基于虚交点的圆锥体端面尺寸数显量具的研制.doc
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1、本科毕业论文(设计)论文题目:基于虚交点的圆锥体端面尺寸数显量具的研制学生姓名: 所在院系: 机电学院所学专业: 机械设计制造及其自动化导师姓名: 完成时间:摘 要圆锥体由于结构的特殊性导致其端面直径不易测量。而检测锥体的方法,最常用的是使用圆锥套规,这种检测方法一般只是用来判断工件是否在规定的极限尺寸内,以确定工件是否合格,但不能测出零件锥体实际尺寸。特别当锥度较大时,过端刻线与止端刻线、过端面与止端面将相距很近,并难以区分;也有借助辅助工具间接测量的,但此测量方法操作麻烦,测量时间也较长,不利于缩短工时,提高生产率,且不能直接测出数据,需利用所得数据进行计算,当尺寸精度要求较高时,使用上述
2、量具在生产现场很难实现对该尺寸的精确测量。本文设计一种基于虚交点的圆锥体端面尺寸数显量具,可在机直接测量,不需计算,数显直读,且结构简单,测量范围大,有效地解决了生产现场检测锥体端面直径的问题,并利用电子数显卡尺和不锈钢板材等现有材料对该装置各零件进行工艺规程设计,最后进行样品试制。关键词:圆锥体端面直径,测量装置,精度分析,工艺分析设计Development of Digital Display Device for Measuring the End Size for the Cone Based on Virtual Intersection Abstract Because the c
3、one has structural specificity, which causes its end face diameter not easy to be measured. Cone and detection methods, the most common is the use of cone sets of regulations, this detection method is generally used to judge whether the workpiece size within the limits of the provisions to determine
4、 whether the workpiece qualified, but you can not measure the actual size parts cone. Particularly when the taper is larger, had carved lines and only client-side engraved lines, had faces and will only end in close proximity, and it is difficult to distinguish; also aids with the indirect measureme
5、nts, but this measurement method is cumbersome, time measurements are more long, is not conducive to shorten working hours, increased productivity, and can not be directly measured data, to be calculated using the data, when higher dimensional accuracy, the use of the above-mentioned scene in the pr
6、oduction of measuring is very difficult to achieve accurate measurement of the size. In this paper, the design of a virtual point of intersection of the cone-end digital display measuring size, can be directly measured in the machine, without calculation, direct-reading digital display and simple st
7、ructure, measuring range, and effectively address the production-site detection of end-diameter cone , and the use of electronic digital calipers and stainless steel sheet material, such as the existing parts of the device design process planning, the final sample trial.Keywords:End Face Diamter of
8、Cone, Measuring Tool, Precision Analysis, Process Analysis and Design目 录1 绪论11.1 目前对锥体端面直径量具的研究现状11.2 本次设计的意义和主要内容12 装置的测量原理和结构12.1 装置的测量原理12.2 装置的结构23 装置的测量范围分析33.1 最小测量直径的确定33.2 最大测量直径的确定34 装置各零件的加工工艺分析和工艺路线的设计44.1 主尺体的工艺分析和设计64.1.1 工艺路线方案一64.1.2 工艺路线方案二74.1.3 工艺路线方案的比较分析84.2 测量卡脚的工艺分析和设计104.3 尺身和
9、游标的加工工艺分析和工艺路线的设计115 对装置测量精度的分析和改善的措施135.1 主尺体铰链中心线与主尺体定位面不共面(误差为1)对测量精度的影响135.2 主测量卡脚铰链中心线与主测量卡脚工作面不共面(误差为2)对测量精度的影响145.3 改善和提高装置测量精度的措施156 量具使用应该注意的事项167 结束语17致谢17参考文献181 绪论1.1 目前对锥体端面直径量具的研究现状目前,对于圆锥体端面直径的测量装置及方法主要有以下几种:(1)在万能工具显微镜上测量7,但此方法测量步骤繁琐,且测量设备成本较高,经济性较差;(2)借助辅助工具间接测量的方法,主要有:在正弦尺上测量6、用60靠
10、铁和正弦尺测量、在平台上测量(有单球法、双球法、圆柱圆球法、量块圆球法、圆锥量规法、圆柱双球法、四球法、双圆柱法)7等等,这些方法都需要根据所得数据由计算得出结果,受辅助工具本身制造误差和计算误差的影响,得出的尺寸精度较低,而且需要将工件从加工设备上卸下来,操作比较麻烦;(3)也有使用圆锥套规2,但套规不具有通用性,必须针对被测工件进行一对一设计,制造成本高,加工周期长,在生产的效率上和经济上都不好,不利于精益生产,而且无法测量出工件的具体尺寸。1.2 本次设计的意义和主要内容机械设备中, 圆锥面配合在应用十分广泛,如:机床主轴头孔、汽车半轴轴头、定位锥销、多种切削刀具的柄部等。圆锥体的加工虽
11、不及外圆、内孔、平面加工那样广泛,但在机械加工中也常遇到,不同用途的锥体的要求也不一样,在制造圆锥体工件时,需要控制工件的外锥直径尺寸(外锥面与端面交线尺寸),当尺寸精度要求较高时,使用通用量具在生产现场很难实现对该尺寸的精确测量。而且圆锥体的端面往往有毛刺或倒角,尤其是有倒角时,所测点在实体上并不存在,转化成测空间交点距离的问题,测空间交点距离也需专用测量工具并进行计算,有时还需在工件上设置工艺孔或工艺凸台,增加了加工工序。而借助辅助工具测量操作麻烦,测量时间也较长,而且还不能直接测出数据,需利用所得数据进行计算才可获得所需尺寸,不利于缩短工时,提高生产率。设计制造一种基于虚交点的圆锥体端面
12、尺寸数显量具1,可在机直接测量,不需计算,数显直读,且结构简单,测量范围大,有效地解决了生产现场检测锥体端面直径的问题。并在指导老师的安排帮助下解决困难和问题,最后编制工艺文件,购买材料进行样品试制。2 装置的测量原理和结构2.1 装置的测量原理如图1所示,以圆锥体小端面直径测量为例。平面I、III为过圆锥小端面直径两端点A、B且分别与圆锥面相切的平面(平面I、III同时也与圆锥小端面圆相切),平面II与圆锥小端面共面。显然平面I、II的交线MN与平面II、III的交线PQ平行,且与AB垂直,则测圆锥体小头直径AB可转化为测两直线MN和PQ间距离。在设计量具时,卡脚的测量工作面(可绕铰链R1、
13、R2旋转,自动适应锥体的锥度的变化,时刻保持与锥面相切,见图2)就是平面I、III,主尺和游标上的定位面就是平面II。将A、B附近的测量面镂空(图中的沙纹面和ACMNPQDB图1 测量原理图AC平面与圆锥面的切线BD平面与圆锥面的切线斜纹面处),即可避开A、B处的毛刺,完成对小端直径的测量。2.2 装置的结构如下图2所示,测量装置的大体结构有以下几部分组成。1主尺体;2数显装置;3磁尺;4尺身;5游标体;6销轴;7副测量卡脚;8主测量卡脚;9锥体零件K指向主副卡脚工作面,与图1的平面I和III对应L指向为主尺和游标的定位面,与图1的平面II对应图2 圆锥体小端直径测量装置主尺部件包括主尺体8、
14、主测量卡脚7、磁尺2、销轴6、尺身3等。主尺体、主测量卡脚之间通过铰链连接,主测量卡脚的工作面K(平面I)通过铰链中心线,主尺体上设计有定位面L(平面II),定位面也通过铰链中心线,则铰链的中心线相当于MN。游标部件组包括游标体4、副测量卡脚5、销轴6、数显装置1、磁尺9等,游标体、副测量卡脚之间也通过铰链连接,副测量卡脚的工作面K(平面III)通过铰链中心线;游标体上设计有定位面L(平面II),定位面也通过铰链中心线,则铰链的中心线相当于PQ。3 装置的测量范围分析3.1 最小测量直径的确定最小测量直径dmin:量具上铰链的中心距就是所测圆锥体小端面直径。由于铰链与轴线方向垂直的面为正方形,
15、所以可以把铰链的转动范围看作为一个圆,则该圆的直径为正方形的对角线,那么该装置所能测得的最小值即为对角线的长度8.5 mm,取最小测量直径为dmin = 10 mm。为了论文的更加容易理解和阐述,在以下的设计说明中,都用旋转轮廓圆来予以论述。3.2 最大测量直径的确定最大测量直径dmax的确定:测量卡脚上两铰链的内端面距离X直接影响最大测量直径dmax。若X过小,则会由于铰链旋转过程中对角线处与小端圆干涉而使铰链中心线MN与小端圆无法相切。如图3所示,X与d间有如下关系(d/2)2 = (d/2 - 4.25)2 + (X/2)2即d = X2/17 + 4.25对应关系如下表1。 表1 X与
16、d间的关系 mmX1020304050d10.1327.7853.1998.37151.31设计任务的要求是:该测量装置的测量范围为:40 150 mm,所以可以选取X = 50 mm,则测量的最终测量范围是10 151.31mm,由于40 150 mmd/26MN铰链R1图3 最大测量直径dmax 的确定在这个范围内,所以这样选择符合设计的要求。4 装置各零件的加工工艺分析和工艺路线的设计制定工艺路线的出发点,应当是使零件的几何形状、尺寸精度以及位置精度等技术要求能得到合理的保证。应该尽量考虑采用万能性机床和专用夹具,尽量使加工工序集中,减少装夹次数,以提高生产率和零件的精度,从而带来更高的
17、效益。对于零件的分析和研究,要现熟悉该装置的性能、用途和工作条件,明确各个零件在装配中的位置及作用,然后找出主要技术关键问题,从而为制订正确合理的工艺路线奠定基础。制定工艺路线首先应该考虑的是基准的选择,适合的基准选择,可以使零件的加工精度更高,可以使加工工序更加精简,从而节省工时,提高生产率。在起始工序中,只能选用未经加上过的毛坯表面作为定位基准,这种基准称为粗基准。用加工过的表面所作的定位基准称为精基准。选择粗基准时,主要要求保证各加工面有足够的余量,使加工面与不加工面间的位置符合图样要求,并特别注意要尽快获得精基面。具体选择时应考虑下列原则:(1) 选择重要表面为粗基准 为保证工件上重要
18、表面的加工余量小而均匀,则应选择该表面为粗基准。所谓重要表面一般是工件上加工精度以及表面质量要求较高的表面,如床身的导轨面,车床主轴箱的主轴孔,都是各自的重要表面。因此,加工床身和主轴箱时,应以导轨面或主轴孔为粗基准。如图4-25所示。(2) 选择不加工表面为粗基准 为了保证加工面与不加工面间的位置要求,一般应选择不加工面为粗基准。如果工件上有多个不加工面,则应选其中与加工面位置要求较高的不加工面为粗基准,以便保证要求,使外形对称等。 (3) 选择加工余量最小的表面为粗基准 在没有要求保证重要表面加工余量均匀的情况下,如果零件上每个表面都要加工,则应选择其中加工余量最小的表面为粗基准,以避免该
19、表面在加工时因余量不足而留下部分毛坯面,造成工件废品。(4) 选择较为平整光洁、加工面积较大的表面为粗基准 以便工件定位可靠、夹紧方便。(5) 粗基准在同一尺寸方向上只能使用一次 因为粗基准本身都是未经机械加工的毛坯面,其表面粗糙且精度低,若重复使用将产生较大的误差。选择精基准时,主要应考虑保证加工精度和工件安装方便可靠。其选择原则如下:(1) 基准重合原则 即选用设计基准作为定位基准,以避免定位基准与设计基准不重合而引起的基准不重合误差。(2) 基准统一原则 应采用同一组基准定位加工零件上尽可能多的表面,这就是基准统一原则。这样做可以简化工艺规程的制订工作,减少夹具设计、制造工作量和成本,缩
20、短生产准备周期;由于减少了基准转换,便于保证各加工表面的相互位置精度。例如加工轴类零件时,采用两中心孔定位加工各外圆表面,就符合基准统一原则。箱体零件采用一面两孔定位,齿轮的齿坯和齿形加工多采用齿轮的内孔及一端面为定位基准,均属于基准统一原则。(3) 自为基准原则 某些要求加工余量小而均匀的精加工工序,选择加工表面本身作为定位基准,称为自为基准原则。磨削车床导轨面,用可调支承支承床身零件,在导轨磨床上,用百分表找正导轨面相对机床运动方向的正确位置,然后加工导轨面以保证其余量均匀,满足对导轨面的质量要求。还有浮动镗刀镗孔、珩磨孔、拉孔、无心磨外圆等也都是自为基准的实例。(4) 互为基准原则 当对
21、工件上两个相互位置精度要求很高的表面进行加工时,需要用两个表面互相作为基准,反复进行加工,以保证位置精度要求。例如要保证精密齿轮的齿圈跳动精度,在齿面淬硬后,先以齿面定位磨内孔,再以内孔定位磨齿面,从而保证位置精度。再如车床主轴的前锥孔与主轴支承轴颈间有严格的同轴度要求,加工时就是先以轴颈外圆为定位基准加工锥孔,再以锥孔为定位基准加工外圆,如此反复多次,最终达到加工要求。这都是互为基准的典型实例。(5) 定位可靠性原则 所选精基准应保证平整光洁,具有相应的精度,且工件安装可靠,夹具设计简单、操作方便。实际上,无论精基准还是粗基准的选择,上述原则都不可能同时满足,有时还是互相矛盾的。因此,在选择
22、时应根据具体情况进行分析,权衡利弊,保证其主要的要求。基于以上原则,应先选择粗基准,由于零件的坯料是一个长方体的形状,所以可以选择某一表面做为粗基准,现选择较大表面的一面做为粗基准,来加工其相对的另一表面,然后以另一表面为基准,对此表面进行粗加工和精加工,这个表面就可以作为以后工序的精基准。安排加工顺序1.基面先行工件的精基准表面应先进行加工,以便为后续工序加工提供精基准。当基准不统一时,应作基准转换,并按逐步提高精度的原则安排基准面加工。2.先主后次即先加工主要表面(如装配表面、工作表面等),后加工次要表面(如键槽、紧固用的光孔或螺孔等)。次要表面加工量较少,通常安排在主要表面半精加工与精加
23、工(或光整加工)之间。3. 先粗后精即粗加工半精加工精加工或光整加工。4. 先面后孔对于箱体、支架和连杆等工件,应先加工平面后加工孔,使安装方便、定位可靠,以平面定位加工孔,易保证平面与孔的精度及位置精度,并改善刀具初始工作条件。4.1 主尺体的工艺分析和设计由于购买的材料为长方体形的不锈钢板材,所以可以假定如图4所示的零件坯料的位置,分析零件的形状和加工要求,按照机械加工工艺的要求和原则,然后编制工艺路线。4.1.1 工艺路线方案一如图4,编制工艺路线如下:工序1 以下表面为粗基准,粗铣上表面和左右两侧面。工序2 以上表面为基准,粗铣下表面,精铣下表面。工序3 再以下表面为精基准,精铣上表面
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