百分表设计说明书-.doc

钟表式百分表的设计说明百分表背景英文：【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。一、设计要求：设计钟表式百分表具体技术指标要求如下:1. 分度值:0.01mm2. 测量范围：010mm3. 外线尺寸直径：50604. 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. 其余按照国家标准二、设计任务：1. 提出设计方案2. 给出装配结构示意图（A1号图纸）3. 给出2张零件图（A4号图纸）4. 给出设计说明书三、设计目的: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. 训练同学们独立思考、独立运用。独立设计的能力，掌握百分表的具体原理，强化掌握平时学到的理论知识2. 扩大同学们的知识面，提高对知识的应用能力3. 培养同学们的创新能力4. 加强同学们的团队合作精神 百分表结构图四、设计步骤：1. 去实验室观察百分表结构2. 小组人员分工，去图书馆借书,在网上搜索相关资料，然后大家一起分析资料,对百分表的功能和结构有了初步的认识3. 讨论创新方案经过大家集思广益，我们小组提出了两点比较大的创新： 去掉测杆的防转槽，直接在表盘的内表面开槽，从而使百分表结构更简单 给百分表增加锁紧结构，在每次测量结束后可以锁紧测杆,方便读数然后经过与老师和同学们的热烈讨论,并且认真考虑了百分表的使用方法和使用环境，决定取消锁紧结构。只采用在表盘上开槽的改进方案.4. 确定设计方案5. 计算数据6. 绘制正式设计装配图(用AUTOCAD软件绘制，A1号图纸)7. 绘制零件图（手绘,A4号图纸)8. 完善百分表设计说明书五、百分表工作原理分析:百分表是利用齿条齿轮或杠杆齿轮传动,将测杆的直线位移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、位置误差等。百分表通常由测头、量杆、 参考资料：精密机械设计基础教材机械制图第三版中文版Autocad2006实用培训教程仪器仪表结构设计手册机械制图新旧国家标准对照手册几何量计量仪器机械零件设计手册弹簧设计手册百分表的常见故障分析及修理办法弹簧、齿条、齿轮、游丝、圆表盘及指针等组成百分表的结构较简单,传动机构是齿轮系,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。百分表的工作原理,是将被测尺寸引起的测杆微小直线移动，经过齿轮传动放大，变为指计在刻度盘上的转动，从而读出被测尺寸的大小。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.六、数据计算:（一)、齿轮设计结构简图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280HBW2。强度校核:1。许用弯曲应力：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Z1 T1=Fr1=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738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2.确定齿数:由传动机构的特性我们取各齿轮的齿数 z1=10， z3=100在充分考虑对强度与耐冲击承受能力,我们小组取 z2=163:计算齿轮模数：由传动比的计算公式式中：max:相应于测杆最大位移的指针转角， Smax：测杆的最大位移（示值范围）。齿轮Z3和Z1的传动比。-相应于SmaxZ2轮转角.-齿条（测杆）与齿轮的传动系数。因2齿轮的分度圆半径： 故有： 所以可得：所以由以上数据可得： 经过国家标准圆整后取 m=0。2 mm为减少刀具数量,我们小组将Z1、Z3模数也取与Z2相同。即 m1=m2=m3=0。2 mm4.齿轮几何参数的计算齿距： p1=p2=p3=m=0.628 mm各齿轮分度圆直径: d1=mz1=0。210=2 mm d2=mz2=0.216=3.2 mm d3=mz3=0。2100=20 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齿宽： b1=12m=2。 4 mm, b2=12m=2.4 mm b3=b4=10m=2 mm标准中心距： a=m(Z1+Z3)/2=11 mm5.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Z1=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:3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1：分度圆直径d1=2mm，齿宽为b1=2。4mm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齿轮的齿锯为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11mmError! No bookmark name given.（二)、游丝设计1选取材料:GB/T 3134-1982 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2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=0.72mm3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2mm4标记示例：游丝 反型（3mm为游丝座孔径，18mm为外径，为转矩M)5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6游丝内外端的固定方法：内端采用冲榫的方法固定铆在游丝套上,外端采用锥销楔紧在表的内壳上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 （三）、弹簧设计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1317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计算有效圈数根据公式:，取=10，F0=1N，查表得G=79000 N/mm2，求得n=945弹簧自由长度：H0=nd+d+2D=(94+1）0。35+26=45。25mm6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。（四）、测杆设计测杆选取材料为淬火钢。测杆直径为5mm,长度121mm。（五)、导轨设计由于圆柱面导轨面的加工和检验比较简单，易于达到较高的精度，所以选取圆柱面导轨。在实际应用中,为减小摩擦阻力，常用不同材料匹配使用。圆柱面导轨一般采用淬火钢导轨与表壳之间采用螺纹配合。为了提高圆柱面导轨的精度，必须正确选择圆柱面导轨的配合.因为导向精度要求较高，所以选用H7/g6配合.已知测杆直径为5mm，所以导轨内径=5mm,外径=8mm顶部导轨的长度为7.4mm底部导轨的长度为28mm（六）、其他部件导杆：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七、百分表的误差分析 误差分析出自几何量计量仪器: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八、百分表的误差检定 误差检定出自几何量计量仪器：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+21100010-1-2反+6+1+10+10+20+10-25正-2-2-3-2-1-1-2-1-123反-2-3531-1301-1-3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，使测杆轴线垂直于工作台面，在工作行程的始、中、末三个位置上，分别调整指针，对准某一刻度，以较慢、较快速度移动测杆各五次,每五次中最大读数和最小读数之差即为该位置上的示值变动性。4测杆受径向力时对示值的影响用半径约为10mm的半圆柱测块（量块附件)检定。首先将百分表固定在刚性表架上，使表的测量轴线垂直于工作台面，然后将测块放在工作台面上,调整百分表和测块，使头与测块圆柱面最高位置接触,然后沿工作台面前后、左右两方位分别往返移动测块2次，其位移量应以测头不离开半圆柱面为限，同一方位移动测块时百分表上所指示的最大值的差值应不超过3m,这一检定应在工作行程的始、中、末三个位置上进行。九、 百分表的常见故障分析及解决方法下面几例是经常出现的故障：1百分表跳针、 测杆移动不灵活和卡死的原因以及排除故障的方法: （1）百分表跳针的原因是： 齿轮啮合面之间有污物、 毛刺; 齿轮轴和轴承孔间有污物、 毛刺； 导杆和导糟间有污物、 锈蚀或毛刺; 齿轮有伤齿、 断齿。 （2）修理方法:把表撤卸下放进 10cm 大小的玻璃器皿中 ,倒入航空汽油 ，手压住要清洗的零件左右摇动几次或用不掉毛的猪毛刷刷去污物 ,有锈或毛刺用小刀刮去可符合要求.2测杆移动不灵活或卡死的故障有: 测杆弯曲; 测杆与导孔间有污物、 锈蚀或毛刺或各配合面上有污物; 套筒松动和上下套筒不同心； 导杆和导槽块松动； 导杆过长或弯曲; 齿轮两轴孔不同心; 齿轮端面和轴承之间的间隙过小； 齿条和齿轮啮合太紧；表体扭曲变形。修理方法: 矫直测杆； 清洗、 除锈或去毛刺； 固紧和校正套筒同心度; 固紧导杆和导槽块; 修短和矫直导杆; 校正轴承座位置; 在轴承一加垫； 调整圆座板的位置； 矫正表体.仔细观察确定你要修理的部位 ,这样才能达到事半功倍的作用。3百分表测头磨损故障修理: 将测杆夹在包有紫铜皮台虎钳上测头帽露在台钳上面 ,用紫铜小锤子或木柄轻敲测头钢球的测面几下 ，使其发生转动 ，将磨损部分敲进里面。4测杆有径向摆动及轴向窜动的故障修理： 由于测杆上下套筒筒损而产生间隙所致 ，当用手对垂直测杆前后左右施加压力时 ，指针随之发生变动 ，说明稳定性不好 ,这种故障是产生示值变化的一个常见因素;修理办法为更换套筒。5游丝未预紧或预紧力不够 ,指针处于松驰状态 : 可能停在一定范围内的任何位置上出现指针不稳定现象的故障修理：游丝的预紧力是由预紧圈数决定 ，一般是以游丝松驰(自由）状态下 ,将长指针转 5 圈左右 ， （即游丝预紧为一圈左右为宜） 。游丝长度会受温度的变化而改变 ,另外游丝表面的锈蚀和碰伤等都会影响传动平稳性 ,因此 ,最好选用膨胀系数小、 弹性好、 能抗磁、 耐锈蚀的磷青铜或青铜的游丝为妙.6百分表产生示值不稳定的原因以及排除故障的方法： 测杆出现卡死或移动不灵活现象时 ,说明齿条或轴齿轮有损坏和断齿现象 ，修理办法有: 可能是齿条间或轴齿轮间有毛刺 ，用刮刀刮去毛刺 ，清洗后再进行装配便可排除故障; 可将活动齿条拆下 ,上下颠180 避开损坏部分进行装配 ，一般可达到要求; 出现齿轮断齿时 ，换同规格的齿轮 ，如果没为新齿轮也可以用换下的旧齿轮代替 ，根据百分表的传动原理 ,将不同规格的百分表齿轮互换更换齿轮 ,量程小的齿轮与量程大的齿轮更换(将测量范围是（05) mm 或(010） mm 与测量范围是（03) mm 互换 ,将测量范围是(05） mm 或（010）mm齿轮断齿部位装在（03) mm 齿轮的不工作部位)即可达到要求.百分表的示值超差的原因有: 值普遍超差； 回程示值超差； 个别示值超差。示值普遍超差为正值： 游丝张力太大 ,修理方法是更换游丝； 弹簧测力大 ，修理方法是用手将弹簧两端稍稍向外拉伸使弹簧拉长一段或更换细一点的弹簧;可达到要求.示值普遍超差为负值: 游丝张力太小 ，修理方法是剪掉一段游丝或更换游丝； 弹簧测力小 ,修理方法是剪掉一段弹簧或更换粗大一点的弹簧可达到要求。回程示值的修理方法就是游丝、弹簧的修理.个别示值超差为正的修理方法是：清洗齿条或齿轮间某个部位上的污物或刮掉毛刺即可达到要求；个别示值超差为负的修理方法是：齿条或齿轮间某个部位磨损大 ，更换齿条或齿轮即可达到要求。十、小结：这次课程设计，才算是真正将所学习的精密机械设计知识，制图,AutoCAD，仪器仪表等等知识重新温过且真正运用了起来。从设计之初的迷茫和不知从何入手，到大家为了一个的锁紧结构设计的讨论的不可开交，到大体的雏形一点点呈现,才真正理清了所有的思路，期间出现过分歧，有想过解决测杆移动不灵活等问题的多种方案,考虑到诸多因素和使用性，我们试图增加了锁紧结构以便测量更为准确，在每次测量结束后可以锁紧测杆。但是，又认真讨论后，同老师交流后认为这种方案对使用方法和使用环境造成一定影响。最后取消了锁紧结构。同时，我们意识到百分表结构过于复杂,可以考虑去掉测杆的防转槽，直接在表盘的内表面开槽,从而使百分表结构更简单.经过这一段的讨论和反复，真正明白了每个仪器的复杂程度和考虑因素，不仅仅是最初看到资料的初步了解，更不是仅仅懂得百分表的结构而已。更多的是考虑到使用者的方便，仪器的维护，数据的精确。仪器设计方案对于仪器最终使用的效果影响更是给我们上了一课。设计方案确定后，就明确了很多。数据的计算纵然反复,但正是这个过程，让众多公式的应用变得更为熟悉和顺畅.绘制图就方便很多了，更多的是熟悉和练习AutoCAD.发觉软件对于设计的重要，能够更方便的修改和隐藏线条，突出重点，分层的方法让我对仪器更深入和透彻的掌握。最后完善设计说明书，整个设计的过程变得更加清晰和深刻。非常感谢能有这样一个小组一起搜集资料，讨论和商量设计方案，最后一同完善方案。在这个设计过程中，让我们一同感受了精密仪器的复杂和严谨，让我们了解了仪器设计的步骤和注意事项，更是熟悉和掌握设计和计算方法,能够运用到将来的学习和工作中。期待更多这样的设计和锻炼机会。