Проектирование и расчет параметров измерительной головки часового типа ИЧ-10

 

 

 

 

 

 

1.2  Описание индикатора часового типа ИЧ-10

К рычажно-зубчатым приборам относятся :головки измерительные; скобы с отсчетным устройством; глубиномеры, стенкомеры, толщиномеры и нутромеры индикаторные. На базе измерительных головок создано большое количество различных специальных измерительных приспособлений и приборов.

Часовые индикаторы выпускаются классов точности 0,1 с брызго- и пылезащитными корпусом следующих типов:

1. типа ИЧ- с перемещением измерительного стержня параллельно шкале;
2. типа ИТ- с перемещением измерительного стержня  перпендикулярно шкале;
3. типа ИЧТ- для твердомеров;
4. типа ИЧС- для использования на станках;
5. ИЧРН- с предохранением от ударных нагрузок вдоль оси шпендиля.

Индикаторы могут комплектоваться принадлежностями наборов типа ПРИ-1М и ПРИ-1П. В наборы входят струбцина с мягкими накладками, державки, стержень с микроподачей.

 

 

 

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ ИЧ-10

 

2.1 Описание и обоснование принципиальной схемы.

 
        Измерительные  головки - относятся к рычажно-механическим  
приборам применяются для измерения размеров, а также отклонений от заданной геометрической формы.

Индикатор часового типа - измерительный прибор для абсолютных и относительных измерений линейных размеров, контроля величины отклонений от заданной геометрической формы и взаимного расположения поверхностей. Индикаторы часового типа могут применяться как в измерительной стойке, так и в различных контрольных и измерительных приборах и приспособлениях.

 

2.2. Исходные данные для проектирования и расчета

измерительной головки ИЧ-10(индикатор часового типа)

 

В таблице 1 представлены исходные данные и варианты заданий для расчета и проектирования преобразователя ИЧ-10

Таблица 1.

№ задания	Предельная погрешность мкм	Схема преобразователя	Чувствительность цены деления мкм	Исходное измерительное  усилие мкм	Присоединенный диаметр	Диаметр измеряемого  стержня	Свободное перемещение  стержня	Предел измерения мкм	Передаточное отношение	Погрешность
3	±1	α	3	150±50	8	4	4	0-2,5	5:1	±1	3а

Рисунок 1

 

На Рисунке 1 представлена схема индикатора часового типа ИЧ-10. На схеме обозначены габаритные и монтажные размеры, которые должны быть выдержаны при проектировании конструкции и механизма измерительной головки вне зависимости от номера задания. Задачей выполнения курсового проекта, является не только проектирование конструкции измерительной головки, но и расчет конструктивных параметров ее элементов, проверка на работоспособность передач, направляющих и т.п. Важным этапом проектирования является расчет точности устройства и определения его метрологических характеристик, подготовка документации на проведение калибровки, и при необходимости – поверки.

 

2.3 Назначение, устройство и работа механизмов индикатора

 

Индикатор часового типа ИЧ предназначены для измерения линейных размеров, определения величины отклонений от заданной геометрической формы и взаимного расположения поверхностей.

Зубчатые измерительные  головки – индикаторы часовые с ценой деления 0,01 мм – изготавливаются следующих основных типов: ИЧ-2, ИЧ-5, ИЧ-10, с пределами измерений 0-2, 0-5, 0-10 мм. Корпус с диаметром 60 мм. На Рисунке 2 представлено устройство ИЧ-10.

 

 

Рис.2 Индикатор часового типа ИЧ-10

 

 

 

 

Основными узлами индикатора являются циферблат 1 со шкалой, ободок 2, стрелка 3, указатель числа оборотов стрелки 4, гильза 5, измерительный стержень 6 с наконечником 7, корпус 8, ушко 9 и головка стержня 10 (Рисунок 2 а). Гильза и ушко служат для крепления индикатора на стойках, штативах и приспособлениях. Поворотом ободка 2, на котором закреплен циферблат, стрелку совмещают с любым делением шкалы. За головку 10 стержень отводят при установке изделия под измерительный наконечник.

Принцип действия индикатора состоит в следующем:

Измерительный стержень 6 перемещается в точных направляющих втулках 18, запрессованных в гильзы корпуса. На стержне 10 нарезана зубчатая рейка 11, которая поворачивает триб 12 с числом зубьев z=18. Трибом в приборостроении называют зубчатое колесо с числом зубьев меньше или равным 18. Зубчатое колесо 13 (z=80), установленное на одной оси с трибом 12, передает вращение трибу 14 (z=10). На оси триба 14 закреплена стрелка 3. В зацеплении с трибом 14 находится также зубчатое колесо 15 (z=80), на оси которого закреплены указатель 4 и втулка 16 с пружинным волоском 17, другой конец которого прикреплен к корпусу. Колесо 15, находясь под действием волоска, обеспечивает работу всей передачи прибора на одной стороне профиля зуба и тем самым устраняет мертвый ход передачи. Пружина 19 создает измерительное усилие на стержне. Передаточное отношение зубчатого механизма подбирают таким образом, чтобы при перемещении измерительного стержня на расстояние L=1 мм стрелка совершала полный оборот, а указатель поворачивался на одно деление. Шкала индикатора имеет число делений n=100. Цена деления шкалы циферблата c = l/n = 1/100 = 0,01 мм. В корпусе малогабаритных индикаторов нельзя разместить полные зубчатые колеса с числом зубьев z=100, поэтому их заменили зубчатыми секторами. На рисунке 3 представлена конструкция индикатора часового типа

 

 

 

Рисунок 3

 

 

 

2.4 Расчет конструктивных параметров измерительной головки.

2.4.1 Расчет передаточного отношения (в соответствии с данными заданиями)

 

Передаточное отношение  индикатора определяют как отношение  линейного перемещения конца  стрелки к вызвавшему его перемещению измерительного стержня

где R – радиус стрелки;

α – угол поворота стрелки в радианах;

S – перемещение измерительного стержня, вызвавшее порот стрелки на угол α.

Угол поворота стрелки  определяют как произведение угла β поворота триба z₁ на передаточное отношение следующей зубчатой пары, равное отношению чисел зубьев ведущего и ведомого колес:

так как 

Следовательно, передаточное отношение индикатора будет

   

При конструировании  индикаторов, у которых стрелка совершает полный оборот или несколько оборотов, необходимо, чтобы первое и последнее деления на круглой шкале индикатора совпали, т.е. чтобы при перемещении измерительного стержня на 1 мм стрелка совершала ровно один оборот. Для выполнения этого условия необходимо выбрать числа зубьев и модуль зацепления так, чтобы при S=1 мм получился угол поворота стрелки α = 2π рад:

или

                                  

 

При обычно принятых в индикаторах числах зубьев z₁=16, z₂=100 и z₃=10 модуль зацепления:

Передаточное отношение индикатора при R=30 мм:

Цену деления определяют по формуле:

подставляя в нее интервал деления α=5,61 мм и найденное передаточное отношение, получают:

 

2.4.2 Расчет опоры скольжения

Расчет опор скольжения сводится к  определению момента трения в  кинематической паре. Между втулкой  и цапфой образуется линейный контакт, который можно рассчитать по формуле:

где μ – коэффициент трения скольжения;

d – диаметр цапфы;

r – радиус цапфы.

После приработки между цапфой и  втулкой линейный контакт увеличивается, поэтому изменяется форма распределения  удельного давления и изменяется коэффициент трения скольжения. Тогда

где μ^* - приведенный коэффициент трения.

Обычно μ^*=(1,1...1,3) μ, тогда М₁=1,27μQr.

Q=1.5 Н (из условия)

Данный коэффициент зависит  от материала подшипника. Выбираем коэффициент трения μ=0,15 [1]

        

Во время работы измерительный  наконечник контактирует с деталью. В зоне соприкосновения возникают  контактные напряжения, которые впоследствии необходимо учитывать при расчете  составляющей погрешности преобразователя.

 

2.4.3 Расчет контактного напряжения

 

К определению контактного напряжения по формуле Герца:

    

              

 

                                           0,71<5÷6

где R – радиус площади соприкосновения сферического конца цапфы с опорной поверхностью;

Е_ц, Е_п – модули упругости материала цапфы и опорной поверхности;

r – радиус сферического конца цапфы.

 

При контакте цапфы с  подпятником и действия осевой силы, максимальное напряжение в центре площадки определяется по зависимости. Осевое усилие N в формулах расчета контактных напряжений выбирается исходя из задания, тогда:

где N – осевая сила в ньютонах;

r – радиус цапфы;

Е₁, Е₂ – модули упругости Н/м².

 

    ;   [σ]к = 6 Н/м²                     0,362< 6                  

 

           2.4.4. Расчет параметров опоры скольжения на незаклинивание

 

В конструкции измерительной  головки измерительное усилие создается пружиной растяжения (позиция 19 Рисунок 2). Действие усилия пружины не совпадает с линией перемещения, т.е. с направлением движения измерительного штока. В этой связи необходимо данную направляющую рассчитать на не заклинивание. На Рисунке 4 представлена схема такой направляющей.

При конструировании направляющих прямолинейного движения, необходимо соблюдать условие не заклинивания, то есть рассчитать потери движущей силы на преодоление трения. На рисунке 4 представлена схема для расчета при действии движущей силы параллельно оси перемещения.

Рис. 4 К расчету движущей силы

Составим уравнение действия сил и определим силу ρ:

ρ-Q-2F=0;  ρ=Q+2N·t=Q+2ρ· ;

где , откуда ,

где ρ-движущая сила,  f- коэффициент трения;   0,1 f 0.2     выбираем f=0.15

 

h=2+0.199·16=5.184 (мм)

(Н)

 

Заклинивание происходит, если знаменатель полученного выражения близок к нулю, то есть:

;  ; , откуда ;  , 0,074≤3,33

Полученную формулу часто  представляют в виде:

                   ;              0,074≤0,53

где к– коэффициент заклинивания для плоских направляющих к=5, для цилиндрических к=6,5; для призматических к=10. Коэффициент трения выбирается в пределах 0,1 ≤ f ≤ 0,2.

 

Рис. 5 Схема  действия сил под углом

 

Условие заклинивания будет выражено через критический  угол

;  ;            , значит γ≈80°

 

 

 

 

 

 

 

2.4.5 Расчет пружин сжатия, растяжения и спиральных пружин

 

Пружины, используемые в преобразователях создают измерительное усилие, устраняют зазоры в соединении, устраняют мертвый ход в винтовых и зубчатых соединениях. Усилие пружины возможно рассчитать или выбрать из  графиков представленных в справочной литературе. На рисунке 6 представлены схемы пружин растяжения и сжатия.

Рис. 6 Пружины  сжатия и растяжения

 

Пружины характеризуются:

D – средний диаметр;         (мм)

d – диаметр проволоки;        d=0.5мм

-индекс, характеризующий  крутизну витка;

 

2.4.6 Расчет пружины на кручение

 

Основное напряжение, действующее на пружину – напряжение кручения.

По справочнику, определяем, что допускаемое напряжение кручения [τ_kp]=100.

Находим крутящий момент:

;         , а так же полярный момент сопротивления

Напряжение  кручения определяем по формуле и сравниваем с допустимым.

Для этого вводим коэффициент k формы, который зависит от от с.

k=

;         τ=87,4 . 

  Проверяем:    87,4≤100.

 

Где Р- сила, развиваемая пружиной

;     Р=1,03  Н

 Осадка пружины  под действием силы Р равно:

, где i-число рабочих витков, пусть i=10;

                      G-модуль сдвига, G=81500 Па               

Проверяем правильность выбранного диаметра проволоки: