1、精密机械设计课程设计说明书题目: 量程为0-10mm的百分表设计院 系：工业制造学院专业班级：08级测控技术与仪器学 号： 学生姓名： 指导教师： 一 百分表简介百分表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。百分表的大表盘上印制有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千分表。其示值范围
2、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。 主要用途：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。 测量范围：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。 二 主要由三部分组成：百分表的构造主要由3个部件组成：表体部分、传动系统、
3、读数装置。百分表的发展趋势：数显 由于传统机械式百分表由人去读表盘刻度，这样就存在读数方法和反应速度等因素带来的误差。为了克服这些缺点，百分表读数在向数字化方向发展。 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
4、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。三 设计目标设计钟表式百分表，满足以下要求：1. 百分表测量范围为010mm，分度值为0.01mm；2. 百分表的外形尺寸：外壳不大于60mm。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
5、于0.4N，单向行程测力变化不大于0.5N；4. 示值误差：1） 示值总误差不大于0.0018mm；2） 任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. 测杆移动平衡、灵活、无卡住现象；6. 测杆处于自由状态时，指针应处于从零位开始逆时针30到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. 指针尖端应盖过段刻线长度的30%50%；10. 指针尖端与表盘之间距离应不大于0.7mm；11. 表盘刻度线宽度和指针尖端应为0.150.25mm。目的：（1）.
6、此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。三 百分表的总体设计和各部分的设计 百分表的最主要设计部件是齿轮齿条的传动设计，根据所要求设
7、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。一定要验算精度。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。百分表的结构设计，应尽量减少百分表的体积和重量，一则携带运送方便，二则节约材料，从而降低生产成本。 为导杆
8、1也是齿轮2 分度圆上的线位移，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， 分别为齿轮2和4的转动角。（下面有的关这些参数就不再声明）1.传动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，
9、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l rnm。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
10、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模数的设计根据表体的基本尺寸要求，直径为5cm，根据传动精度要求选定=0.2，大概设计=3.2mm，=20mm，=2mm，=20mm。根据=mz,可知=16。由图3可知= 当等于1mm时=，由此可以计算得出=1.989，因此模数的选择将导致实际测量与标度之间的误差。（=1.989=）=-=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，因此可得出=100,=10,=100。四 百分表主要部件的设计
11、1传动导杆和齿轮2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：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;对于接触应力,其受小轮齿数的影响大于受模数的影响;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;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
12、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。传动导杆1与齿轮2的啮合是齿轮齿条的啮合，齿轮2为标准齿轮它的模数为0.2。齿轮上及齿条上的压力角与啮合角都相同为。它们的具体几何灿亮的设计如下表：表4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m0.2分度圆Dm=3.2齿厚sm顶隙c0.25m齿根高1.25m齿顶高m齿距pm齿工作高度h2.25m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tm齿厚sm径向间隙c0.25m齿根高1.25m齿
13、顶高m全齿高pm齿工作高度2.25m图4 齿条的形状设计齿条的工作长度为10mm，但加工时应保留一些余量，取加工总长度为15mm。2变位齿轮的设计齿轮的变位原理：通过改变标准刀具对齿轮毛坯的径向位置或改变标准刀具的齿槽宽切制出的齿形为非标准渐开线齿形的齿轮。切制轮齿时，改变标准刀具对齿轮毛坯的径向位置称为径向变位。改变标准刀具的齿槽宽称为切向变位。最常用的是径向变位，切向变位一般用于圆锥齿轮的变位。图5 变位齿轮用展成法加工齿轮时,若齿条形刀具的中线NN与齿轮毛坯的分度圆相切并作纯滚动，加工出来的齿轮称为标准齿轮。若齿条形刀具的中线不与齿轮毛坯的分度圆相切，而是与刀具中线平行的另一条分度线（机
14、床节线）与齿轮毛坯的分度圆相切并作纯滚动，则加工出来的齿轮称为径向变位齿轮。加工径向变位齿轮时，齿条形刀具的中线相对被加工齿轮分度圆移动的距离称为变位量，用x表示，称为变位系数，m为模数。通常规定，刀具中线相对轮心移远时，取正值，称为正变位；刀具中线相对轮心移近时，取负值，称为负变位。径向变位齿轮与标准齿轮相比，其模数、齿数、分度圆和基圆均无变化；但是正变位时分度圆齿厚增大，齿根圆和齿顶圆也相应增大；负变位时分度圆齿厚减小，齿根圆和齿顶圆也相应地减小。由于=10的限制，为了不再加工齿轮时产生大量的齿根切齿现象，小齿轮的最小变位系数位0.42。在精密仪器中齿轮的传动精度较高，在小模数齿轮的设计中
15、，常用高度变位齿轮。这样要求两个相互啮合的齿轮的总的变位系数为0，而它们的啮合角与压力角相等，中心距与未变位前一样。要求变位的齿轮有齿轮3, 齿轮4, 齿轮6。其中齿轮4为证变位，齿轮3,6为负变位。其具体形式如下：图6 变位齿轮与标准齿轮的比较其具体参数如下表：表6 序号名称计算公式1模数m=0.22变位系数X3=-0.423变位系数X4=0.424变位系数X6=-0.425压力角=6啮合角7标准齿顶高系数=18变位齿顶高系数=0.429顶隙系数=0.3510齿轮3,4中心距=11齿轮4,4中心距=（对于=0.42，小齿轮4的变位系数为+，大齿轮4,6的变位系数为-）。根据上表和各齿轮的模数
16、可求得：齿轮4的变位量=0.42m齿轮3的变位量=-0.42m齿轮6的变位量=-0.42m齿轮3,4中心距=11mm齿轮4,4中心距=11mm齿顶高为 （=，）全齿高为h=m（2+）保持不变齿顶圆直径（3）齿根圆直径（4）分度圆直径为=m将具体数据代入上面的式子得：=0.42mm，=-0.42mm，-0.42mm，=20mm,=2mm,=20mm,=20.586mm，=2.586mm，=20.586mm，=19.628mm，=1.628mm，=19.628mm。3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
17、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
18、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
19、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
20、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 =0.1214mm，b =1.214mm。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500600，为510，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
21、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。4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10mm，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。dd图8 拉伸弹簧DD（7）（8）为弹簧的初始拉力，为最终位置的拉
22、力, 变形量，为材料的切变模量，这里的材料选择60si2Mn代号的钢料其值为80000，n为弹簧的有效环数。由上式数据可得=0.9N，=1.4N，n=37.58，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=40五百分表的使用方法 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
23、。 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2025个分度，将指针与刻度盘零位对准，然后轻提测杆12mm，放手使其自行复原，试提23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。六 百分表应用要注意的问题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
24、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。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 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：
25、=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
26、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。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1835mm 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
27、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03mm 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。七 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
28、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
29、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。八 设计心得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。
