哈尔滨理工大学测控百分表设计.docx

哈 尔 滨 理 工 大 学课 程 实 践题 目： 百分表设计 姓 名： 班 级： 学 号： 1 指导教师： 成 绩： 2013年 6 月 4日目录一 机械式百分表设计31.1 技术要求31.2 设计内容3二 百分表的用途及其工作原理 32.1 用途 32.2 工作原理 3三 任务和方案分析比较43.1百分表的组成43.2百分表的结构分析及方案确定4四 各机构设计参数的确定与计算 54.1传动系统的设计与计算54.2 示数装置的设计与计算74.3游丝的设计与计算84.4测量力矩的设计与计算12五 百分表设计的优缺点与改进建议 14六 参考文献14七 学习心得14百分表设计一 机械式齿轮百分表设计任务书1.1技术要求（1）百分表的测量范围为010mm，分度值为0.01mm。（2）量杆行程至少应超过工作行程0.5mm。（3）百分表的外壳直径不大于60mm，装卡部分直径为装卡部分长度mm。（4）百分表的测量力在0.49N1.47N范围，同一点正反向测量力之差不大于0.45N。（5）本百分表为一级精密百分表。其示值误差、回程误差和示值变化要求如下： 全量程示值误差不大于0.020； 任一毫米示值误差不大于0.009mm； 机构空回误差不大于0.005mm； 示值变化不大于0.003mm。1.2设计内容 （1）总装配图一张（一号图纸） （2）零件图12张（四号图纸） （3）设计说明书一份二 百分表的用途及其工作原理2.1 用途机械式百分表是齿轮传动式测微指示表，主要用作比较测量，也能用作绝对测量，也可用于精密机械仪表及工件的形位误差（如平行度、圆度、对称度等）进行精密测量，也可对产品进行检验、安装、鉴定，其测量精度较高，可达0.01mm。但由于百分表分度较小，故不能对较大尺寸进行测量。2.2 工作原理被测尺寸（或偏差）引起测杆微小直线移动，经过齿轮传动和放大，变为指针在刻度盘上的传动，从而直接读出被测尺寸（或偏差的）的大小。下图1为百分表传动示意图。百分表的齿条和齿轮的模数，当测杆被工件抬高1mm时，齿条上升1.6齿()，由于齿轮是16齿，所以齿条推动齿轮转动转。与同轴的大齿轮是100齿，所以转过10齿。小齿轮是10齿，经带动后，以及固定在其轴上的长指针正向转过一周，因为刻度盘为100等分，故当测杆移动1mm时，长指针转过100个分度，从而将微小移动转化为指针的转动。由此可见，指针转过一个分度，就相当于测杆转动0.01mm。图1 百分表传动示意图三 任务和方案比较分析3.1 百分表的组成百分表有示数装置、传动装置、消除误差装置，产生测量力装置，防震装置及轴承板导槽、导轨装置组成。3.2 百分表的结构分析及方案确定3.2.1示数装置：由标尺、指针等构成。 标尺：直标尺、圆盘标尺、螺旋标尺、鼓轮标尺。根据百分表的结构特点，选用圆盘标尺度盘。 指针：一般有同心指针、不同心指针，根据百分表结构简单的特点，选用不同心指针。 度盘颜色：一般用黑、白、灰、黄等几种颜色，一般选用白色，加上黑刻线，显得清楚明朗。 3.2.2 传动装置 百分表具有外形要求小，内部紧凑，传动精度高的特点。选用齿轮传动键，其放大倍数为（为指针半径，为百分表量程）。 3.2.3 消除回空误差装置 消除空回误差的方法，常用的有：利用弹簧消除侧隙，固定双片齿轮，利用接触游丝，调整中心距等。 考虑到百分表的结构特点实现的难易程度，选用接触游丝消除侧习得方法。将游丝装在一根轴上，利用其产生的反力矩，迫使各级齿轮再传动时总在固定的齿面啮合，从而消除了侧隙对空回的影响。为了消除轴和轴承之间的摩擦力，游丝安装时应具有初应力，则应从开始位置是，系统力就封闭，其初始应力通过游丝的初始位置转过转角来决定。 3.2.4 产生测量力装置 该装置有三种：利用扭簧、利用拉簧、利用拉簧杠杆、滚轮组合。 利用拉簧的装置往往被表面结构限制，因为要产生足够大的测量力，其旋转圈数就须增加，则结构体积变大。利用拉簧的装置可占用小空间而产生比扭簧大的力，但拉簧需装在测杆上，当随着拉簧的不断拉长，会使测杆倾斜导致测杆与导轨的摩擦力增大，使测杆与导轨的间隙变小，直接影响测量精度，且表面易损伤。利用拉簧-杠杆-滚轮组合的方式，能克服前者的不足，又能满足百分表的要求，故选用拉簧-杠杆-滚轮的组合结构。该结构利用杠杆原理，使百分表在测量过程中测量力尽量小，测杆在工作中也较稳定，从而减小了测杆与导轨之间的摩擦，延长了使用寿命。3.2.5其他辅助设计的设计1）导轨有铜材套及自接轴套两种，而前者使摩擦力有效地降低，故选用前者。2）限动装置限动装置用于控制仪器的工作范围，常用螺钉，滑道等限位，在本表中上限选用钉而下限位直接采用防限位。3）防震装置 为了使百分表在震动情况下仍可以在较大震动下能自我保护，采用测杆上加一防震滑动块的方法，并使其通过有初应力的拉簧和装置中的齿条相连，当外力大于这个弹簧，的初应力时，拉弹簧带动震弹簧，拉伸防块与齿条相脱离，达到了防震的目的。4) 防转装置 为了保证百分表数值的确定，在侧杆杆转动时示值变化不超过分度值的1/3，需采用防转装置，最简单的防转装置是运动件和承导件的接触。表面上做出凸起和凹槽，利用一个大头螺钉装在运动件上，是螺钉帽与某一个平面相接触，靠两者之间的摩擦防止转动，另一个方法是利用辅助导面，这种方法可以更好的限制运动件转动，在防震装置中用了两个侧杆从连接防震滑块和齿条，在此装置中利用此两个辅助侧杆，辅助导面由于难以直接加工在壳件上，因此可用螺钉将型辅助导面固定在壳体上，侧杆和滑道间为间隙配合，要选自己并尽量减少侧杆与滑道之间接触面积，以减少摩擦力。5) 轴承板（主夹板） 利用整体轴承板已达到结构紧凑易于加工以及精度高的目的，材料为H68，轴承采用旋转精度高，摩擦力小的宝石轴承。6) 连接方式以及定位方式 本百分表采用螺纹连接及圆柱连接，指针套与轴采用圆锥销连接，定位方式采用圆柱锁定位。7) 方案的确定 综上所述比较分析，本百分表方案如下： 由拉簧杠杆滚轮来产生测量力，用齿轮传动机构及表针来实现微小位移的放大，利用装在最后一级齿轮上的游丝来实现齿轮系统的无侧隙单面啮合，导轨采用青铜作衬套，防转系统用导槽来实现。连接方式为螺纹连接，定位方式为圆柱销定位。 此方案能满足技术要求和使用要求。四 各机构设计参数的确定和计算4.1传动系统的设计计算已知最大行程，最大转角为，,其设计过程如下表1。表1 传动系统的设计过程项目依据及计算过程结果1 模数m小模数齿条在螺旋磨床上加工螺距，即为齿条的周节，则，值已标准化为0.5，0.625，所以，。取2 确定传动比，又同为所以。3 的确定因为，所以4 的确定5 及的确定因为，,所以，取=10，则=1006 轮廓尺寸计算（1）的变化系数（2）的尺寸（3）的尺寸（4） （5），的中心距因为，故需变位，7、验算齿顶厚（1） （2）（3）8 验算重合度 （1）（2）齿厚如果变位系数选择可能出现齿顶变齿、齿廓干涉一系列问题，因此选择变位系数应在如下基本限制条件下得到保证：1不发生根切2 不产生齿廓干涉3 有足够的齿顶厚度（0.250.4）m4 有足够的重合度 其中 4.2 示数装置的设计与计算1 大刻度盘表2 大刻度盘的设计过程项目依据及计算结论外径结构要求小于54mm54mm内径结构要求小于外径，取32mm32mm示值上限1mm示值下限0mm示值范围1mm分度值0.01mm标度角360分度角3.6短标线长取3mm长标线长取4.5mm分度尺寸1.69mm标线宽度取b=0.2mm0.2mm大指针半径取R=24mm24mm2 小刻度盘表3 小刻度盘的设计过程项目依据及计算结论外径取10mm10mm内径取8mm8mm示值上限5mm示值下限0mm分度值1示值范围5mm标度角180分度角36标线长度L=1mm1mm分度尺寸3.14mm标线宽度0.3mm大指针半径取r=5mm5mm4.3 游丝的设计与计算1 计算轴在水平放置和垂直放置的摩擦力矩轴的材料为T12，密度为，齿轮的材料也为T12，齿宽为1mm，齿轮轴I的形状与尺寸如下图2。图2 轴I的形状与尺寸标注表4 轴I摩擦力矩计算过程项目计算及依据结论 1 轴I的体积 2 齿轮II的体积3 总体积4 水平放置的摩擦力矩5 垂直放置的摩擦力矩根据上面的计算结果，水平放置时大，故取。以下的两种轴的计算只需要计算水平放置时的摩擦力矩即可。2 轴的摩擦力矩的的计算图3 轴II的形状与尺寸标注表5轴II摩擦力矩计算过程项目计算依据结论1轴的体积V轴2=13.685mm313.685mm32轴的F2F2=0.001166N0.001106N 3水平放置Mf2Mf2=0.00011N0.00011N3轴的计算游丝座的材料，轴套为gCr18，。表6 轴III摩擦力矩计算过程1轴的体积12.855mm32齿轮Z4的体积V轮4=V轮2=264.806mm3264.806mm33总体积259.66mm34 总重量0.02099N5游丝座体积18.133mm36 游丝座重量0.000158N7 轴套重量0.00023N8 轴套体积3.016mm39 轴承重量0.0228N10水平放置的摩擦力矩Mf3=0.00226Nmm0.00226Nmm 将各轴的最大力矩折算到游丝轴上，当功从一根轴上传递到另一根轴上时，如果你忽略了阻力作用的功，应用是功的保持不变，则常数。取转换到游丝轴上的力矩,所以：取安全系数为3则 时的转角位，是的五倍，则。设计游丝选锡青铜。取 表7 游丝的计算与设计项目计算依据结论1 游丝长度415mm2 游丝厚度调整后为0.09mm0.09mm3 游丝宽度0.65mm4 校核最大应力即合格5 盘绕游丝个数66 实际的u7.24.4 产生测量力矩机构的设计与计算采用弹簧-杠杆-滚轮机构的导轨摩擦力矩和游丝对测杆作用力均可略去不计。式中：-导轮摩擦力 为测杆重量弹簧的最大，最小拉力游丝最大工作转角和初始角 由+得 由结构可知参数 所以有 选用碳素弹簧钢丝 故表8 测量力矩机构的设计与计算项目计算及依据结果1 弹簧应力3mm2预选弹簧丝直径D=0.4mm0.4mm3许用应力 688n/mm4旋转比7.55曲度系数1.1976验算=0.340.4合格7计算nn=34.4圆取整34348计算19.29求刚度0.2810求初应力0.543n11验算自由度合格12验算初应力 13其他尺寸（1）内径2.6mm（2）外径3.4mm（3）节矩0.4mm（4）展开长度339.3mm（5）螺旋升角2.4314 验算同一点、正反向测力之差大于0.45n带导轨的最大摩擦力的来源1）测杆处于最大量程处；2）测杆小于数量3）游丝恢复力矩较小可不计0.225N五 仪表的优缺点、改进意见及其他说明问题1 优点：本设计采用的是侧拉簧杠杆滚轮产生测量力的装置，采用了辅助面式防转装置，测杆防转效果好，同时还带有防震装置，使其在震动的环境下也能工作，提高了表的测量精度和扩大了使用范围，本表测量误差小，各表在保证精度前提下使用了经济性的材料，成本较低，大多数零件为标准件适合大量生产及修配。2 缺点：本表零件几乎全用金属件组成，比较重，齿轮传动系统由于个参数较小，制造起来不易。3 改进意见及其他需要说明的问题本设计说明书中新用到数据由于资料有限，很多未进行标准化，为应分别单项计算的数据只是按设计思路进行的最佳选择。这样难免会产生误差甚至错误。另外，为使各要求指标达到设计的精度要求，衬套应使用铜合金之类的软材料，以减少测量力对测头冲击而影响精度。六 设计参考资料1 精密机械设计 天津大学，庞振基、黄齐圣主编，北京：机械工业出版社，2004年2 精密机械及仪表零件手册 庞振基，北京：机械工业出版社，1993年3 精密机械设计基础 裘祖荣著，北京：机械工业出版社，2007年4 测控仪器设计 浦昭邦、王宝光主编，北京：机械工业出版社，2007年5 误差理论及数据处理 费业泰，北京：机械工业出版社，2010年6 Auto cad 2009 机械设计从入门到精通 张传纪著，人民邮电出版社七 学习心得通过这次课程设计，我学到了CAD绘图软件的基本应用，绘制平面的器件制图，及剖视图等。在工程中我了解到了百分表的使用方法、原理以及百分表的优缺点。了解其每个零件的作用和尺寸大小。并且参照成型的百分表设计了新的百分表，分析表内存在的的误差，测量误差大小，进一步计算误差，从而改善元件的精确度。在这次的课程设计之中同时把误差处理，仪表设计，机械制图等课程应用于实