全指针读数卡尺指示表的传动机构设计与研究*

师润平,王贵永

(1.贺州学院,广西贺州 542899;2.都江堰市大阳量具有限公司,四川都江堰 611800)

全指针读数卡尺指示表的传动机构设计与研究*

师润平1,王贵永2

(1.贺州学院,广西贺州 542899;2.都江堰市大阳量具有限公司,四川都江堰 611800)

带表卡尺是百分表的一种变形结构,现有带表卡尺存在使用不方便和制造过程污染环境的缺陷。公英制双读数卡尺指示表通过巧妙的传动机构设计解决了用一把卡尺进行公英制两种计量单位的测量问题,在此传动原理的基础上,结合钟表计数原理设计的全指针读数卡尺指示表,读数方便,不需要电池,并可避免卡尺制造过程中的污染环境和有害作业,是一种新型环保节能卡尺指示表,详细介绍了全指针读数卡尺指示表的传动原理、机构设计和主要传动零件的参数计算方法。

卡尺指示表;传动原理;机构设计

1 问题的提出

带表卡尺,也叫附表卡尺,它将被测尺寸引起的直线位移,经过齿条齿轮传动后转换为指针在刻度盘上的角位移,并进行了放大、细分,从而能在刻度盘上清楚读出被测尺寸,因此与游标卡尺相比,读数方便性有较大改进[1-6]。带表卡尺常用指示表的分度值有0.01 mm、0.02 mm两种(见图1)。指示表指针旋转一周所指示的长度,分度值为0.01 mm的卡尺是1 mm,分度值为0.02 mm的卡尺是2 mm。

图1 常用的带表卡尺

现有带表卡尺在制造使用过程中存在以下问题:

(1)使用不便 使用带表卡尺测量时,被测尺寸的整数部分从尺身刻度线上读出,小数部分则由指示表指针读出,所以仍存在读数较慢和容易出错的问题。数显卡尺虽然可以实现全读数,但在机械加工生产现场稳定性差、使用寿命短,同时还要消耗电池。

(2)污染环境 卡尺尺身刻度线的制作过程中需要镀暗铬和黑铬,其中使用的主要原料是铬酐(学名三氧化铬),铬酐的毒性较大并有强酸性及腐蚀性。铬酐还对人体有致癌的作用。

2 公英制双读数卡尺指示表的传动原理设计

根据所采用计量单位的不同,带表卡尺又有公制和英制之分[7]。我国采用公制计量,但许多国家采用英制计量。因此,有时就需要进行公制和英制两种读数的转化,或使用两把卡尺计量,很不方便。公英制双读数的带表卡尺,可以解决这个问题,下面介绍公英制双读数的卡尺指示表的传动原理设计。

2.1 前提条件分析

(1)实现在一个指示表上同时得到公英制两种读数,有两种形式可供选择[8]:①双指针用同一刻度,如手表;②双指针用不同刻度。第一种形式要求两种读数单位存在整数比,如1 h=60 min。而卡尺的公英制计量单位之比为0.0127(0.001″)/0.01=1. 27,不能是整数比,所以只能选择第二种形式。

(2)式(1)为卡尺指示表传动原理的数学公式。在相同的输入量条件下,公英制两套位移传递系统的输出量—角位移不同(每圈量程不同),因此两套系统传动比必然不相同,式(2)为公制公式,式(3)为英制公式。

公英制指示表的输入齿轮Z2和Z2′的齿数和模数都不相同,为了简化机构,两套系统必须采用同一输入端,即合并Z2和Z2′(以下都用Z2表示)。所以实现的途径只能是选择齿轮Z2的齿数、模数和另外两个齿轮的齿数比。

(3)从空间和成本角度考虑,新指示表还不能增加传动级数,仍为二级传动,即 (Z1+Z3)×m= (Z′1+Z′3)×m′,m和m′为模数,可以取m=m′,也可以取m≠m′。

图2为所示为指示表的传动原理简图。

图2 公/英制指示表传动原理简图

拉动卡尺时,固定在尺身上的齿条便拨动与之相啮合的齿轮Z2转动,则Z2齿轮的转动带动与之同轴的齿轮Z3、Z3′同时转动,Z3的转动便拨动与之相啮合的齿轮Z1转动,Z1的转动便带动与之同轴的指针B转动;Z3′的转动便拨动与之相啮合的齿轮Z1′转动,Z1′转动便带动与之同轴的指针A转动。测量者便可根据指针B与指针A的转动角度读出测量值。

2.2 计算过程[9]

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

式(4)中127是质数,齿数只能为整数,因此Z3(假设其为较大齿轮)只能取127的倍数,先假定Z3=127。

(2)把Z3=127代入式(2)得:

分别代入量表制造业中常用节距P=0.635,0. 625,0.5,0.34159后,可得:Z1×Z2=400,406.4,504, 808.5。显然只有P=0.635合适,因此确定P=0. 635,Z1×Z2=400。

(3)将P=P′=0.635代入式(3)得:

满足Z1×Z2=400,且有实际意义的Z2值有8, 10,16,20,25,40和50。分别代入式(6)和(8)求解Z1′和Z3′。

Z2=50时有整数解(10,125);Z2=8时有整数解(59,118),其它值无整数解。

Z2直接与齿条啮合,取Z2=8比较合适。至此,各参数都已确定。

齿条和Z2节距P=0.635,Z1=50,Z2=8,Z3= 127,Z1′=59,Z3′=118,其余齿轮的模数根据指示表总体尺寸选取,最小取0.1。

需要说明的是:①在上述计算过程中,式(8)也可以用式(7)代替,取m≠m′,用常用的几种模数组合计算,计算过程比较烦琐,在此略去;② 可以利用齿轮变位微调节中心距[10],所以式(8)也可以调整为:Z3+Z1±1=Z3′+Z1′(中心距调整范围1 mm),从而可以得到其它参数组合。如:P=0.635,Z1=40,Z2=10,Z3=127,Z1′=48,Z3′=120。

3 全指针读数卡尺指示表的传动原理设计

3.1 全指针读数卡尺指示表的设计思路

现有卡尺测量尺寸时,整数部分从尺身刻度读数,小数部分从指示表读数。借鉴钟表的时、分、秒共用一个刻度盘的原理。整数的计数单位是1,取小数的计数单位为0.01,二者存在100的整数进位关系,将刻度盘划分为100等份,就可以用一个指针指示小数读数,另一个指针(可用颜色或长短区分)指示整数读数,全部读数都从表上读出,称之为全指针读数卡尺指示表。

3.2 全指针读数卡尺指示表的理论计算公式

这种表的传动原理与双读数卡尺指示表相似,也是从同一输入端引出两套传动系统输出不相同的量,其传动关系可用下列数学关系式表示:一套传动系统的输出量是每圈量程1 mm,分度值为0.01 mm,另一套是100 mm和1 mm,两套系统的Z1齿轮和Z3齿轮的齿数比相反,中心距完全相同。

3.3 全指针读数卡尺指示表的传动机构设计

如图3所示,左轴上齿轮1、左轴中齿轮13和左轴下齿轮3固定在左轴上,中轴上齿轮2、中轴中齿轮6和中轴下齿轮5固定在中轴上,右轴上齿轮8和右轴中齿轮12固定在右轴上。

左轴上齿轮1与中轴上齿轮2相啮合,中轴中齿轮6与右轴上齿轮8相啮合。中轴下齿轮5分别和左轴中齿轮13及右轴中齿轮12相啮合。各齿轮的齿数分别为:Z1=10,Z2=100,Z3=16,Z5=10,Z6= 22,Z8=88,Z12=100,Z13=100。

左轴下齿轮3与一个齿条相啮合,最终把齿条的线位移放大并转化为角位移,然后通过指针和刻度读出位移量。右轴中齿轮12和右轴下齿轮(图中未编号)不参与传递精度,只用于安装消隙和减振零件。

图3 全指针读数卡尺指示表传动原理简图

测量工件时,齿条发生运动,与齿条啮合的齿轮3开始转动,与齿轮3同轴的左轴上齿轮1和左轴中齿轮13也开始同步转动。

当齿轮1转动1圈时,由于Z1/Z2=1/10,齿轮2转动1/10圈,当齿轮13转动1圈时,由于Z13/Z5= 10/1,齿轮5转动10圈,因此齿轮2(与整数指针11同步)和齿轮5与(与小数指针10同步)的角位移之比为1/100,即整数指针11转过1/100圈时,小数指针10转过1圈。当刻度盘分为100格时,小数指针转过每格的位移为0.01 mm,整数指针转过每格的位移为1 mm。

又由于Z2与Z6同步转动,Z6/Z8=1/4,所以Z2(与整数指针11同步)转过1圈时Z8(与百位数指针9同步)转动1/4圈。

所以小数指针每转动1圈,整数指针转动1/100圈,百位数指针转动1/400圈。当表盘均分为100等份时,小数指针每转动1圈,整数指针转动1格。当整数指针转动1圈以上时,百位数指针转动1/4圈以上,100～400 mm位移可由百位数指针读出。图4为全指针读书卡尺指示表效果图。

图4 全指针读数卡尺指示表效果图

3.4 使用方法

量程小于100 mm时,可以省去百位数读数机构。读数方法是:先读整数指针(黑色)转过的刻度线(每格表示1 mm),再读小数指针(红色)转过的刻度线(每格表示0.01 mm),然后两者相加,即得到所测量的数值,不需要百位数读数机构。量程大于100 mm时,增加百位数读数机构(见图3)。

这种设计原理可推广至分度值为0.001″量程为0.1″英制卡尺和其他参数形式的卡尺,在此略去。

4 结 论

(1)全指针读数卡尺指示表具有读数快捷方便和不易出错的新功能。

(2)全指针读数卡尺指示表可以省去带表卡尺制造中的镀暗铬和镀黑铬工艺,避免操作工人的有害作业和对环境的污染。

(3)全指针读数卡尺指示表能够降低带表卡尺的制造、使用成本,节约能源。

(4)全指针读数卡尺指示表在设计原理上是可以实现的,在具体结构上也是可行的。

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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

师润平(1968-),男,陕西清涧人,博士,研究员,研究方向:切削刀具、量具设计、制造工艺及其应用。