基于虚交点的圆锥体端面尺寸数显量具的研制.docx
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基于虚交点的圆锥体端面尺寸数显量具的研制
河南科技学院
2009届本科毕业论文（设计）
论文题目：
基于虚交点的圆锥体端面尺寸数显量具的研制
学生姓名：
汪守君
所在院系：
机电学院
所学专业：
机械设计制造及其自动化
导师姓名：
陈锡渠
完成时间：
2009年5月18日
摘要
圆锥体由于结构的特殊性导致其端面直径不易测量。
而检测锥体的方法，最常用的是使用圆锥套规，这种检测方法一般只是用来判断工件是否在规定的极限尺寸内，以确定工件是否合格，但不能测出零件锥体实际尺寸。
特别当锥度较大时,过端刻线与止端刻线、过端面与止端面将相距很近，并难以区分；也有借助辅助工具间接测量的，但此测量方法操作麻烦，测量时间也较长，不利于缩短工时，提高生产率，且不能直接测出数据，需利用所得数据进行计算，当尺寸精度要求较高时，使用上述量具在生产现场很难实现对该尺寸的精确测量。
本文设计一种基于虚交点的圆锥体端面尺寸数显量具，可在机直接测量，不需计算，数显直读，且结构简单，测量范围大，有效地解决了生产现场检测锥体端面直径的问题，并利用电子数显卡尺和不锈钢板材等现有材料对该装置各零件进行工艺规程设计，最后进行样品试制。
关键词：
圆锥体端面直径，测量装置，精度分析，工艺分析设计
DevelopmentofDigitalDisplayDeviceforMeasuringtheEndSizefortheConeBasedonVirtualIntersection
Abstract
Becausetheconehasstructuralspecificity,whichcausesitsendfacediameternoteasytobemeasured.Coneanddetectionmethods,themostcommonistheuseofconesetsofregulations,thisdetectionmethodisgenerallyusedtojudgewhethertheworkpiecesizewithinthelimitsoftheprovisionstodeterminewhethertheworkpiecequalified,butyoucannotmeasuretheactualsizepartscone.Particularlywhenthetaperislarger,hadcarvedlinesandonlyclient-sideengravedlines,hadfacesandwillonlyendincloseproximity,anditisdifficulttodistinguish;alsoaidswiththeindirectmeasurements,butthismeasurementmethodiscumbersome,timemeasurementsaremorelong,isnotconducivetoshortenworkinghours,increasedproductivity,andcannotbedirectlymeasureddata,tobecalculatedusingthedata,whenhigherdimensionalaccuracy,theuseoftheabove-mentionedsceneintheproductionofmeasuringisverydifficulttoachieveaccuratemeasurementofthesize.Inthispaper,thedesignofavirtualpointofintersectionofthecone-enddigitaldisplaymeasuringsize,canbedirectlymeasuredinthemachine,withoutcalculation,direct-readingdigitaldisplayandsimplestructure,measuringrange,andeffectivelyaddresstheproduction-sitedetectionofend-diametercone,andtheuseofelectronicdigitalcalipersandstainlesssteelsheetmaterial,suchastheexistingpartsofthedevicedesignprocessplanning,thefinalsampletrial.
Keywords：
EndFaceDiamterofCone,MeasuringTool,PrecisionAnalysis,ProcessAnalysisandDesign
目录
1绪论1
1.1目前对锥体端面直径量具的研究现状1
1.2本次设计的意义和主要内容1
2装置的测量原理和结构1
2.1装置的测量原理1
2.2装置的结构2
3装置的测量范围分析3
3.1最小测量直径的确定3
3.2最大测量直径的确定3
4装置各零件的加工工艺分析和工艺路线的设计4
4.1主尺体的工艺分析和设计6
4.1.1工艺路线方案一6
4.1.2工艺路线方案二7
4.1.3工艺路线方案的比较分析8
4.2测量卡脚的工艺分析和设计10
4.3尺身和游标的加工工艺分析和工艺路线的设计11
5对装置测量精度的分析和改善的措施13
5.1主尺体铰链中心线与主尺体定位面不共面（误差为δ1）对测量精度的影响13
5.2主测量卡脚铰链中心线与主测量卡脚工作面不共面（误差为δ2）对测量精度的影响14
5.3改善和提高装置测量精度的措施15
6量具使用应该注意的事项16
7结束语17
致谢17
参考文献18
1绪论
1.1目前对锥体端面直径量具的研究现状
目前，对于圆锥体端面直径的测量装置及方法主要有以下几种：
（1）在万能工具显微镜上测量［7］，但此方法测量步骤繁琐，且测量设备成本较高，经济性较差；
（2）借助辅助工具间接测量的方法，主要有：
在正弦尺上测量［6］、用60°靠铁和正弦尺测量、在平台上测量（有单球法、双球法、圆柱圆球法、量块圆球法、圆锥量规法、圆柱双球法、四球法、双圆柱法）［7］等等，这些方法都需要根据所得数据由计算得出结果，受辅助工具本身制造误差和计算误差的影响，得出的尺寸精度较低，而且需要将工件从加工设备上卸下来，操作比较麻烦；
（3）也有使用圆锥套规［2］，但套规不具有通用性，必须针对被测工件进行一对一设计，制造成本高，加工周期长，在生产的效率上和经济上都不好，不利于精益生产，而且无法测量出工件的具体尺寸。
1.2本次设计的意义和主要内容
机械设备中,圆锥面配合在应用十分广泛，如:
机床主轴头孔、汽车半轴轴头、定位锥销、多种切削刀具的柄部等。
圆锥体的加工虽不及外圆、内孔、平面加工那样广泛，但在机械加工中也常遇到，不同用途的锥体的要求也不一样，在制造圆锥体工件时，需要控制工件的外锥直径尺寸（外锥面与端面交线尺寸），当尺寸精度要求较高时，使用通用量具在生产现场很难实现对该尺寸的精确测量。
而且圆锥体的端面往往有毛刺或倒角，尤其是有倒角时，所测点在实体上并不存在，转化成测空间交点距离的问题，测空间交点距离也需专用测量工具并进行计算，有时还需在工件上设置工艺孔或工艺凸台，增加了加工工序。
而借助辅助工具测量操作麻烦，测量时间也较长，而且还不能直接测出数据，需利用所得数据进行计算才可获得所需尺寸，不利于缩短工时，提高生产率。
设计制造一种基于虚交点的圆锥体端面尺寸数显量具［1］，可在机直接测量，不需计算，数显直读，且结构简单，测量范围大，有效地解决了生产现场检测锥体端面直径的问题。
并在指导老师的安排帮助下解决困难和问题，最后编制工艺文件，购买材料进行样品试制。
2装置的测量原理和结构
2.1装置的测量原理
如图1所示，以圆锥体小端面直径测量为例。
平面
、
为过圆锥小端面直径两端点A、B且分别与圆锥面相切的平面（平面
、
同时也与圆锥小端面圆相切），平面
与圆锥小端面共面。
显然平面
、
的交线MN与平面
、
的交线PQ平行，且与AB垂直，则测圆锥体小头直径AB可转化为测两直线MN和PQ间距离。
在设计量具时，卡脚的测量工作面（可绕铰链R1、R2旋转，自动适应锥体的锥度的变化，时刻保持与锥面相切，见图2）就是平面
、
，主尺和游标上的定位面就是平面
。
将A、B附近的测量面镂空（图中的沙纹面和
斜纹面处），即可避开A、B处的毛刺，完成对小端直径的测量。
2.2装置的结构
如下图2所示，测量装置的大体结构有以下几部分组成。
1－主尺体；2－数显装置；3－磁尺；4－尺身；5－游标体；6－销轴；7－副测量卡脚；8－主测量卡脚；9－锥体零件
K－指向主副卡脚工作面，与图1的平面
和
对应
L－指向为主尺和游标的定位面，与图1的平面
对应
图2圆锥体小端直径测量装置
主尺部件包括主尺体8、主测量卡脚7、磁尺2、销轴6、尺身3等。
主尺体、主测量卡脚之间通过铰链连接，主测量卡脚的工作面K（平面
）通过铰链中心线，主尺体上设计有定位面L（平面
），定位面也通过铰链中心线，则铰链的中心线相当于MN。
游标部件组包括游标体4、副测量卡脚5、销轴6、数显装置1、磁尺9等，游标体、副测量卡脚之间也通过铰链连接，副测量卡脚的工作面K（平面
）通过铰链中心线；游标体上设计有定位面L（平面
），定位面也通过铰链中心线，则铰链的中心线相当于PQ。
3装置的测量范围分析
3.1最小测量直径的确定
最小测量直径dmin：
量具上铰链的中心距就是所测圆锥体小端面直径。
由于铰链与轴线方向垂直的面为正方形，所以可以把铰链的转动范围看作为一个圆，则该圆的直径为正方形的对角线，那么该装置所能测得的最小值即为对角线的长度8.5mm，取最小测量直径为dmin=10mm。
为了论文的更加容易理解和阐述，在以下的设计说明中，都用旋转轮廓圆来予以论述。
3.2最大测量直径的确定
最大测量直径dmax的确定：
测量卡脚上两铰链的内端面距离X直接影响最大测量直径dmax。
若X过小，则会由于铰链旋转过程中对角线处与小端圆干涉而使铰链中心线MN与小端圆无法相切。
如图3所示，X与d间有如下关系
（d/2）2=（d/2-4.25）2+（X/2）2
即
d=X2/17+4.25
对应关系如下表1。
表1X与d间的关系mm
X
10
20
30
40
50
d
10.13
27.78
53.19
98.37
151.31
设计任务的要求是：
该测量装置的测量范围为：
40～150mm，所以可以选取X=50mm，则测量的最终测量范围是10～151.31mm，由于40～150mm
在
这个范围内，所以这样选择符合设计的要求。
ΔR=
=
若主尺与游标按同样精度等级制造，即δ1=δ2=δ3=δ4，则有
ΔR=δ
/cosα
测量误差ΔR与被测锥体锥度的关系如表2所示。
显然：
测量误差ΔR与被测锥体锥度有关，锥度越大，则测量误差越大。
表2锥度α与ΔR的关系
α∕（º）
10
20
30
40
50
60
70
ΔR∕δ
1.46
1.75
1.83
2.2
2.7
3.74
5.67
5.3改善和提高装置测量精度的措施
改善和提高加工精度的方法，大致可概括为以下几种：
减小原始误差法、补偿原始误差法、转移原始误差法、均分原始误差法、均化原始误差法、“就地加工”法。
（1）减少原始误差
这种方法是生产中应用较广的一种基本方法。
它是在查明产生加工误差的主要因素之后，设法消除或减少这些因素。
例如细长轴的车削，现在采用了大走刀反向车削法，基本消除了轴向切削力引起的弯曲变形。
若辅之以弹簧顶尖，则可进一步消除热变形引起的热伸长的影响。
（2）补偿原始误差
误差补偿法，是人为地造出一种新的误差，去抵消原来工艺系统中的原始误差。
当原始误差是负值时人为的误差就取正值，反之，取负值，并尽量使两者大小相等；或者利用一种原始误差去抵消另一种原始误差，也是尽量使两者大小相等，方向相反，从而达到减少加工误差，提高加工精度的目的。
（3）转移原始误差
误差转移法实质上是转移工艺系统的几何误差、受力变形和热变形等。
误差转移法的实例很多。
如当机床精度达不到零件加工要求时，常常不是一味提高机床精度，而是从工艺上或夹具上想办法，创造条件，使机床的几何误差转移到不影响加工精度的方面去。
如磨削主轴锥孔保证其和轴颈的同轴度，不是靠机床主轴的回转精度来保证，而是靠夹具保证。
当机床主轴与工件之间用浮动联接以后，机床主轴的原始误差就被转移掉了。
（4）均分原始误差
在加工中，由于毛坯或上道工序误差（以下统称“原始误差”）的存在，往往造成本工序的加工误差，或者由于工件材料性能改变，或者上道工序的工艺改变（如毛坯精化后，把原来的切削加工工序取消），引起原始误差发生较大的变化，这种原始误差的变化，对本工序的影响主要有两种情况：
1）误差复映，引起本工序误差；
2）定位误差扩大，引起本工序误差。
解决这个问题，最好是采用分组调整均分误差的办法。
这种办法的实质就是把原始误差按其大小均分为n组，每组毛坯误差范围就缩小为原来的1/n，然后按各组分别调整加工。
（5）均化原始误差
对配合精度要求很高的轴和孔，常采用研磨工艺。
研具本身并不要求具有高精度，但它能在和工件作相对运动过程中对工件进行微量切削，高点逐渐被磨掉（当然，模具也被工件磨去一部分）最终使工件达到很高的精度。
这种表面间的摩擦和磨损的过程，就是误差不断减少的过程。
这就是误差均化法。
它的实质就是利用有密切联系的表面相互比较，相互检查从对比中找出差异，然后进行相互修正或互为基准加工，使工件被加工表面的误差不断缩小和均。
在生产中，许多精密基准件（如平板、直尺、角度规、端齿分度盘等）都是利用误差均化法加工出来的。
（6）就地加工法
在加工和装配中有些精度问题，牵涉到零件或部件间的相互关系，相当复杂，如果一味地提高零、部件本身精度，有时不仅困难，甚至不可能，若采用就地加工法（也称自身加工修配法）的方法，就可能很方便地解决看起来非常困难的精度问题。
就地加工法在机械零件加工中常用来作为保证零件加工精度的有效措施。
根据以上原则，可分析本装置的改善措施如下：
（1）要注意控制铰链中心线与主尺定位面的共面误差δ1、δ3和铰链中心线与卡脚工作面的共面误差δ2、δ4，以减小测量误差。
（2）主尺和游标体上的定位面不宜过长和过宽，且在铰链中心线附近的定位面应切出凹槽。
过长将由于轴肩尺寸的影响而发生干涉，使卡脚工作面无法贴合在锥面上。
本量具定位面越过铰链中心线3.5mm，故测量锥体端面的轴肩尺寸不得小于3.5mm；过宽则导致在测直径较小的锥体时定位面会与端面圆周贴合。
如果有毛刺，将不能进行正常测量，本测量装置参考表1选取定位面宽度为10mm。
在定位面上切出凹槽是为了避免定位面与锥体端面圆周接触，以消除毛刺的影响,从而使测量的精度更高。
6量具使用应该注意的事项
（1）测量装置使用前将测量面和定位面清净，参照国家计量检定规程《通用卡尺鉴定规程》（JJC30－2002），可用10mm标准量块（不低于6等量块的精度）校准清零，以消除常值系统误差。
注意：
（示值+10）mm为测量结果。
（2）测量时，首先主尺通过其上的定位面在锥体端面定位，同时主测量卡脚工作面与锥面贴合，然后推动游标，使游标上的定位面也在锥体端面定位，同时副
测量卡脚工作面与锥面贴合即可直接读出测量结果。
注意游标相对于主尺的最大移动速度应≤1.5mm，否则将产生错误计数。
（3）卡尺不要放在强磁场附近（如磨床的磁性工作台上），以免使游标卡尺感受磁性，影响使用。
（4）卡尺要防尘、防水，不要与诸如冷却液等腐蚀性液体接触。
（5）不要在卡尺的任何部位加电，否则卡尺内芯片将被毁坏。
（6）当工作环境湿度φ≥80%时，卡尺测量尺寸会发生突变，可将卡尺拿到阳光或干燥处一段时间，即可恢复正常。
（7）如长期不用，取出电池放入包装盒内贮存。
7结束语
本文主要介绍了基于虚交点的圆锥体端面尺寸数显量具设计原理和加工工艺，该装置主要用于测量圆锥体端面的直径，装置结构简单，操作简单方便，无视值误差，在线数显直读，有一定的通用性。
一般的设备有的测量设备成本较高；有的需专用检具并计算，操作不便；有的为定性测量，无法获得具体尺寸数值，均不适合生产现场使用，特别是不能在机上检测，该量具能有效的解决上述问题，值得推广应用。
通过这次毕业设计，学到了很多知识，在老师的指导下，阅读了很多关于量具和机械加工的知识。
既巩固了学过的知识，又有了新的理解和更加深入的认识，获益匪浅。
致谢
本次设计能够顺利的完成，应该感谢的是我的辅导老师陈老师。
就是在他的指导、敦促、帮助下，我的设计才得以如此顺利的完成。
陈老师每周都需要花费很多时间来对我进行细致地指导，同时检查我的设计或者论文的进度，分析我前一周所做的成果，指点出错误、不足和需要改进的地方，使得我的设计和论文在一周一周的修改中不断丰满、完善和最后的完成。
陈老师具有严谨的治学态度，丰富的实践经验，在治学及做人方面使我受益匪浅，在此，我要衷心的感谢我的陈老师，谢谢您！
还要感谢的是教会我知识和辅导我的老师们，是他们教会我知识，教会我做人，愉快而充实的度过了大学四年的时光，也是在他们丰富知识的熏陶下，我才有能力把这次设计完成，谢谢他们！
参考文献
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