師潤平,王貴永

(1.賀州學院,廣西賀州 542899;2.都江堰市大陽量具有限公司,四川都江堰 611800)

全指針讀數(shù)卡尺指示表的傳動機構設計與研究*

師潤平1,王貴永2

(1.賀州學院,廣西賀州 542899;2.都江堰市大陽量具有限公司,四川都江堰 611800)

帶表卡尺是百分表的一種變形結構,現(xiàn)有帶表卡尺存在使用不方便和制造過程污染環(huán)境的缺陷。公英制雙讀數(shù)卡尺指示表通過巧妙的傳動機構設計解決了用一把卡尺進行公英制兩種計量單位的測量問題,在此傳動原理的基礎上,結合鐘表計數(shù)原理設計的全指針讀數(shù)卡尺指示表,讀數(shù)方便,不需要電池,并可避免卡尺制造過程中的污染環(huán)境和有害作業(yè),是一種新型環(huán)保節(jié)能卡尺指示表,詳細介紹了全指針讀數(shù)卡尺指示表的傳動原理、機構設計和主要傳動零件的參數(shù)計算方法。

卡尺指示表;傳動原理;機構設計

1 問題的提出

帶表卡尺,也叫附表卡尺,它將被測尺寸引起的直線位移,經(jīng)過齒條齒輪傳動后轉換為指針在刻度盤上的角位移,并進行了放大、細分,從而能在刻度盤上清楚讀出被測尺寸,因此與游標卡尺相比,讀數(shù)方便性有較大改進[1-6]。帶表卡尺常用指示表的分度值有0.01 mm、0.02 mm兩種(見圖1)。指示表指針旋轉一周所指示的長度,分度值為0.01 mm的卡尺是1 mm,分度值為0.02 mm的卡尺是2 mm。

圖1 常用的帶表卡尺

現(xiàn)有帶表卡尺在制造使用過程中存在以下問題:

(1)使用不便 使用帶表卡尺測量時,被測尺寸的整數(shù)部分從尺身刻度線上讀出,小數(shù)部分則由指示表指針讀出,所以仍存在讀數(shù)較慢和容易出錯的問題。數(shù)顯卡尺雖然可以實現(xiàn)全讀數(shù),但在機械加工生產現(xiàn)場穩(wěn)定性差、使用壽命短,同時還要消耗電池。

(2)污染環(huán)境 卡尺尺身刻度線的制作過程中需要鍍暗鉻和黑鉻,其中使用的主要原料是鉻酐(學名三氧化鉻),鉻酐的毒性較大并有強酸性及腐蝕性。鉻酐還對人體有致癌的作用。

2 公英制雙讀數(shù)卡尺指示表的傳動原理設計

根據(jù)所采用計量單位的不同,帶表卡尺又有公制和英制之分[7]。我國采用公制計量,但許多國家采用英制計量。因此,有時就需要進行公制和英制兩種讀數(shù)的轉化,或使用兩把卡尺計量,很不方便。公英制雙讀數(shù)的帶表卡尺,可以解決這個問題,下面介紹公英制雙讀數(shù)的卡尺指示表的傳動原理設計。

2.1 前提條件分析

(1)實現(xiàn)在一個指示表上同時得到公英制兩種讀數(shù),有兩種形式可供選擇[8]:①雙指針用同一刻度,如手表;②雙指針用不同刻度。第一種形式要求兩種讀數(shù)單位存在整數(shù)比,如1 h=60 min。而卡尺的公英制計量單位之比為0.0127(0.001″)/0.01=1. 27,不能是整數(shù)比,所以只能選擇第二種形式。

(2)式(1)為卡尺指示表傳動原理的數(shù)學公式。在相同的輸入量條件下,公英制兩套位移傳遞系統(tǒng)的輸出量—角位移不同(每圈量程不同),因此兩套系統(tǒng)傳動比必然不相同,式(2)為公制公式,式(3)為英制公式。

公英制指示表的輸入齒輪Z2和Z2′的齒數(shù)和模數(shù)都不相同,為了簡化機構,兩套系統(tǒng)必須采用同一輸入端,即合并Z2和Z2′(以下都用Z2表示)。所以實現(xiàn)的途徑只能是選擇齒輪Z2的齒數(shù)、模數(shù)和另外兩個齒輪的齒數(shù)比。

(3)從空間和成本角度考慮,新指示表還不能增加傳動級數(shù),仍為二級傳動,即 (Z1+Z3)×m= (Z′1+Z′3)×m′,m和m′為模數(shù),可以取m=m′,也可以取m≠m′。

圖2為所示為指示表的傳動原理簡圖。

圖2 公/英制指示表傳動原理簡圖

拉動卡尺時,固定在尺身上的齒條便撥動與之相嚙合的齒輪Z2轉動,則Z2齒輪的轉動帶動與之同軸的齒輪Z3、Z3′同時轉動,Z3的轉動便撥動與之相嚙合的齒輪Z1轉動,Z1的轉動便帶動與之同軸的指針B轉動;Z3′的轉動便撥動與之相嚙合的齒輪Z1′轉動,Z1′轉動便帶動與之同軸的指針A轉動。測量者便可根據(jù)指針B與指針A的轉動角度讀出測量值。

2.2 計算過程[9]

(1)根據(jù)前面的分析,Z2和 Z2′合并后,Z2= Z2′,P=P′,用式(3)除以式(2)得:

式(4)中127是質數(shù),齒數(shù)只能為整數(shù),因此Z3(假設其為較大齒輪)只能取127的倍數(shù),先假定Z3=127。

(2)把Z3=127代入式(2)得:

分別代入量表制造業(yè)中常用節(jié)距P=0.635,0. 625,0.5,0.34159后,可得:Z1×Z2=400,406.4,504, 808.5。顯然只有P=0.635合適,因此確定P=0. 635,Z1×Z2=400。

(3)將P=P′=0.635代入式(3)得:

滿足Z1×Z2=400,且有實際意義的Z2值有8, 10,16,20,25,40和50。分別代入式(6)和(8)求解Z1′和Z3′。

Z2=50時有整數(shù)解(10,125);Z2=8時有整數(shù)解(59,118),其它值無整數(shù)解。

Z2直接與齒條嚙合,取Z2=8比較合適。至此,各參數(shù)都已確定。

齒條和Z2節(jié)距P=0.635,Z1=50,Z2=8,Z3= 127,Z1′=59,Z3′=118,其余齒輪的模數(shù)根據(jù)指示表總體尺寸選取,最小取0.1。

需要說明的是:①在上述計算過程中,式(8)也可以用式(7)代替,取m≠m′,用常用的幾種模數(shù)組合計算,計算過程比較煩瑣,在此略去;② 可以利用齒輪變位微調節(jié)中心距[10],所以式(8)也可以調整為:Z3+Z1±1=Z3′+Z1′(中心距調整范圍1 mm),從而可以得到其它參數(shù)組合。如:P=0.635,Z1=40,Z2=10,Z3=127,Z1′=48,Z3′=120。

3 全指針讀數(shù)卡尺指示表的傳動原理設計

3.1 全指針讀數(shù)卡尺指示表的設計思路

現(xiàn)有卡尺測量尺寸時,整數(shù)部分從尺身刻度讀數(shù),小數(shù)部分從指示表讀數(shù)。借鑒鐘表的時、分、秒共用一個刻度盤的原理。整數(shù)的計數(shù)單位是1,取小數(shù)的計數(shù)單位為0.01,二者存在100的整數(shù)進位關系,將刻度盤劃分為100等份,就可以用一個指針指示小數(shù)讀數(shù),另一個指針(可用顏色或長短區(qū)分)指示整數(shù)讀數(shù),全部讀數(shù)都從表上讀出,稱之為全指針讀數(shù)卡尺指示表。

3.2 全指針讀數(shù)卡尺指示表的理論計算公式

這種表的傳動原理與雙讀數(shù)卡尺指示表相似,也是從同一輸入端引出兩套傳動系統(tǒng)輸出不相同的量,其傳動關系可用下列數(shù)學關系式表示:一套傳動系統(tǒng)的輸出量是每圈量程1 mm,分度值為0.01 mm,另一套是100 mm和1 mm,兩套系統(tǒng)的Z1齒輪和Z3齒輪的齒數(shù)比相反,中心距完全相同。

3.3 全指針讀數(shù)卡尺指示表的傳動機構設計

如圖3所示,左軸上齒輪1、左軸中齒輪13和左軸下齒輪3固定在左軸上,中軸上齒輪2、中軸中齒輪6和中軸下齒輪5固定在中軸上,右軸上齒輪8和右軸中齒輪12固定在右軸上。

左軸上齒輪1與中軸上齒輪2相嚙合,中軸中齒輪6與右軸上齒輪8相嚙合。中軸下齒輪5分別和左軸中齒輪13及右軸中齒輪12相嚙合。各齒輪的齒數(shù)分別為:Z1=10,Z2=100,Z3=16,Z5=10,Z6= 22,Z8=88,Z12=100,Z13=100。

左軸下齒輪3與一個齒條相嚙合,最終把齒條的線位移放大并轉化為角位移,然后通過指針和刻度讀出位移量。右軸中齒輪12和右軸下齒輪(圖中未編號)不參與傳遞精度,只用于安裝消隙和減振零件。

圖3 全指針讀數(shù)卡尺指示表傳動原理簡圖

測量工件時,齒條發(fā)生運動,與齒條嚙合的齒輪3開始轉動,與齒輪3同軸的左軸上齒輪1和左軸中齒輪13也開始同步轉動。

當齒輪1轉動1圈時,由于Z1/Z2=1/10,齒輪2轉動1/10圈,當齒輪13轉動1圈時,由于Z13/Z5= 10/1,齒輪5轉動10圈,因此齒輪2(與整數(shù)指針11同步)和齒輪5與(與小數(shù)指針10同步)的角位移之比為1/100,即整數(shù)指針11轉過1/100圈時,小數(shù)指針10轉過1圈。當刻度盤分為100格時,小數(shù)指針轉過每格的位移為0.01 mm,整數(shù)指針轉過每格的位移為1 mm。

又由于Z2與Z6同步轉動,Z6/Z8=1/4,所以Z2(與整數(shù)指針11同步)轉過1圈時Z8(與百位數(shù)指針9同步)轉動1/4圈。

所以小數(shù)指針每轉動1圈,整數(shù)指針轉動1/100圈,百位數(shù)指針轉動1/400圈。當表盤均分為100等份時,小數(shù)指針每轉動1圈,整數(shù)指針轉動1格。當整數(shù)指針轉動1圈以上時,百位數(shù)指針轉動1/4圈以上,100～400 mm位移可由百位數(shù)指針讀出。圖4為全指針讀書卡尺指示表效果圖。

圖4 全指針讀數(shù)卡尺指示表效果圖

3.4 使用方法

量程小于100 mm時,可以省去百位數(shù)讀數(shù)機構。讀數(shù)方法是:先讀整數(shù)指針(黑色)轉過的刻度線(每格表示1 mm),再讀小數(shù)指針(紅色)轉過的刻度線(每格表示0.01 mm),然后兩者相加,即得到所測量的數(shù)值,不需要百位數(shù)讀數(shù)機構。量程大于100 mm時,增加百位數(shù)讀數(shù)機構(見圖3)。

這種設計原理可推廣至分度值為0.001″量程為0.1″英制卡尺和其他參數(shù)形式的卡尺,在此略去。

4 結 論

(1)全指針讀數(shù)卡尺指示表具有讀數(shù)快捷方便和不易出錯的新功能。

(2)全指針讀數(shù)卡尺指示表可以省去帶表卡尺制造中的鍍暗鉻和鍍黑鉻工藝,避免操作工人的有害作業(yè)和對環(huán)境的污染。

(3)全指針讀數(shù)卡尺指示表能夠降低帶表卡尺的制造、使用成本,節(jié)約能源。

(4)全指針讀數(shù)卡尺指示表在設計原理上是可以實現(xiàn)的,在具體結構上也是可行的。

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Design and Research on the Transmission Mechanism of Pointer Reading Dial Caliper

SHI Run-ping1,WANG Gui-yong2
(1.Hezhou University of Technology,Hezhou Guangxi 542899,China; 2.Greatsun Measuring Tools Co.,Ltd,Dujiangyan Sichuan 611800,China)

The caliper indicator is a deformation structure of the dial indicator,and the existing dial caliper is not convenient for use and would pollute the environment in manufacturing process.The caliper with both metric and inch reading indicator solves the problem of showing both metric and inch units of measurement result by using one caliper,it is designed by a special transmission mechanism.Combining the principle of the clock counting pointer with the both metric and inch reading indicator,the pointer reading dial caliper is designed.It is a new type of caliper indicator with function of environmental protection and energy saving,and it is convenient for reading caliper without batteries,and can avoid the environmental pollution and harmful work in the manufacturing process of caliper.The transmission principle,mechanism design and calculation of parameters are introduced in detail in this paper.

caliper indicator;transmission principle;mechanism design

TH133

A

1007-4414(2015)05-0096-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.032

2015-07-21

師潤平(1968-),男,陜西清澗人,博士,研究員,研究方向:切削刀具、量具設計、制造工藝及其應用。