在长度计量仪器上进行精密比较测量时,必须对可调结构仪器工作台进行调整,使仪器工作台表面与测量轴线的垂直度达到允许的精度范围之内。通常测试人员只是通过高、低点的定性方式并根据经验进行调整,因而调整的准确性和调整速度都受到限制。为此,笔者在对仪器工作台的结构、调整原理和调整方法进行了比较深入研究之后,提出以仪器工作台高、低点的仪器读数之差为依据,通过仪器工作台调整时的动态变化过程间的几何关系,推导出了将仪器工作台表面调整为与测量轴线垂直时的高、低点仪器读数差δ与调整量t间的函数表达式,并提出以低点仪器示值为基准的定量方式的简便、快速调整方法,可在1min之内将仪器工作台表面与测量轴线的垂直度调整到允许的精度范围之内(δ≤0·3μm)。
1 可调结构仪器工作台的结构
可调结构仪器工作台的结构见图1。
图1a)为三点支承结构仪器工作台,其上层由三个支承点A、B、C支撑着,其中C是固定支承点, A和B是由两个微调螺钉构成的活动支承点;由AC和BC构成两条相互垂直的倾转轴线。(注意!将工作台安装在仪器底座的锥孔中时,一定要将倾转轴线AC和BC与操作者的左右、前后方位相一致)。通过调节微调螺钉A和B,可使仪器工作台表面与测量轴线垂直,达到仪器工作台的调整目的。图1b)为锥面支承结构仪器工作台,它是一个由环形锥面支承支撑着的活动工作台。通过相互垂直的前后和左右四个调整螺钉A、B、C、D来改变工作台相对于锥面支承的位置,可使仪器工作台表面与测量轴线垂直,从而达到仪器工作台的调整目的。
2 可调结构仪器工作台的调整原理
可调结构仪器工作台的调整原理是依据“一平面上两相交直线分别平行于另一平面上的两相交直线,则此两平面平行”的几何原理,并通过使装在测量轴线上平面测帽的端面与放置在仪器工作台上的量块的上表面平行调整,而达到调整的目的。仪器工作台的调整原理如图2所示。
由图2a)和图2b)均可看出,工作台实际表面EE′和与“理想表面”CC′相交于P(为方便叙述,本文把与测量轴线上测帽端面平行的仪器工作台表面称为“理想表面”,且工作台的实际表面、“理想表面”均指工作台上放置量块的上表面)。EE′和CC′重合的过程,点P也沿CC′移动,当EE′和CC′重合时,仪器工作台表面为“理想表面”。由点P所在的位置,即OP距离,可求出把倾斜的仪器工作台的实际表面调为“理想表面”时,测帽端面所移动的距离(调整量)t。由图2a)和图2b)均可得到:
式中:N1为量块置于测帽前(左)半部的仪器读数;N2为量块置于测帽后(右)半部的仪器读数; d为平面测帽的直径;α为仪器工作台实际表面相对于“理想表面”的倾斜角。
由式(1)可以看出,当高、低点仪器读数之差为零,即δ=N1-N2=0时,仪器工作台表面为“理想表面”。
3 调整量函数式的建立
(1)三点支承结构仪器工作台
由于图3中的ΔABD∽ΔPOD,所以
将OD=t, BD=δ, OP=l±Δl[图3a)中OP=l-Δl,图3b)中OP=l+Δl], AB=d/2代入上式得
又由ΔFKP中得。实际上,由于工作台表面倾斜角很小,α≈0,可以认为得。将此式代入式(2),化简后得
由于α≈0,且d δ,所以≈0,固定支承中心F至理想表面CC′的高(厚)度H对t值的影响可以忽略不计,式(3)可以改写为
已知三点支承结构仪器工作台的设计参数为:两倾转轴线垂直,即图1a)中的∠ACB=90°,l=12mm,当选用d=8mm平面测帽调整时,由式(4)可得
式(2) ~ (5)中:δ为仪器工作台高、低点的仪器读数差(δ=N1-N2); t为测帽端面与低点接触时至“理想表面”的距离; l为测量轴线与倾转轴线在“理想表面”的投影间的距离; d为平面测帽的直径。
(2)锥面支承结构仪器工作台
如果工作台表面的倾斜角α为已知,则可由图2b)中ΔABD得到:
由于d δ,可以认为,则工作台的高(厚)度H对t值的影响可以忽略不计,式(7)可以改写为
式中:D为工作台与锥面接触圆的直径;φ为锥面支承的圆锥角;d为平面测帽的直径;δ为工作台高、低点的仪器读数差。
已知锥面支承结构仪器工作台的设计参数为:D=80mm,φ=170°28′22″(笔者由新购产品测绘得到),当选用d=8mm平面测帽调整时,由式(8)可得
式(9)中t和δ均以μm计。
(3)调整量(t值)表
为了方便调整,避免差错,现将常用的几种平面测帽的调整量(t值)列入表1,以供调整仪器工作台时使用。
4 可调结构仪器工作台的调整方法、步骤
(1)三点支承结构仪器工作台
如果δ超出规定(δ>0·3μm),则以低点为基准调整工作台[δ为正时,位置右(后)为低点, N2为低点仪器读数;δ为负时,位置左(前)为低点, N1为低点仪器读数]。调整方法是:如图4,将量块放置在工作台与测帽之间,使量块在测帽的左、右、前、后四个位置上。升降螺钉A (B),工作台则以BC (AC)为轴线作倾转运动,可调整工作台表面AC (BC)方向的倾斜。固定支承中心C于高点一侧[见图3a)]时,将低点升高一个t值;固定支承中心C于低点一侧[见图3b)]时,将高点降低一个t值。如果工作台的左、右、前、后方向仪器读数的最大差值在规定范围之内,则认为工作台表面与测量轴线的垂直度合格。
(2)锥面支承结构仪器工作台
如果δ超出规定(δ>0·3μm)时,如图5所示,在测帽端面下左、右、前、后四个位置放置量块,依据仪器高、低点的读数之差δ,确定左右及前后方向的调整量。并按以下三种方法进行调整。
1)粗调———t值修正法
根据δ的大小,由式(9)计算出t值,以低点为基准进行调整。通过旋转A、B螺钉调整工作台左右方向的倾斜;旋转C、D螺钉调整工作台前后方向的倾斜,见图1b)。使调整后的仪器读数为N=N2-t=N1-(t+δ),则仪器工作台表面处于“理想表面”位置。
2)精调———高点调低法
如图6,当δ小于1μm时t值很小,调整时可以不考虑t值。这时,直接将量块放在高点位置[图6a)],读出高点仪器读数N1,再将量块移至低点位置[图6b)],读出低点仪器读数N2。然后,将量块放回高点位置,通过旋转螺钉A、B使其仪器读数等于N1(N2=N1)。这样反复一两次就可将δ调为零,则仪器工作台表面处于“理想表面”位置。
3)经验法———转折点法
对于熟练的仪器操作者,也可以按高、低点的仪器读数的变化,直接进行调整。其方法是:找到如图2b)中的点P与O相重合的那一瞬间的仪器读数,即转折点的示值:
旋转螺钉A、B,使高点1降低,低点2也降低,当N2减小t, N1减小t+δ时,则表明仪器工作台为“理想表面”。继续旋转A、B螺钉,N1继续减小,N2反而增大。N2由降低转为升高的瞬间就是转折点,这时的仪器读数是转折点的示值,即仪器工作台表面处于“理想表面”时的仪器读数N。
以上三种方法都是以工作台的左右(A、B)方向为例。同理,前后(C、D)方向亦按此方法调整,直至工作台前后、左右方向均处于“理想表面”位置。
最后还需指出,应以图4所示的前、后、左、右四个位置放置量块进行复验(校对)。如果仪器读数的最大差值均在规定范围之内(≤0·3μm ),则认为仪器工作台表面为“理想表面”,即仪器工作台表面与测量轴线的垂直度合格。
5 结束语
1)当确定了高、低点的仪器读数,求出δ后,通过仪器工作台的微动升降装置,将低点仪器读数调为零(并不改变仪器工作台的倾斜状态),然后,根据δ的大小,求出调整量t,通过微调螺钉使仪器读数为t或(-t)。这样,可使仪器工作台的调整更简便,速度更快,且不易出差错。
2)尽管可调结构仪器工作台的调整方法很多,但都是定性方式的。本文介绍的是一种以定量方式快速达到调整目的的方法。但这里应指出的是,如果仅仅弄懂了可调结构仪器工作台的调整原理和调整方法,注意到了调整的细节和技巧,而不熟悉配用仪器的性能和操作方法,调整过程中仍然可能出现失误,甚至使调整失败。对于初次操作带可调结构工作台仪器的计量测试人员,更应引起注意。
(陕西省柴油机厂□刘兴富)
