百分表設計說明書-

1、 鐘表式百分表的設計說明百分表背景英文：【Dial Indicators】利用精密齒條齒輪機構制成的表式通用長度測量工具。通常由測頭、量桿、防震彈簧、齒條、齒輪、游絲、圓表盤及指針等組成。百分表是美國的B.C.艾姆斯于1890年制成的。常用于形狀和位置誤差以及小位移的長度測量。改變測頭形狀并配以相應的支架，可制成百分表的變形品種，如厚度百分表、深度百分表和內徑百分表等。如用杠桿代替齒條可制成杠桿百分表和杠桿千分表，其示值范圍較小，但靈敏度較高。此外，它們的測頭可在一定角度內轉動，能適應不同方向的測量，結構緊湊。它們適用于測量普通百分表難以測量的外圓、小孔和溝槽等的形狀和位置誤差。一、設計要求：

2、設計鐘表式百分表具體技術指標要求如下：1. 分度值：0.01mm2. 測量范圍：010mm3. 外線尺寸直徑：50604. 使用環(huán)境：車間現場（要求防塵、防油、防震、防噪）5. 測桿應移動平衡、靈活、無卡住現象6. 其余按照國家標準二、設計任務：1. 提出設計方案2. 給出裝配結構示意圖（A1號圖紙）3. 給出2張零件圖（A4號圖紙）4. 給出設計說明書三、設計目的：本次課程設計是精密機械設計課的重要組成部分，是打好技術基礎和進行技能訓練的重要環(huán)節(jié)。其目的是：1. 訓練同學們獨立思考、獨立運用。獨立設計的能力，掌握百分表的具體原理，強化掌握平時學到的理論知識2. 擴大同學們的知識面，提高對知識

3、的應用能力3. 培養(yǎng)同學們的創(chuàng)新能力4. 加強同學們的團隊合作精神 百分表結構圖四、設計步驟：1. 去實驗室觀察百分表結構2. 小組人員分工，去圖書館借書，在網上搜索相關資料，然后大家一起分析資料，對百分表的功能和結構有了初步的認識3. 討論創(chuàng)新方案經過大家集思廣益，我們小組提出了兩點比較大的創(chuàng)新： 去掉測桿的防轉槽，直接在表盤的內表面開槽，從而使百分表結構更簡單 給百分表增加鎖緊結構，在每次測量結束后可以鎖緊測桿，方便讀數然后經過與老師和同學們的熱烈討論，并且認真考慮了百分表的使用方法和使用環(huán)境，決定取消鎖緊結構。只采用在表盤上開槽的改進方案。4. 確定設計方案5. 計算數據6. 繪制正式設

4、計裝配圖（用AUTOCAD軟件繪制，A1號圖紙）7. 繪制零件圖（手繪，A4號圖紙）8. 完善百分表設計說明書五、百分表工作原理分析：百分表是利用齒條齒輪或杠桿齒輪傳動,將測桿的直線位移變?yōu)橹羔樀慕俏灰频挠嬃科骶?。主要用于測量制件的尺寸和形狀、位置誤差等。百分表通常由測頭、量桿、 參考資料：精密機械設計基礎教材機械制圖第三版中文版Autocad2006實用培訓教程儀器儀表結構設計手冊機械制圖新舊國家標準對照手冊幾何量計量儀器機械零件設計手冊彈簧設計手冊百分表的常見故障分析及修理辦法彈簧、齒條、齒輪、游絲、圓表盤及指針等組成百分表的結構較簡單,傳動機構是齒輪系,外廓尺寸小,重量輕,傳動機構惰性小

5、,傳動比較大,可采用圓周刻度,并且有較大的測量范圍,不僅能作比較測量,也能作絕對測量。百分表的工作原理,是將被測尺寸引起的測桿微小直線移動,經過齒輪傳動放大,變?yōu)橹赣嬙诳潭缺P上的轉動,從而讀出被測尺寸的大小。百分表的構造主要由3個部件組成：表體部分、傳動系統(tǒng)、讀數裝置。六、數據計算：（一）、齒輪設計結構簡圖1.選擇齒輪材料：考慮百分表的外廓尺寸不宜過大，大小齒輪都選用40Cr，對小齒輪Z2,Z1表面淬火4855HRC，對大齒輪Z3調制處理，硬度為280HBW2.強度校核：1.許用彎曲應力：因為又由精密機械設計基礎課本148頁表7-9查表可知 flimb1=600 N/mm2flimb2=1.8

6、HBW=(1.8280) N/mm2=504 N/mm2取Sf=2,雙向傳動取KFC=0.7，Kfl=1由此可得小齒輪Z2的彎曲應力 F1=6002 N/mm2=300 N/mm2大齒輪Z3的彎曲應力F2=5042 N/mm2=252 N/mm2轉矩： 小齒輪Z1 T1=Fr1=1.51 N .mm= 1.5 N.mm 小齒輪Z2 T2=Fr2=1.51.6 N .mm= 2.4 N.mm 大齒輪Z3 T3=Fr3=1.510 N .mm= 15 N.mm驗算彎曲應力：由公式再由又有精密機械設計基礎課本147頁圖7-38查圖可知Z2=16 Yf2=4.35Z3=100 Yf3=3,75=300

7、4.35=68.9 N/mm2=2523.75=67.2 N/mm2因為，所以我們應該驗算大齒輪的彎曲應力 N/mm2=3.0375 N/mm2=252N/mm2通過以上校核可知齒輪滿足彎曲強度要求，設計合理，可以用于生產2.確定齒數：由傳動機構的特性我們取各齒輪的齒數 z1=10， z3=100在充分考慮對強度與耐沖擊承受能力，我們小組取 z2=163:計算齒輪模數：由傳動比的計算公式式中：max：相應于測桿最大位移的指針轉角， Smax：測桿的最大位移（示值范圍）。齒輪Z3和Z1的傳動比。相應于SmaxZ2輪轉角。齒條（測桿）與齒輪的傳動系數。因2齒輪的分度圓半徑： 故有： 所以可得： 所

8、以由以上數據可得： 經過國家標準圓整后取 m=0.2 mm為減少刀具數量，我們小組將Z1、Z3模數也取與Z2相同。即 m1=m2=m3=0.2 mm4.齒輪幾何參數的計算齒距： p1=p2=p3=m=0.628 mm各齒輪分度圓直徑： d1=mz1=0.210=2 mm d2=mz2=0.216=3.2 mm d3=mz3=0.2100=20 mm 齒頂高： ha=m=0.2 mm齒根高： hf=1.35m=0.27 mm頂隙： c=0.35m=0.07 mm齒厚： s=m/2=0.31415 mm齒間寬： e=m/2=0.31415 mm齒寬： b1=12m=2. 4 mm, b2=12m=

9、2.4 mm b3=b4=10m=2 mm標準中心距： a=m(Z1+Z3)/2=11 mm5.最小變位系數的確定：因為根切現象的存在，標準齒輪的最小齒數：由Zmin=2ha*/sina2 有：當=20，ha*=0.8時，Zmin=14而所取函數Z1=10Zmin=14，所以用展成法加工齒輪時，被切齒輪的齒數不得小于最小齒數Zmin,對此該齒輪應該采用變?yōu)辇X輪。并且采用正變位的方法。最小變位齒數計算公式：3總結由以上計算，大小齒輪都選用40Cr，對小齒輪Z2，Z1表面淬火4855HRC，對大齒輪Z3調制處理，硬度為280HBW應該選取的3個齒輪為齒輪1：分度圓直徑d1=2mm，齒寬為b1=2.

10、4mm齒輪2：分度圓直徑d2=3.2mm，齒寬為b2=2.4mm齒輪3：分度圓直徑d3=20mm，齒寬為b3=2mm齒輪的齒鋸為0.628mm，齒頂高為0.2mm，齒根高為0.27mm，頂隙為0.07mm，齒厚為0.31415mm，齒間寬為0.31415mm，標準中心距為11mmError! No bookmark name given.（二）、游絲設計1選取材料：GB/T 31341982 鈹青銅線 優(yōu)點：彈性滯后和彈性后效比較小，強度高，可實現在給定特性的條件下減輕重量并具有較好的振動穩(wěn)定性加工方法：回火2計算：1、 游絲的最小力矩：根據生產實踐經驗Nmm計算 Nmm2、 游絲的最大力矩：

11、總轉角=2即可求出最大力矩Nmm3、 游絲的參數：圈數n=10（轉角，所以圈數選擇10）外徑D1=18mm，內徑D2=5mm游絲長度L=361.28mm選定材料為鈹青銅，回火處理，所以彈性模量E= N/mm2，安全系數選擇S=34，對于接觸游絲，寬厚比選擇48，所以u=b/h=7游絲的厚度h=0.114mm游絲的寬度b=uh=0.798mm經過查儀器儀表結構設計手冊圓整數據得b=0.76mm， h=0.11mm4、 校核最大應力：b=145.63N/mm2查表知許用彎曲應力為1180N/mm2，所以滿足設計要求5、 重新確定參數長度L=313.23mm圈數N=8.67mm9mm圈間距離a=0.

12、72mm3游絲座的尺寸系列：游絲座外徑：5mm；游絲座孔徑公稱尺寸為3mm，允差+0.05mm；高度為2mm4標記示例：游絲 反型（3mm為游絲座孔徑，18mm為外徑，為轉矩M）5游絲的技術要求：游絲轉矩允差為8%游絲形狀應為阿基米德螺旋線，各圈均在垂直于螺旋中心線的平面上，圈距應均與一致游絲表面粗糙度Ra0.08m，側面Ra1.25m。游絲座孔內表面粗糙度Ra1.25m，其余表面Ra2.55m游絲表面應無明顯劃痕、嚴重的氧化斑點；應無毛刺、發(fā)霉等缺陷6游絲內外端的固定方法：內端采用沖榫的方法固定鉚在游絲套上，外端采用錐銷楔緊在表的內殼上7總結：游絲材料選擇鈹青銅線，使用回火加工。游絲長度L為

13、313.23mm，圈數n為9，圈間距離為0.72mm，內徑為5mm，外徑18mm。游絲座的外徑為5mm，游絲座孔徑公稱尺寸為3mm，允差+0.05mm；高度為2mm （三）、彈簧設計1確定工作載荷考慮到測桿的工作位置可以在多個方向，測桿本身的重力會產生影響，設測桿重力為G，系統(tǒng)對測桿的摩擦力（齒輪、滑動導軌、防轉導桿等）為f，彈簧的拉力為F，測桿的測力為T，分3種情況討論：a、 百分表正放時，重力G與彈簧拉力F同向，是助力，有方程：f+T=G+F1（此時F最小）；b、 百分表橫放時，重力G對彈簧無作用，視為0，有方程F2=f+T，F2即為初拉力（查精密機械設計基礎P305頁圖13-17得F2=

14、1N）；c、 百分表倒放時，重力G與彈簧拉力F反向，是阻力，有方程：F3=G+f+T（此時F最大）。根據任務書技術要求確定工作載荷F1，F2，技術要求規(guī)定測力在0.5N1.5N之間。估計重力G=1N，fmax=0.5N進而計算出F的范圍為0.1N3N考慮到彈簧的作用是歸零，為使歸零迅速、準確，應使彈簧力適當大一點，經計算取9N（要求其初長H0為40mm左右，而最大彈性拉伸量約為12mm）2選材由于百分表彈簧的作用是使測桿完成測量后歸零，并無其他特殊用途，故選擇碳素彈簧鋼65Mn類。3選定簧絲直徑、選取中徑D2=6mm假設簧絲直徑為0.25mm、0.3mm、0.35mm，驗算是否滿足下面公式：其

15、中曲度系數公式 ，彈簧的旋繞比C=D/d，求得，查精密機械設計基礎P296頁圖13-2得b（0.25）2278，b（0.3）2270，b（0.35）2260所以應選用0.35mm直徑的簧絲4計算有效圈數根據公式：，取=10，F0=1N，查表得G=79000 N/mm2，求得n=945彈簧自由長度：H0=nd+d+2D=（94+1）0.35+26=45.25mm6總結由上述計算結果，應該選取65Mn類材料的彈簧，彈簧中徑D2為6mm，簧絲直徑為0.35mm，圈數94，彈簧自由長度為45.25mm，彈簧的最大拉伸量為12mm。（四）、測桿設計測桿選取材料為淬火鋼。測桿直徑為5mm，長度121mm。

16、（五）、導軌設計由于圓柱面導軌面的加工和檢驗比較簡單，易于達到較高的精度，所以選取圓柱面導軌。在實際應用中，為減小摩擦阻力，常用不同材料匹配使用。圓柱面導軌一般采用淬火鋼導軌與表殼之間采用螺紋配合。為了提高圓柱面導軌的精度，必須正確選擇圓柱面導軌的配合。因為導向精度要求較高，所以選用H7/g6配合。已知測桿直徑為5mm，所以導軌內徑=5mm，外徑=8mm頂部導軌的長度為7.4mm底部導軌的長度為28mm（六）、其他部件導桿：長度為28.2mm支承片：采用青銅材料螺釘：采用M2和M3標準件背面外殼：直徑56mm墊片：使用2個塑膠墊片，厚度分別為0.8mm和1.2mm長指針：長度為27.8mm短指

17、針：長度為8mm七、百分表的誤差分析 誤差分析出自幾何量計量儀器：從百分表的設計原理分析，百分表是沒有原理誤差的，所以影響示值誤差的主要是運動件的原始誤差，例如制造誤差、安裝誤差以及運動副的間隙等。如果我們把齒條與軸齒輪2定位a環(huán)，把齒輪A與中心齒輪B定位b環(huán)；把指針C與表盤D定位C環(huán)，并用a，a，a表示這3個傳動環(huán)節(jié)的誤差，則百分表在傳動系統(tǒng)中的總誤差為L，式中Ka2軸齒輪2到大齒輪A的傳動放大比：如果對三個傳動環(huán)節(jié)按等誤差分配，即a=b=c=1那么三者對百分表總誤差的影響分別為1、1/6、1/154，課件影響最大的是齒條齒輪這一環(huán)節(jié)。下面對造成a、b、c三個環(huán)節(jié)的主要因素進行定性分析。1.

18、 造成a的因素（1） 齒條中線與測桿線平行度誤差1以及測桿與導套配合間隙X1的影響。平行度誤差1及間隙x1都會改變軸齒輪2（圖334）的節(jié)圓半徑d，從而使傳動比（即放大比）發(fā)生改變。1和X1都是各自獨立的隨機變量，所以它們應按方和根法進行合成，并將合成結果換算到齒條齒輪的嚙合線（即壓力線）上去。即式中，a為齒輪的壓力角。（2） 軸齒輪2的軸頸誤差對a的影響軸頸的幾何形狀誤差，會使齒輪2的回轉中心發(fā)生變動，當此變動方向與齒條齒輪的嚙合線方向一致時，造成的示值誤差最大，即設軸頸的公差的下限為-8m，上限為-2m，則同理，軸承孔的形狀誤差以及與軸的配合間隙將以同樣方式影響示值誤差。所以應嚴格控制配合

19、間隙，一旦發(fā)現軸孔磨損后，應立即進行縮孔或更換。（3） 齒條的節(jié)距累積誤差t1和齒形誤差f1以及軸齒輪2的周節(jié)累積誤差t2和齒形誤差f2對q的影響3一般說來，周節(jié)或節(jié)距的累積誤差在絕對測量時起作用，而齒形誤差f對示值的影響則在相對測量時顯得比較突出。將以上幾項誤差合成，便得到a：2. 造成b的因素造成b的因素有齒輪A和齒輪B的周節(jié)累節(jié)誤差和齒形誤差以及齒輪A的裝配偏心誤差。分析方法同前。式中，e為齒輪A的偏心量3. 造成c的因素主要有指針回轉 中心相對刻度盤中心偏心造成的誤差e和刻度盤的刻線間距誤差k，這兩項誤差均屬于系統(tǒng)誤差。但由于百分表在具體使用過程中，刻度盤并非固定在一個位置上，e和k的

20、方向就難于把握住，所以在合成時仍按隨機誤差處理，即一般照象復制法坐車的刻度盤，其分度誤差不會超過30，所以相鄰刻度艱巨誤差不會超過k=300.0003R=0.009R，而偏心誤差餓得最大值為2e，故式中e偏心量，R刻度盤的刻線半徑另外，影響百分表示值誤差的還有測力的變化和溫度的變化。通過上述分析，我們了解到百分表的誤差來源，其目的不是去搞百分表的設計而進行誤差分配，而是讓同學對百分表的誤差來源有一個定性的認識，從而分析出對示值影響最大的環(huán)節(jié)，以便對百分表的檢定、使用、維修等做到知其所以然。比如，百分表示值超差的修理，首先應該從傳動鏈的測量鏈（第一級傳動鏈）下手檢查，在齒條齒輪的嚙合部位上下工夫

21、，設法避開磨損嚴重的齒；也可將游絲反向安裝，使磨損的齒廓變?yōu)榉枪ぷ髅?，好的赤廓變?yōu)楣ぷ髅?；或者更換新的齒條齒輪。對指示鏈的各零件一般不去修理或更換，因為它對示值誤差的影響隨著放大比的增大而明顯減小了八、百分表的誤差檢定 誤差檢定出自幾何量計量儀器：1示值誤差的檢定：表1準確度等級示值誤差（m）回程誤差（m）任意0.1mm任意1mm工作行程03mm05mm010mm078101215319121518225百分表的示值誤差不得超過表1的規(guī)定。百分表檢定時使用百分表檢定器或其他同等準確度的一起檢定。百分表示值誤差的檢定是在正反行程的方向上每間隔10個分度進行的。檢定過程如下：首先將檢定器和百分表分

22、別對好零位，當檢定器微分筒每轉過10個分度后，在百分表上讀出誤差，知道工作行程終點，接著反向進行檢定。在整個檢定過程中，中途不得改變測桿的移動方向，也不準對百分表檢定器和受檢百分表作任何調整。反向行程讀取誤差時，其正負號和正行程時相同。示值誤差是根據正反行程方向所得各點的誤差中以最大的正誤差絕對值和負誤差最大的絕對值之和確定。若誤差符號相同時，以最大與最小值的差值確定。工作行程內的示值是根據工作行程上各點的誤差來求得。任意1mm范圍內的示值誤差是根據01，12，23mm范圍內所得各點的誤差來求得。任意0.1mm范圍內的示值誤差是以任意相鄰兩點上的誤差求得。對于任意0.1mm、1mm范圍內的示值

23、誤差，如果查過了表3的規(guī)定時，可以對超差的這一受檢范圍再單獨進行檢定，并以此作為檢定結果。2回程誤差表2檢定位置mm01020304050607080900誤差（m）1正000+4（+6）+2+200+1+1反-2+10+2（+3）+1+10+20+12正+10+1+2+3+5+6+4+2+1+1反+1+1+4+3+5+6+8+5+2+1+23正+1+4+4+4+4+8+14+10+8+8+6反+2+2+2+1+2+8+12+8+7+7+64正+6+2-1-1000-10-1-2反+6+1+10+10+20+10-25正-2-2-3-2-1-1-2-1-1-2-3反-2-3-5-3-1-1-3

24、0-1-1-3在示值誤差檢定完后，取正反行程內各對應點的讀數之差中的最大值確定回程誤差。若此最大值超過表1的規(guī)定，可對該點回程誤差進行單獨檢定。先壓縮百分表測桿刀大該點，進行正向讀書，繼續(xù)壓縮測桿0.2mm，然后反轉百分表檢定器微分筒0.2mm回到該點，進行反向讀書，正反向讀數之差即為該點的回程誤差。3示值變動性的檢定將百分表裝夾在剛性表架上，使測桿軸線垂直于工作臺面，在工作行程的始、中、末三個位置上，分別調整指針，對準某一刻度，以較慢、較快速度移動測桿各五次，每五次中最大讀數和最小讀數之差即為該位置上的示值變動性。4測桿受徑向力時對示值的影響用半徑約為10mm的半圓柱測塊（量塊附件）檢定。首

25、先將百分表固定在剛性表架上，使表的測量軸線垂直于工作臺面，然后將測塊放在工作臺面上，調整百分表和測塊，使頭與測塊圓柱面最高位置接觸，然后沿工作臺面前后、左右兩方位分別往返移動測塊2次，其位移量應以測頭不離開半圓柱面為限，同一方位移動測塊時百分表上所指示的最大值的差值應不超過3m，這一檢定應在工作行程的始、中、末三個位置上進行。9、 百分表的常見故障分析及解決方法下面幾例是經常出現的故障:1百分表跳針、 測桿移動不靈活和卡死的原因以及排除故障的方法: (1)百分表跳針的原因是: 齒輪嚙合面之間有污物、 毛刺; 齒輪軸和軸承孔間有污物、 毛刺; 導桿和導糟間有污物、 銹蝕或毛刺; 齒輪有傷齒、 斷

26、齒。 (2)修理方法:把表撤卸下放進 10cm 大小的玻璃器皿中 ,倒入航空汽油 ,手壓住要清洗的零件左右搖動幾次或用不掉毛的豬毛刷刷去污物 ,有銹或毛刺用小刀刮去可符合要求。2測桿移動不靈活或卡死的故障有: 測桿彎曲; 測桿與導孔間有污物、 銹蝕或毛刺或各配合面上有污物; 套筒松動和上下套筒不同心; 導桿和導槽塊松動; 導桿過長或彎曲; 齒輪兩軸孔不同心; 齒輪端面和軸承之間的間隙過小; 齒條和齒輪嚙合太緊;表體扭曲變形。修理方法: 矯直測桿; 清洗、 除銹或去毛刺; 固緊和校正套筒同心度; 固緊導桿和導槽塊; 修短和矯直導桿; 校正軸承座位置; 在軸承一加墊; 調整圓座板的位置; 矯正表體

27、。仔細觀察確定你要修理的部位 ,這樣才能達到事半功倍的作用。3百分表測頭磨損故障修理: 將測桿夾在包有紫銅皮臺虎鉗上測頭帽露在臺鉗上面 ,用紫銅小錘子或木柄輕敲測頭鋼球的測面幾下 ,使其發(fā)生轉動 ,將磨損部分敲進里面。4測桿有徑向擺動及軸向竄動的故障修理: 由于測桿上下套筒筒損而產生間隙所致 ,當用手對垂直測桿前后左右施加壓力時 ,指針隨之發(fā)生變動 ,說明穩(wěn)定性不好 ,這種故障是產生示值變化的一個常見因素;修理辦法為更換套筒。5游絲未預緊或預緊力不夠 ,指針處于松馳狀態(tài) ： 可能停在一定范圍內的任何位置上出現指針不穩(wěn)定現象的故障修理:游絲的預緊力是由預緊圈數決定 ,一般是以游絲松馳(自由)狀態(tài)

28、下 ,將長指針轉 5 圈左右 , (即游絲預緊為一圈左右為宜) 。游絲長度會受溫度的變化而改變 ,另外游絲表面的銹蝕和碰傷等都會影響傳動平穩(wěn)性 ,因此 ,最好選用膨脹系數小、 彈性好、 能抗磁、 耐銹蝕的磷青銅或青銅的游絲為妙。6百分表產生示值不穩(wěn)定的原因以及排除故障的方法: 測桿出現卡死或移動不靈活現象時 ,說明齒條或軸齒輪有損壞和斷齒現象 ,修理辦法有: 可能是齒條間或軸齒輪間有毛刺 ,用刮刀刮去毛刺 ,清洗后再進行裝配便可排除故障; 可將活動齒條拆下 ,上下顛180 避開損壞部分進行裝配 ,一般可達到要求; 出現齒輪斷齒時 ,換同規(guī)格的齒輪 ,如果沒為新齒輪也可以用換下的舊齒輪代替 ,根據百分表的傳動原理 ,將不同規(guī)格的百分表齒輪互換更換齒輪 ,量程小的齒輪與量程大的齒輪更換(將測量范圍是(05) mm 或(010) mm 與測量范圍是(03) mm 互換 ,將測量范圍是(05) mm 或(010)mm齒輪斷齒部位裝在(03) mm 齒輪的不工作部位)即可達到要求。百分表的示值超差的原因有: 值普遍超差; 回程示值超差; 個別示值超差。示值普遍超差為正值: 游絲