精密机械设计百分表设计说明书.doc

精密机械设计课程设计精密机械设计课程设计说明书测控技术与仪器系2012.9设计题目：06mm百分表的设计学 院： 工业制造学院专业班级： 测控技术与仪器2010级1班姓 名： 罗然富学 号： 201010114123指导教师： 乔水明日 期： 2012.9任务书1 目的本次课程设计是精密机械设计课的重要组成部分，是打好技术基础和进行技能训练的重要环节。其目的是：（1）巩固精密机械设计课程所学内容，综合运用所学课程的知识进行设计，培养分析和解决实际工程问题的能力；（2）学习仪器结构设计的一般方法和步骤，提高机械设计水平，树立正确的设计思想；（3）扩大知识范围，学会运用各类技术资料，包括技术标准、手册等。2 任务设计一种钟式百分表，在分析样图和参考图的基础上，进行结构方案的比较和选择。包括示数装置、传动装置、消除空回装置、产生测力装置、导轨、支承、限动器和联接等。然后进行总体布局、设计计算，绘制草图和正式图，编写说明书。3 要求工作量（1）设计装配图一张（1#），按照装配图要求标出必要的尺寸要求和技术要求，列出零件的明细表；（2）零件图2张；（3）说明书一份（1520页）。4 时间安排（1）总学时约80学时，分配如下：（2）分析样图（样机），比较方案：2学时；（3）计算与绘制草图：36学时；（4）绘制正式装配图：16学时；（5）绘制零件图：8学时；（6）书写说明书及答辩准备：10学时；（7）答辩：8学时。摘要百分表的英文名称是Dial Indicators ，是由美国的BC。艾姆斯于1890年制成的，百分表通常由测头、量杆、防震弹簧、齿条、齿轮、游丝、圆表盘及指针等组成。百分表是利用齿条齿轮或杠杆齿轮传动，将测杆的微小直线位移经齿轮放大，变为指针的角位移的计量器具，主要用于测量制件的尺寸和形状、位置误差以及小位移的长度测量等。百分表的圆表盘上印制有100 个等分刻度，即每一分度值相当于量杆移动0.01毫米。若在圆表盘上印制有200个或 100个等分刻度 ，则每一分度值为0.001毫米或0.002毫米 ，这种测量工具即称为千分表1。改变测头形状并配以相应的支架，可制成百分表的变形品种，如厚度百分表、深度百分表和内径百分表等。如用杠杆代替齿条可制成杠杆百分表和杠杆千分表，其示值范围较小，但灵敏度较高。此外，它们的测头可在一定角度内转动，能适应不同方向的测量，结构紧凑。它们适用于测量普通百分表难以测量的外圆、小孔和沟槽等的形状和位置误差。百分表的结构较简单，易于制造和维修，由于它的传动机构是齿轮系，故外廓尺寸小、重量轻、传动机构惰性小、传动比较大、可采用圆周刻度，并且有较大的测量范围，不仅能作比较测量，也能作绝对测量。由于上述一些优点，百分表在工厂中应用极广。它的缺点是回程误差较大，精度提高受到本身结构的限制，不易做精度很高的测量工作。百分表按外形大小分为普通型、小型及小型端面百分表三种。测量范围有02、03、05、和010毫米。在特殊情况下，测量范围还有020和030毫米两种。精度分为0、1、2级。而本次设计采用06毫米的测量范围。百分表的构造主要由3个部件组成：表体部分、传动系统、读数装置。目录1 设计方案的确定 41.1部件设计 41.1.1示数装置设计 4 1.1.2传动系统设计 41.1.3 消除空回游丝的设计 61.1.4 测力弹簧的设计 7 1.2各部件装配设计 9 1.2.1表体部分的设计 9 1.2.2传动系统的设计 9 1.2.3读数装置部分的设计 91.3百分表各种装置的设计101.3.1侧向导向装置 101.3.2测力装置 101.3.3夹持装置 101.3.4游丝和补偿齿轮 101.3.5调整零位装置 102百分表测量的误差和精度分析112,1误差分析112.2精度分析112.2.1：减少误差源和误差值122.2.2：误差补偿132.2.3误差校正装置 132.3百分表的灵敏度分析133 总结 154 致谢 16参考文献171设计方案的确定1.1部件设计1.1.1示数装置设计百分表外形尺寸限制，使用方便和易于装配的原则，确定示数装置的结构和尺寸。按照分度值大小，决定标线尺寸，计算指针长度。计算过程如下：因百分表的外直径为60毫米左右，又百分表的分度值0.01毫米，故取大指针长度为L28毫米。标线所在的分度盘取26毫米，又百分表盘上有100个刻度，则标线间隔为2L1001.76毫米。1.1.2传动系统设计A：确定齿轮、齿条模数和齿数图3.1 传动结构图1 : 导杆 2 ：比例齿轮 3 ：联轴齿轮 4 ：中心齿轮5 ：大指针 6 ：补偿齿轮 7 ：小指针按照国家标准，取齿顶高系数 =1，小模数齿轮径向间隙系数c*=0.35,分度圆上齿廓的压力角 =20。设齿条的节距为p，则齿条移动1毫米所走过的齿数等于Z=1/p 。齿轮 Z2 每个齿相对的弧度为2/ Z2 ，故此时1/p 个齿转过的弧度为2/ Z2 (1/p) 。这个弧度乘上联轴大齿轮Z3与中心小齿轮 Z4 的传动比，就是Z4 转过的弧度。根据齿条移动一毫米，指针转一圈的设计要求知，这个弧度应为2，因此 =2 (3-1) 又根据p=m，故有 m=(Z3/Z4) (3-2)由于齿轮模数国家已经标准化，又在设计中避免使用变位齿轮（齿数大于17），此外，应使得Z3/Z4为非偶数，以避免齿轮在坏点的情况下在一处重复降低精度。所以设置Z3/Z4=9，若取Z2=19代入式（3-2）中计算后m=0.15078.非常接近标准值0.15.反算使得m=0.15，Z2=19，代入式（3-2）中，得Z3/Z4=8.953，符合之前推算。为减少刀具数量， Z6、Z3的模数一般也与Z2相同。根据连轴大齿轮Z3和中心小齿轮Z4的传动比来设计 Z4 、Z3 的值：本着精确与易于加工的原则，经过了多次尝试后最后取得，Z4=20，Z6=Z3=179。因17920=8.95 8.953，故结果还是比较准确的。因百分表的测量范围为06毫米。故令齿条的长度为Lmax=6毫米，因Lmax=pZ=mz，则齿条齿数Z=Lmax/（m）=13.综上所述，各齿轮的齿数和模数分别为，Z4=20，Z2=19，Z3=179，Z6=179，m=0.15，Z=13。B：下面进行小分度盘的设计，因该百分表的分度表测量范围为06毫米，即在测杆最大位移6mm处，大分度盘转6圈，小分度盘转6个刻度，由于Z3/Z4=8.953，设计小刻度盘时选择把小刻度盘总刻度盘分为9等份，即刻度间隔为40度，这是因为测杆总长度一般会大于6mm，所以没把2圆周分成6份。C： 齿轮各部分尺寸计算：计算分度圆直径、中心距、齿顶圆直径、齿高和齿宽等（小模数齿轮径向间隙系数c*=0.35，齿宽一般取b=310m），然后结合结构草图定出齿轮中心的坐标尺寸。齿轮各部分的尺寸见表3-2：表3-2：齿轮各部分的尺寸分度圆直径did4=mZ4=0.1520=3d2=mZ2=0.1519=2.85d3=mZ3=0.15179=26.85d6=mZ6=0.15179=26.85齿顶圆直径daida4=(Z4+2 )m=(20+21)0.15=3.3da2=(Z2+2 )m=(19+21)0.15=3.15da3=(Z3+2 )m=(179+21)0.15=27.15da6=(Z6+2 )m=(179+21)0.15=27.15齿根圆直径dfidf4=(Z4-2 -2c*)m=(20-21-20.35)0.15=2.595df2=(Z2-2 -2c*)m=(19-21-20.35)0.15=2.445df3=(Z3-2 -2c*)m=(179-21-20.35)0.15=26.445df6=(Z6-2 -2c*)m=(179-21-20.35)0.15=26.445齿顶高haha= m=10.15=0.15齿根高hfhf=( +c*)m=(1+0.35)0.15=0.2025全齿高hh=ha+hf=0.15+0.2025=0.3525齿距pp= m=0.15 0.471 齿厚ss=m/2=0.15/20.236 齿槽宽ee= m/2=0.15/20.236 顶隙cc=c*m=0.350.15=0.05251.1.3消除空回游丝的设计A：计算游丝的最小力矩：在装配时，游丝应有一定变形角（通常取/2）以获得一最小力矩 Mmin ，它能保证能克服轴与齿轮的摩擦力矩单面啮合。可按下式计算： Mmin=（36）Mf (3-3)根据生产实践经验: Mf9.310-3Nmm 则：Mmin（27.955.8）10-3 B：计算游丝的最大力矩 根据传动关系求出游丝的总转角 ，由： (3-4)可求出Mmax= =0.133。式中为保证有较好的结构力封闭，取游丝在开始的2 转角内所产生的力矩Mmin=5.010-2MPa；C：计算游丝的结构参数根据游丝的安装空间，选定外径D1=20mm，内径D2=20mm，n=10故游丝的长度为： (3-5)取游丝材料为锡青铜，查表得E=1.2105MPa，由于接触对游丝弹性滞后和弹性后效没有严格要求，选取宽厚比 =5游丝的厚度为：h=0.12 (3-6) 计算游丝宽度b： b=5h=0.6mm (3-7)D：校核游丝最大应力 查表得强度极限 =500-600MPa，取为500MPa；选取S=3 (3-8) =6Mbh*h=60.1330.60.0144=92.36MPa由于92.36MPa ，故强度满足要求。1.1.4测力弹簧的设计A：根据任务书技术要求确定工作载荷F1，F2。技术要求规定测力在0.5N之间。为克服机构内部摩檫，应选一大于0.5N的力作为F1。技术要求规定测力变化不大于0.5N，即F2-F10.5N，由此可选F2。由F1、F2可求出 、 。 (39) 取F1为0.8N，F2 为1.2N，由F1、F2可求出 , 、 分别为20，30。（注： 、 为弹簧的挠度）B：根据草图空间大小选取适当中径D2为3.6mm。C：选定适当弹簧材料为锡青铜后，假设几种簧丝直径d=0.4mm，验算满足公式： (3-10)式中k=1/ =0.0333 、F=1.2N 、C=D2/d=12则可以计算出 =13.57MPa。 由手册可知拉伸弹簧3类青铜线的许用切应力 =0.32 ；而 抗拉强度也可用手册查出当材料为锡青铜线直径为0.2mm时为784MPa， =250.8MPa，所选用的直径尺寸满足强度要求7。D：计算弹簧有效圈数： = 67.8 (3-11)由n可计算出弹簧自由长度H0，安装时弹簧长既为H0+ 。G为切变模量可查得为40000N/mm2，2=30mm，F2=1.2N，C=D2/d=9mm，d=0.4mm 可求出n=67.8，取整为68E:弹簧展开长L=（n+2）D2+挂钩长度=811mm1.2各部件装配设计百分表主要由3个部件组成：表体部分、传动系统、读数装置部分。示意图为所作装配图。下面介绍对各部分的构造进行设计1.2.1表体部分的设计第一个部件是表体部分。在表体的上端压配上套筒，下端压配下套筒。测杆可在铜套和中上下滑动。挡帽用螺纹装在测杆的上端，起限位作用，也可在测量时用来提起测杆。测头用螺纹装在测杆的下端。挡块用螺钉固定在测杆上，用来限制测杆的行程。导杆用来导向和防止测杆转动，它的一端以螺纹和测杆相连，另一端在导槽块的槽中滑动。拉力弹簧拉测杆向下产生测力，它的两端分别挂在导杆和螺钉上。1.2.2 传动系统的设计第二个部件是传动系统。轴承座用螺钉和销钉固定在圆座板上，轴承版用三只螺钉固定在圆座板上的立柱上。齿轮装在圆座板和轴承座之间。游丝一端用销子固定在齿轮的轴上，另一端用销子固定在圆座板的立柱上。小刻度盘用两只销子固定在圆座板上，短指针固定在齿轮的轴上。长指针与指针套压配，指针套装在齿轮的轴上。1.2.3 读数装置部分的设计第三个部件是读数装置部分，表蒙用弹簧涨圈固定在表圈中，刻度盘嵌在表圈内。装配第一个部件和第二个部件时，先将测杆上的齿条与齿轮啮合好，然后用三只螺钉将这两个部件固紧。第三个部件是利用圆座板上的两只片状销子插入表圈的环形槽中，从而使第二、第三两个部件结合在一起。片状销子用螺钉固定在座板上。刻度盘与圆座板之间有一个环形片簧，用以避免表圈晃动，并使刻度盘与表紧密贴合，在表圈转动时带动刻度盘一起转动，以便调整百分表零位。百分表后盖是用三只螺钉固定在表体上。与游丝配合使用的齿轮叫做补偿齿轮。百分表的齿轮般制成压力角为20的渐开线齿形。1.3百分表各种装置的设计1.3.1侧向导向装置导杆伸进导槽内的一端做成球形，导槽块可以拆卸，因而修理时容易使导槽与导杆得到良好的配合。导杆的另一端做成螺纹与测杆上的螺纹孔配合而固定，这样，导向装置就能做到方便拆卸和修理。此外，导向装置也间接构成了行程限制器的作用。1.3.2测力装置本设计利用一只拉簧产生测力，这种装置能使测头时刻紧挨所测物件表面，但其0.5-1.5N的拉力又不会损坏百分表侧头，在设计中使拉簧一端固定在测杆上，另一端固定于表体并靠近于测杆中心线，这样设计是避免拉簧工作时产生过大的横向分力，导致测杆与表体磨损。1.3.3夹持装置此次所设计的百分表采用下套筒作为工作时的夹持器，下套筒与表体构成固定配合，而与测杆成间隙配合，这种设计使得测杆工作中稳定的在轴向运动，尽量减少了其在横向的扰动。1.3.4游丝和补偿齿轮 在齿轮传动中，由于啮合齿之间存在间隙而产生空行程。游丝和补偿齿轮的作用就是消除空行程。游丝固定在传动机构的最后一级，即补偿齿轮上，它的扭力通过补偿齿轮传递给齿轮副，使啮合齿不论在正向和反向行程中，均单向齿廓接触。补偿齿轮不起传动和放大作用，对百分表示值也没有什么影响。本文要设计的百分表采用圆饼式游丝，非重迭式补偿齿轮结构，游丝尺寸在之前已经计算出。1.3.5调整零位装置 表圈一般可在表体上回转，借以转动刻度盘，调整零位。本文所设计的百分表就是基于这种原理来实现调零的。2 百分表测量的误差及精度分析2.1 误差分析测杆齿条段和轴齿轮的磨损是不均匀的，这是影响产生示值误差的主要原因之一，同时磨损比较重的是测杆齿条段和比例齿轮齿面。因此，在消除百分表示值误差时，应先进行修整测杆齿条段和比例齿轮的齿形，其修理方法，在测杆齿条段与比例齿轮啮合的情况下，加入煤油调合的氧化铬进行互研，以达到齿条和比例齿轮的均匀，以消除示值误差。百分表的示值误差修理，除了采用上述两种互研的方法之外，也还可以采用调整的方法，即调整比例齿轮与测杆齿条段啮合的位置，将比例齿轮旋转方向后与测杆齿条段啮合，有时调整合适也能消除示值误差。百分表测杆齿条，受磨损较重的只是几个齿，这是产生啮合误差的原因之一，又由于齿形、节距、跳动(由偏心产生)等项误差，最终反映在测杆齿条段节距上和比例齿轮周节上。为了使百分表示值达到要求，可以改变比例齿轮与测杆齿条的啮合位置，从而减小或消除综合的啮合误差，使达到示值误差以内的要求。百分表在使用过程中，由于零件间有相互传动，自然要发生摩擦和磨损，而且在使用时测杆齿条段直线位移量不大，甚至只有必个齿传动，因此，常用的几个齿受磨损重些，不常用的齿受磨损轻一些，面造成磨损不均匀。如果百分表在使用中，有的镙钉松了影响零件传动或位移，圆座板三个坚固镙钉松紧不均匀影响圆座板平行，指针安装的不牢影响显示准确，齿轮偏心引起一部分齿啮合间隙大和另一部分啮合间隙小，轴与孔配合表面被磨损了影响到轴转动时的平稳，游丝稀密等都将直接影响示值变化和示值误差8。2.2 精度分析对百分表的使用，经常都是用于相对测量，特别是进行形位误差的测量时，都是经常使用前两圈。因此，测杆齿条常用齿的齿面最容易被磨损，故使齿的节距增大，它将影响到齿轮节圆上的啮合点。如果设法以零位为原点，将测杆向上移动四个或三个齿，并且选取示值最好的位置，可采取提升垫圈的方法，使测杆升高一小段，以受磨损轻的齿与比例齿轮相啮合，这样改变啮合位置，可以缩小或消除示值误差。提高百分表式机械系统与结构的精度是精密仪器设备质量的核心技术问题。它的基本途径有减少误差源和误差值、误差补偿和采用误差校正装备三个方面。2.2.1：减少误差源和误差值 （1）减少原理误差 机构原理误差是由于设计过程中为了简化系统和结构，而采用近似原理和机构代替理论上正确的原理和机构所造成的。在原理方案设计中应尽量选用符合实际的理论和公式及理论上正确的机构和参数。 （2）减少误差源 在系统和结构中每增加一个环节、零部件，就增加一个误差源。为此，特别是设计复杂运动系统时，应尽量简化机构的运动规律和结构，但必须经过误差计算，其原理误差只占总误差很小一部分时才能采用，并注意同时采取其他误差补偿措施。（3）减少受力变形误差 为了避免由于刚度不足而引起的机构尺寸、几何形状及相对位置的改变，除应合理地选择构件的截面形状和尺寸、适当采用变截面尺寸构件或配置加强筋板外，应注意合理地选择构件的支承跨度、改善受力方式和条件。此外，对重要构件，应选用力学性能好，特别是抗拉和剪切弹性模量高的材质。并进行稳定性处理，消除残余内应力。（4）减少热变形误差 为了减少温度变化引起的零件尺寸变化、运动副间隙的改变以及材料弹性模量的改变所造成的误差，应作以下考虑： 减少热传导的影响。 减少热辐射的影响。 减少热对流的影响。（5） 减少振动引起的误差 仪器设备在环境绕动力的作用下的受迫振动和转动不平衡产生的内部振源以及机构的冲击等影响下，都会使仪器设备的工作精度受到影响，为并采用挠动传动。（6）减少摩擦与磨损引起的误差 相对运动接触表面的摩擦和磨损时一个重要的误差根源，摩擦不仅直接影响效率和灵敏度，而且容易产生自锁，特别是当摩擦阻力不均匀和低速运动时，往往产生跳跃和爬行，严重影响运动精度。相对运动接触表面的磨损，使仪器设备丧失原始精度，降低使用寿命。为此，设计中应当注意采用摩擦因数小以及耐磨损的配对材料，适当选择热处理方法和满足表面粗糙度的要求。避免接触面过小，适量润滑以滚动摩擦或流体摩擦代替润滑摩擦，以及接触表面进行预压处理等。（7）合理分配精度 零件的制造精度取决于设计要求和加工工艺条件，提高零件的制造精度，减少原始误差的数值时提高仪器设备精度的根本途径。但零件的制造精度不能无限的任意提高，它受到工艺装备条件、工艺水平和生产成本的严格限制。如何在满足产品功能和性能技术要求的前提下，合理的经济地规定经济加工精度要求，不仅取决于精度分配的精确性，更取决于精度分配原则的合理性。（8）采用运动学结构 由于运动学结构是以理论的最少点接触形成必要的约束，而理论上的点式不存在尺寸和形状误差的，当两构件成点接触时可以避免尺寸和形状误差带来的影响。这样不仅提高了精度，而且降低了对构件接触部位的加工要求，可以获得较高的经济加工精度。2.2.2：误差补偿设计中为保证仪器设备的精度，并在此前提下降低零件的加工精度要求，达到减少或消除误差影响的措施，统称为“误差补偿”。误差补偿的方法可以归纳为工艺补偿和设计补偿两类。 （1）工艺补偿 是指零件加工和装配过程中采取一定的技术措施，使零件设计的性能合乎要求，通常采用：配做、修配、分组选配、零位调整。 （2）设计补偿 是指设计过程中为消除某些误差的影响而采取的措施，它是评价仪器设备设计质量的重要标志。由于零件各原始误差对机构精度的影响除误差值大小外，还受到误差传递系数的影响，为此，需要从以上两个方面及其他综合措施考虑误差补偿。其中包括误差值补偿、误差传递系数补偿、综合补偿。2.2.3：误差校正装置精密仪器设备的工作精度与基准元件和传动系统的精度及刚度密切相关。可采用根据实测误差正负变化可进行反向实时补偿的装置，即误差校正装置可使仪器的大部分零部件在符合经济加工精度的条件下，有效地提高仪器设备的工作精度并保持其良好的稳定性，从而取得较好的技术经济效果9。2.3 百分表的灵敏度分析影响灵敏度的因素主要有下列三个方面：（1）测力变化对灵敏度的影响 在测量工作中，接触式测量是最基本的方式。它的特点是量具的测头以恒定的测量力作用于被测工作表面上。但是，这是不容易办到的。对于百分表来讲，测杆处于不同位置时，测力弹簧和游丝的作用力则随之变化。同时由于测量系统中各零件都有一定的重量，以及传动系统中的摩擦力，所以随着测杆的移动和移动方向的变化，测力也跟着变化。在连续测量中，当被测尺寸变大时(测杆向上运动)，测力增大，因此被测表面的弹性变形也增大:当被测尺寸减小时(测杆转为向下运动)测力减小，被测表面的弹性变形随之减小。故测力不恒定，被测表面的弹性变形也不一致，致使百分表不能灵敏地反应出被测尺寸的变化。百分表的测力变化是不可避免的，只有力求减小其变化量。我国哈量、成量新生产的百分表中，采用了恒定测力装置和在齿轮轴中嵌镶宝石轴承，从而减小测力弹簧作用力的变化和摩擦力对测力变化的影响。（2）测力过大和测量系统刚性不足 百分表测力过大和测量系统刚性不足时，测量系统将产生较大的弹性变形，也将影响百分表的灵敏度。百分表装夹系统如臂架，立柱，基座，工作台等刚性不足，止动机构工作不可靠等，会严重影响百分表在测量或在测量或检定时的灵敏度。（3）百分表传动机构中的空行程 百分表的空行程就是当测杆固定时，由于齿轮和齿轮，轴和轴承孔存在配合间隙以及机构的弹性变形面使从动轮产生的转角。百分表游丝的作用，就是使各齿轮副在正反行程时保持单向齿廓紧密接触，消除空行程。但是，由于传动机构中存在摩擦力，因此不能完全消除空行程。它的存在使百分表在反行程中各齿轮不能回复到正行程时同一测量点的位置，从而影响灵敏度。传动系统中摩擦力是不可避免的。由于齿间及配合面间有污物，锈蚀和微小毛刺以及配合性能不好，则会加大摩擦力。严重时，则使指针动作迟缓，并出现下述故障：用手推动测杆，并使它缓慢地恢复原位后，指针不能恢复原位；若轻轻震动表体，指针才会逐渐退回原位。有这种现象的百分表，灵敏度是很差的，需要进行修理10。3 总结作为一名测控技术与仪器的学生，我觉得做这样的课程设计是十分有意义的。在将近2年的大学生活里，我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论知识，如何去面对现实中的各种机械设计？如何吧我们所学的专业基础课知识用到实践中去呢？我想做课程设计九