Thuyết Minh Đồ Án Máy Chính Xác

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 cơ khí nói riêng, và các ngành cơng nghiệp
nói chung, thiết bị đo trong cơ khí là dụng cụ dùng để đo đạc,
kiểm tra các thông số chế tạo nhằm đảm bảo độ tin cậy, an
toàn khi sử dụng của các chi tiết và máy móc cơ khí. Các thơng
số cần kiểm tra như: Kích thước, khe hở, độ sâu, độ cao, tính
đồng nhất của vật liệu chế tạo chi tiết cơ khí, khả năng dẫn
điện, khả năng chịu lực nén, kéo, xoắn, đo chân không, đo áp
suất, đo nhiệt độ.... Tùy theo các loại máy móc và chi tiết cơ khí
được ứng dụng ở các mơi trường khác nhau, sẽ địi hỏi dụng cụ
đo cơ khí chun dùng có tính chính xác khác nhau để đảm bảo
được độ an tồn khi máy móc cơ khí hoạt động.
Có nhiều loại thiết bị đo khác nhau, tùy theo từng mục
đích sử dụng khác nhau, mà được phân chia thành các nhóm,
loại khác nhau, như các dụng cụ đo kích thước cơ bản, các dụng
cụ đo dung sai kích thước, các dụng cụ đo độ cứng, độ bền...
Sau thời gian học xong môn học “Chi tiết cơ cấu chính xác
“... Đến học kì này em được phân cơng nhiệm vụ thiết kế đồng
hồ so phần trăm chân thẳng. Dưới sự hướng dẫn của thầy
Nguyễn Văn A đến nay em đã hoàn thành được phần thiết kế và
bản vẽ lắp của chiếc đồng hồ này. Vì thời gian và trình độ có
hạn, nên khơng thể tránh khỏi những thiếu xót. Em xin chân
thành cảm ơn những ý kiến, phê bình của thầy cơ để ngày một
hồn thiện hơn.


ĐỀ ĐỒ ÁN

I. Nhiệm vụ thiết kế:
Thiết kế Đồng hồ so chân thẳng

II. Thông số thiết kế của dụng cụ đo như sau:
Độ phân giải 0.01mm,
Phạm vi đo: 0-10 mm
Độ chính xác: ±0.02mm
III.Nội dung thực hiện:
a. Bản vẽ sơ đồ ngun lý và tính tốn hàm truyền của kết cấu
b. Tính tốn kích thước các cơ cấu của dụng cụ
c. Tính tốn các sai số của dụng cụ
d. Bản vẽ lắp dụng cụ và bản vẽ chế tạo một số cơ cấu trong
dụng cụ
Đồ án bao gồm: 1 quyển thuyết minh, bản vẽ sơ đồ nguyên lý,
bản vẽ lắp, bản vẽ chế tạo một số cơ cấu trong dụng cụ


YÊU CẦU THIẾT KẾ ĐỒ ÁN
1. Đầu đề thiết kế:
Thiết kế đồng hồ so chân thẳng (phần trăm milimet)
2. Yêu cầu thiết kế:
- Bán kính bánh răng lớn : R2 ,R4.
- Bán kính bánh răng nhỏ là : R1 ,R3.
- Số răng Z1, Z2, Z3, Z4.
- Chiều dài kim : L1, L2
- Dịch chuyển của đầu đo là: s.
- Dịch chuyển của kim chỉ thị là: y.
3. Các thông số cho trước:
- Tỷ số truyền : k = 100.

- Độ phân giải : 0,01 mm.
- Khoảng cách giữa các vạch chia : 1 mm(kim dài) ; 2mm
( kim ngắn)
- Phạm vi đo : 0-10 mm.
- Độ chính xác : ±0.02 mm.
4. Nội dung các phần tính tốn và thiết kế:
- Bản vẽ sơ đồ ngun lý và tính tốn hàm truyền của kết
cấu
- Tính tốn kích thước các cơ cấu của dụng cụ
- Tính tốn các sai số của dụng cụ
- Bản vẽ lắp dụng cụ và bản vẽ chế tạo một số cơ cấu
trong dụng cụ
5. Đồ án bao gồm:
01 quyển thuyết minh, bản vẽ sơ đồ nguyên lý, bản vẽ lắp,
bản vẽ chế tạo


một số cơ cấu trong dụng cụ.

Chương 1:Tổng Quan Về Đồng Hồ So
1. Đồng hồ so là gì?
Cùng với thước cặp và panme, đồng hồ so giúp chúng ta
kiểm tra độ chính
xác của phơi và các chi tiết của thiết bị máy móc.
Đồng hồ so là thiết bị dùng để gắn vào đầu đo của thước
đo cao hoặc các
thiết bị khác để hỗ trợ kiểm tra mặt phẳng. Ngoài ra cịn dùng
để kiểm tra độ sai
lệch hình dạng, hình học và vị chí của các chi tiết như: độ cơn,
độ song song,

vng góc, độ khơng đồng trục... Có nhiều loại đồng hồ so với
độ chính xác kháu nhau.
2. Sử dụng đồng hồ so như thế nào?
- Xác định không gian thực hiện đo, chọn đồng hồ so, chọn
vị trí đo, và vật đo.
- Khi đã xác định được vật đo, ta gắn cố định đồng hồ so
vào chúng và điều chỉnh thang đo về “0”. Điều chỉnh lại vị
trí tiếp xúc của các vật cần đo và đọc số đo trên mặt đồng
hồ
- Cách đặt đồng hồ đo: tùy thuộc vào vị trí của chi tiết đo
và ta tiến hành điều chỉnh vị trí của đồng hồ đo thích hợp,
thanh đo cần đặt vng góc với bề mặt đo.
- Cách đọc số: số nguyên mm được đọc theo kim chỉ số
vịng trên thước nhỏ.
Khi kim chỉ được 1 vạch thì thanh đo dịch chuyển 1mm.
Phần trăm mm đọc theo kim chỉ kích thước lớn. (Đồng hồ
so phần trăm dải đo 0-10mm)


3. Khảo sát đồng hồ so
- Khảo sát nhằm mục đích trực tiếp quan sát và nghiên cứu
các mẫu đồng hồ so khác nhau. Bằng cách nắm bắt được
cấu trúc,nguyên lý, chất liệu, và các tính năng của đồng
hồ, giúp cái nhìn tổng quan và hiểu rõ hơn về cách nó hoạt
động.
- Khảo sát thực tế :

Hình 1.Mẫu đồng hồ so 0.01 thực tế tại PTN đo lường cơ bản,NCM CKCXQH

- Tham khảo Catalog Mitutoyo :

Hình 2.Catalog đồng hồ so Mitutoyo 0.01 mm

Phân tích cơ cấu :
-

Cơ cấu trục vít - bánh vít
Cơ cấu bánh răng - bánh căng
Cơ cấu kim chỉ thị

Phân tích cấu tạo , thơng số :
- Hình dáng,cấu tạo,vị trí các chi tiết bên ngồi cơ bản là
giống nhau.Cùng phạm vi đo thì cả hai có kích thước vỏ
gần tương đương nhau
- Các thơng số về trục dẫn hướng trục đo là như nhau
giúp tiêu chuẩn trong việc gá đặt đo đường
- Đồng hồ so Mitutoyo sự dụng vít chặn xoay mặt đồng
hồ
- Với các thơng số của đồng hồ so Mitutoyo có độ chính
xác ± 0.013mm
- Với phạm vi đo 0-10 có 2 loại phân vạch chia chính trên
mặt đồng hồ là :0-50-0 hoặc 0-100


Chương 2: Sơ đồ nguyên lý làm việc và hàm
truyền
Sau khi xem xét lý thuyết và tìm hiểu thực tế về một số mẫu
đồng hồ so,tôi đưa ra sơ đồ nguyên lý hoạt động cho đồng hồ
so của mình thiết kế như sau :

1.1. Sơ đồ nguyên lý

Hình 3. Sơ đồ nguyên lý đồng hồ so phần trăm

1.2. Nguyên lý hoạt động


- Đầu đo dịch chuyển một đoạn s, thanh răng chuyển
động ăn khớp với bánh răng Z1 => Kim ngắn quay thể
hiện giá trị y1
- Bánh răng lớn Z2 đồng tâm với bánh răng nhỏ Z1 và ăn
khớp với bánh răng nhỏ Z3 => Kim dài quay thể hiện
giá trị y2
- Các cơ cấu sử dụng:
Thanh răng- Bánh răng
Bánh răng- Bánh răng
Kim chỉ thị
1.3. Hàm truyền
- Ta có: Đầu đo dịch chuyển một đoạn s thì bánh răng Z1
và Z2 cùng quay một góc φ
 s=R 1 . φ
 φ=

s
R1

 Hàm truyền của kim ngắn sẽ là:
y 1=φ . L1=

s

.L
R1 1

Với L1 là chiều dài của kim ngắn
- Ta lại có:
R=

m.Z
2
2. s . L
s
 y 1=φ . L1= . L1= ' 1
R1

m . Z1

Với m’ là modul của bánh răng Z1
- Ta có tỉ số truyền từ bánh răng Z2 đến bánh răng Z3 là:
i 32=

R2
R3

 Góc quay của kim dài sẽ là :
ψ=φ .i 32 =

s . R2
R 1 . R3

- Với chiều dài kim là L2 thì hàm truyền của kim dài tính

được:
y 2=ψ . L2=

s . R 2 . L2
R1 . R3


Ở đây, Z1 và Z2 đồng tâm với nhau, xét tại cơ cấu
thanh răng – bánh răng Z1 có modul m’, cơ cấu bánh
răng Z2 – bánh răng Z3 ăn khớp với nhau bởi modul m,
ta được :
y 2=ψ . L=

s . R2 . L2 2. s . Z 2 . L2
=
R1 . R 3
Z1 . Z3. m '


Chương 3: Tính tốn kích thước các cơ 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 giữa hai vạch kim dài: 1 mm
∆y
1
Tỉ số truyền sơ bộ được tính: i= ∆ s = 0,01 =100

- Chọn chiều dài kim đồng hồ: L1= 5 mm, L2 = 25 mm

- Tỷ số truyền của hệ bánh răng - thanh răng:
s .R . L

2
2
Ta có hàm truyền của kim dài: y 2= R . R
1
3

¿>

y 2 R 2 . L2
R2
=
↔ 100=
.25
s R 1 . R3
R1 . R 3
R2
Mà R . R là tỉ số truyền của hệ bánh răng – thanh
1
3

răng
Gọi tỉ số truyền của hệ thanh răng- bánh răng là i '
ta được:
i' =

100
=4

25

2.2. Thông số các bánh răng :
- Chọn modul cho bánh răng Z1 và thanh răng là m’ = 0,5
- Chọn modul cho bánh răng Z2, Z3, Z4 là m = 0,2
2. Z2

'

i =4=¿

'

m . Z1 . Z3

=4 ↔

Z2
4.0,5
=
=1
Z 1 . Z3
2

- Chọn số răng cho bánh răng:
Ta có hàm truyền kim ngắn
y 1=φ . L1=

∆ y 1 L1
s

. L1 ⇒
=
R1
∆ s R1

Trong đó
Ta chọn ∆ y 1 là khoảng cách giữa các vạch chia mặt
nhỏ là 2 mm
Và quãng đường ∆ s tương ứng là 1 mm
Kim ngắn có chiều dài L1 = 5 mm


⇒ R1 =

∆ s . L1 5
= =2,5 (mm)
∆ y1 2

R1 là bán kính vịng chia bánh răng Z1
Ta lại có:
R=

m.Z
2

R .2 2,5.2
Suy ra số răng bánh Z1: Z1 = m' = 0,5 =10 (răng)
Z2

Kết hợp với điều kiện: Z . Z =1

1
3
Ta chọn được số răng cho các bánh răng 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 răng

Z

10

100

10

100

Đường kính
vịng chia

d

mm

5

20

2

20

Đường kính
đỉnh răng

da

mm

6

20,2

2,4

20,2

Đường kính
chân răng

d0

mm

3,75

19,3

1,5

19,3

Chọn vật liệu làm bánh răng dùng trong đồng hồ so có các
thơng số:

(Bảng 3.6/141 sách “Chi tiết cơ cấu chính xác I”)
- Dạng bộ truyền: Trụ răng thẳng.
- Tốc độ vòng (m/s): Đến 6.
- Cấp chính xác: 7 ÷ 8.
- Độ nhám bề mặt: 0,63 ÷ 2,50.
- Bánh răng nhỏ (mác thép): Thép 45
- Bánh răng lớn : Đồng


2.3. Lò xò xoắn Acsimet
2.3.1.
Chọn vật liệu
Lò xo xoắn acsimet là băng kim loại được cuốn theo
đường xoắn acsimet, tọa thành momen quay tác dụng
trong mặt phẳng vng góc với trục lò xo. Lò xo xoắn
acsimet hay còn gọi là lò xo momen là một trong những
chi tiết quan trọng nhất xác định chất lượng và độ chính
xác của dụng cụ, vì thế cần phải thỏa mãn các yêu cầu:

- Momen M , góc xoắn 𝜑 cần phải tỷ lệ bậc nhất theo thời
gian với nhau.
- Tính chất đàn hồi không thay đổi theo thời gian.
- Hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu nhỏ.
- Biến dạng dư nhỏ nhất.
- Khơng có từ tính.
- Tính chống ăn mịn cao.
- Điện trở suất nhỏ.
Để chế tạo lò xo xoắn dùng băng thép y8A, y10A và 70
C2XA, băng đồng thanh các loại và 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 lị xo.


Áp lực lò xo cần thiết cho cơ 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 của lị xo: M =W.[𝜎]𝑢
Trong đó:
W- Mơ men chống uốn của tiết diện lò xo
[𝜎]𝑢 - Ứng suất uốn cho phép [𝜎]𝑢 = 1000 MPa = 109
Pa
Suy ra:
M=

b h2
. [σ ]u
6

Từ điều kiện cân bằng giữa mô men ngoại lực và mơ
men nội lực ta có:
M=

b h2
b h3 . E
. [σ ]u=
.φ
6

12 L

Suy ra:
h 2.[σ ]u
=
l
E.φ

Chiều dài L của lò xo:
π . ( D 21−D 22 )
L=
4c

Trong đó:
𝐷1và 𝐷2 – Đường kính ngồi và đường kính trong của lò
xo.
→ Lấy 𝐷1 = 18 𝑚𝑚, 𝐷2 = 2 𝑚𝑚
c- Bước của lò xo. Với 𝑐 = 𝑘1. ℎ
𝑘1 – Hệ số tránh sự tiếp xúc giữa các vòng xoắn.
Thường: 𝑘1=10 đến 13, đối với các lị xo có mơ men nhỏ.
→Ta chọn 𝑘1=10
Nếu 𝑛𝑃 – Số vịng xoắn mà lò xo xoắn từ trạng thái tự do:
- chọn 𝑛𝑃 = 6 => 𝜑 = 2𝜋. 𝑛𝑃 = 12𝜋 ( 𝑟𝑎𝑑 )
Chiều dài của lò xo:
π .(D21−D22 )
L=
4 k 1 .h

Suy ra:

2.[σ ]u
h
=
2
2
π .( D 1−D 2 ) E . φ
4 k1 . h

Vậy chiều dày của lò xo xoắn là:
π . ( D21−D22 ) .[σ ]u
π . ( 0,022−0,0012 ) . 109
h=
=
=8,69.10−5 m
11
2. k 1 . E . φ
2.10.2,2 .10 .12 π

√

√

Lấy h = 0,09 mm
Chiều rộng b của lò xo xoắn Acsimet:
b=

L=

6M

6.12. 10−4
−4
=
=8.10 ( m ) . Lấy b=0,8 mm
2
−5 2
9
h . [σ ]u (9. 10 ) . 10

π .( D 21−D 22 ) π .(182−22 )
=
=279 mm
4 k 1 .h
4. 10 .0,09

2.4. Tính tốn bộ phận tạo áp lực đo và thiết kế lò xo
xoắn trụ.
Sử dụng lò xo xoắn trụ chịu xoắn để tạo áp lực đo. Lị
xo có đỉnh được gắn với trục đo chứa thanh răng, chân
của lò xo được gắn chặt với 1 điểm cố định trên vỏ đồng
hồ.

Cấu tạo lị xo có các vịng lị xo được cuộn có khe hở
khoảng 0,5mm tránh cọ sát khi chịu tải. Khi chịu tải,
trên mỗi tiết diện lị xo chịu mơmen M bằng với mơmen
xoắn lị xo tác dụng từ bên ngồi. Véctơ mơmen M
hướng dọc trục lị xo. Phân tích mơmen M thành 2 thành
phần: mơmen uốn các vịng lị xo 𝑀𝑢 = 𝑀. 𝑐𝑜𝑠𝛼 và
mơmen xoắn các vịng lị xo 𝑀𝑥 = 𝑀. 𝑠𝑖𝑛𝛼. Vì đối với
các lị xo chịu xoắn, thơng thường góc nâng của vòng lò

xo 𝛼 ≤ 12 ÷ 15°, trong tính tốn có thể lấy gần đúng
𝑀𝑢 = 𝑀 và bỏ qua mômen xoắn vịng lị xo 𝑀𝑥.

Khi lị xo chịu mơ men xoắn T, dây lị xo bị uồn bởi
mơmen M = T.cos𝛼. Vì góc 𝛼 tương đối nhỏ, nên lấy gần
đúng cos𝛼 = 1. M = T = 𝐹𝑚𝑎𝑥.𝑐
Lực kéo lò xo trong khoảng 1→2N.
Có:
d-đường kính dây quấn lị xo
4 c−1
k-hệ số kể đến độ cong của vòng lò xo: k = 4 c−4
c- hệ số tỉ lệ giữa đường kính dây quấn lò xo và lõi xo
(tra bảng trang 22 sách “Chi tiết cơ cấu chính xác I”) ta
chọn c=8 và k=1,17
- Ta chọn vật liệu làm lò xo là inox có  =400 (MPa)
- Cơng thức tính đường kính dây lò xo:
d ≥1,6

√

k . F max . c

=1,6

√

1,17.2.8
=0,346 ( mm )=¿ d=0,35 mm

400

- Số vòng của lò xo:
n=

x .G . d
7,67.8.10 4 .0,35
=
=52 vòng
8.c 3 .(F max−F min )
8.83 .(2−1)

Trong đó:
x- Chuyển vị của lị xo, x = 7,67 (mm)
G- momen đàn hồi trượt, lò xo làm bằng thép nên G
= 8.104 (MPa)


- Đường kính lị xo:
D=c . d=8.0,35=2,8( mm)

- Chiều dài ban đầu của 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 các sai số của dụng cụ
3.1. Sai số sơ đồ
- Sai số sơ đồ là sai số xuất hiện do việc sử dụng sơ đồ có
cơ cấu hàm vị trí gần đúng, hàm vị trí cho trước giữa
truyền động của khâu bị dẫn và khâu dẫn cơ cấu
Vì hàm truyền trong bài
y 1=φ . L1=

y 2=ψ . L=

s
.L
R1 1

s . R2 . L2 2. s . Z 2 . L2
=
R1 . R 3
Z1 . Z3. m '

Các hàm truyền trên là hàm truyền tuyến tính nên
khơng có sơ đồ
3.2. Sai số hình học
1. Sai số động học bánh răng
Mức chính xác động học được đánh giá bằng sai số
động học F 'ir , là sai số lớn nhất về góc quay của bánh
răng trong phạm vi một vịng quay khi nó ăn khớp với
bánh răng mẫu

- Ta có: F ,ir=F pk + f f (Tra bảng 26,27,28-162[2])
- Trong một vòng quay của bánh răng  φ=2 π , từ tỷ số:
∆φk
F ,ir
=
360.60 1000. π . d

Trong đó:
∆ φk – Sai số động học của bánh răng bị dẫn trong một
phút góc


F ,ir- Sai số động học của bánh răng.

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 của cơ cấu bằng tổng
các sai số động học của bánh răng trên trục bị dẫn của
cơ cấu.
Sai số động học của cơ cấu bánh răng 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 đó
F 'irj- Giá trị cho phép sai số động học đối với bánh răng
thứ j. (𝜇𝑚)
v – Hệ số xác suất tính đến sự giảm sai số thực so với 𝐹𝑖𝑟
′

→ ta lấy v=0,7
m – Môđun (mm)
Z – Số răng
d – Đường kính bánh răng d= Z.m
i jn - Tỷ số truyền từ trục j đến trục n.
- Chỉ số ở trên trong dấu ngoặc ở ∆𝜑𝐾 – ký hiệu số khâu
dẫn
- Chỉ số dưới – ký hiệu số thứ tự khâu bị dẫn, mà sai số
được xác định ở trên khâu đó.

- Hệ cơ cấu thanh răng – bánh răng, bánh răng –bánh
răng của đồng hồ so tương đương với cơ cấu bánh răng
2 cấp nên ta có:
n

∆ φkn=∑
j=1

4,8. F'irj
Z j m j i jn

vì thanh răng có d → ∞ 𝑣à 𝑧 → ∞ nên bỏ qua sai số
động học của thanh răng
- Kim dài:
 ∆ φ3=4,8

(

F 'ir 1
F'
F'
1
1
1
+ ir 2 + ir 3 =4,8. F 'ir
+
+
d 1 . i 23 d 2 . i 23 d 3 . i 33
d1 . i23 d 2 . i23 d 3 . i33

 ∆ φ3=4,8. F 'ir

)

(

1
1
+ ) với F =10 μmm
( 5.101 + 20.10
2
'
ir

)