Trong đồ án này , tôi đã tính toán,thiết kế đồng hồ so chân thẳng với độ phân giải 0.01mm và phạm vi đo là 0 - 10mm.Đồ án này giúp cho sinh viên ngành máy chính xác có tư duy trong thiết kế dụng cụ đo,có hiểu biết sâu ,tỉ mỉ từng chi tiết,cơ cầu hoạt động.Bên cạnh đó còn tìm hiểu biết về ứng dụng thực tế của đồng hồ so trong đo lường .
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ KHÍ CHÍNH XÁC & QUANG HỌC ĐỒ ÁN MÁY CHÍNH XÁC HỌC KÌ: 2023-1 ĐẦU ĐỀ: THIẾT KẾ ĐỒNG HỒ SO CHÂN THẲNG Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Mã số sinh viên: Lớp tín chỉ: Ngày kí duyệt đồ án: ……./……./ 2024 TS.Nguyễn Văn A Nguyễn Văn B …… …… Ngày bảo vệ đồ án: …/… /2024 Ký tên Hà Nội, tháng 1/2024 LỜI NĨI ĐẦU Trong ngành khí nói riêng, ngành cơng nghiệp nói chung, thiết bị đo khí dụng cụ dùng để đo đạc, kiểm tra thông số chế tạo nhằm đảm bảo độ tin cậy, an toàn sử dụng chi tiết máy móc khí Các thơng số cần kiểm tra như: Kích thước, khe hở, độ sâu, độ cao, tính đồng vật liệu chế tạo chi tiết khí, khả dẫn điện, khả chịu lực nén, kéo, xoắn, đo chân không, đo áp suất, đo nhiệt độ Tùy theo loại máy móc chi tiết khí ứng dụng mơi trường khác nhau, đòi hỏi dụng cụ đo khí chun dùng có tính xác khác để đảm bảo độ an tồn máy móc khí hoạt động Có nhiều loại thiết bị đo khác nhau, tùy theo mục đích sử dụng khác nhau, mà phân chia thành nhóm, loại khác nhau, dụng cụ đo kích thước bản, dụng cụ đo dung sai kích thước, dụng cụ đo độ cứng, độ bền Sau thời gian học xong mơn học “Chi tiết cấu xác “ Đến học kì em phân cơng nhiệm vụ thiết kế đồng hồ so phần trăm chân thẳng Dưới hướng dẫn thầy Nguyễn Văn A đến em hoàn thành phần thiết kế vẽ lắp đồng hồ Vì thời gian trình độ có hạn, nên khơng thể tránh khỏi thiếu xót Em xin chân thành cảm ơn ý kiến, phê bình thầy để ngày hoàn thiện ĐỀ ĐỒ ÁN I Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế Đồng hồ so chân thẳng II Thông số thiết kế dụng cụ đo sau: Độ phân giải 0.01mm, Phạm vi đo: 0-10 mm Độ xác: ±0.02mm III.Nội dung thực hiện: a Bản vẽ sơ đồ ngun lý tính tốn hàm truyền kết cấu b Tính tốn kích thước cấu dụng cụ c Tính tốn sai số dụng cụ d Bản vẽ lắp dụng cụ vẽ chế tạo số cấu dụng cụ Đồ án bao gồm: thuyết minh, vẽ sơ đồ nguyên lý, vẽ lắp, vẽ chế tạo số cấu dụng cụ YÊU CẦU THIẾT KẾ ĐỒ ÁN Đầu đề thiết kế: Thiết kế đồng hồ so chân thẳng (phần trăm milimet) Yêu cầu thiết kế: - Bán kính bánh lớn : R2 ,R4 - Bán kính bánh nhỏ : R1 ,R3 - Số Z1, Z2, Z3, Z4 - Chiều dài kim : L1, L2 - Dịch chuyển đầu đo là: s - Dịch chuyển kim thị là: y Các thông số cho trước: - Tỷ số truyền : k = 100 - Độ phân giải : 0,01 mm - Khoảng cách vạch chia : mm(kim dài) ; 2mm ( kim ngắn) - Phạm vi đo : 0-10 mm - Độ xác : ±0.02 mm Nội dung phần tính tốn thiết kế: - Bản vẽ sơ đồ ngun lý tính tốn hàm truyền kết cấu - Tính tốn kích thước cấu dụng cụ - Tính tốn sai số dụng cụ - Bản vẽ lắp dụng cụ vẽ chế tạo số cấu dụng cụ Đồ án bao gồm: 01 thuyết minh, vẽ sơ đồ nguyên lý, vẽ lắp, vẽ chế tạo số cấu dụng cụ Chương 1:Tổng Quan Về Đồng Hồ So Đồng hồ so gì? Cùng với thước cặp panme, đồng hồ so giúp kiểm tra độ xác phơi chi tiết thiết bị máy móc Đồng hồ so thiết bị dùng để gắn vào đầu đo thước đo cao thiết bị khác để hỗ trợ kiểm tra mặt phẳng Ngồi cịn dùng để kiểm tra độ sai lệch hình dạng, hình học vị chí chi tiết như: độ cơn, độ song song, vng góc, độ khơng đồng trục Có nhiều loại đồng hồ so với độ xác kháu Sử dụng đồng hồ so nào? - Xác định không gian thực đo, chọn đồng hồ so, chọn vị trí đo, vật đo - Khi xác định vật đo, ta gắn cố định đồng hồ so vào chúng điều chỉnh thang đo “0” Điều chỉnh lại vị trí tiếp xúc vật cần đo đọc số đo mặt đồng hồ - Cách đặt đồng hồ đo: tùy thuộc vào vị trí chi tiết đo ta tiến hành điều chỉnh vị trí đồng hồ đo thích hợp, đo cần đặt vng góc với bề mặt đo - Cách đọc số: số nguyên mm đọc theo kim số vòng thước nhỏ Khi kim vạch đo dịch chuyển 1mm Phần trăm mm đọc theo kim kích thước lớn (Đồng hồ so phần trăm dải đo 0-10mm) Khảo sát đồng hồ so - Khảo sát nhằm mục đích trực tiếp quan sát nghiên cứu mẫu đồng hồ so khác Bằng cách nắm bắt cấu trúc,nguyên lý, chất liệu, tính đồng hồ, giúp nhìn tổng quan hiểu rõ cách hoạt động - Khảo sát thực tế : Hình 1.Mẫu đồng hồ so 0.01 thực tế PTN đo lường bản,NCM CKCXQH - Tham khảo Catalog Mitutoyo : Hình 2.Catalog đồng hồ so Mitutoyo 0.01 mm Phân tích cấu : - Cơ cấu trục vít - bánh vít Cơ cấu bánh - bánh căng Cơ cấu kim thị Phân tích cấu tạo , thơng số : - Hình dáng,cấu tạo,vị trí chi tiết bên giống nhau.Cùng phạm vi đo hai có kích thước vỏ gần tương đương - Các thông số trục dẫn hướng trục đo giúp tiêu chuẩn việc gá đặt đo đường - Đồng hồ so Mitutoyo dụng vít chặn xoay mặt đồng hồ - Với thơng số đồng hồ so Mitutoyo có độ xác ± 0.013mm - Với phạm vi đo 0-10 có loại phân vạch chia mặt đồng hồ :0-50-0 0-100 Chương 2: Sơ đồ nguyên lý làm việc hàm truyền Sau xem xét lý thuyết tìm hiểu thực tế số mẫu đồng hồ so,tôi đưa sơ đồ nguyên lý hoạt động cho đồng hồ so mình thiết kế sau : 1.1 Sơ đồ nguyên lý Hình Sơ đồ nguyên lý đồng hồ so phần trăm 1.2 Nguyên lý hoạt động - Đầu đo dịch chuyển đoạn s, chuyển động ăn khớp với bánh Z1 => Kim ngắn quay thể giá trị y1 - Bánh lớn Z2 đồng tâm với bánh nhỏ Z1 ăn khớp với bánh nhỏ Z3 => Kim dài quay thể giá trị y2 - Các cấu sử dụng: Thanh răng- Bánh Bánh răng- Bánh Kim thị 1.3 Hàm truyền - Ta có: Đầu đo dịch chuyển đoạn s bánh Z1 Z2 quay góc φ s=R φ φ= s R1 Hàm truyền kim ngắn là: y 1=φ L1= s L R1 Với L1 chiều dài kim ngắn - Ta lại có: R= m.Z 2 s L s y 1=φ L1= L1= ' R1 m Z1 Với m’ modul bánh Z1 - Ta có tỉ số truyền từ bánh Z2 đến bánh Z3 là: i 32= R2 R3 Góc quay kim dài : ψ=φ i 32 = s R2 R R3 - Với chiều dài kim L2 hàm truyền kim dài tính được: y 2=ψ L2= s R L2 R1 R3 Ở đây, Z1 Z2 đồng tâm với nhau, xét cấu – bánh Z1 có modul m’, cấu bánh Z2 – bánh Z3 ăn khớp với modul m, ta : y 2=ψ L= s R2 L2 s Z L2 = R1 R Z1 Z3 m ' Chương 3: Tính tốn kích thước cấu dụng cụ 2.1 Phân phối tỉ số truyền - Tỉ số truyền sơ bộ: Ta có : + Độ phân giải: 0,01 mm + Khoảng cách hai vạch kim dài: mm ∆y Tỉ số truyền sơ tính: i= ∆ s = 0,01 =100 - Chọn chiều dài kim đồng hồ: L1= mm, L2 = 25 mm - Tỷ số truyền hệ bánh - răng: s R L 2 Ta có hàm truyền kim dài: y 2= R R ¿> y R L2 R2 = ↔ 100= 25 s R R3 R1 R R2 Mà R R tỉ số truyền hệ bánh – Gọi tỉ số truyền hệ răng- bánh i ' ta được: i' = 100 =4 25 2.2 Thông số bánh : - Chọn modul cho bánh Z1 m’ = 0,5 - Chọn modul cho bánh Z2, Z3, Z4 m = 0,2 Z2 ' i =4=¿ ' m Z1 Z3 =4 ↔ Z2 4.0,5 = =1 Z Z3 - Chọn số cho bánh răng: Ta có hàm truyền kim ngắn y 1=φ L1= ∆ y L1 s L1 ⇒ = R1 ∆ s R1 Trong Ta chọn ∆ y khoảng cách vạch chia mặt nhỏ mm Và quãng đường ∆ s tương ứng mm Kim ngắn có chiều dài L1 = mm ⇒ R1 = ∆ s L1 = =2,5 (mm) ∆ y1 R1 bán kính vịng chia bánh Z1 Ta lại có: R= m.Z R 2,5.2 Suy số bánh Z1: Z1 = m' = 0,5 =10 (răng) Z2 Kết hợp với điều kiện: Z Z =1 Ta chọn số cho bánh cịn lại Bảng thơng số bánh răng: Thơng số Kí hiệu Đơn vị Z1 Z2 Z3 Z4 Modul M 0,5 0,2 0,2 0,2 Số Z 10 100 10 100 Đường kính vịng chia d mm 20 20 Đường kính đỉnh da mm 20,2 2,4 20,2 Đường kính chân d0 mm 3,75 19,3 1,5 19,3 Chọn vật liệu làm bánh dùng đồng hồ so có thơng số: (Bảng 3.6/141 sách “Chi tiết cấu xác I”) - Dạng truyền: Trụ thẳng - Tốc độ vòng (m/s): Đến - Cấp xác: ÷ - Độ nhám bề mặt: 0,63 ÷ 2,50 - Bánh nhỏ (mác thép): Thép 45 - Bánh lớn : Đồng 2.3 Lò xò xoắn Acsimet 2.3.1 Chọn vật liệu Lò xo xoắn acsimet băng kim loại theo đường xoắn acsimet, tọa thành momen quay tác dụng mặt phẳng vng góc với trục lị xo Lị xo xoắn acsimet hay gọi lò xo momen chi tiết quan trọng xác định chất lượng độ xác dụng cụ, cần phải thỏa mãn yêu cầu: - Momen M , góc xoắn 𝜑 cần phải tỷ lệ bậc theo thời gian với - Tính chất đàn hồi không thay đổi theo thời gian - Hệ số dãn nở nhiệt vật liệu nhỏ - Biến dạng dư nhỏ - Khơng có từ tính - Tính chống ăn mịn cao - Điện trở suất nhỏ Để chế tạo lò xo xoắn dùng băng thép y8A, y10A 70 C2XA, băng đồng loại hợp kim Eliva (hợp kim Sắt - Crom - Niken) →Ta chọn mác thép lị xo y10A có mơ đun đàn hồi E= 2,2.1011 N.𝑚2 2.3.2 Xác định kích thước lò xo Áp lực lò xo cần thiết cho cấu bánh răng: F= 0,1 N Mô men áp lực cần thiết: M = F R4 = 0,1 × 12 10-3 = 12.10-4 (N.m) Từ điều kiện bền lò xo: M =W.[𝜎]𝑢 Trong đó: W- Mơ men chống uốn tiết diện lò xo [𝜎]𝑢 - Ứng suất uốn cho phép [𝜎]𝑢 = 1000 MPa = 109 Pa Suy ra: M= b h2 [σ ]u Từ điều kiện cân mô men ngoại lực mô men nội lực ta có: M= b h2 b h3 E [σ ]u= φ 12 L Suy ra: h 2.[σ ]u = l E.φ Chiều dài L lò xo: π ( D 21−D 22 ) L= 4c Trong đó: 𝐷1và 𝐷2 – Đường kính ngồi đường kính lị xo → Lấy 𝐷1 = 18 𝑚𝑚, 𝐷2 = 𝑚𝑚 c- Bước lò xo Với 𝑐 = 𝑘1 ℎ 𝑘1 – Hệ số tránh tiếp xúc vòng xoắn Thường: 𝑘1=10 đến 13, lị xo có mơ men nhỏ →Ta chọn 𝑘1=10 Nếu 𝑛𝑃 – Số vòng xoắn mà lò xo xoắn từ trạng thái tự do: - chọn 𝑛𝑃 = => 𝜑 = 2𝜋 𝑛𝑃 = 12𝜋 ( 𝑟𝑎𝑑 ) Chiều dài lò xo: π (D21−D22 ) L= k h Suy ra: 2.[σ ]u h = 2 π ( D 1−D ) E φ k1 h Vậy chiều dày lò xo xoắn là: π ( D21−D22 ) [σ ]u π ( 0,022−0,0012 ) 109 h= = =8,69.10−5 m 11 k E φ 2.10.2,2 10 12 π √ √ Lấy h = 0,09 mm Chiều rộng b lò xo xoắn Acsimet: b= L= 6M 6.12 10−4 −4 = =8.10 ( m ) Lấy b=0,8 mm −5 h [σ ]u (9 10 ) 10 π ( D 21−D 22 ) π (182−22 ) = =279 mm k h 10 0,09 2.4 Tính tốn phận tạo áp lực đo thiết kế lò xo xoắn trụ Sử dụng lò xo xoắn trụ chịu xoắn để tạo áp lực đo Lò xo có đỉnh gắn với trục đo chứa răng, chân lò xo gắn chặt với điểm cố định vỏ đồng hồ Cấu tạo lò xo có vịng lị xo cuộn có khe hở khoảng 0,5mm tránh cọ sát chịu tải Khi chịu tải, tiết diện lị xo chịu mơmen M với mơmen xoắn lị xo tác dụng từ bên ngồi Véctơ mơmen M hướng dọc trục lị xo Phân tích mơmen M thành thành phần: mơmen uốn vịng lị xo 𝑀𝑢 = 𝑀 𝑐𝑜𝑠𝛼 mơmen xoắn vịng lị xo 𝑀𝑥 = 𝑀 𝑠𝑖𝑛𝛼 Vì lị xo chịu xoắn, thơng thường góc nâng vịng lị xo 𝛼 ≤ 12 ÷ 15°, tính tốn lấy gần 𝑀𝑢 = 𝑀 bỏ qua mơmen xoắn vịng lị xo 𝑀𝑥 Khi lị xo chịu mơ men xoắn T, dây lị xo bị uồn mơmen M = T.cos𝛼 Vì góc 𝛼 tương đối nhỏ, nên lấy gần cos𝛼 = M = T = 𝐹𝑚𝑎𝑥.𝑐 Lực kéo lò xo khoảng 1→2N Có: d-đường kính dây quấn lị xo c−1 k-hệ số kể đến độ cong vòng lò xo: k = c−4 c- hệ số tỉ lệ đường kính dây quấn lị xo lõi xo (tra bảng trang 22 sách “Chi tiết cấu xác I”) ta chọn c=8 k=1,17 - Ta chọn vật liệu làm lị xo inox có =400 (MPa) - Cơng thức tính đường kính dây lị xo: d ≥1,6 √ k F max c =1,6 √ 1,17.2.8 =0,346 ( mm )=¿ d=0,35 mm 400 - Số vòng lò xo: n= x G d 7,67.8.10 0,35 = =52 vòng 8.c (F max−F ) 8.83 (2−1) Trong đó: x- Chuyển vị lò xo, x = 7,67 (mm) G- momen đàn hồi trượt, lò xo làm thép nên G = 8.104 (MPa) - Đường kính lị xo: D=c d=8.0,35=2,8( mm) - Chiều dài ban đầu lò xo là: πDn π 0,35 52 + 2h m= +2.2,1=63 (mm) cosα cos (13,5) Với chiều cao đầu móc :hm =( 0,5 ÷1 ) D= ( 1,4 ÷2,8 )( mm ) ¿> chọn hm=2,1 mm L0 = Chương 4: Tính tốn sai số dụng cụ 3.1 Sai số sơ đồ - Sai số sơ đồ sai số xuất việc sử dụng sơ đồ có cấu hàm vị trí gần đúng, hàm vị trí cho trước truyền động khâu bị dẫn khâu dẫn cấu Vì hàm truyền y 1=φ L1= y 2=ψ L= s L R1 s R2 L2 s Z L2 = R1 R Z1 Z3 m ' Các hàm truyền hàm truyền tuyến tính nên khơng có sơ đồ 3.2 Sai số hình học Sai số động học bánh Mức xác động học đánh giá sai số động học F 'ir , sai số lớn góc quay bánh phạm vi vịng quay ăn khớp với bánh mẫu - Ta có: F ,ir=F pk + f f (Tra bảng 26,27,28-162[2]) - Trong vòng quay bánh φ=2 π , từ tỷ số: ∆φk F ,ir = 360.60 1000 π d Trong đó: ∆ φk – Sai số động học bánh bị dẫn phút góc F ,ir- Sai số động học bánh Suy ra: ∆ φk = 21,6 F ,ir 6,88 F ,ir 6,88 F,ir = = π d d Z.m Khi hệ làm việc, sai số động học cấu tổng sai số động học bánh trục bị dẫn cấu Sai số động học cấu bánh nhiều cấp: (CT 3.13-130[1]): n ∆ φkn=v ∑ j =1 n ∆ φkj 6,88 F'irj n 4,8 F 'irj =0,7 ∑ =∑ i jn d j i jn j =1 j=1 Z j m j i jn Trong F 'irj- Giá trị cho phép sai số động học bánh thứ j (𝜇𝑚) v – Hệ số xác suất tính đến giảm sai số thực so với 𝐹𝑖𝑟 ′ → ta lấy v=0,7 m – Môđun (mm) Z – Số d – Đường kính bánh d= Z.m i jn - Tỷ số truyền từ trục j đến trục n - Chỉ số dấu ngoặc ∆𝜑𝐾 – ký hiệu số khâu dẫn - Chỉ số – ký hiệu số thứ tự khâu bị dẫn, mà sai số xác định khâu - Hệ cấu – bánh răng, bánh –bánh đồng hồ so tương đương với cấu bánh cấp nên ta có: n ∆ φkn=∑ j=1 4,8 F'irj Z j m j i jn có d → ∞ 𝑣à 𝑧 → ∞ nên bỏ qua sai số động học - Kim dài: ∆ φ3=4,8 ( F 'ir F' F' 1 + ir + ir =4,8 F 'ir + + d i 23 d i 23 d i 33 d1 i23 d i23 d i33 ∆ φ3=4,8 F 'ir ) ( 1 + ) với F =10 μmm ( 5.101 + 20.10 ' ir )