专利名称：高分辨率万能光电数显分度头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机床切削加工及钳工划线分度的工具，特别是涉及铣床的主要附件，结合光学和电子技术对工件进行角度计量的万能分度头。
机械零件和切削工具在铣削时需要利用分度头对圆周分度，才能铣出等分的齿槽。现有技术的分度头是完全机械式的，如
图1所示，其中主轴8用来安装卡盘以便夹持工件，它随回转体5一起作俯仰90°运动。蜗轮15和主轴8同轴线连结，蜗杆22则垂直于主轴8同蜗轮15啮合，借助该蜗轮蜗杆付，旋转手柄6使主轴8转动，两者转动平面互相垂直。这种传统的完全机械式的分度头主要缺点在于1.系统精度低，只能达到±30分；2.操作不方便，要配合分度盘、差动挂轮等附件，对任意角度计量还要通过复杂的计算，常容易出错，有时甚至无法计量；3.分辨率低。
在中国专利CN2043155U中公开了一项名为“光电分度头”的技术方案，它比传统的完全机械式的分度头改进之处在于将一个圆光栅盘同轴安装在传动蜗杆上，该盘切割光电转换元件的光路，光电转换元件则连接计数电路和数字显示电路。采用这一接术方案可以对任意角度进行计量，结构简单，但是分辨率仍然很低，为角度值1分。
现有技术中利用圆光栅和电子细分技术计量角度，从而达到很高分辨率的产品时有所见，例如联邦德国海登哈因(HEIDENHAIN)公司的旋转编码器，其原理结构及光电输出信号波形见图2和图3，其中2－1为长寿命微型灯泡，2－2是聚焦透镜，2－3是指示光栅，2－4是光电池组(1、2、3、4共四片)，2－5表示输出的电信号，2－6是刻有径向光栅条纹的玻璃圆盘，2－7为参考标志；图3上，左面A是光电池组的配置和电路结构，上面B是行间隔和指示栅线有关系的圆盘旋转0、1／4、1／2和3／4的情况，下面C是正弦信号波形图。类似的产品还有我国59型坦克上用的光栅传感器。但是它们都只是计量角度的器械，不能作为铣床附件而直接用于机床切削加工及钳工的划线分度。
本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足之处，将光栅测量角度的技术，配合数字显示电路，用于完全机械式的万能分度头，取消其中一部分机构，制成一种光、机、电技术统一于一体的高分辨率万能分度头，并同时大大提高系统精度，方便使用。
本实用新型的目的可以通过以下措施来达到在分度头蜗杆的一端装置光栅传感器，其中动光栅与蜗杆同轴线联结，随之一起旋转，静光栅固定在传感器主轴系上，再与蜗杆偏心套筒联结，分度时不转动；动、静光栅受光照产生莫尔条纹映射在四片半导体光电池上，输出两路互差90°的正弦电压信号至四细分电路，包括计数脉冲形成电路和加减控制电路，以及由两片进制不同的计数器直接级联组成的计数、译码和驱动电路，最后由发光二极管显示分度值。本实用新型的分度头比CN2043155U的分度头先进之处在于1.CN2043155U的分度头应用几何光学原理，靠线制很粗的光栅盘切割光路计量角度，因而分辨率很低；本实用新型则是应用物理光学中动、静光栅相对运动产生莫尔条纹的放大原理来计量角度，栅线刻制甚密，分辨率极高；2.CN2043155U的分度头只是光栅盘装在蜗杆轴上，传感器另行安装；本实用新型则是整个光栅传感器装置在蜗杆轴上，随回转体一起作俯仰90°运动，保证动、静光栅之间相对运动不受俯仰运动的影响；3.CN2043155U的分度头用中规模集成电路作二倍频细分和计数；本实用新型则是四倍频细分和用大规模集成电路不同进制的两片计数器直接级联计数，性能优良、简洁可靠。
本实用新型各附图的图面说明如下
图1是现有技术完全机械式万能分度头的外形和传动系统；图2是海登哈因公司旋转编码器的原理结构示意图；图3是海登哈因公司旋转编码器的光电输出信号波形；图4是本实用新型分度头的蜗杆偏心套筒和偏心叉板；图5是本实用新型传感器内部结构图；图6是电子细分电路图。
以下结合一个最佳实施例详细说明本实用新型的万能分度头。
本实用新型的万能分度头采用传统的蜗轮蜗杆付传动，速比为154，借助偏心叉板24和蜗杆偏心套筒21，使蜗轮蜗杆可以脱开，以便快速分度，见图4。蜗轮蜗杆精度为6级，中心距A＝63.5毫米，蜗轮15的齿数Z1＝54，模数m6＝2，螺旋升角为6°，蜗杆22的头数为1。为保证分度头中心高，蜗轮15的外径就是喉径，属非标准设计。其次，选取59坦克上用的光栅传感器，其上园光栅30一圈刻线3，000条，通过动光栅轴26与蜗杆22同轴线联结，见图5，静光栅28则与蜗杆偏心套筒21联结。传动联结这样设计有两大优点1)传感器与回转体5能一致转动俯、仰角90±5°，不影响分度值变动2)传感器与蜗杆22一起可与蜗轮15脱开，不影响粗加工分度。实际上，动光栅轴26是用连接螺母23与蜗杆轴22同轴线连结成一体，在垂直于轴线的方向上用两颗弹性螺钉锁紧，并用固体薄膜保护剂″823″封死。在分度过程中，动光栅30、动光栅轴26和蜗杆轴22是旋转的。静光栅28胶合在静光栅窗27上，然后用螺钉固紧在静光栅座29上，后者则直接旋盖在传感器主轴系25上。传感器主轴系25的另一端用3颗螺钉同偏心叉板24的两叉连结，偏心叉板24的端面又用螺钉固定在蜗杆偏心套筒21上。在分度过程中静光栅28和传感器主轴系25是静止的，两者只在分度头主轴8作俯仰运动时才跟随一起运动。这样设计比现有纯机械式的分度头减少一级直齿轮传动、一级直角斜齿轮传动，并取消一套差动补偿系统，所以只有一级传递误差，即蜗轮蜗杆的传递误差。
光栅传感器的动光栅(园光栅)30和静光栅28迭置部分在光源照射下产生莫尔(MOIRE)条纹，光线透过那些条纹照射在四片半导体光电池上。四片光电池组合成两个电路，输出两路互相相差90°的正弦电压信号(见图3)再进行电子细分。从两组光电池输出的分度信号首先通过施密特(SCHMIDT)反相器整形，接着送入四细分电路处理，见图6，该电路目前采用TTL电路构成。细分后得到的脉冲频率为输入正弦电压信号频率的四倍。通过计数脉冲形成电路中的延时电路，再将每个细分脉冲变为宽度1～2微秒、间隔8～10微秒的两个计数脉冲，送入计数电路，以便实现偶数计数。在计数脉冲形成电路中设有奇偶校验电路，由于干扰等原因使计数数值变为奇数时，电路会自动加入或减去一个脉冲予以纠正，从而保证偶数计数。
从光电池组输出的是A、B两路相位相差90°的信号。动光栅30顺时针转动时，信号A超前信号B；动光栅30逆时针转动时，信号B超前信号A。在四细分电路和计数脉冲形成电路中，利用这两个信号相互的相位关系，由一个D触发器和一个异或门组成加／减控制电路，产生＋／－控制信号送到计数电路中去。
计数电路由两片进制不同的大规模集成电路ICM7217直接级联组成。低四位(分、秒)采用60进制，从00′00″到59′58″；高三位(度)采用10进制，从0°到999°，带上符号后显示范围为999°59′58″。这种不同进制计数器集成电路片直接级联，可以省去不少进制译码电路，使整个电路更加简单。所用大规模集成电路本身带有译码器和驱动器，直接驱动LED数码指示管，因而大大减少所用的元器件，提高了电路的稳定性和可靠性。
为了使用方便，所述电路还设计有清零和锁紧功能。清零功能——操作者在任意时刻按下清零按钮，数码指示管显示器即显示全零。锁紧功能－－锁紧开关搬到锁紧位时，不论有无信号输入，显示器都显示锁紧当时的数值不变。利用这一功能配合机械锁紧装置，可以保证机械加工时分度值稳定。
为了抗干扰，所述电子细分电路全部装入屏蔽罩内，其接地端与分度头外壳以及整个机床和大地可靠联结。
鉴于蜗轮蜗杆传动速比为154，园光栅一圈刻线3，000条，以及电子细分电路使信号频率提高四倍，所以本发明的万能分度头最高分辨率为
(360×60×60〃)/(54×3000×4) ＝2秒。
同现有技术相比，本实用新型运用机械传动、光学莫尔条纹放大和电子电路细分技术于一体，是光、机、电结合的新一代工具类产品，其最主要优点是，分辨率高，最小分度值可达2秒，最大一次分度为999°58′58″(由于机械上的原因，递增至999°59′00″以上会出现不稳定现象。)；系统精度做到±30秒。本实用新型的另一优点是，操作极为简便，不再需要计算查表、调换分度板和调换差动挂轮，大大减少工作辅助时间，提高加工精度，拓展加工范围。本实用新型的万能分度头整体结构简单，容易更换零部件；加工时分度稳定，抗干扰能力强；整个产品结构紧凑，比传统分度头轻1／2，体积小1／3，除个别电子器件外，全部零件可以国产化，有较高的标准化、通用化水平，而且电路系统还留有数控信号接口，备不时之需。
依照本实用新型设计制造的光电数显分度头已于1989年9月15日完成，经过改进的第二台样品也已于1990年2月完成。在车间试用结果表明，劳动生产率提高，加工精度明显改进。
权利要求1.一种高分辨率万能光电数显分度头，其主轴8随回转体5一起作俯仰90°运动，蜗轮15和主轴8同轴线联结，蜗杆22则垂直于主轴8同蜗轮15啮合，借助该蜗轮蜗杆付，旋转手柄6使主轴8转动，两者转动平面互相垂直，转动的分度值在数字显示屏上显示所述高分辨率万能光电数显分度头的特征在于蜗杆22的一端装置光栅传感器，其中动光栅30与蜗杆22同轴线联结，随之一起旋转，静光栅28固定在传感器主轴系25上，再与蜗杆偏心套筒21联结，分度时不转动动、静光栅受光照产生莫尔条纹映射在四片半导体光电池上，输出两路互差90°的正弦电压信号至四细分电路，包括计数脉冲形成电路和加减控制电路，以及由两片进制不同的计数器直接级联组成的计数、译码和驱动电路，最后由发光二极管显示分度值。
2.根据权利要求1所述的高分辨率万能光电数显分度头，其特征在于所述动光栅30是通过动光栅轴26，用连接螺母23与蜗杆轴22同轴线连结成一体，在垂直于轴线的方向上用两颗弹性螺钉锁紧，并用固体薄膜保护剂″823″封死；在分度过程中，动光栅30、动光栅轴26和蜗杆22是旋转的。
3.根据权利要求1所述的高分辨率万能光电数显分度头，其特征在于所述静光栅28是胶合在静光栅窗27上，然后用螺钉固紧在静光栅座29上，静光栅座29则直接旋盖在传感器主轴系25上，传感器主轴系25的另一端用几颗螺钉同偏心叉板24的两叉连结，偏心叉板24的端面又用螺钉固定在蜗杆偏心套筒21上；在分度过程中静光栅28和传感器主轴系25是静止的，两者28和25只在分度头主轴8作俯仰运动时才跟随一起运动。
4.根据权利要求1所述的高分辨率万能光电数显分度头，其特征在于所述动光栅30用园光栅做成，其上一圈刻线3，000条。
5.根据权利要求1所述的高分辨率万能光电数显分度头，其特征在于所述由两片进制不同的计数器直接级联组成的计数、译码和驱动电路，是两片低四位(分、秒)为60进制、高三位(度)为10进制的大规模集成电路计数器ICM7217。
6.根据权利要求1所述的高分辨率万能光电数显分度头，其特征在于蜗轮15的外径就是喉径，以便保证分度头主轴轴线高度符合我国分度头产品系列标准。
专利摘要一种高分辨率万能光电数显分度头，属机床切削加工及钳工划线分度的工具。其主轴随回转体一起作俯仰90°运动，并借助蜗轮蜗杆副使之转动。蜗杆22的一端装置光栅传感器，其中动光栅30与蜗杆22同轴线联结，随之一起旋转，静光栅28固定在传感器主轴系25上，再与蜗杆偏心套筒21联结，分度时不转动。动、静光栅受光照产生莫尔条纹映射在四片半导体光电池上，输出两路互差90°的正弦电压信号至四细分电路，最后由发光二极管显示分度值。系统精度±30秒，最小分度值2秒，操作简便。
文档编号B23Q16/00GK2068035SQ9020782
公开日1990年12月26日 申请日期1990年5月28日 优先权日1990年5月28日
发明者任小平, 张光华, 刘燕庆 申请人:任小平, 张光华, 刘燕庆