武汉理工-微动装置课设说明书

武汉理工大学《仪器仪表机构零件及工艺》课程设计说明书

课程设计任务书

学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 仪器仪表机构零件及工艺课程设计

——微动装置设计

初始条件：

微动装置是仪器仪表中的一个重要部件，一般用于精确、微量地调节某一部件的相对位置。设计中要求微调装置有示数装置，以表示调节的数量，微调方式、微调量、示数方式自定，并要求综合考虑装置的工艺性。

要求完成的主要任务:

1．课程设计内容：

（1）确定微动装置的结构形式：螺旋---微动、螺旋---斜面微动、螺旋---杠杆微动、螺旋---齿轮微动、 弹性微动及其它。

（2）计算微动量。采用不同的结构形式有不同的计算方法，必须根据所采用的结构形式用相应的公

式

来计算。

（3）设计示数装置时，首先要确定标尺的类型、基本参数，通过计算得出相关数据，在选材时要注

意

材料的装饰性能。

（4）采用人工微动调节，要注意操作的方便性，人手的灵敏度计算，采用自动调节，还须设计相应的控制部分。 （5）要考虑装置的装配工艺性以及各零部件的工艺性是否合理，重点分析1-2个主要零件的工艺性，并拟定工艺路线，进行工艺分析。 （6）采用3D打印一个零件实物。 2. 说明书要求

要有完整的计算资料，必备的设计图形和文字说明，说明书要求4000字左右。说明书的编写和装订要符合武汉理工大学有关课程设计的规范。要求用CAD绘图，机械图纸（至少一张2号图纸和1张主要零件图）、电路图纸（可选做）要符合国家标准。

3．课程设计答辩

根据设计者提供的设计资料，检查其是否完善，尽量提出能反映设计者设计能力的问题，根据回答情况给分。

时间安排：

指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

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前言

微动装置一般用于精确、微量地调节某一部件的相对位置 ，它们常常是构成精密机械和仪器的不可缺少的部分或重要的部件。常见的微动装置的结构形式有螺旋---微动、螺旋---斜面微动、螺旋---杠杆微动、螺旋---齿轮微动、弹性微动等。如：显微镜中，调节物体相对物镜的距离，使物象在视场中清晰，便于观察；在仪器的读数系统中，调整刻度尺的零位，如在万能测长仪中，用摩擦微动装置调整刻度尺的零位；还可用于仪器工作台的微调，如万能工具显微镜中工作台的微调装置。

微动装置性能的好坏，在一定程度上影响精密机械的精度和操作性能。因此，对微动装置的基本要求是：

（1）应有足够的灵敏度，使微动装置的最小位移量能满足精密机械的使用要求。 （2）传动灵活、平稳，无空回产生。 （3）工作可靠，调整好的位置应保持稳定。

（4）若微动装置包括在仪器的读数系统中，则要求微动手轮的转动角度与直线微动（或角度微动）的位移量成正比。

（5）微动手轮应布置得当，操作方便。 （6）要有良好的工艺性，并经久耐用。

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目录

1总体方案………………………………………………………………………………………1 1.1微动装置结构分析…………………………………………………………………………1 1.2螺旋微动装置的用途………………………………………………………………………1 1.3螺旋微动的工作原理………………………………………………………………………1 2结构设计………………………………………………………………………………………2 2.1螺杆的设计…………………………………………………………………………………2 2.2挡块的设计…………………………………………………………………………………3 2.3紧定螺钉的选用……………………………………………………………………………3 2.4螺母的设计…………………………………………………………………………………3 2.5刻度套筒的设计……………………………………………………………………………4 2.6手轮的设计…………………………………………………………………………………5 2.7螺钉的选用…………………………………………………………………………………5 2.8机架的设计…………………………………………………………………………………6 3主要零件--螺杆的工艺………………………………………………………………………7 3.1零件工艺分析………………………………………………………………………………7 3.2工艺流程……………………………………………………………………………………7 4小结……………………………………………………………………………………………8 参考文献………………………………………………………………………………… ……10

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螺旋微动装置设计

1总体方案

1.1微动装置结构分析

图1.1

如图1.1所示，这次设计的是一个螺旋微动装置。图中，右侧是一个螺旋微动装置，下方是机架，左侧是挡块。旋动右侧的螺旋微动装置，推进螺杆向左移动；当右侧的螺旋微动装置往回旋转，螺杆向右缩回。

整个装置结构简单，操作便捷，传动误差小，控制精度高，具有很高的实用价值。

1.2螺旋微动装置的用途

螺旋微动装置既可以用于对未消量的精确测量，也可以用于对微小移动量的

控制。前者的实际利用例子有螺旋测微器，后者的实际利用例子是机床上对刀具的微量移动的控制，以切削得到尺寸精确的零件

1.3螺旋微动的工作原理

螺旋微动装置由螺杆、螺母、挡块、微动手轮、刻度套筒等组成。整个装置固定在机架上。旋转微动手轮时，螺杆前后移动。

1.3.1螺旋微动装置的最小微动量

螺旋微动装置的最小微动量Smin为 Smin=P（△φ/360°）

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式中P为螺杆的螺距；

△φ

为人手的灵敏度，即人手轻微旋转手轮一下，手轮的最小转角。在良好

的工作条件下，当手轮的直径为φ15-φ60mm时，△φ为1°-1/4°。手轮的直径大，灵敏度也高些。

由上面的式子可知，要想进一步提高螺旋微动装置的灵敏度，可以增大手轮和减小螺距。但手轮太大不仅使微动装置的空间体积增大，而且由于操作不灵便反而使灵敏度降低。若螺距太小，则加工难度太大，使用时也容易磨损。也正是这些原因，本次设计采用了螺旋装置，来提高微动装置的灵敏度。

1.3.2螺旋微动装置的精度

△S=P/N

式中，P为螺杆的螺距，N为手轮上刻度的个数。

本次设计中，选取螺距P为1mm的螺纹，手轮上的刻度个数N为100，则该微动装置的精度△S=P/N=1mm/100=0.01mm。

该装置的最小微动量Smin必须小于其精度△S。

1.3.3材料说明

该微动装置实现的是精度传导，不是传递动力，其各个零件受力均非常小，各零件尺寸大小适中选取即可，无需对其进行强度及刚度的校核，可省略不必要的、复杂的计算。

2结构设计

2.1螺杆的设计

2.1.1螺杆的尺寸设计

螺杆的总长设计为155mm，查询常用螺纹的用途和特征表可知，普通螺纹应用最广泛，生产成本低，其细牙螺纹适用于轴向微调机构，因此，螺杆上的螺纹选用普通螺纹；为了工作中传导能够平稳精确，旋合长度需要足够长，所以螺纹的设计长度为50mm；根据普通螺纹直径与螺距标准组合列表，选用螺纹M12x1。 螺杆右端长度设计为20mm的圆柱，为了对螺杆的行程进行限制，应该使圆柱直径大于螺杆式螺纹的大径，圆柱直径设计为16mm。

2.1.2螺杆的表面粗糙度

螺杆的右边圆柱表面粗糙度采用Ra3.2，以使螺杆与螺母光滑精密配合，实

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现对螺杆的精确导向；螺杆右端的圆柱体，其右端面与手轮通过螺钉紧固连接，为了使连接牢固，采用Ra0.5的表面粗糙度。

2.1.3螺杆的材料选择

螺杆的材料选择9Mn2V合金钢，其进行的热处理为：淬火并低温回火。该材料的耐磨性高，有较好的尺寸稳定性，适用于精密螺旋传动。

2.2挡块的设计

2.1.1 挡块的尺寸设计

挡块的边长为16mm的方块，四个角处的圆角为R1，厚度为10mm。挡块的作

用是通过紧定螺钉固定在螺杆上，与螺杆右端的圆柱一起限制螺杆的行进。本设计中，螺杆的最大行程为30mm。挡块装配在其中心线距螺杆左端为20mm处，挡块中心钻有基本尺寸为8mm的通孔。

2.1.2 挡块表面粗糙度的选择

挡块利用锻造成型，用切削进行加工，通孔圆柱表面及两端面用

余为用不去除材料的方法获得。

Ra6.3,其

2.1.3 材料的选择

挡块受力很小，对强度及刚度没有要求，选常用铸造材料HT100。

2.3紧定螺钉的选用

紧定螺钉常用于定位而受力较小的情况，因此该处选用紧定螺钉。考虑到螺杆直径较小，在其上钻孔不宜过大，因此在螺钉标准中，选用螺钉GB/T71-2000M3x5。螺钉的确定，决定了挡块侧面的螺纹孔的大径大小，其大径与螺钉大径大致相同，为3mm，在普通螺纹直径与螺距标准的组合系列表中，选用螺距为0.5mm的螺纹，因此该处螺纹标记为M3×0.5。

2.4螺母的设计

2.4.1尺寸设计

螺母总长为80mm，外螺纹长度为46mm，内螺纹长度为50mm。内螺纹与螺杆螺纹行成螺旋副，实现精度传导，内螺纹选用M12x1,根据普通螺纹直径与螺距标准组合系列表，外螺纹选用M20x1.5.外螺纹与机架内螺纹形成紧密配合，以固定螺母，为了连接紧固，在螺母上设计一个圆周肩，肩高为5mm，肩宽为8mm。肩的左右端面与内螺纹退刀槽两端面的水平距离分别设计为2mm和4mm，以保证

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足够的强度及刚度。螺母下端钻有直径为8mm，长度为5mm的光孔，其与螺杆配合，实现对螺杆的精确导向作用。

2.4.2表面粗糙度的选择

螺母采用铸造成型，采用切削进行加工。圆周肩的右端面与机架结合，通过螺纹连接实现紧固连接，为使连接牢固，其表面粗糙度选用Ra12.5，螺母左端处钻的小圆柱孔，与螺杆进行精密的间隙配合，以实现精确导向，其表面粗糙度选用Ra3.2；对于螺母内直径为10mm，长度为20mm的圆柱孔，其粗糙度选用Ra6.3；螺母上所有倒角的表面粗糙度为Ra12.5；其余为Ra0，即其余表面是用不去除材料的方法获得的。

2.4.3材料的选择

螺母的材料选用ZCuSn10Zn2。该材料与与钢制螺杆配合，摩擦系数低，有较好的额抗胶合能力和耐磨性，适用于轻载、传动精度高的传动。

2.5刻度套筒的设计

2.5.1尺寸的设计

因为螺杆的最大行程为30mm，考虑到刻度的余量及手轮与套筒配合最小量适中，刻度套筒长20mm；套筒螺纹与机架外螺纹配合，形成紧固连接，螺纹自套筒上端起，长度为30mm，根据普通螺纹直径与螺距标准组合系列表，选用螺纹M30x2；套筒圆柱外表面的直径设计为40mm；由于螺杆导程为1mm，即手轮每旋转一周，螺杆前进或后退1mm，因此套筒上的最小分度值取为1mm，刻度线自距套筒左端5mm处开始，一直到距右端5mm处，即整个刻度部分长为40mm，示数为从-5mm到35mm；刻度线的长度：逢5刻度线的长度为4mm，逢10刻度线的长度为5mm，其余刻度线长度为3mm。

2.5.2表面粗糙度的选择

为使刻度套筒与机架连接牢固可靠，套筒左端面的表面粗糙度选Ra=12.5。对于套筒外表面，为实现与手轮配合间隙适中，且摩擦小，并使与套筒上的刻度线精确清晰，套筒外表面 的表面粗糙度选用Ra=1.6.套筒右端面无特殊作用，其表面粗糙选用Ra=0。

2.5.3材料的选择

刻度套筒属于量具，其材料选用具有高硬度，高耐磨性的高级优质碳素工具

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钢T12A。

2.6手轮的设计

2.6.1尺寸的设计

手轮总长为53mm，右端壁厚为5mm，中心处钻有直径为11mm的通孔。手轮左端的刻度圆锥面的水平距离为8mm，垂直高度为2mm。手轮内圆柱孔与刻度套筒外表面形成间隙适中的配合，其基本尺寸为40mm，则刻度圆盘的最小直径为40mm，其对应的周长为40╳π=125.6mm。为使该装置的精度△s达到0.01mm，则要求刻度圆盘等分为100份。此时，刻度圆盘上两相邻刻度线的间距 △Xmin=Lmin/N=125.6mm/100=1.256mm >1mm ，圆盘上的刻度线间隔大于1mm ，使得相邻刻度线清晰分明，易于读数。由于圆盘分为100等份，相邻两刻度线对应的转角φ=360/100=3.6°>△φ（△φ为人手的灵敏度），即满足装置的最小微动量小于装置的精度值这一条件。距手轮左端20mm处，有网状的滚花，其长度为20mm，以增大人手接触手轮的摩擦力，使用方便。

2.6.2表面粗糙度的选择

手轮与螺杆通过螺钉连接在一起，为使连接牢固，手轮右端面的表面粗糙度选用Ra=12.5.手轮上直径为40mm，长为48mm的圆孔，与刻度套筒形成间隙适中的配合，为了减小手轮与刻度手轮之间的摩擦，其表面粗糙度选用Ra=1.6.手轮左端的刻度圆锥面，为使其上的刻度清晰精确，其表面粗糙度选用Ra=1.6。

2.6.3材料的选择

手轮属于量具，其材料选用具有高硬度，高耐磨性的高级优质碳素工具钢T12A 。

2.7螺钉的选用

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图2.7

螺钉使螺母与手轮紧密牢固连接在一起。为使足够牢固，在螺钉的标准表格中选用螺钉GB/T65-2000-M10X16。则手轮上端孔的直径应为1.1d，即11mm；螺杆的材料为钢，为连接牢固，则选用的螺钉旋入螺杆的长度bm>=d，本设计中dm=11mm。

2.8 机架的设计

2.8.1 尺寸的设计

机架的总体尺寸为：底座长80mm,宽40mm,高71mm。

机架的底座底部中央处，设计一条长30mm，宽40mm，高2mm的槽，以减少底座与固定机架的其他部件的接触面积，使接触紧密、平稳。底座上钻有直径为2mm的两个孔，孔的轴线距机架对称性的距离设计为30mm，以使再用螺钉固定机架时，不会发生干涉。由于该装置较小，可选用GB/T65-2000-M8×25的螺钉。 机架上部螺钉及孔的轴线距底座底部的距离为48mm,机架上的内螺纹与螺母的外螺纹形成紧固连接，其螺纹选用M20×1.5，螺纹长度为20mm，机架外螺纹与刻度套筒内螺纹形成紧固连接，其螺纹选用M30×2，长度为23mm,机架上与内螺纹同轴的空的直径为22mm,其长度为15mm。

2.8.2 表面粗糙度的选择

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机架采用铸造成型，利用切削进行加工。机架的肋板左右端面为螺纹连接的

接触端面，这些表面的粗糙度均选用Ra 12.5，与内螺纹同轴的孔的表面粗糙度选用Ra 6.3，机架外螺纹右端面的表面粗糙度选用Ra 12.5，其余的表面粗糙度选用Ra 0。

2.8.2 材料的选择

机架的材料选择强度、耐磨性较好的、铸造性能好的铸铁HT200。

3主要零件-螺杆的工艺

图3.1

如图3.1是本次设计微动装置中的重要零件-螺杆

3.1零件工艺分析

零件的工艺分析就是通过对零件图纸的分析研究，判断该零件的结构和技术要求是否合理，是否符合工艺性要求。 （1）审查零件图纸

通过对该零件图的重新绘制，知原图样的视图正确，尺寸、公差及技术要求齐全。

（2）零件的结构工艺性分析

该零件比较简单，材料为9Mn2V合金钢，没有复杂的结构和较高的加工要求，主要加工有各个外圆表面、端面的车削、磨削等，各个待加工表面的加工精度和表面粗糙度都不难获得。

该零件除主要工作表面加工精度均较低，不需要高精度机床加工。通过车削

的粗加工半精加工等就可以达到加工要求；而主要工作表面（螺纹面）加工精度要求相对较高，需要高精度机床加工。总体都可以在正常生产条件下，有此可见，

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该零件的工艺性较好。另外，为了防止加工变形，加工螺杆时，应采用两顶尖装夹并辅以跟刀架，以承受工件因重力及切削力作用而产生的下垂和振动。此外，还应施以充足的切削液，有用弹簧后顶尖，使耐磨和合理几何角度的车刀，并选用合理切削用量。

3.2工艺流程

备料：9Mn2V圆棒料，毛坯为25mmX200mm。要求毛坯全长弯曲度小于1mm，如超过1mm，则不能使用。

退火：目的在于提高材料的机械性能，消除毛坯内应力，改善切削加工性能。 粗车：车两端面，钻中心孔，注意保证中心孔的精度、粗糙度，长度留切除中心孔余量，采用双顶尖、跟刀架，粗车各段外圆并留2.5-3mm加工余量。

检验：径向圆跳动小于0.3mm，若大于0.3mm，应在半精车工序中纠正。 半精车：仍采用双顶尖、跟刀架，半精车各外圆，并留1-1.4mm加工余量。 铣退刀槽：按螺纹起止点位置，在铣床上铣出足够大的退刀槽。

车螺纹槽：在车床上车螺纹槽，需采用双顶尖装夹、跟刀架保持刚性。车削后，半径上留0.05-0.12mm的槽深余量，以便抛光。

精磨：精磨各外圆表面到图纸所要求的值。

钳工整形：以修整螺棱面、螺纹槽面上机加工未能到达的夹缝、过滤面及以上加工过程中所留下的毛刺、痕迹。

检验:检验螺杆的直线度、尺寸精度、粗糙度等，必要时修整。

硬氮化处理：在井式氮化炉中进行气体氮化处理，氮化层深度不小于0.3mm，硬度HV850-900，氮化后表面应呈银灰色。

切掉工艺余量、修整锥形面：把轴上用于打顶尖的工艺余量切掉，并车出锥面。

检验：总体检验，合格为止。

4小结

这次的课程设计，用了两个星期的时间。设计方向，设计方案选择，尺寸设计，工序的确定都是经过一次次的分析，不断的完善，最后得到最切实可行的方案。确定方案后，然后具体操作，画图，确定参数，做Word，确定工序。当然每一项都还是有经过研究的，仍旧有不太确定的地方。毕竟没有什么经验，理论

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和实际知识都有所欠缺，考虑得还是不太全面，所以在答辩的时候，老师也指出了我的错误，并且说出了自己的看法，指出了需要改正的地方。下来之后，又对方案的及时的修改，将老师指出的问题仔细的更正了。通过这次的设计，使我对于仪器制造和精密机械两门学科有了更好的认识，也通过这次设计，意识到我们知识和动手能力上的欠缺；知道了实践的重要性，并且也学会了努力去完成某一件事；还让我们初步学会了CAD的用法。这次的设计实验也让我们知道了理论知识固然重要，但是实际问题也需要我们的考虑。

总而言之，通过这次的实验，都明白了很多，知道了很多，也学会了很多，真的是受益匪浅！

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参考文献

[1]庞振基，傅雄刚主编. 精密机械零件. 北京：机械工业出版社，1989 [2]庞振基，黄其圣主编. 精密机械设计. 北京：机械工业出版社，1999 [3]张雪飞，付生力主编. 仪器制造工艺学. 北京：电子工业出版社，1994 [4]杜忠友，张海林主编. AutoCAD完全教程. 电子工业出版社，2008 [5]高政一，刘朝儒主编. 机械制图（第四版）. 高等教育出版社，2004 [6]闻邦椿主编. 机械设计手册（第五版）第1卷. 机械工业出版社，2010

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