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精密机械设计说明书

精密机械设计课程设计说明书

题目:

量程为0-5mm的百分表设计

院系：

工业制造学院

专业班级：

09级测控技术与仪器

学号：

学生姓名：

指导教师：

不会画图的加我qq

350518553

2012年1月6日

精密机械设计课程设计任务书

1、百分表测量范围为0~3mm（第一组）、0~5mm（第二组）、0~8mm（第三组）、0~10mm（第四组）、0~12mm（第五组），分度值为0.01mm。

2、百分表的外形尺寸和配合尺寸应符合下图规定：

（图1）

3、百分表的测力应在0.5N至1.5N之间，测力落差（同一点正反向测力之差）不大于0.4N，单向行程测力变化不大于0.5N。

4、示值误差：

1）  对于测量范围0~10mm的表，示值总误差不大于0.018mm，对于测量范围0~5mm及0~8mm的表，不大于0.016mm。

2）   任意一毫米内示值误差不大于0.01mm。

3）   回程误差不大于0.003mm。

4）   示值变动性不大于0.003mm。

5、测杆应移动平衡、灵活、无卡住现象。

6、测杆处于自由状态时，指针应位于从零位开始逆时针方向30°~90°之间。

7、当转数指针指示整转数时，指针偏离整转数刻度不大于15°。

8、测杆行程应至少超出工作行程终点0.5mm。

9、指针尖端应盖过短刻线长度的30%~80%。

10、指针尖端与表盘之间距离不大于0.7mm。

11、表盘刻线宽度和指针尖端宽度应为0.15~0.25mm。

指导老师（签名）：

学生（签名

目录

1概述4

1.1百分表简介4

1.2百分表的设计意义4

1.3百分表发展趋势4

1.4设计类容简介4

2任方务分析设计案6

2.1任务分析6

2.2设计方案6

3百分表的表体设计及主要部件8

3.1传动与显示原理8

3.2模数的设计8

3.3传动导杆和齿轮的设计9

3.4游丝的设计11

3.5弹簧的设计13

4百分表的使用与装配15

4.1百分表的使用15

4.2百分表的装配15

5设计结论16

6参考资料17

1概述

1.1百分表简介

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，常用于形状和位置误差以及小位移的长度测量。

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。

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。

1.2百分表的设计意义

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，他已经成为工业生产中不可缺少的仪器。

1.3百分表发展趋势

在大批量的百分表检定中，若采用传统方式的人眼识读，不仅效率低、工作量大，而且还存在较大的估读误差。

因此，加快仪表的自动化是当前制造行业发展的大趋势。

一般有两种方案可以采用：

一种是集位移传感器（光栅、容栅、电感等）、控制、显示与存储等单元于一体的数字式百分表，另外一种就是采用机器视觉技术对机械式的模拟百分表进行自动化识读。

由于带指针的模拟式百分表是很多企业特别是传统制造企业使用得非常广泛的一类，于是在已有基础上通过图像识别方法识读表盘是成本相对较低的一种方法。

对于百分表的显示系统，传统的表盘显示已经远远不能满足现代生活的需要，尤其是在对测量结果的实时性要求较高的的操作中，人眼的视觉往往不能跟上表针的摆动变化。

而数显式百分表多采用容栅传感器将位移量转化为可供电路测量的电压信号，然后通过单片机采集电压信号使之转换为数字信号并进行处理，最终通过液晶显示器将读数显示出来，这种显示方式更利于人们的视觉要求，另外数显式百分表内部可以设置数据存储器，将整个测量过程的数据存储起来，然后传送到计算机上进行细致的分析。

1.4设计类容简介

1百分表测量范围为0~5mm，分度值为0.01mm；

2百分表的外形尺寸和配合尺寸；

图1-1百分表尺寸

3百分表的测力是1N，测力落差（同一点正反向测力之差）不大于0.4N，单向行程测力变化不大于0.5N；

4示值误差：

1）       测量范围0~5mm，示值总误差不大于0.016mm；

2）       任意一毫米内示值误差不大于0.01mm；

3）       回程误差不大于0.003mm；

4）       示值变动性不大于0.003mm；

5测杆应移动平衡、灵活、无卡住现象；

6测杆处于自由状态时，指针应位于从零位开始逆时针方向30°~90°之间；

7当转数指针指示整转数时，指针偏离整转数刻度不大于15°；

8测杆行程应至少超出工作行程终点0.5mm；

9指针尖端应盖过短刻线长度的30%~80%；

10指针尖端与表盘之间距离不大于0.7mm；

11表盘刻线宽度和指针尖端宽度应为0.15~0.25mm。

2任方务分析设计案

2.1任务分析

（1）.本次课程设计的目的是《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。

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，包括技术标准和手册等。

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、传动系数、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，绘制草图和正试图。

2.2设计方案

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。

分度值为0.01mm,测量范围为0-3、0-5、0-10mm。

这里设计的百分表是利用齿轮齿条的传动来实现测微的，测量范围为0—5mm。

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。

总体大小为：

表盘直径6cm，表体高度11cm。

图2百分表的表体部分和传动

3百分表的表体设计及主要部件

3.1传动与显示原理

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。

百分表的读数准确度为0.01mm。

百分表的结构原理如图3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lrnm。

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。

如图3所示外界微小位移通过测杆1传递给齿轮2，齿轮2与齿轮3同轴且相连为一体，它们有相同的角速度，由于齿轮2与齿轮3有不同的分度圆半径，这样导杆1的微小位移就可以在齿轮3的分度圆上得到放大，放大倍数是齿轮2与3的半径比。

即：

齿轮4又分别与齿轮2齿轮6相啮合，这样一方面，齿轮3分度圆上的线位移可以转换成齿轮4的角位移，带动大指针5的转动；另一方面，齿轮4的线位移通过4,6啮合有可以转换成6的角位移，齿轮6中心轴上带有小指针。

根据测量的要求，导杆每转动1mm大指针转动一周，小指针转动1格。

3.2模数的设计

根据表体的基本尺寸要求，直径为5cm，可选模数

=0.2设计

=3.2mm，

=40mm，

=4mm，

=40mm。

根据

=mz,可知

=16。

由图3可知

=

=

（2）当

等于1mm时

=

，由此可以计算得出

=0.2模数

的选择将导致实际测量与标度之间的误差。

（

=0.1194

=

）=

-

=

rad，因此测量时每毫米的测量误差为

L=

mm，这样可求得表盘上每个刻度误差为

mm，这是测量原理误差。

考虑到齿轮3,4,6之间的传动精度和与前面的传动步调一致，设定

=

=

=0.2可得出

=200,

=20,

=200。

3.3传动导杆和齿轮的设计

在保持其他参数不变的条件下,改变小轮齿数和模数,计算出小轮的应力如下表1和表2。

由表1和表2可知：

①在小轮轮齿受力不变的条件下,随着小轮齿数或模数的增加,相应的应力也随之减小;②对于接触应力,其受小轮齿数的影响大于受模数的影响;③对于弯曲应力,其受小轮模数的影响显著大于受齿数的影响;④在模数或齿数较小时（<20时）,齿数或模数的变化对齿轮承载力都有显著影响。

为28。

对大模数齿轮齿条的来说,轮齿折断所带来的损失是相当严重的,因此对弯曲强度可靠性提出较高要求,在满足其他设计约束的情况下,应优先选择较大的模数以获取可靠的承载力。

但是由于百分表的尺寸要求和精度要求，在一定范围内应选用较小的模数，这是不可调和的矛盾，同时百分表测量是所受的力较小，小模数也可以满足要求。

压力角的影响：

在其他基本参数不变的情况下,改变压力角大小,计算出小轮的接触应力和弯曲应力见表3。

表4齿轮2的几何计算

齿轮2的几何计算

名称

代号

计算公式

模数

m

0.2

分度圆

D

m

齿厚

s

m

顶隙

c

0.35m

齿根高

1.35m

齿顶高

m

齿距

p

m

齿工作高度

h

2.35m

表5齿条1的几何参数

齿条的的几何计算

名称

代号

计算公式

模数

m

周节

t

m

齿厚

s

m

径向间隙

c

0.35m

齿根高

1.35m

齿顶高

m

全齿高

p

m

齿工作高度

2.35m

图3齿条的形状设计

齿条的工作长度为5mm，但加工时应保留一些余量，取加工总长度为8mm。

3.4游丝的设计

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。

在检修过程中，我们通过看指针走动．就可以判断游丝是否出现故障。

例如，百分表游丝未预紧或预紧力不够．克服不了传动系统中的摩擦力，齿轮在齿间间隙中游动，指针表现出松弛状态，可以停留在一定范围内任何位置上，很不稳定。

在压力表中．由于游丝的起始力矩过小．或长期使用在不良的环境中，游丝本身的耐蚀性不佳，以致由于腐蚀的影响而引起其弹性逐渐消退，力矩减小，从而在增减负荷过程中。

轻敲外壳后指针摆动不止，示值指示不稳定。

而由于游丝乱圈，显著变形：

或游丝的弹性差、弹性消退，以致作用力矩难以克服机构中摩擦力和空程的影响；或游丝的内外圈固定端失控（游丝座脱落或销子脱出），以致无法克服机构中的摩擦力和空行程的影响；或游丝的外圈触及机构中的其他零件，使其活动范围受到了一定的限制。

或其圈与圈之间接触，影响作用力矩得不到应有的改变．都会在增减负荷过程中，当轻敲外壳后．指针示值的变动量或跳动量远超过允许误差值，从而造成轻敲位移超差。

而在血压表中，指针转动不到全量程，在上限对准后．指针在没有转回到下限时，预针已经和膜盒头子脱离，就需要取出机芯重新安装游丝．当空心螺丝在中间位置，预针自然下垂时。

游丝自由端应在顶针附近，在此位置把游丝固定到中心轮的轴上。

再将其自由端销紧。

若指针转动不平稳或跳针．都需要整理或重装游丝。

游丝损坏或变形多数都是由以下原因造成的：

一是人为操作原因．在维修保养中．不小心让工具触动到游丝，使游丝变形；二是震动过大，仪表不小心摔在地上或长期使用在剧烈颤动环境中：

三是冲击力过大。

如突然加压或加力．使测量上限超出最大使用范围：

四是长期使用不保养，游丝太脏．产生粘连：

五是环境腐蚀或疲劳使用．造成游丝作用力矩消失等。

齿轮6

游丝

图4游丝的安装

如图所示，游丝安装在齿轮6上，用来防止啮合齿轮的空回。

鉴于齿轮6的传动要求，对其上的游丝的滞后和后效要求较高，这里选择游丝的宽厚比u=10,u=b/h,（b为游丝的宽度，h为游丝的厚度）。

鉴于齿轮6的直径大小选择游丝的内径大小d1=4mm，外径大小d2=16mm。

游丝的总转角要求大于

，其总圈数设为n=10。

根据传动力矩大小要求，当游丝转动

时它的承受力矩M不小于

。

游丝的总长度L=

（5）

力矩与转角

，游丝宽度b，厚度h的关系为M=

（E为材料的弹性模量，这里游丝的材料用锡铜合金E=

），根据上诉的数据可求得h=0.114mm，b=1.14mm。

当转到最大转角时即

=

，游丝所承受的力矩为

（6）

[

]——许用弯曲应力，[

]=

，

为材料的安全系数，锡铜合金

[

]为500~600，

为5~10，经校核设计符合要求。

游丝的最终设计方案为：

材料为锡铜合金

内径大小d1=4mm

外径大小d2=16mm

总圈数n=10

厚度h=0.114mm

宽度b=1.14mm

总长度L=

=314mm，考虑到其固定端的长度最终的加工长度为

336mm。

3.5弹簧的设计

百分表的弹簧为圆柱型拉伸弹簧。

用来固定导杆的运动，根据百分表的设计空间大小，弹簧的设计选用簧丝的直径大小为d=0.2mm，旋绕比为C=10，C=D/d，D为弹簧的中径大小D=10mm。

技术要求测力在0.5——15N之间，为克服机构内部摩擦，应选大于0.5N力作为F1.技术要求规定测力变化不大于0.5N，即F1-F2<0.5.取F1=0.6N,F2=1N。

根据公式

可得λ1=15mm，λ2=25mm。

选择不锈钢丝为材料许用切应力843N.mm-2

切边模量G=78000N.mm-2

经验算，直径为0.2mm的钢丝符合要求。

下面计算弹簧圈数：

可取n=150，即150圈。

（8）弹簧的最终设计为：

簧丝的直径大小为d=0.2mm

中径D=2mm

旋绕比为C=10

有效环数n=150

自由长度（n+1）d+2D1=51mm。

4百分表的使用与装配

4.1百分表的使用

测量前应将测杆、测头及工件擦净，装夹表头时夹紧力不宜过大，以免套筒变形及测杆移动不灵活。

测量时应把表装夹在表架或其它可靠的支架上，否则会影响测量精度。

使用百分表对批量工件进行比较测量时，要选用量块或其它标准量具调整百分表指针对准零位，然后把被测工件置放在测头下，观察指针偏摆记取读数，确定被测工件误差。

测量平面时，测杆应与被测平面垂直；测量圆柱面时，测杆轴线应通过被测表面的轴线，并与水平垂直。

同时根据被测工件的形状，粗糙度等来选用测量头。

为了保证测量力一定，使测头在工件上至少要压缩 20—25个分度，将指针与刻度盘零位对准，然后轻提测杆 1—2mm，放手使其自行复原，试提2—3次，若指针停在其它位置上应重新调整零位。

读数时视线要垂直于表盘观读，任何偏斜观读都会造成读数误差。

4.2百分表的装配

有操作者随意更换内径百分表的表头，或把这只内径百分表的表头与那只内径百分表的表头混用，或将机床调试用的百分表用来作内径百分表的表头，他们认为经过计量部门检定合格的百分表就可以更换，其实，这种作法是错误的。

根据《内径表检定规程》（JJG-89），以测量范围为18~35mm的内径百分表为例，为

0.015mm。

此示值误差包括两部分：

一是表头部分其最大的示值误差（即百分表），二是表架传动部分，它是通过在检定内径百分表时系统调整综合性检定的。

也就是说内径百分表的示值误差为表头示值误差与支架传动部分误差的叠加。

经计量部门检定为合格的内径百分表，说明其总示值误差没有超过检定规程允许的范围。

未经调整和检定随意更换的表头部分，其示值误差可以这样进行分析：

表头更换后的内径百分表，根据《指示表检定规程》（JJG-89）的规定，测量范围为0~3mm的1级百分表的最大示值误差为

1.015mm，这样，只有当表架传动部分的误差等于零时内径百分表才是合格的，但这是不可能的。

所以，内径百分表的表头不能随意更换。

5设计结论

通过这一次课程设计自己不但对以往有关机械设计的知识进行了一次全面的总结和复习，更为重要的是锻炼了解决问题的能力。

从开始对课题任务进行初步了解，进而开始查找资料，聆听指导老师的教诲，一步一步不断完善课程设计中的每一细节，对论文作更一步的细化，总结设计的方法，最后完成设计任务。

这次设计使我认识到自己的机械设计知识还远远不够，开始设计的时候根本不知道如何下手。

尤其是变位设计齿轮的时候，查看了齿轮设计有关的书籍后，对许多几何尺寸参数的选择根本没有头绪，只好从最基本的知识着手，同时与同学交流学习，后来渐渐有了头绪，再加上李老师的不懈指点，设计的思路、轮廓渐渐清晰。

整个设计过程持续了两个多星期，设计很是吃力，也有打堂鼓的想法，但想到，若自己不认真设计白白浪费这一次很好的锻炼的机会，不但枉费李老师的辛苦的教导，而且到最后自己将一无所得，因此我坚定信心认真完成这次设计作业。

这次设计作业不但巩固了我的专业知识、增长了见识、增加能力，而且也磨练了自己的性子。

6参考资料

蒋秀珍主编，《机械学基础》，科学出版社；

庞振基主编，《精密机械零件》，机械工业出版社；

机械工业出版社，天津大学、北工大合编《精密机械零件手册》；

机械工业出版社，陈文贤主编《仪表结构设计图册》；

相关各类国家标准和其它各类机械设计手册。