Расчёт и проектирование однооборотной рычажно-зубчатой измерительной головки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Московский государственный технологический университет

«СТАНКИН»

Кафедра «Информационно-измерительные системы и технологии»

Пояснительная записка к курсовому проекту

На тему

«Расчёт и проектирование однооборотной рычажно-зубчатой измерительной головки»

Разработал: студент гр. П-6-1

Кирилкин П.Г.

Проверил: научный руководитель

Шулепов А.В.

Москва 2012

Постановка задачи

Требуется спроектировать измерительную головку по принципиальной схеме при следующих данных:

Диапазон измерения: Dx=0,2 мм (+/-0,1)

Цена деления: i=0,002 мм

Регулировка нуля за счет поворота циферблата

Структура механизма

Размещено на http://www.allbest.ru/

Цена деления i=0,002 мм

Интервал делений c=0,8 мм

Диапазон измерений Dx=0,2 мм (+/-0,1)

Радиус циферблата 35 мм

Длинна стрелки Rстр=30 мм

Метод регулировки по МНК

РПМ sin - рычажный передаточный механизм синусного типа

КМ//sin МО - кулисный механизм с параллельными осями синусного типа модифицированный

ЗПМ - зубчатый передаточный механизм

ОУ - отчётное устройство

1) 2) 3)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

4)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Передаточная ф-ция:

Чувствительность:

Нелинейность:

Определение параметров отсчётного устройства

зубчатый цапфа диаметр натяжение

Проектирование удобно начинать с расчета и конструктивного оформления отсчетного устройства. По заданному габаритному размеру D=70 мм, на рисунке вычерчена конструкция узла отсчетного устройства с механизмом регулировки нуля.

Узел состоит из оправы с наружным диаметром 70 h12, которая по посадке 62 H7/f7 устанавливается на выточке корпуса головки и фиксируется в осевом направлении круглой пластиной, которая прикрепляется к корпусу с помощью трех винтов с конической головкой. На этой пластине необходимо нанести деления, обеспечивающие возможность регулировки нелинейности и передаточного отношения при снятом циферблате, то есть при свободном доступе к механизму. С лицевой стороны головки в гильзу до упора с этой пластиной вставляется циферблат. Здесь можно использовать посадку типа или , поскольку циферблат по наружному диаметру трудно изготовить точнее. На циферблат накладывается кольцо, резиновая прокладка и стекло. Все это фиксируется в осевом направлении двумя разрезными пружинными кольцами, вставленными в конусную выточку обоймы. Кольца одновременно служат указателями поля допуска. В гильзу же запрессован штифт 1,5 Пр, который входит в паз циферблата. Таким образом, при повороте гильзы по выточке корпуса 60 мм одновременно поворачивается и циферблат. Фиксация гильзы в требуемом положении производится сухарем и винтом, располагающимися в выточке корпуса. При завинчивании винта сухарь надежно защищает гильзу.

Конструкция отсчетного устройства определяет значение наибольшего диаметра видимой из-за элементов крепления стекла и циферблата части циферблата. Этот диаметр составляет 60 мм и поэтому длину стрелки можно принять равной R=30 мм.

Количество делений шкалы:

шт

Длина шкалы:

мм

Угол оборота:

Угол между соседними штрихами:

Угол между соседними штрихами (округлённый до минут):

Полный угол поворота указателя:

Интервал делений:

мм

Определение размеров звеньев механизма

1. При проектировании расчет погрешности ОУ не рассматривается, т.к. она практически не влияет на соотношение параметров рычажных и зубчатых мех-мов.

2. Требования к конструкции - соблюдение условия начального положения.

3. Должны быть предусмотрены элементы регулировки чувствительности и начального положения (нелинейности) - оси шарниров и центр сферы - на одной прямой.

4. Точностные характеристики элементов зубчатой передачи: однооборотная головка - сектор поворачивается на небольшой угол, учитывается циклическая погрешность сектора, если триб поворачивается на полный угол - кинематическая погрешность .

5. Схемные параметры рычажных передач коррелированны, т.е. взаимосвязаны.

Суммарная чувствительность рычажных ПМ:

Суммарная нелинейность рычажных ПМ:

Приведенная ко входу дисперсия погрешности и :

Условие минимизации погрешности:

|

Исходя из наших условий, выбираем

Значения параметров точности ЗК, , выбираем из ГОСТ 9178 по соответствующим степеням точности (с 4 по 7).

Плавность: триб - 5 ст. т.

сектор - 4 ст. т.

Кинематика: триб - 6-7 ст. т.

сектор - 5-6 ст. т.

Примем .

|

Примем

Примем , тогда.

Передаточное отношение (номинальная чувствительность):

; mтр=0,2 мм; zтр=20; rтр=4 мм

мм

Полученное значение почти на 30% меньше первоначального. Следовательно надо снова пересчитать все параметры с другим значением rсек.

Примем rсек=18 мм. В этом случае , примем его равным 6, т.е. .

Учитывая это получаем:

мм, мм.

Полученное значение отличается от первоначального менее чем на 2%.

Следовательно, окончательно принимаем следующие значения параметров:

Цена деления мм

Интервал делений мм

Диапазон измерений мм

Радиус циферблата 35 мм

Длина стрелки мм

Длина рычага РПМ sin типа мм

Расстояние между осями КМ // sin МO мм

Длина выходного рычага КМ // sin МO мм

Радиус сектора мм

Радиус триба мм

Параметры точности зубчатых колёс мм, мм

Количество делений шкалы шт

Длина шкалы мм

Полный угол поворота указателя (после округления)

Угол между соседними штрихами (округлённый до минут)

Интервал делений (после округления) мм

Передаточное отношение (номинальная чувствительность)

Угол поворота сектора

Конструктивное оформление прибора

Механизм прибора помещается в корпус, изготовленный из сплава АЛ-2 по ГОСТ 2685-75. Корпус головки изготавливается литьем с последующим отжигом и старением, корпус неразъемный и литье производиться под давлением. Такие корпусы наиболее экономичны при массовом производстве и крупносерийном производстве, обладают высокой прочностью и жесткостью.

Затем корпус покрывают защитным окисным твердым покрытием, после чего производят нанесение декоративного лакокрасочного покрытия - молотковой эмалью.

Циферблат покрывают белой эмалью, стрелки и отметки шкалы - черной краской. Цифры же покрываются черной и красной краской, для удобочитаемости проводимого отсчета.

Механизм собирается между двумя платами, в которых устанавливаются опоры осей.

Платы связаны между собой так, чтобы обеспечить соосность отверстий под опоры осей и определенный гарантированный осевой зазор.

В опорах, для снижения трения и уменьшения износа цапфы, подшипника изготавливают из искусственных или естественных минералов (агат, корунд, рубин). В эти камни торцами упираются оси, на которых крепятся рычаги и зубчатые колеса. Для того, чтобы установить рычаг на определенное место, на оси, на них делаются ступеньки, в упор к которым монтируются рычаги.

Нижняя плата крепиться винтами к корпусу на специальных втулках, которые, со стороны корпуса завальцовываются, а со стороны платы изготавливается зазор, для выставления на ноль механизма. Между собой платы соединяются тремя втулками и винтами. Втулки сажаются с натягом (), а затем развальцовываются в отверстиях нижней платы. Верхняя плата накладывается на втулки по посадке (), с тем, чтобы уменьшить возможные перекосы осей.

Регулировка передаточного отношения производиться поворотом, с помощью ключа, эксцентрикового вала с запрессованным в его торце шариком O1 мм, через который движение от штока передается рычагу механизма.

Регулировка нелинейности осуществляется при помощи винта, способного поворачивать ось сектора и кулисы, тем самым обеспечивая изменение (уменьшение) нелинейности функции преобразования механизма.

Для регулировки натяжения волоска внутренний его конец неподвижно крепится в прорези втулки на оси большого зубчатого колеса; а наружный конец крепиться с помощью конического штифта в цилиндрическом штифте, находящемся в крышке верхней платы. Для регулировки волоска следует немного ослабить конический штифт, т.е. наружное крепление волоска, и «протащить» волосок, тем самым изменив его натяжение.

Весь механизм состоит из рычажной и зубчатой передачи, зубчатая передача представляет собой зубчатый сектор, который контактирует с трибом.

Расчет дисбаланса

Используя средства AutoCAD, рассчитаем дисбаланс для кулисы. Для этого найдём центр масс каждой отдельной части кулисы в 3D:

плечо l=0,6мм

Общий объём кулисы: 367,76154

Масса кулисы: m==2,89 г

Вес кулисы:

Суммарный момент: М=

М=

Суммарный момент дисбаланса кулисы, приведённый к оси триба, будет равен:

Расчёт диаметра цапф

Кулиса г

Сектор г

Триб г

Самым тяжёлым является кулиса. При перегрузках в 2500g реакции в её опорах достигают значений:

Выбирая в качестве материала осей сталь У12А с допустимым напряжением изгиба кг/мм2, можно определить наименьшее допустимое значение диаметра цапф из условия:

Принимая , находим диаметр цапф осей:

мм

Окончательно принимаем d=0,8 мм.

Теперь найдём моменты трения в опорах от веса подвижных узлов:

Кулиса: г*мм

Сектор: г*мм

Триб: г*мм

Суммарный момент трения, приведённый к оси триба:

Суммарный момент трения и дисбаланса будет равен:

г*мм

Найдём первое приближение к минимальному моменту волоска:

г*мм

Максимальное значение момента волоска найдём, задаваясь углом начального закручивания волоска , тогда:

г*мм

Расчёт волоска

Перед началом расчета необходимо заметить, что ввиду больших габаритов, узлы кулисы и сектора выполнены из дуралюминия, с последующим упрочнением в виде закалки и старения, что придает этому сплаву твердость сравнимую со сталью, а плотность при этом равна .

Исходя из того, что сила реакции площадки на сферу синусного механизма должна быть не меньше чем ?N = 0.2 Н при перемещении штока на полный диапазон измерения, можно определить минимальную силу реакции площадки на сферу кулисного синусного механизма, являющегося замыкающим звеном рычажной передачи.

Это соотношение показывает влияние оказывает ?N на ?F при передаче усилия по рычагам механизма.

Зная указанные длины рычагов можно посчитать усилие ?F:

Зная усилие, которое должно обеспечиваться волоском на данной рычажной передаче, можно рассчитать его на оси волоска. Для этого используется следующая формула, основанная на передаточных отношениях каждой зубчатой пары.

Данное соотношение показывает момент волоска, необходимый для обеспечения усилия ?N на входе механизма.

Необходимо так же учесть действие силы трения в опорах механизма, но при их расчете можно заметить, что действие этих сил мало. Поэтому можно задаться коэффициентом k = 2 для полученного момента, чего вполне хватит чтобы погасить действие сил трения в опорах механизма.

Для расчета толщины, ширины и количества витков волоска необходимо задаться некоторыми параметрами:

предел прочности.

модуль упругости материала.

и внутренний и наружный диаметры волоска, которые выбираются из габаритных соображений.

коэффициент запаса прочности.

отношение шага пружины к толщине.

- начальный угол поворота стрелки основного отчетного устройства.

- конечный угол поворота стрелки основного отчетного устройства.

Толщина волоска:

D1=6 мм, D2=1,5 мм.

Волосок изготавливается из проволоки из оловянно-цинковой бронзы Бр.ОЦ44 по ГОСТ 522150 или из другого подходящего материала.

кг/мм2, Е=13000 кг/мм2.

Принимаем k1=2, k2=6.

Тогда толщина будет равна:

мм

Ширина волоска:

мм

Из ГОСТ 5225-50 выбираем проволоку с диаметром, отвечающим условию:

мм

Подходит проволока диаметром 0,3 мм, которую следует прокатать до толщины h=0,022 мм. Ширина ленты при этом окажется:

мм

Шаг спирали:

мм

Число витков:

шт

Длина волоска:

мм

Окончательные максимальный и минимальный моменты волоска:

кг*мм

кг*мм

Погрешности

Максимальная погрешность округления при отсчете долей делений шкалы в единицах перемещения штока:

Погрешность от эксцентриситета шкалы:

Данная погрешность зависит от посадки стрелки на ось, которая делается с малым зазором, равным не более 0.005 мм. Таким образом формула для расчета данной погрешности имеет следующий вид:

Погрешность от параллакса:

Погрешность от параллакса компенсируется путем замены обычной стрелки отсчетного устройства на антипараллаксную стрелку, изготавливаемую специальным образом.

Наконечник стрелки изгибают так, чтобы расстояние между стрелкой и шкалой было минимальным, что практически сводит погрешность от параллакса к нулю.

Определение погрешности обратного хода:

Наличие зазоров и трения в опорах элементов передаточного механизма вызывает появление погрешности обратного хода, проявляющейся в том, что показания прибора оказываются различными при подходе к данному значению измеримой величины со стороны больших или меньших ее значений.

Суммарное значение погрешности обратного хода находится как:



=0.00073 мм

Максимальная циклическая погрешность сектора в единицах перемещения измерительного стержня:

Погрешность зубчатой передачи приведенная ко входу:

а) Для сектора значение погрешности из ГОСТ 9178-81: , значит погрешность сектора, приведенная к входу вычисляется по формуле:

б) Для триба значение погрешности из ГОСТ 9178-81:

Погрешности направления зубьев триба и сектора, определяющие норму контакта зубьев. Поскольку ширина зубьев очень мала, погрешности направления зубьев можно принять равными погрешностям профиля по нормам плавности соответствующей степени точности.

Погрешности направления зубьев проявляются при перемещениях осей зубчатых элементов в пределах осевого зазора и составляют:

а) для триба

б) для сектора

Эти погрешности могут принимать только максимальные значения, поэтому их дисперсии равны квадратам этих значений:

; /2 - 19/

Еще одна погрешность, связанная с наличием осевого зазора, возникает при возможных перекосах штифта 0,8 мм, передающего движение от первого рычага на зубчатый сектор. Если этот перекос составляет мкм на 1 мм длины, то вызванная им погрешность составляет:

где - максимальное значение осевого зазора, которое можно принять равным /см. рис 14/ 0,005 мм. Значение перекоса найдем из следующих соображений. Перекос осей триба и рычага может достигать.

Сектор и пластину со штифтом можно запрессовать на оси с перекосами порядка . Той же величины может достигать и перекос штифта относительно пластины. Поэтому предельное значение общего перекоса должно иметь порядок:

Поскольку погрешность может принимать только свои крайние значения, ее дисперсия равна:

Обоснование выбора материала

1. В качестве материала для изготовления триба и зубчатого сектора выбираем сталь марки Сталь У10 ГОСТ 1435-99, с термообработкой (каление, HRC 48-50), а для гильзы - Сталь 40Х ГОСТ 4543-71. Для гильзы берём пруток диаметром 8 мм, для триба - 6 мм. Такой выбор обусловлен требованием достаточной жёсткости материала при эксплуатации соответствующих элементов. Также поверхность триба покрываем слоем хрома с подслоем сил-никеля - Насл.9.Х.б (хромовое покрытие толщиной 0,5-1 мкм, блестящее, с подслоем сил-никеля толщиной 9 мкм).

2. Для изготовления волоска выбираем оловянно-оцинкованную бронзу Бр.ОЦ-4-4 ГОСТ 5221-50 или другой подходящий материал.

3. Для верхней и нижней платы, а также для колонок (3 шт) выбираем материал - латунь марки ЛС 59-1 ГОСТ 15527-70. Это обусловлено относительной лёгкостью, простотой его обработки, а также дешевизной материала.

4.Для циферблата используем Ст.35. Поле шкалы покрываем нитролаком молочно-белого цвета, штрихи наносим краской чёрного цвета.

5.Корпус прибора изготавливается из сплава АЛ-2 по ГОСТ 2685-75. Корпус головки изготавливается литьём с последующим отжигом и старением, корпус неразъёмный и литьё производится под давлением. Такие корпусы наиболее экономичны при массовом производстве и крупносерийном производстве, обладают высокой прочностью и жёсткостью. Далее корпус покрывают защитным окисным твёрдым покрытием, после чего производят нанесение лакокрасочного покрытия - молотковой эмали.

Приложение

Размещено на Allbest.ur