師潤平,王貴永

(1.賀州學(xué)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(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究*

師潤平1,王貴永2

(1.賀州學(xué)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(jié)構(gòu),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(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了用一把卡尺進(jìn)行公英制兩種計(jì)量單位的測量問題,在此傳動(dòng)原理的基礎(chǔ)上,結(jié)合鐘表計(jì)數(shù)原理設(shè)計(jì)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(xì)介紹了全指針讀數(shù)卡尺指示表的傳動(dòng)原理、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要傳動(dòng)零件的參數(shù)計(jì)算方法。

卡尺指示表;傳動(dòng)原理;機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(dòng)后轉(zhuǎn)換為指針在刻度盤上的角位移,并進(jìn)行了放大、細(xì)分,從而能在刻度盤上清楚讀出被測尺寸,因此與游標(biāo)卡尺相比,讀數(shù)方便性有較大改進(jìn)[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(zhuǎn)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(shí),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(cuò)的問題。數(shù)顯卡尺雖然可以實(shí)現(xiàn)全讀數(shù),但在機(jī)械加工生產(chǎn)現(xiàn)場穩(wěn)定性差、使用壽命短,同時(shí)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(xué)名三氧化鉻),鉻酐的毒性較大并有強(qiáng)酸性及腐蝕性。鉻酐還對(duì)人體有致癌的作用。

2 公英制雙讀數(shù)卡尺指示表的傳動(dòng)原理設(shè)計(jì)

根據(jù)所采用計(jì)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(jì)量,但許多國家采用英制計(jì)量。因此,有時(shí)就需要進(jìn)行公制和英制兩種讀數(shù)的轉(zhuǎn)化,或使用兩把卡尺計(jì)量,很不方便。公英制雙讀數(shù)的帶表卡尺,可以解決這個(gè)問題,下面介紹公英制雙讀數(shù)的卡尺指示表的傳動(dòng)原理設(shè)計(jì)。

2.1 前提條件分析

(1)實(shí)現(xiàn)在一個(gè)指示表上同時(shí)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(jì)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(dòng)原理的數(shù)學(xué)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(dòng)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(jī)構(gòu),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(shí)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(gè)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(dòng)級(jí)數(shù),仍為二級(jí)傳動(dòng),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(dòng)原理簡圖。

圖2 公/英制指示表傳動(dòng)原理簡圖

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

2.2 計(jì)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(zhì)數(shù),齒數(shù)只能為整數(shù),因此Z3(假設(shè)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(shí)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(shí)有整數(shù)解(10,125);Z2=8時(shí)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(jì)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(jì)算,計(jì)算過程比較煩瑣,在此略去;② 可以利用齒輪變位微調(diào)節(jié)中心距[10],所以式(8)也可以調(diào)整為:Z3+Z1±1=Z3′+Z1′(中心距調(diào)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(dòng)原理設(shè)計(jì)

3.1 全指針讀數(shù)卡尺指示表的設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)有卡尺測量尺寸時(shí),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(shí)、分、秒共用一個(gè)刻度盤的原理。整數(shù)的計(jì)數(shù)單位是1,取小數(shù)的計(jì)數(shù)單位為0.01,二者存在100的整數(shù)進(jìn)位關(guān)系,將刻度盤劃分為100等份,就可以用一個(gè)指針指示小數(shù)讀數(shù),另一個(gè)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(jì)算公式

這種表的傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)輸出不相同的量,其傳動(dòng)關(guān)系可用下列數(shù)學(xué)關(guān)系式表示:一套傳動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(gè)齒條相嚙合,最終把齒條的線位移放大并轉(zhuǎn)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(hào))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(dòng)原理簡圖

測量工件時(shí),齒條發(fā)生運(yùn)動(dòng),與齒條嚙合的齒輪3開始轉(zhuǎn)動(dòng),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(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)1圈時(shí),由于Z1/Z2=1/10,齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)1/10圈,當(dāng)齒輪13轉(zhuǎn)動(dòng)1圈時(shí),由于Z13/Z5= 10/1,齒輪5轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)過1/100圈時(shí),小數(shù)指針10轉(zhuǎn)過1圈。當(dāng)刻度盤分為100格時(shí),小數(shù)指針轉(zhuǎn)過每格的位移為0.01 mm,整數(shù)指針轉(zhuǎn)過每格的位移為1 mm。

又由于Z2與Z6同步轉(zhuǎn)動(dòng),Z6/Z8=1/4,所以Z2(與整數(shù)指針11同步)轉(zhuǎn)過1圈時(shí)Z8(與百位數(shù)指針9同步)轉(zhuǎn)動(dòng)1/4圈。

所以小數(shù)指針每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈,整數(shù)指針轉(zhuǎn)動(dòng)1/100圈,百位數(shù)指針轉(zhuǎn)動(dòng)1/400圈。當(dāng)表盤均分為100等份時(shí),小數(shù)指針每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈,整數(shù)指針轉(zhuǎn)動(dòng)1格。當(dāng)整數(shù)指針轉(zhuǎn)動(dòng)1圈以上時(shí),百位數(shù)指針轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí),可以省去百位數(shù)讀數(shù)機(jī)構(gòu)。讀數(shù)方法是:先讀整數(shù)指針(黑色)轉(zhuǎn)過的刻度線(每格表示1 mm),再讀小數(shù)指針(紅色)轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)。量程大于100 mm時(shí),增加百位數(shù)讀數(shù)機(jī)構(gòu)(見圖3)。

這種設(shè)計(jì)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(jié) 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(cuò)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(duì)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(shè)計(jì)原理上是可以實(shí)現(xiàn)的,在具體結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)、制造工藝及其應(yīng)用。