哈理工百分表设计报告

哈尔滨理工大学
课程实践
题目：机械式百分表设计
姓名：x x x xx
班级：测控12-5班
学号：xxxxxxxxxxx
指导教师：
成绩：
2015年6 月4日
目录
一、机械式百分表设计任务书 (3)
1.1 课程设计的目的及其意义 (4)
1.2 百分表设计任务书 (4)
1.2.1技术要求 (4)
1.2.2设计内容 (5)
二、百分表的用途及其工作原理 (6)
2.1 百分表的用途 (6)
2.2 百分表的组成 (6)
2.3 工作原理 (7)
三、任务和方案比较分析 (8)
3.1 百分表的装置组成 (8)
3.2 百分表的结构分析及方案确定 (8)
3.2.1示数装置：由标尺、指针等构成。

(8)
3.2.2 传动装置 (9)
3.2.3 消除回空误差装置 (9)
3.2.4 产生测量力装置 (9)
3.2.5其他辅助设计的设计 (9)
四、各机构设计参数的确定和计算 (11)
4.1传动系统的设计计算 (11)
4.2 示数装置的设计与计算 (14)
4.3 游丝的设计与计算 (15)
4.3.1 计算轴在水平放置和垂直放置的摩擦力矩 (15)
4.3.2 轴Ⅱ的摩擦力矩的2f M 的计算 (16)
4.3.3消除空回游丝设计 (19)
4.4 产生测量力矩机构的设计与计算 (20)
4.5 表体设计 (22)
五、百分表的优缺点及其改进意见 (22)
5.1 百分表的优点： (22)
5.2 百分表的缺点： (22)
5.3 改进意见及其他需要说明的问题 (23)
5.4 百分表的简单使用说明 (23)
5.5 百分表设计结果图 (24)
六、 仪器仪表控制机箱面板设计 (26)
七、 设计参考资料 (27)
八、 学习心得 (28)
一 、机械式百分表设计任务书
1.1 课程设计的目的及其意义
本课程实践主要培养学生的认知能力、设计能力及计算机绘图能力等，教学目的在于培养学生综合运用工程制图、精密机械基础、误差理论与数据处理、仪器制造工艺学、仪器设计基础、自动化仪表设计基础等先修课程的知识和操作技能，进行仪器仪表结果设计及其AutoCAD 计算机辅助设计绘图，以进一步巩固，加深和拓宽所学的知识。

通过课程实践，使学生逐步学会运用CAD 快捷准确地绘制仪器仪表结构设计图，学习、熟练并掌握利用AutoCAD 完成计算机辅助绘图设计，掌握二维工程图的绘制方法。

通过零件图、装配图等的绘制，进一步理解、巩固所学的知识，为后续课程的学习和仪器仪表设计及毕业设计打下良好的基础，也为在今后的工作中应用计算机绘图做基本技能的训练，并培养学生团队组织，协作能力，锻炼其处理问题的综合能力和素质。

课程实践的实质是学习AutoCAD 计算机辅助设计绘图软件，并运用前期基础知识进行仪器仪表拆装、结构分析、设计计算及完成仪器仪表的结构复现。

课程实践过程中涉及的结构设计程序并不是一成不变的，仪器仪表结构设计的方案分析、设计计算和绘图有时会交替进行。

某些设计需要联系实际问题和应用背景条件不断加以修改及优化。

随着工业和技术的发展，各种元器件、机构、产品、材料等各方面的标准不断更新或扩大，设计时凡是形成标准的，注意首先选用。

1.2 百分表设计任务书
1.2.1技术要求
（1）百分表的测量范围为0～10mm ，分度值为0.01mm 。

（2）量杆行程至少应超过工作行程0.5mm 。

（3）百分表的外壳直径不大于60mm ，装卡部分直径为87h φ装卡部分长度16≥mm 。

（4）百分表的测量力在0.49N～1.47N范围，同一点正反向测量力之差不大于0.45N。

（5）本百分表为一级精密百分表。

其示值误差、回程误差和示值变化要求如下：○1全量程示值误差不大于0.020mm；
○2任意一毫米示值误差不大于0.009mm；
○3机构空回误差不大于0.005mm；
○4示值变化不大于0.003mm。

1.2.2设计内容
（1）总装配图一张（一号图纸）
（2）零件图1～2张（四号图纸）
（3）设计说明书一份
表1-1 设计进度
二、百分表的用途及其工作原理
2.1 百分表的用途
机械式百分表是齿轮传动式测微指示表，主要用作比较测量，也能用作绝对测量，也可用于精密机械仪表及工件的形位误差（如平行度、圆度、对称度等）进行精密测量，也可对产品进行检验、安装、鉴定，其测量精度较高，可达0.01mm。

但由于百分表分度较小，故不能对较大尺寸进行测量。

2.2 百分表的组成
百分表通常由测头，量杆，弹簧，齿条，齿轮，游丝，表盘及指针等组成。

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、位置误差以及小位移的长度测量等。

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，即分度值为0.01mm，测量范围为0-3、0-5、0-10 mm。

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。

如用杠杆代替齿条则可制成杠杆百分表和杠
杆千分表，其示值范围较小，但灵敏度较高。

此外，它们的测头可以在一定角度内转动，能适应不同方向的测量，结构也紧凑。

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。

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。

图2-1 百分表组成图
2.3 工作原理
被测尺寸（或偏差）引起测杆微小直线移动，经过齿轮传动和放大，变为指针在刻度盘上的传动，从而直接读出被测尺寸（或偏差的）的大小。

下图2-2为百分表传动示意图。

百分表的齿条和齿轮的模数0.199m mm =，当测杆被工件抬高1mm 时，齿条上升1.6齿(1/()1/(0.199) 1.6m ππ==)，由于齿轮2z 是16齿，所
以齿条推动齿轮2z 转动1/10转。

与2z 同轴的大齿轮3z 是100齿，所以3z 转过10齿。

小齿轮1z 是10齿，经3z 带动后，1z 以及固定在其轴上的长指针正向转过一周，因为刻度盘为100等分，故当测杆移动1mm 时，长指针转过100个分度，从而将微小移动转化为指针的转动。

由此可见，指针转过一个分度，就相当于测杆转动0.01mm 。

图2-2百分表传动示意图
三、任务和方案比较分析
3.1 百分表的装置组成
百分表有示数装置、传动装置、消除误差装置，产生测量力装置，防震装置及轴承板导槽、导轨装置组成。

3.2 百分表的结构分析及方案确定
3.2.1示数装置：由标尺、指针等构成。

标尺：直标尺、圆盘标尺、螺旋标尺、鼓轮标尺。

根据百分表的结构特点，选用圆盘标尺度盘。

指针：一般有同心指针、不同心指针，根据百分表结构简单的特点，选用不同心指针。

度盘颜色：一般用黑、白、灰、黄等几种颜色，一般选用白色，加上黑刻线，显得清
楚明朗。

3.2.2 传动装置
百分表具有外形要求小，内部紧凑，传动精度高的特点。

选用齿轮传动键，其放大倍数为2/K R S π=（R 为指针半径，S 为百分表量程）。

3.2.3 消除回空误差装置
消除空回误差的方法，常用的有：利用弹簧消除侧隙，固定双片齿轮，利用接触游丝，调整中心距等。

考虑到百分表的结构特点实现的难易程度，选用接触游丝消除侧隙的方法。

将游丝装在一根轴上，利用其产生的反力矩，迫使各级齿轮再传动时总在固定的齿面啮合，从而消除了侧隙对空回的影响。

为了消除轴和轴承之间的摩擦力，游丝安装时应具有初应力，则应从开始位置时系统力就封闭，其初始应力通过游丝的初始位置转过
2π
转角来决定。

3.2.4 产生测量力装置 该装置有三种：利用扭簧、利用拉簧、利用拉簧杠杆、滚轮组合。

利用拉簧的装置往往被表面结构限制，因为要产生足够大的测量力，其旋转圈数就须增加，则结构体积变大。

利用拉簧的装置可占用小空间而产生比扭簧大的力，但拉簧需装在测杆上，当随着拉簧的不断拉长，会使测杆倾斜导致测杆与导轨的摩擦力增大，使测杆与导轨的间隙变小，直接影响测量精度，且表面易损伤。

利用拉簧-杠杆-滚轮组合的方式，能克服前者的不足，又能满足百分表的要求，故选用拉簧-杠杆-滚轮的组合结构。

该结构利用杠杆原理，使百分表在测量过程中测量力尽量小，测杆在工作中也较稳定，从而减小了测杆与导轨之间的摩擦，延长了使用寿命。

3.2.5其他辅助设计的设计
1）导轨
有铜材套及自接轴套两种，而前者使摩擦力有效地降低，故选用前者。

2）限动装置
限动装置用于控制仪器的工作范围，常用螺钉，滑道等限位，在本表中上限选用钉而下限位直接采用防限位。

3）防震装置
为了使百分表在震动情况下仍可以在较大震动下能自我保护，采用测杆上加一防震滑动块的方法，并使其通过有初应力的拉簧和装置中的齿条相连，当外力大于这个弹簧，的初应力时，拉弹簧带动震弹簧，拉伸防块与齿条相脱离，达到了防震的目的。

4) 防转装置
为了保证百分表数值的确定，在侧杆杆转动时示值变化不超过分度值的1/3，需采用防转装置，最简单的防转装置是运动件和承导件的接触。

表面上做出凸起和凹槽，利用一个大头螺钉装在运动件上，是螺钉帽与某一个平面相接触，靠两者之间的摩擦防止转动，另一个方法是利用辅助导面，这种方法可以更好的限制运动件转动，在防震装置中用了两个侧杆从连接防震滑块和齿条，在此装置中利用此两个辅助侧杆，辅助导面由于难以直接加工在壳件上，因此可用螺钉将型辅助导面固定在壳体上，侧杆和滑道间为间隙配合，要选自己并尽量减少侧杆与滑道之间接触面积，以减少摩擦力。

5) 轴承板（主夹板）
利用整体轴承板已达到结构紧凑易于加工以及精度高的目的，材料为H68，轴承采用旋转精度高，摩擦力小的宝石轴承。

6) 连接方式以及定位方式
本百分表采用螺纹连接及圆柱连接，指针套与轴采用圆锥销连接，定位方式采用圆柱锁定位。

7) 方案的确定
综上所述比较分析，本百分表方案如下：
由拉簧—杠杆—滚轮来产生测量力，用齿轮传动机构及表针来实现微小位移的放大，利用装在最后一级齿轮上的游丝来实现齿轮系统的无侧隙单面啮合，导轨采用青铜作衬套，防转系统用导槽来实现。

连接方式为螺纹连接，定位方式为圆柱销定位。

此方案能满足技术要求和使用要求。

四、各机构设计参数的确定和计算
4.1传动系统的设计计算
已知最大行程
Z
mm
S÷
=5
max，最大转角为
π
α=
max，
1
*=
a
h
,35
.0
*=
c,20
=
α,设计过程如下
表1 传动系统的设计过程
如果变位系数选择可能出现齿顶变齿、齿廓干涉一系列问题，因此选择变位系数应在如下基本限制条件下得到保证：
1不发生根切
2 不产生齿廓干涉
3 有足够的齿顶厚度Sa （0.25～0.4）m
4 有足够的重合度
1.4a ε
其中 ]tana'-tana Z tana'-tana /2[Z Sa 2211）
（）（+=π mva)]
-(mva 2r -/r S[r Sa a a a =
4.2 示数装置的设计与计算
1 大刻度盘
表2 大刻度盘的设计过程
2 小刻度盘
表3 小刻度盘的设计过程
4.3 游丝的设计与计算
4.3.1 计算轴在水平放置和垂直放置的摩擦力矩
轴的材料为T12，密度为38.25g/cm =ρ，齿轮的材料也为T12，齿宽为1mm ，齿轮轴I 的形状与尺寸如下图2。

图4-1 轴I 的形状与尺寸标注 表4 轴I 摩擦力矩计算过程
项目 计算及依据 结论
1 轴I 的体积 83.265I V =轴
3
I mm 265.83=轴V 2 齿轮II 的体积 3II mm 80.246=轮V
3
II mm 80.246=轮V
3 总体积 3mm 07.330=总V 3mm 07.330=总V
4 水平放置的摩擦力矩 m ·00265.0n •=N M
mm 00265.0⋅N 5 垂直放置的摩擦力矩
mm N M f ⋅=002.02
mm 002.0⋅N
根据上面的计算结果，水平放置时1f M 大，故取1f M 。

以下的两种轴的计算只需要计算水平放置时的摩擦力矩即可。

4.3.2 轴Ⅱ的摩擦力矩的
2
f M 的计算
图4-2 轴II 的形状与尺寸标注
表5轴II 摩擦力矩计算过程
3轴Ⅲ的计算游丝座的材料38.899n QS mm ρ=克，轴套为gCr18，37.9gmm ρ=。

表6 轴III 摩擦力矩计算过程
7 轴套重量 0.00023N
8 轴套体积 3
016.34/2.1 6.14.21415.3mm
V =⨯-⨯=）
（套 3.016mm 3
9 轴承重量
N G G F F 00228.0'33=++=套游
0.0228N 10水平放置的摩擦力矩
M f3=0.00226N ˙mm 0.00226N ˙mm
图4-3
将各轴的最大力矩折算到游丝轴上，当功从一根轴上传递到另一根轴上时，如果你忽略了阻力作用的功，应用是功的保持不变，则w M 常数。

取转换到游丝轴上的力矩
422432//W W M W W M M f f f ⨯+⨯=
10//3443==Z Z W W ,1//2442==Z Z W W
所以：
2.2260.0010.11100.001 2.650.001 0.00601f M N mm
=⨯+⨯⨯+⨯=⋅
取安全系数为3
则 mm N M M f mm ⋅==01803.03
max M 时的转角位5/2π，是π的五倍，则max min 50.09015M M N mm ==⋅。

4.3.3消除空回游丝设计
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。

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=8,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=5mm ，外f 径大小d2=17mm 。

游丝的总转角要求大于2π，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min M
m in M =（3-6)M
f
，
根据生产经验
f
M =0.0093mm N /。

故可取min M =4×0.0093， 游丝的最大转矩为1.448mm N /
力矩与转角ϕ，游丝宽度b ，厚度h 的关系为
ϕ
L Euh M 124
=（E 为材料的弹性模量，这里游丝的材料用锡青铜合金mm E /102.15
N ⨯=，根据上诉的数据可求得
mm h 12.0=,mm b 96.0=。

材料为锡铜合金
内径大小mm d 51= 外径大小mm d 172= 总圈数10=n 厚度mm h 12.0= 宽度mm b 6.9=
总长度
22
1d d n
L +=πmm 276=，考虑到其固定端的长度最终的加工长度为mm 310。

游丝的安装
4.4 产生测量力矩机构的设计与计算
百分表的弹簧为圆柱型拉伸弹簧。

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mm d 2.0=，旋绕比为10=C ，d D C /=，D 为弹簧的中径大小mm D 10=。

技术要求测力在N 47.149.0--之间，为克服机构内部摩擦，应选大于0.5N 力作为F1.技术要求规定测力变化不大于0.5N ，即5.021<-F F ，取N F N F 12,6.01==。

根据公式
游丝
齿轮6
2
2
111210λλF F F F ==-
可得mm 151=λ，mm 252=λ。

选择不锈钢丝为材料许用切应力843（N.mm-2 切边模量G=78000（N.mm-2
经验算，直径为0.2mm 的钢丝符合要求。

下面计算弹簧圈数：
3228C F d G n λ=
可取mm n 50=，即50圈。

弹簧的最终设计为： 簧丝的直径大小为d=0.2mm 中径D=2mm 旋绕比为10=C 有效环数50=n
自由长度mm d n 6.13d 2)1(1=++。

d
图3-5 拉伸弹簧
4.5 表体设计
在表体的上端压配上套筒，下端压配下套筒。

测杆可在铜套和中上下滑动。

挡帽用螺纹装在测杆的上端，起限位作用，也可在测量时用来提起测杆。

测头用螺纹装在测杆的下端。

挡块用螺钉固定在测杆上，用来限制测杆的行程。

导杆用来导向和防止测杆转动，它的一端以螺纹和测杆相连，另一端在导槽块的槽中滑动。

拉力弹簧拉测杆向下产生测力，它的两端分别挂在导杆和螺钉上。

五、百分表的优缺点及其改进意见
5.1 百分表的优点：
百分表的结构较简单，易于制造和维修，采用的是侧拉簧—杠杆—滚轮产生测量力的装置，采用了辅助面式防转装置，测杆防转效果好，同时还带有防震装置，使其在震动的环境下也能工作。

由于它的传动机构是齿轮系，故外廓尺寸小、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，提高了表的测量精度和扩大了使用范围，本表测量误差小，各表在保证精度前提下使用了经济性的材料，成本较低，大多数零件为标准件适合大量生产及修配。

5.2 百分表的缺点：
本表零件几乎全用金属件组成，比较重，齿轮传动系统由于个参数较小，制造起来不易。

回程误差较大，精度提高受到本身结构的限制，不易做精度很高的测量工作。

在我们做设计的百分表中所使用的是弹簧测力结构，虽然结构简单，易于加工，但由于其作用力与测杆受力不在同一个受力线上，故而会影响测量精度。

5.3 改进意见及其他需要说明的问题
本设计说明书中新用到数据由于资料有限，很多未进行标准化，为应分别单项计算的数据只是按设计思路进行的最佳选择。

这样难免会产生误差甚至错误。

另外，为使各要求指标达到设计的精度要求，衬套应使用铜合金之类的软材料，以减少测量力对测头冲击而影响精度。

现在有的百分表中，已经采用了恒定测力结构，利用杠杆-滑轮-弹簧结构使得测力的作用线与测杆测量时的受力方向相同，避免了因力的作用线不同而造成的测杆的配合间隙增大，减小了测量力对测量的影响。

5.4 百分表的简单使用说明
1. 使用前检查
1）. 检查表头的相互作用和稳定性。

2）. 检查活动测头和可换测头表面光洁,连接稳固。

2．读数方法
测量孔径,孔轴向的最小尺寸为其直径,测量平面间的尺寸,任意方向内均最小的尺寸为平面间的测量尺寸。

百分表测量读数加上零位尺寸即为测量数据。

3.正确使用
1）. 把百分表插入量表直管轴孔中,压缩百分表一圈,紧固。

2）. 选取并安装可换测头,紧固。

3）. 测量时手握隔热装置。

4）. 根据被测尺寸调整零位。

用已知尺寸的环规或平行平面（千分尺）调整零位,以孔轴向的最小尺寸或平面间任意方向内均最小的尺寸对0位,然后反复测量同一位置2-3次后检查指针是否仍与0线对齐,如不齐则重调。

为读数方便,可用整数来定零位位置。

5）. 测量时,摆动内径百分表,找到轴向平面的最小尺寸（转折点）来读数。

6）. 测杆、测头、百分表等配套使用,不要与其他表混用。

4.维护与保养
1）远离液体,不使冷却液、切削液、水或油与内径表接触。

2）. 在不使用时,要摘下百分表,使表解除其所有负荷,让测量杆处于自由状态。

3）. 成套保存于盒内,避免丢失与混用。

5.5 百分表设计结果图
主视图左视图
六、仪器仪表控制机箱面板设计
机箱面板平面图
机箱整体三维结构
机箱说明书
机箱基本尺寸：长30cm、宽22cm、高8cm。

开关电源尺寸（mm）：199*98*42。

主控制板基本尺寸（cm）：15*10*2，边缘位置8mm位置安装孔均匀分布，安装孔径为5mm。

数据处理板基本尺寸：10*8*2，边缘位置8mm位置安装孔均匀分布，安装孔径为5mm。

控制接口采用串口DB9—九针母头。

电源接口：矩形三脚大电源插座熔断管技术参数：保险丝熔断器
七、设计参考资料
[1] 裘祖荣.精密机械设计基础[M].北京：机械工业出版社，2007.
[2] 黄华梁，彭文生.机械设计基础[M].北京：高等教育出版社，2007.
[3] 张展.齿轮设计与实用数据速查[M].北京：机械工业出版社2009.
[4] 庞振基，黄其圣.精密机械设计[M].北京：机械工业出版社2004.
[5] 辛一行.现代机械设备设计手册[M].北京：机械工业出版，2000.
[6] 郑晨升.仪表机械结构设计[M].北京：化学工业出版社，2006.
[7] 王辉林，李莎莎. 基于LabVIEW的数显百分表测量系统[J].计量技
术.2008(6).
[8] 韦海盛，唐臻宇，耿海翔. 百分表的自动识别系统设计[J].微计算机信
息.2009(25).
[9] 浦照邦，王宝光.测控仪器设计[M].北京：机械工业出版，2007.
[10] 费业泰.误差理论雨数据处理[M].北京：机械工业出版，2010.
[11] 庞振基，精密机械及仪表零件手册[M].北京：机械工业出版社1993.
[12] 中文版Aoutcad2013实用培训教程。

八、学习心得
通过这次课程设计，我学到了CAD绘图软件的基本应用，绘制平面的器件制图，及剖视图等。

在工程中我了解到了百分表的使用方法、原理以及百分表的优缺点。

了解其每个零件的作用和尺寸大小。

并且参照成型的百分表设计了新的百分表，分析表内存在的的误差，测量误差大小，进一步计算误差，从而改善元件的精确度。

在这次的课程设计之中同时把误差处理，仪表设计，机械制图等课程应用于实践，增强了我们的动手能力，培养了我们的团队合作能力，在过程之中我遇到了许多难题，其中学习CAD软件是一个很大的困难，但在老师的帮助下，通过视频学习和自己的钻研成功的学会了用CAD绘制工程图纸。

同时通过查阅资料以及文献完整的对设计的百分表进行了系统性的分析。

非常感谢各位老师能组织我们这次课程设计，在课程设计中我们把理论与实践相结合，融会贯通了整个知识体系，从前很多有问题的地方都得到了解决，学到了更多的专业知识。

作为一个测控人，我已能设计仪表为自豪。

懂得了仪表在生活中重要的作用。

感谢各位老师在学习中的帮助，使我能成功的完成我的课程设计。