百分表的设计.docx
《百分表的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《百分表的设计.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
百分表的设计
湖南科技大学
机电工程学院
测控技术与仪器专业
课程设计
设计课题：
百分表的设计
学号：
**********
******
指导老师：
***
——2013年1月1日
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Solidworks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。
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。
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6cm，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。
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
小模数渐开线圆柱齿轮标准模数见表3-1所示：
表3-1小模数渐开线圆柱齿轮标准模数[5]（单位：
㎜）
第一系列
0.10.120.150.20.250.30.40.50.60.811.251.5
第二系列
0.350.70.9
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=32，代入式子3-2得m=0.0995。
与m=0.1接近，所以取m=0.1。
为减少刀具数量，将Z3、Z4、Z6模数也取与Z2相同。
即m2=m3=m4=m6=0.1。
取模数m=0.2、Z2=32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=250、Z4=25由于250/25=10，还是比较接近10.048的，故取Z3=250、Z4=25。
计算齿轮6的齿数，因m（Z3＋Z4＋Z6）＜50（百分表总外径），代入各已知值后，最后取Z6=125。
因百分表的测量范围是0-5mm，故令齿条的长度为Lmax=5mm，因Lmax=P=πm，则齿条的齿数Z=Lmax/（mπ）取Z=16。
综上，各齿轮的齿数和模数分别为：
Z2=132、Z3=250、Z4=25、Z6=125、m=0.1、Z=16
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。
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
0.1
分度圆
D
m
=3.2
齿厚
s
m
顶隙
c
0.025m
齿根高
0.125m
齿顶高
m
齿距
p
m
齿工作高度
h
0.225m
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
0.1
周节
t
m
齿厚
s
m
径向间隙
c
0.025m
齿根高
0.125m
齿顶高
m
全齿高
p
m
齿工作高度
0.225m
根据设计要求，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7mm。
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，都是造成不合格、不能正常使用的故障原因。
2）表零位不得用千分尺代替标准样圈调整内径百分
有些操作者常用千分尺来调整内径百分表零位，这种方法是不可取的，因这样会导致内径百分表的测量误差增大。
例如，用上述方法测量Ф300mm有配合要求的孔，内径百分表的表头为1级，其任意一转内的测量极限误差为：
。
若内径百分表的表头为0级，则其任意一转内的测量极限误差为：
（其中包括由校对量块引起的误差）。
1级千分尺的测量极限误差为：
。
如用千分尺代替标准样圈，根据误差的合成原则，配备%级表头的内径百分表测量极限误差为：
=
0.0280mm
测量误差增加量为0.009mm。
同样，如用千分尺代替标准样圈，配备0级表头的内径百分表测量极限误差约为0.0256mm，则测量误差增加量为0.0116mm。
用这与内径百分表的正常工作状态不符，护桥由于制造、千分尺调整内径百分表时没有使用定位护桥，使用中磨损、松动、变形等情况产生的定中心误差没有在对零位时得到应有的补偿。
另外，千分尺活动测量杆都可能存在轴向窜动，按千分尺检定规程的规定：
测微螺杆（即活动测量杆）的轴向窜动量不大于0.01mm。
这样小的窜动量，在用量块检定千分尺示值时，由于受力方向一致，作用力和反作用力可以抵消，因而不影响示值检定。
但用千分尺调整内径百分表时，由于受力方向经常变化，所以千分尺活动测量杆的轴向窜动量无法抵消，因而就带进内径百分表的综合误差之中，这样便增大了内径百分表的测量误差。
综上所述，可以得出结论：
不能用千分尺调整内径百分表零位，而应采用与被测孔尺寸接近的标准样圈。
3）内径百分表的表头不能随意更换
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。
五、设计总结
通过这次课程设计，我总体上将所学习的精密机械设计知识，机械制图，AutoCAD等等知识重新温过且真正运用了起来。
在紧张备考的空余时间里，我抓紧时间去图书馆借了基本关于机械设计的参考书，然后在考试的那几天在大脑里形成了课程设计的大致框图，这就为考试之后的课程设计节省了大量时间。
在考完最后一门课程的第二天，我开始了紧张的课程设计工作。
在此期间，李长有老师耐心的给大家上了一次关于课程设计的指导课，解除了大家的一些困惑和疑问，为这次课程设计打好了一定的铺垫。
然后在真正设计的过程中，遇到了真正的难题，那就是齿轮齿数和模数的计算，经常因为一些数值的选取和大家激烈的讨论，但是最后在大家都讲出自己的想法后，我们选取了最合适的那一组。
经过大概一周的时间，我基本上完成了课程设计的要求，接下来就是运算结果的校对和审核了。
在这个过程中，发现了一些由于自己的不细心而导致的一些计算的错误。
在课程设计书大致完成之后，就开始了紧张的画图，因为好长时间没有看CAD书了，真正画起来有点吃力，好在静下心来再把教材看了一边，在和同学们的相互讨论和学习中完成了CAD图的绘制工作。
最后，在大概三天的复核和审查后，这次的课程设计大概完成了。
通过这次课程设计，进一步加深了我对机械设计知识的理解和AutoCAD的掌握程度。
同时，这次课程设计加深了我对团队合作的认识，也磨练了自己的耐性。
在这里衷心的表达对李长有老师和我们团队的的敬意。
六、参考文献
【1】刘江南，郭克希.机械设计基础[第二版].湖南：
湖南大学出版社，2011.
【2】赵又红，周知进.机械设计课程设计指导[M].湖南：
中南大学出版社，2012.
【3】朱龙根.简明机械零件设计手册[M].北京：
机械工业出版社1997.
【4】张展.齿轮设计与实用数据速查[M].北京：
机械工业出版社2009.
【5】孔凌嘉.简明机械设计手册.北京理工大学出版社，2008.
升级会员 