百分表课程设计.docx

河南理工大学测控技术与仪器09级精密机械课程设计说明书河南理工大学精密机械课程设计设计题目：百分表的设计学 院：机械与动力工程专业班级：测控09-4班学 号：310904040422姓 名：指导老师：张红岩河南理工大学测控技术与仪器系2012-07-03目录一、绪论31、课程设计的目的32、百分表背景43、百分表的设计意义4二、设计方案的确定41、百分表的结构原理42、百分表的工作原理53、百分表的设计要求64、提交的材料65、设计步骤6 三、百分表的数据计算71、齿轮的设计72、游丝的设计103、弹簧的设计124、测杆的设计135、其他部件的设计13四、百分表的误差分析14五、百分表的误差鉴定16六、设计总结17七、参考文献18百分表设计一、绪论1、课程设计的目的“精密机械设计基础” 课程设计作为实践环节对于整个课程具有非常重要的意义。学生在这个环节中不仅是完成一项指定任务，更重要的是实际走过一个完整的设计过程。学生在课程设计中应该定位为设计者。设计者要进行方案筛选论证，要考虑装配关系，考虑结构工艺性，考虑选材。整个设计采用autocad和solid works完成，从3d 建模到 2d 图纸。我们要求每人拿出至少一张可用于加工的图纸，这样的图纸，仅仅图形表达正确是远远不够的。图纸的尺寸标注要合理，要有尺寸公差和形位公差，要正确选择材料，要有技术要求。总之，通过课程设计要使学生知道，设计过程包括那些步骤，能够投放生产的加工图纸是什么样子。其目的是：（1）具体应用、巩固加深和扩大课程及有关先修课程的理论知识、生产知识，了解精密机械设计的一般设计方法和步骤，培养学生的实际设计能力，为以后进行毕业设计打下基础；（2）掌握正确的设计思想。通过课程设计使同学掌握仪表的设计思路。机械产品设计，一般其主要过程为：（接受）设计任务（拟定）设计方案设计计算绘制装配图绘制零件图。设计过程中需注意以下内容：1）满足使用要求（功能、可靠性及精度要求）2）注意工艺性（结构合理、简单，经济性，外观要求）3）熟悉有关规范、标准、手册设计中涉及到的零件材料、结构等，均需按照有关标准选择；零件的尺寸、公差等亦应符合相关标准；制图也要符合一定的规范。因此在课程设计过程中要求同学学习、掌握查阅标准及使用手册的能力。2、百分表背景 英文：【dial indicators】利用精密齿条齿轮机构制成的表式通用长度测量工具。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。百分表是美国的b.c.艾姆斯于1890年制成的。常用于形状和位置误差以及小位移的长度测量。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。3、百分表的设计意义百分表在工业上的应用领域非常广泛，如测表面跳动或不平度，检查圆形零件的跳动，当然也可用来测量小的直线位移， 测量工件的尺寸、形状、位置误差、检验机床的集合精度或调整工件的装夹位等等，它已经成为工业生产中不可缺少的仪器。二、设计方案的确定1、百分表的结构原理百分表是一种精度较高的比较量具，它只能测出相对数值，不能测出绝对数值，主要用于测量形状和位置误差，也可用于机床上安装工件时的精密找正。百分表的读数准确度为0.01mm。百分表的结构原理如下图所示。当测量杆1向上或向下移动1mm时，通过齿轮传动系统带动大指针5转一圈，小指针7转一格。刻度盘在圆周上有100个等分格，各格的读数值为0.01mm。小指针每格读数为l mm。测量时指针读数的变动量即为尺寸变化量。刻度盘可以转动，以便测量时大指针对准零刻线。百分比的最主要设计部件是齿轮齿条，根据所要求设计百分表的尺寸大小和百分表的精度要求，首先选择齿轮的模数大小，综合考虑齿轮的直径，确定各个齿轮的齿数。同时还要根据齿轮加工不发生切齿的最小齿数要求来决定是否对每个齿轮进行变位。其次，要对游丝进行精心的设计。百分表的游丝是用来保持齿轮传动的有效解除，防止齿轮啮合时不发生空回，从而保证测量的准确度。另外，也需要对弹簧进行优化设计。弹簧为拉伸弹簧，在测量时保证导杆与被测工件的紧密接触，因此弹簧安装时要有一定的初始拉力。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。 2、百分表的工作原理百分表的工作原理，是将被测工件尺寸变化引起的测杆微小直线位移，借助齿条齿轮机构的传动和放大，变为指针回转运动，从而在刻度盘上读出被测尺寸（或误差）的大小。其工作原理如图所示。测杆1在表壳的铜套内移动，测杆上切有齿条。当测杆做上下直线位移时，其上的齿条驱动与之啮合的轴齿轮z2，与z2同轴的片齿轮z3也随之转动，z3又驱动中心齿轮z1，指针4装在z1的轴上，所以当测杆产生位移，通过齿条-齿轮驱动指针旋转，表盘5的前面有刻线，指针相对于表盘转动就在表盘上指示出测杆直线位移量。补偿齿轮z1与z4啮合，游丝3通过补偿齿轮以消除各传动副工作齿面的间隙，使传动平稳，减小误差，在z4上装有一根小指针，指针4转一圈，小指针转过一格。小指针在小刻度盘上指示出指针4的转数。3、百分表的设计要求（1）分度值：0.01mm（2）测量范围：010mm（3）外线尺寸直径：5060（4）使用环境：车间现场（要求防尘、防油、防震、防噪）（5）测杆应移动平衡、灵活、无卡住现象（6）其余按照国家标准4、提交的材料总装配 1号图纸一张（纸质和电子文档）主要零件图 零件工作图2张（纸质和电子文档）设计计算说明书（设计步骤、设计计算、结构选择，字数不少于1万字），说明书包含齿轮传动链和零件的设计过程，以及autocad绘制的装配图和两张零件图。5、设计步骤：1. 听老师讲解百分表的设计方法及要求2. 去图书馆借书，在网上搜索相关资料，然后分析资料，对百分表的功能和结构有了初步的认识3. 确定设计方案4. 计算百分表的各项数据5. 绘制正式设计装配图（用autocad软件绘制，a1号图纸）6. 绘制零件图（用autocad软件绘制，a3号图纸）7. 完善百分表设计说明书第 19 页 共 19 页三、百分表的数据计算1、齿轮的设计（1）选择齿轮材料：考虑百分表的外廓尺寸不宜过大，大小齿轮都选用40cr，对小齿轮z2,z1表面淬火4855hrc，对大齿轮z3调制处理，硬度为280hbw（2）强度校核：计算弯曲应力，因为又由精密机械设计基础课本148页表7-9查表可知 flimb1=600 n/mm2flimb2=1.8hbw=(1.8280) n/mm2=504 n/mm2取sf=2,双向传动取kfc=0.7，kfl=1由此可得小齿轮z2的弯曲应力 f1=6002 n/mm2=300 n/mm2大齿轮z3的弯曲应力f2=5042 n/mm2=252 n/mm2转矩： 小齿轮z4 t1=fr4=1.51 n .mm= 1.5 n.mm 小齿轮z2 t2=fr2=1.51.6 n .mm= 2.4 n.mm 大齿轮z3 t3=fr3=1.510 n .mm= 15 n.mm验算弯曲应力：由公式再由又有精密机械设计基础课本147页图7-38查图可知z2=16 yf2=4.35z3=100 yf3=3,75=3004.35=68.9 n/mm2=2523.75=67.2 n/mm2因为，所以我们应该验算大齿轮的弯曲应力 n/mm2=3.0375 n/mm2=252n/mm2通过以上校核可知齿轮满足弯曲强度要求，设计合理，可以用于生产（3）模数及齿数的设计设齿条的节距为p，则齿条移动1mm所走的齿数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2z2(1p)。这个弧度乘上连轴大齿轮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1mm，指针转一圈的设计要求可知，这个弧度应为2，因此有2z2(1p)z3z4=2 （3-1）又根据p=m，有m=(z3z4)(z2) （3-2）一般取z3/z4=10，此时若有小齿轮z2=16，代入式子3-2得m=0.1990。与m=0.2接近，所以取m=0.2。为减少刀具数量，将z3 、 z4 、z6模数也取与z2相同。即m2=m3=m4=m6=0.2。取模数m=0.2、 z2=16代入式3-2得z3/z4=10.048根据联轴大齿轮z3和中心小齿轮z4的传动比来设计z3、 z4 值，本着精确与易加工的原则，经过了多次尝试后最后取得z3=100 、z4=10由于100/10=10，还是比较接近10.048的，故取z3=100、 z4=10。计算齿轮6的齿数，因m(z3z4z6)40（百分表总外径），代入各已知值后，最后取 z6=68。因百分表的测量范围是0-3mm，故令齿条的长度为lmax=3mm，因lmax=p=m，则齿条的齿数z=lmax/（m）取z=5。综上，各齿轮的齿数和模数分别为：z2=16 、z3=100 、z4=10 、z6=68 、m=0.2 、z=5（4）最小变位系数的确定：因为根切现象的存在，标准齿轮的最小齿数：由zmin=2ha*/sina2 有：当=20，ha*=0.8时，zmin=14而所取函数z4=10zmin=14，所以用展成法加工齿轮时，被切齿轮的齿数不得小于最小齿数zmin,对此该齿轮应该采用变为齿轮。并且采用正变位的方法。最小变位齿数计算公式：（5）齿轮几何参数的计算齿距： p2=p3=p4=m=0.628 mm各齿轮分度圆直径： d2=mz2=0.216=3.2 mm d3=mz3=0.2100=20 mm d4=mz4=0.210=2 mm齿顶高： ha=m=0.2 mm齿根高： hf=1.35m=0.27 mm顶隙： c=0.35m=0.07 mm齿厚： s=m/2=0.31415 mm齿间宽： e=m/2=0.31415 mm标准中心距： a=m(z4+z3)/2=11 mm（6）总结由以上计算，大小齿轮都选用40cr，对小齿轮z2，z1表面淬火4855hrc，对大齿轮z3调制处理，硬度为280hbw应该选取的3个齿轮为齿轮2：分度圆直径d2=3.2mm，齿宽为b2=2.4mm齿轮3：分度圆直径d3=20mm，齿宽为b3=2mm齿轮4：分度圆直径d1=2mm，齿宽为b1=2.4mm齿轮的齿距为0.628mm，齿顶高为0.2mm，齿根高为0.27mm，顶隙为0.07mm，齿厚为0.31415mm，齿间宽为0.31415mm，标准中心距为11mm2、游丝的设计（1）游丝的作用：游丝在仪表中的作用主要是通过预紧力或作用力矩，达到不论正行程还是反行程齿轮副总是单项齿廓啮合，消除空行程和传动系统中的摩擦力。压力表、血压表中的游丝是利用其反作用力矩，使中心小齿轮和大齿轮保持单向齿廓紧密接触，来消除中心小齿轮与大齿轮的啮合间隙及各传动轴孔等结合处的间隙所引起的示值变动性和指针走动的不平稳性，并使指针能回到零位标记内。（2）选取材料：gb/t 31341982 铍青铜线 优点：弹性滞后和弹性后效比较小，强度高，可实现在给定特性的条件下减轻重量并具有较好的振动稳定性加工方法：回火（3） 计算：1）游丝的最小力矩：根据生产实践经验nmm计算 nmm2）游丝的最大力矩：总转角=2即可求出最大力矩nmm3）游丝的参数：圈数n=10（转角，所以圈数选择10）外径d1=18mm，内径d2=5mm游丝长度l=361.28mm选定材料为铍青铜，回火处理，所以弹性模量e= n/mm2，安全系数选择s=34，对于接触游丝，宽厚比选择48，所以u=b/h=7游丝的厚度h=0.114mm游丝的宽度b=uh=0.798mm经过查仪器仪表结构设计手册圆整数据得b=0.76mm， h=0.11mm4）校核最大应力：b=145.63n/mm2查表知许用弯曲应力为1180n/mm2，所以满足设计要求5）重新确定参数长度l=313.23mm圈数n=8.67mm9mm圈间距离a=0.72mm（4）游丝座的尺寸系列：游丝座外径：5mm；游丝座孔径公称尺寸为3mm，允差+0.05mm；高度为2mm（5）标记示例：游丝 反型（3mm为游丝座孔径，18mm为外径，为转矩m）（6）游丝的技术要求：游丝转矩允差为8%游丝形状应为阿基米德螺旋线，各圈均在垂直于螺旋中心线的平面上，圈距应均与一致游丝表面粗糙度ra0.08m，侧面ra1.25m。游丝座孔内表面粗糙度ra1.25m，其余表面ra2.55m游丝表面应无明显划痕、严重的氧化斑点；应无毛刺、发霉等缺陷（7）总结：游丝材料选择铍青铜线，使用回火加工。游丝长度l为313.23mm，圈数n为9，圈间距离为0.72mm，内径为5mm，外径18mm。游丝座的外径为5mm，游丝座孔径公称尺寸为3mm，允差+0.05mm；高度为2mm 3、弹簧的设计（1）确定工作载荷考虑到测杆的工作位置可以在多个方向，测杆本身的重力会产生影响，设测杆重力为g，系统对测杆的摩擦力（齿轮、滑动导轨、防转导杆等）为f，弹簧的拉力为f，测杆的测力为t，分3种情况讨论：a、 百分表正放时，重力g与弹簧拉力f同向，是助力，有方程：f+t=g+f1（此时f最小）；b、 百分表横放时，重力g对弹簧无作用，视为0，有方程f2=f+t，f2即为初拉力（查精密机械设计基础p305页图13-17得f2=1n）；c、 百分表倒放时，重力g与弹簧拉力f反向，是阻力，有方程：f3=g+f+t（此时f最大）。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0.5n1.5n之间。估计重力g=1n，fmax=0.5n进而计算出f的范围为0.1n3n考虑到弹簧的作用是归零，为使归零迅速、准确，应使弹簧力适当大一点，经计算取9n（要求其初长h0为40mm左右，而最大弹性拉伸量约为12mm）（2）选材由于百分表弹簧的作用是使测杆完成测量后归零，并无其他特殊用途，故选择碳素弹簧钢65mn类。（3）选定簧丝直径、选取中径d2=6mm假设簧丝直径为0.25mm、0.3mm、0.35mm，验算是否满足下面公式：其中曲度系数公式 ，弹簧的旋绕比c=d/d，求得，查精密机械设计基础p296页图13-2得b（0.25）2278，b（0.3）2270，b（0.35）2260所以应选用0.35mm直径的簧丝 (4)弹簧自由长度：h0=nd+d+2d=（94+1）0.35+26=45.25mm(5)总结由上述计算结果，应该选取65mn类材料的弹簧，弹簧中径d2为6mm，簧丝直径为0.35mm，圈数94，弹簧自由长度为45.25mm，弹簧的最大拉伸量为12mm。4、测杆的设计测杆选取材料为淬火钢。测杆直径为4mm，长度156.5mm。5、其他部件的设计导杆：长度为28.2mm支承片：采用青铜材料螺钉：采用m2和m3标准件背面外壳：直径56mm垫片：使用2个塑胶垫片，厚度分别为0.8mm和1.2mm长指针：长度为27.8mm短指针：长度为8mm四、百分表的误差分析从百分表的设计原理分析，百分表是没有原理误差的，所以影响示值误差的主要是运动件的原始误差，例如制造误差、安装误差以及运动副的间隙等。如果我们把齿条与轴齿轮2定位a环，把齿轮a与中心齿轮b定位b环；把指针c与表盘d定位c环，并用a，a，a表示这3个传动环节的误差，则百分表在传动系统中的总误差为l，式中ka2轴齿轮2到大齿轮a的传动放大比：如果对三个传动环节按等误差分配，即a=b=c=1那么三者对百分表总误差的影响分别为1、1/6、1/154，课件影响最大的是齿条齿轮这一环节。下面对造成a、b、c三个环节的主要因素进行定性分析。1. 造成a的因素（1） 齿条中线与测杆线平行度误差1以及测杆与导套配合间隙x1的影响。平行度误差1及间隙x1都会改变轴齿轮2（图334）的节圆半径d，从而使传动比（即放大比）发生改变。1和x1都是各自独立的随机变量，所以它们应按方和根法进行合成，并将合成结果换算到齿条齿轮的啮合线（即压力线）上去。即式中，a为齿轮的压力角。（2） 轴齿轮2的轴颈误差对a的影响轴颈的几何形状误差，会使齿轮2的回转中心发生变动，当此变动方向与齿条齿轮的啮合线方向一致时，造成的示值误差最大，即设轴颈的公差的下限为-8m，上限为-2m，则同理，轴承孔的形状误差以及与轴的配合间隙将以同样方式影响示值误差。所以应严格控制配合间隙，一旦发现轴孔磨损后，应立即进行缩孔或更换。（3） 齿条的节距累积误差t1和齿形误差f1以及轴齿轮2的周节累积误差t2和齿形误差f2对q的影响3一般说来，周节或节距的累积误差在绝对测量时起作用，而齿形误差f对示值的影响则在相对测量时显得比较突出。将以上几项误差合成，便得到a：2. 造成b的因素造成b的因素有齿轮a和齿轮b的周节累节误差和齿形误差以及齿轮a的装配偏心误差。分析方法同前。式中，e为齿轮a的偏心量3. 造成c的因素主要有指针回转 中心相对刻度盘中心偏心造成的误差e和刻度盘的刻线间距误差k，这两项误差均属于系统误差。但由于百分表在具体使用过程中，刻度盘并非固定在一个位置上，e和k的方向就难于把握住，所以在合成时仍按随机误差处理，即一般照象复制法坐车的刻度盘，其分度误差不会超过30，所以相邻刻度艰巨误差不会超过k=300.0003r=0.009r，而偏心误差饿得最大值为2e，故式中e偏心量，r刻度盘的刻线半径另外，影响百分表示值误差的还有测力的变化和温度的变化。通过上述分析，我们了解到百分表的误差来源，其目的不是去搞百分表的设计而进行误差分配，而是让同学对百分表的误差来源有一个定性的认识，从而分析出对示值影响最大的环节，以便对百分表的检定、使用、维修等做到知其所以然。比如，百分表示值超差的修理，首先应该从传动链的测量链（第一级传动链）下手检查，在齿条齿轮的啮合部位上下工夫，设法避开磨损严重的齿；也可将游丝反向安装，使磨损的齿廓变为非工作面，好的赤廓变为工作面；或者更换新的齿条齿轮。对指示链的各零件一般不去修理或更换，因为它对示值误差的影响随着放大比的增大而明显减小了五、百分表的误差检定1示值误差的检定：表1准确度等级示值误差（m）回程误差（m）任意0.1mm任意1mm工作行程03mm05mm010mm078101215319121518225百分表的示值误差不得超过表1的规定。百分表检定时使用百分表检定器或其他同等准确度的一起检定。百分表示值误差的检定是在正反行程的方向上每间隔10个分度进行的。检定过程如下：首先将检定器和百分表分别对好零位，当检定器微分筒每转过10个分度后，在百分表上读出误差，知道工作行程终点，接着反向进行检定。在整个检定过程中，中途不得改变测杆的移动方向，也不准对百分表检定器和受检百分表作任何调整。反向行程读取误差时，其正负号和正行程时相同。示值误差是根据正反行程方向所得各点的误差中以最大的正误差绝对值和负误差最大的绝对值之和确定。若误差符号相同时，以最大与最小值的差值确定。工作行程内的示值是根据工作行程上各点的误差来求得。任意1mm范围内的示值误差是根据01，12，23mm范围内所得各点的误差来求得。任意0.1mm范围内的示值误差是以任意相邻两点上的误差求得。对于任意0.1mm、1mm范围内的示值误差，如果查过了表3的规定时，可以对超差的这一受检范围再单独进行检定，并以此作为检定结果。2回程误差表2检定位置mm01020304050607080900误差（m）1正000+4（+6）+2+200+1+1反-2+10+2（+3）+1+10+20+12正+10+1+2+3+5+6+4+2+1+1反+1+1+4+3+5+6+8+5+2+1+23正+1+4+4+4+4+8+14+10+8+8+6反+2+2+2+1+2+8+12+8+7+7+64正+6+2-1-1000-10-1-2反+6+1+10+10+20+10-25正-2-2-3-2-1-1-2-1-1-2-3反-2-3-5-3-1-1-30-1-1-3在示值误差检定完后，取正反行程内各对应点的读数之差中的最大值确定回程误差。若此最大值超过表1的规定，可对该点回程误差进行单独检定。先压缩百分表测杆刀大该点，进行正向读书，继续压缩测杆0.2mm，然后反转百分表检定器微分筒0.2mm回到该点，进行反向读书，正反向读数之差即为该点的回程误差。3示值变动性的检定将百分表装夹在刚性表架上，使测杆轴线垂直