河南理工大学精密机械课程设计百分表的设计Word文件下载.docx
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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、百分表的简介
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，这种测量工具即称为百分表。
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，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、百分表的读数方法
用百分表测量时，指针转一圈，毫米指针相应转过一格，所以毫米数可以从毫米指针转过的格数来读的，毫米小数可以从毫米指针离开起始位置来读得。
在作比较大范围的测量时，指针和毫米指针在开始的位置都要记住。
读百分表时，眼睛要垂直的看指针，否则也会由于视差造成读数误差。
如下图1
当指针两条刻线之间时，可进行估读，读出小数第三位，即微米。
如图2所示百分表的读数为8.874mm。
图2百分表的读数
图1读百分表的方法
4、百分表的使用方法及注意事项
1）百分表的使用方法
百分表适用于尺寸精度为IT6～IT8级零件的校正和检验，百分表按其制造精度，可分为0级、1级、2级三种，0级精度较高。
使用时，应按照零件的形状和精度要求，选用合适的百分表的精度等级和测量范围。
使用百分表时，必须注意以下几点；
1、使用前，应检查测量杆活动的灵活性。
即轻轻推动测量杆时，测量杆在套筒内的移动要灵活，没有任何轧卡现象，且每次放松后，指针能回复到原来的刻度位置。
2、使用百分表时，必须把它固定在可靠的夹持架上（如固定在万能表架或磁性表座上，图3所示），夹持架要安放平稳，以免测量结果不准确或摔坏百分表。
夹持百分表的套筒来固定百分表时，夹紧力不要过大，以免因套筒变形而使测量杆活动不灵活。
图3安装在专用夹持架上的百分表
3、用百分表测量零件时，测量杆必须垂直于被测量表面，图4所示。
即使测量杆的轴线与被测量尺寸的方向一致，否则将使测量杆活动不灵活或使测量结果不准确。
图4百分表安装方法
4、测量时，不要使测量杆的行程超过它的测量范围；
不要使测量头突然撞在零件上；
不要使百分表受到剧烈的振动和撞击，亦不要把零件强迫推入测量头下，免得损坏百分表的机件而失去精度。
因此，用百分表测量表面粗糙或有显着凹凸不平的零件是错误的。
5、用百分表校正或测量零件时，如图5所示。
应当使测量杆有一定的初始测力，即在测量头与零件表面接触时，测量杆应有0.3～1mm的压缩量，使指针转过半圈左右，然后转动表圈，使表盘的零位刻线对准指针。
轻轻地拉动手提测量杆的圆头，拉起和放松几次，检查指针所指的零位有无改变。
当指针的零位稳定后，再开始测量或校正零件的工作。
如果是校正零件，此时开始改变零件的相对位置，读出指针的偏摆值，就是零件安装的偏差数值。
图5百分表尺寸校正与检验方法
6、检查工件平整度或平行度时，如图6所示。
将工件放在平台上，使测量头与工件表面接触，调整指针使摆动，然后把刻度盘零位对准指针，跟着慢慢地移动表座或工件，当指针顺时针摆动时，说明了工件偏高，反时针摆动，则说明了工件偏低了。
工件放在V形铁上、工件放在专用检架上
图6轴类零件圆度、圆柱度及跳动
当进行轴测的时候，就是以指针摆动最大数字为读数（最高点），测量孔的时候，就是以指针摆动最小数字（最低点）为读数。
检验工件的偏心度时，如果偏心距较小，可按图7所示方法测量偏心距，把被测轴装在两顶尖之间，使百分表的测量头接触在偏心部位上（最高点），用手转动轴，百分表上指示出的最大数字和最小数字（最低点）之差的二分之一就等于偏心距的实际尺寸。
偏心套的偏心距也可用上述方法来测量，但必须将偏心套装在心轴上进行测量。
图7在两顶尖上测量偏心距的方法
偏心距较大的工件，因受到百分表测量范围的限制，就不能用上述方法测量。
这时可用如图8所示的间接测量偏心距的方法。
测量时，把V形铁放在平板上，并把工件放在V形铁中，转动偏心轴，用百分表测量出偏心轴的最高点，找出最高点后，工件固定不动。
再用百分表水平移动，测出偏心轴外圆到基准外圆之间的距离a，然后用下式计算出偏心距e：
式中e--偏心距（mm）；
D--基准轴外径（mm）；
d--偏心轴直径（mm）；
a--基准轴外圆到
偏心轴外圆之间最小距离（mm）。
图8偏心距的间接测量方法
用上述方法，必须把基准轴直径和偏心轴直径用百分尺测量出正确的实际尺寸，否则计算时会产生误差。
7、检验车床主轴轴线对刀架移动平行度时，在主轴锥孔中插入一检验棒，把百分表固定在刀架上，使百分表测头触及检验棒表面，图9所示。
移动刀架，分别对侧母线A和上母线B进行检验，记录百分表读数的最大差值。
为消除检验棒轴线与旋转轴线不重合对测量的影响，必须旋转主轴180度，再同样检验一次A、B的误差分别计算，两次测量结果的代数和之半就是主轴轴线对刀架移动的平行度误差。
要求水平面内的平行度允差只许向前偏，即检验棒前端偏向操作者；
垂直平面内的平行度允差只许向上偏。
A侧母线位置
B上母线位置
图9主轴轴线对刀架移动的平行度检验
8、检验刀架移动在水平面内直线度时，将百分表固定在刀架上，使其测头顶在主轴和尾座顶尖间的检验棒侧母线上（图10位置A），调整尾座，使百分表在检验棒两端的读数相等。
然后移动刀架，在全行程上检验。
百分表在全行程上读数的最大代数差值，就是水平面内的直线度误差。
图10刀架移动在水平面内的直线度检验
9、在使用百分表的过程中，要严格防止水、油和灰尘渗入表内，测量杆上也不要加油，免得粘有灰尘的油污进入表内，影响表的灵活性。
10、百分表不使用时，应使测量杆处于自由状态，免使表内的弹簧失效。
如内径百分表上的百分表，不使用时，应拆下来保存。
2）百分表使用的注意事项
（1）百分表的使用
百分表常装在表架上使用，如图11所示。
图11百分表表架
当百分表不用时，应使测量杆处于自由状态，以免使表内弹簧失效。
百分表可用来精确测量零件圆度、圆跳动、平面度、平行度和直线度等形位误差，也可用来找正工件，如图12所示。
图12百分表应用举例
（2）注意事项
1）使用前，应检查测量杆活动的灵活性。
即轻轻推动测量杆时，测量杆在套筒内的移动要灵活，没有如何轧卡现象，每次手松开后，指针能回到原来的刻度位置。
2）使用时，必须把百分表固定在可靠的夹持架上。
切不可贪图省事，随便夹在不稳固的地方，否则容易造成测量结果不准确，或摔坏百分表。
3）测量时，不要使测量杆的行程超过它的测量范围，不要使表头突然撞到工件上，也不要用百分表测量表面粗糙度或有显着凹凸不平的工作。
4）测量平面时，百分表的测量杆要与平面垂直，测量圆柱形工件时，测量杆要与工件的中心线垂直，否则，将使测量杆活动不灵或测量结果不准确。
5）为方便读数，在测量前一般都让大指针指到刻度盘的零位。
5、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。
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5cm，表体高度10cm。
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。
图14
3、百分表的设计条件
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，测量范围如下表所示。
试从分析百分表的工作原理入手来确定设计方案，选择百分表的工作核心齿轮传动为设计对象确定齿轮有关参数及精度等级。
4、百分表的设计要求
1）设计要求
重点设计两个零件——导杆和指针轴齿轮。
具体参数如下表所示。
数据编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
测量范围（mm）
0~2
0~2.2
0~2.4
0~2.6
0~2.8
0~3
0~3.2
0~3.4
0~3.6
测量力（N）
0.5～1.5
10
11
12
13
14
15
16
17
18
0~3.8
0~4
0~4.2
0~4.4
0~4.6
0~4.8
0~5
0~5.2
0~5.4
19
20
21
0~5.6
0~5.8
0~6
2）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。
三、百分表的总体设计和及主要部件的设计
1、百分表的总体功能设计
图15百分表的总体传动原理图理
为导杆1也是齿轮2分度圆上的线位移，
为齿轮3分度圆上的线位移，
为齿轮2的分度圆直径，
为齿轮3的分度圆直径，
为齿轮4的分度圆直径，
为齿轮6的分度圆直径，
为齿轮2的模数，
为齿轮3的模数，
为齿轮4的模数，
为齿轮6的模数，
为齿轮2的齿数，
为齿轮3的齿数，
为齿轮4的齿数，
为齿轮6的齿数，
为齿轮4的转动角。
1）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2π/Z2，故此时1/P个齿转过的弧度为2π/Z2×
（1/P）。
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2π，因此有
2π/Z2×
（1/P）×
Z3/Z4=2π（3-1）
又根据P=mπ，有m=（Z3/Z4）/（π×
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=120、Z4=12由于120/12=10，还是比较接近10.048的，故取Z3=120、Z4=12。
计算齿轮6的齿数，因m（Z3＋Z4＋Z6）＜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=πm，则齿条的齿数Z=Lmax/（mπ）取Z=5。
综上，各齿轮的齿数和模数分别为：
Z2=16、Z3=120、Z4=12、Z6=68、m=0.2、Z=5
2）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15所示。
如图15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。
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
周。
2、百分表主要部件的设计
1）传动导杆和齿轮2的设计
由机械设计手册查询可得，在保持其他参数不变的条件下，改变小轮齿数和模数，符合以下结果：
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。
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。
在设计过程中，我们得到在其他基本参数不变的情况下，当齿轮上及齿条上的压力角与啮合角都相同为
时最符合设计要求。
此时，各参数如下表。
齿轮2的几何参数
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
=3.2
齿厚
s
顶隙
c
0.25m
齿根高
1.25m
齿顶高
齿距
p
齿工作高度
h
2.25m
齿条1的几何参数
齿条的的几何计算
周节
t
径向间隙
全齿高
根据设计要求，齿条的工作长度为3mm，但加工时应保留一些余量，取加工总长度为5mm。
2）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。
图7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=15mm。
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π/2时它的承受力矩M不小于
。
游丝的总长度L=
（1）
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=
），根据上述的数据可求得h=0.1214mm，b=1.214mm。
当转到最大转角时即
=
，游丝所承受的力矩为
（2）
[
]——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=15mm
总圈数n=10
厚度h=0.1214mm
宽度b=1.214mm
总长度L=
=298mm，考虑到其固定端的长度最终的加工长度为320mm。
3）弹簧的设计
百分表的弹簧为圆柱型拉伸弹簧，弹簧间隙
=0。
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dd=0.4mm，旋绕比为C=7，（C=DD/dd，DD为弹簧的中径大小）。
弹簧在安装的时候应有初始拉伸位移，综合表体设计的尺寸大小初始值x1=4mm。
根据测量范围的要求，弹簧测量最大位移为3mm，所以弹簧的最终变形量应大于16mm。
另外弹簧要有较好的预紧力，选用弹簧的初始切应力
（3）
（4）
F
为弹簧的初始拉力，F为最终位置的拉力，λ变形量，G为材料的切变模量，这里的材料选择60si2Mn代号的钢料其值为80000N/mm2，n为弹簧的有效环数。
由上式数据可得F
=0.9N，F=1.4N，n=37.5，最终取n=40。
弹簧的最终设计为：
簧丝的直径大小为dd=0.4mm
中径DD=2.8mm
旋绕比为C=7
有效环数n
四、结果的分析和注意事项
1）影响百分表测量准确度的因素
影响内径百分表测量准确度的原因很多。
如影响表头示值的测量力，传动齿轮的正常磨损，测量杆齿条的磨损，齿条与中心齿轮的啮合松紧，垂直啮合接触面，游丝的预紧力及弹力平整程度，百分表的阻尼情况，测量杆内部杠杆传动比例的失调，活动测头内的导向定位小轴的磨损，表头与测杆部份装夹松紧程度等原因，都是造成
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