析度為
(360×60×60〃)/(54×3000×4) ＝2秒。
同現有技術相比，本實用新型運用機械傳動、光學莫爾條紋放大和電子電路細分技術於一體，是光、機、電結合的新一代工具類產品，其最主要優點是，解析度高，最小分度值可達2秒，最大一次分度為999°58′58″(由於機械上的原因，遞增至999°59′00″以上會出現不穩定現象。)；系統精度做到±30秒。本實用新型的另一優點是，操作極為簡便，不再需要計算查表、調換分度板和調換差動掛輪，大大減少工作輔助時間，提高加工精度，拓展加工範圍。本實用新型的萬能分度頭整體結構簡單，容易更換零部件；加工時分度穩定，抗幹擾能力強；整個產品結構緊湊，比傳統分度頭輕1／2，體積小1／3，除個別電子器件外，全部零件可以國產化，有較高的標準化、通用化水平，而且電路系統還留有數控信號接口，備不時之需。
依照本實用新型設計製造的光電數顯分度頭已於1989年9月15日完成，經過改進的第二臺樣品也已於1990年2月完成。在車間試用結果表明，勞動生產率提高，加工精度明顯改進。
權利要求1.一種高解析度萬能光電數顯分度頭，其主軸8隨迴轉體5一起作俯仰90°運動，蝸輪15和主軸8同軸線聯結，蝸杆22則垂直於主軸8同蝸輪15嚙合，藉助該蝸輪蝸杆付，旋轉手柄6使主軸8轉動，兩者轉動平面互相垂直，轉動的分度值在數字顯示屏上顯示所述高解析度萬能光電數顯分度頭的特徵在於蝸杆22的一端裝置光柵傳感器，其中動光柵30與蝸杆22同軸線聯結，隨之一起旋轉，靜光柵28固定在傳感器主軸系25上，再與蝸杆偏心套筒21聯結，分度時不轉動動、靜光柵受光照產生莫爾條紋映射在四片半導體光電池上，輸出兩路互差90°的正弦電壓信號至四細分電路，包括計數脈衝形成電路和加減控制電路，以及由兩片進位不同的計數器直接級聯組成的計數、解碼和驅動電路，最後由發光二極體顯示分度值。
2.根據權利要求1所述的高解析度萬能光電數顯分度頭，其特徵在於所述動光柵30是通過動光柵軸26，用連接螺母23與蝸杆軸22同軸線連結成一體，在垂直於軸線的方向上用兩顆彈性螺釘鎖緊，並用固體薄膜保護劑″823″封死；在分度過程中，動光柵30、動光柵軸26和蝸杆22是旋轉的。
3.根據權利要求1所述的高解析度萬能光電數顯分度頭，其特徵在於所述靜光柵28是膠合在靜光柵窗27上，然後用螺釘固緊在靜光柵座29上，靜光柵座29則直接旋蓋在傳感器主軸系25上，傳感器主軸系25的另一端用幾顆螺釘同偏心叉板24的兩叉連結，偏心叉板24的端面又用螺釘固定在蝸杆偏心套筒21上；在分度過程中靜光柵28和傳感器主軸系25是靜止的，兩者28和25隻在分度頭主軸8作俯仰運動時才跟隨一起運動。
4.根據權利要求1所述的高解析度萬能光電數顯分度頭，其特徵在於所述動光柵30用園光柵做成，其上一圈刻線3，000條。
5.根據權利要求1所述的高解析度萬能光電數顯分度頭，其特徵在於所述由兩片進位不同的計數器直接級聯組成的計數、解碼和驅動電路，是兩片低四位(分、秒)為60進位、高三位(度)為10進位的大規模集成電路計數器ICM7217。
6.根據權利要求1所述的高解析度萬能光電數顯分度頭，其特徵在於蝸輪15的外徑就是喉徑，以便保證分度頭主軸軸線高度符合我國分度頭產品系列標準。
專利摘要一種高解析度萬能光電數顯分度頭，屬工具機切削加工及鉗工劃線分度的工具。其主軸隨迴轉體一起作俯仰90°運動，並藉助蝸輪蝸杆副使之轉動。蝸杆22的一端裝置光柵傳感器，其中動光柵30與蝸杆22同軸線聯結，隨之一起旋轉，靜光柵28固定在傳感器主軸系25上，再與蝸杆偏心套筒21聯結，分度時不轉動。動、靜光柵受光照產生莫爾條紋映射在四片半導體光電池上，輸出兩路互差90°的正弦電壓信號至四細分電路，最後由發光二極體顯示分度值。系統精度±30秒，最小分度值2秒，操作簡便。
文檔編號B23Q16/00GK2068035SQ9020782
公開日1990年12月26日 申請日期1990年5月28日 優先權日1990年5月28日
發明者任小平, 張光華, 劉燕慶 申請人:任小平, 張光華, 劉燕慶