目 录
摘要
一、绪论
1.1 基本概念
1.2 轮廓仪及其可调角度夹具的介绍
1.3 本课题的任务及意义
二、传动方案选择
2.1 原始数据
2.2 传动方案的选择与分析
三、蜗轮蜗杆传动设计
3.1 蜗轮蜗杆传动参数设计计算
3.2 蜗轮蜗杆校核计算
四、结构设计
4.1定位基准及定位元件的选择
4.2底座的设计
4.3 上座的设计
4.4 底层板的设计
4.5 中层板的设计
4.6 蜗轮蜗杆结构
4.7 轮廓仪可调角度夹具总装
五、结束语
附录（CAD图）
致谢
摘要：
轮廓仪可调角度夹具是轮廓仪的重要装备，夹具的精度直接影响着轮廓仪的测量精度，本设计在综合考虑可调角度夹具的工艺可行，性能稳定，操作方便，维护简单，精度高的要求，设计了该具有合理结构的可调角度轮廓仪夹具。
在本设计中，实现夹具工作台可调角度的机构采用蜗轮蜗杆传动机构，文中建立了合理的数学模型，对蜗轮蜗杆机构做了详细设计计算。用本文的方法设计的轮廓仪可调角度夹具，具有设计快捷、结构紧凑等特点。研究结果对提高设计的速度、质量具有重要意义。
关键词：轮廓仪 可调角度夹具 蜗轮蜗杆
一 绪论
1.1基本概念
夹具：
机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置。又称卡具。从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安全地安装工件的装置，都可称为夹具。例如焊接夹具、检验夹具、装配夹具、机床夹具等。
蜗杆传动：
蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动，两轴线间的夹角可为任意值，常用的为90°。蜗杆传动用于在交错轴间传递运动和动力。蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，一般蜗杆为主动件。蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋之分，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。蜗杆上只有一条螺旋线的称为单头蜗杆，即蜗杆转一周，蜗轮转过一齿，若蜗杆上有两条螺旋线，就称为双头蜗杆，即蜗杆转一周，蜗轮转过两个齿。
轮廓仪：
轮廓仪是通过仪器的触针与被测表面的滑移进行测量的，是接触测量。其主要优点是可以直接测量某些难以测量到的零件表面，如孔、槽等的表面粗糙度，又能直接按某种评定标准读数或是描绘出表面轮廓曲线的形状，且测量速度快、结果可靠、操作方便。但是被测表面容易被触针划伤，为此应在保证可靠接触的前提下尽量减少测量压力。
电动轮廓仪按传感器的工作原理分为电感式、感应式以及压电式多种。仪器由传感器、驱动箱、电器箱等三个基本部件组成。
传感器的触针由金刚石制成，针尖圆弧半径为2微米，在触针的后端镶有导块，形成一条相对于工件表面宏观起伏的测量的基准，使触针的位移仅相对于传感器壳体上下运动，所以导块能起到消除宏观几何形状误差和减小纹波度对表面粗糙度测量结果的影响。传感器以铰链形式和驱动箱连接，能自由下落，从而保证导块始终与被测表面接触。
电感式传感器工作原理简述如下。传感器的一端装有触针，其尖端表面与被测表面接触，当传感器以匀速水平移动时，被测表面的峰谷使探针产生上下位移，使敏感元件的电感发生变化，从而引起交流载波波形发生变化。此变化经由电器箱中放大、滤波、检波、积分运算等部分处理以后，可以直接由仪器电器箱的读数表上指示出来，也可以传递到计算机上进行处理。
1.2 轮廓仪及其可调角度夹具的发展
粗糙度是由切削过程中刀具在工件表面上留下的刀痕而产生的。它是机械零件的一个主要几何精度指标, 对零件的性能会产生重要的影响。零件表面直接影响零件的配合性质、疲劳强度、耐磨性、抗腐蚀性以及密封性等。因此,关于表面测量的研究就一直没有停止, 传统的测量方法有比较法、针描法、光切法、干涉法和印模法等多种, 主要是使用样板、电动轮廓仪、光切显微镜、干涉显微镜等多种工具和计量仪器。除样板比较法外, 其它各种测量方法都需在计量室内由专业人员进行测量操作, 这很不利于工件加工过程中的现场实时检测和操作。因此现在还只能留用在原来的样板评定方式, 当有争议发生时, 再通过计量部门的专业计量来判定表面的具体数值, 因此, 给实际工作带来诸多不便。
表面标准的提出和发展与工业生产技术的发展密切相关，它经历了由定性评定到定量评定两个阶段。表面对机器零件表面性能的影响从1918年开始首先受到注意，在飞机和飞机发动机设计中，由于要求用最少材料达到最大的强度，人们开始对加工表面的刀痕和刮痕对疲劳强度的影响加以研究。但由于测量困难，当时没有定量数值上的评定要求，只是根据目测感觉来确定。在20世纪20～30年代，世界上很多工业国家广泛采用三角符号(▽)的组合来表示不同精度的加工表面。
为研究表面对零件性能的影响和度量表面微观不平度的需要，从20年代末到30年代，德国、美国和英国等国的一些专家设计制作了轮廓记录仪、轮廓仪，同时也产生出了光切式显微镜和干涉显微镜等用光学方法来测量表面微观不平度的仪器，给从数值上定量评定表面创造了条件。从30年代起，已对表面定量评定参数进行了研究，如美国的Abbott就提出了用距表面轮廓峰顶的深度和支承长度率曲线来表征表面。1936年出版了Schmaltz论述表面的专著，对表面的评定参数和数值的标准化提出了建议。但评定参数及其数值的使用，真正成为一个被广泛接受的标准还是从40年代各国相应的国家标准发布以后开始的。
首先是美国在1940年发布了ASA B46.1国家标准，之后又经过几次修订，成为现行标准ANSI/ASME B46.1-1988《表面结构表面、表面波纹度和加工纹理》，该标准采用中线制，并将Ra作为主参数；接着前苏联在1945年发布了GOCT2789-1945《表面光洁度、表面微观几何形状、分级和表示法》国家标准，而后经过了3次修订成为GOCT2789-1973《表面参数和特征》，该标准也采用中线制，并规定了包括轮廓均方根偏差(即现在的Rq)在内的6个评定参数及其相应的参数值。另外，其它工业发达国家的标准大多是在50年代制定的，如联邦德国在1952年2月发布了DIN4760和DIN4762有关表面的评定参数和术语等方面的标准等。
表面质量的特性是零件最重要的特性之一，在计量科学中表面质量的检测具有重要的地位。最早人们是用标准样件或样块，通过肉眼观察或用手触摸，对表面做出定性的综合评定。1929年德国的施马尔茨(G.Schmalz)首先对表面微观不平度的深度进行了定量测量。1936年美国的艾卜特(E.J.Abbott)研制成功第一台车间用的测量表面的轮廓仪。1940年英国Taylor-Hobson公司研制成功表面测量仪“泰吕塞夫(TALYSURF)”。以后，各国又相继研制出多种测量表面的仪器。目前，测量表面常用的方法有：比较法、光切法、干涉法、针描法和印模法等，而测量迅速方便、测值精度较高、应用最为广泛的就是采用针描法原理的表面测量仪。
1.3 本课题的意义
轮廓仪形状测量仪是测量各种机械零件素线形状和截面轮廓形状的精密设备。在轴承行业中可测量各种滚动体及滚道的素线形状，如：凸出量、接触角、曲面曲率半径和基准件角度等，在机械行业中可测量各种零件的直线度、线轮廓度、平行度、倾斜度、角度。特别适用于汽车、拖拉机、摩托车活塞的外型的测量。该仪器采用微机控制，自动实现测量循环，自动消除安装误差，直接显示所测零件的形状及参数，并可打印图形和数据，供产品质量检测及工艺分析。
目前，采用接触测量法的金刚石触针轮廓仪在工程表面粗糙度测量中仍占主导地位，此类仪器具有测量可靠、操作方便、价格适中以及符合表面粗糙度国际标准的评定要求等优点。
图1 轮廓仪可调角度夹具
科技的发展，产品对零件的表面要求越来越高，对轮廓仪的检测测量精度及范围也越来越高。在很大程度上不能满足单单对水平面粗糙度的测量,于是就衍生出对复杂几何体测量的需求。可调角度轮廓仪夹具是轮廓仪的重要组成部分，可满足对复杂几何体测量的需求，其设计制造的精度，操作方便性等直接影响着轮廓仪对零件的测量精度和测量范围。因此,该课题具有较高的实际应用价值和市场推荐价值。
二 传动方案选择
2.1原始数据
原始数据来源于上海凯力博电器仪表成套设备有限公司，系本人在该公司实习所得的实测数据。
1) 由现场实测数据，平台上座转动直径为110mm
2）平台上座转动速度为v=0.006/s
3）平台上座转动需要克服的力F＝10N
2.2传动方案的选择与分析
由于蜗轮蜗杆能实现90度交叉传动，具有传动比大，传动精度高，本轮廓仪可调角度夹具的角度调节由蜗轮蜗杆传动实现，底层板和中层板的平移由螺纹传动实现。
图2 蜗轮蜗杆传动图
2.3 确定输入功率的功率
由平台转动所需克服的圆周力
和转动速度v,得
r/min
V为速度
D为平台直径
0.001代表D从毫米单位换算成米
2.4确定传动装置效率
蜗杆传动的效率与蜗杆头数z1有关，应先初选头数后，然后估计效率，蜗杆的头数越多，效率越高，但加工难度增大，考虑到本蜗杆整体尺寸较小，若头数太多，加工难度大，且本蜗杆传递功率很小，输放端为人手旋转所输入，效率的影响不大，所以本蜗杆头数先为1 。
滑动轴承的效率为：
一级蜗杆传动效率: 
—— 从电动机至工作机主动轴之间的总效率故传动装置总效率：
＝
，
调节螺母输入的功率
＝
三 蜗轮蜗杆传动设计
3.1蜗轮蜗杆传动参数设计计算
3.1.1 选择蜗杆、蜗轮材料
1.选择蜗杆传动的类型
采用准平行环面蜗杆传动.
2.选择蜗杆、蜗轮材料，确定许用应力
考虑蜗杆传动中，传递的功率很少，速度很低，根据《机械零件课程设计》表5－2，蜗杆选用2CR13，因希望传递精度高，材料选用H62，金属模铸造，为了提高机械加工精度，提高效率，节约贵重有色金属，齿圈一次加工成型，然后分成四段。
由《机械零件课程设计》表5－3查得蜗轮材料的许用接触应力
[
] =190
由《机械零件课程设计》表5－5查得蜗轮材料的许用弯
曲应力
[
]=44
3.1.2 确定蜗杆头数Z
及蜗轮齿数Z
由《机械零件课程设计》表5－6，
选取Z＝1
则Z＝Z·120＝1×120＝120
故取Z＝120
3.1.3 验算上座的速度
实际传动比 i＝120/1
转速 n＝120/120=1
3.1.4 确定蜗杆蜗轮中心距a
1.确定蜗杆的计算功率
式中 K
——使用场合系数，每天工作一小时,轻度震动
由《机械工程手册》查得：K＝0.7；
K
——制造精度系数，取7级精度，
查得：K＝0.9；
K
——材料配对系数，齿面滑动速度 < 10
由《机械工程手册》查得：K＝0.85。
代入数据得
＝
KW
以等于或略大于蜗杆计算功率
所对应的中心距作为合理的选取值根据《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）表2·5－22a，选取蜗杆的中心距：a＝100mm. a＝100mm
由于准平行二次包络环面蜗杆为新型得蜗杆,它的优点是:接触面大,导程角
,它的值稳定且
一定,则润滑好,接.
触面大应直接根据“原始型”传动蜗杆设计参数。
3.1.5 蜗杆传动几何参数设计
准平行二次包络环面蜗杆的几何参数和尺寸计算表
1.中心距：由《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）
标准选取a=67mm
2.齿数比：u＝
＝120
3.蜗轮齿数：由《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）
选取
4.蜗杆头数：由《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）
选取 
5.蜗杆齿顶圆直径：《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）表2.5－16
选取 
=16mm
6.蜗轮轮缘宽度：《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）表2.5－16
选取b
=10mm
7.蜗轮齿距角：
＝
8.蜗杆包容蜗轮齿数：K＝
=12
9.蜗轮齿宽包角之半：
＝0.5（K－0.45）=
10.蜗杆齿宽：《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）表2.5－16
选取 
=30mm
11.蜗杆螺纹部分长度：《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）表2.5－
16，选取
=30mm
12.蜗杆齿顶圆弧半径：《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）表2.5－
16，选取R
=8mm
13.蜗杆齿顶圆最大直径：《机械工程手册/传动设计卷》（第二版）表
2.5－16，选取
=16mm
14.蜗轮端面模数：m
＝
=
mm
16.径向间隙：
=0.16mm
17.齿顶高：h
=1 m
=1mm
18.齿根高：h
= h+ C=1.16mm
19.全齿高：h= h+ h=2.16mm
20.蜗杆分度圆直径：
＝（0.335＋
）a
＝14mm
21.蜗轮分度圆直径：
＝2a－＝120mm
22.蜗轮齿根圆直径：d
＝－2 h=116.68mm
23.蜗杆齿根圆直径：d
＝－2 h=11.68
判断：因为
=28.12mm,满足要求
24.蜗轮喉圆直径：d
＝＋2 h=122mm
25.蜗轮齿根圆弧半径：
=13.66mm
26.蜗杆螺纹包角之半：
=
=
27.蜗轮喉母圆半径：
=
=
=8.14mm
28.蜗轮外缘直径：由作图可得
=120mm
29.蜗杆分度圆导程角：
＝
=
30.蜗杆平均导程角：
＝
31.分度圆压力角：
=
32.蜗杆外径处肩带宽度：
取0.5mm
34.蜗轮分度圆齿厚：
数据带入公式得 
1.727mm
35.齿侧隙：查表4-2-6得
36.蜗杆分度圆齿厚：
=1.205
37.蜗杆分度圆法向齿厚：
=1.116
38.蜗轮分度圆法向齿厚：
=1.6
3.2蜗轮蜗杆校核计算
蜗杆传动承载能力主要受蜗杆齿面胶合和蜗轮齿根剪切强度的限制。因而若许用传动功率确定中心距，则然后校核蜗轮齿根剪切强度。
由于轴承变形增加了蜗杆轴向位移，使蜗轮承受的载荷集
中在2－3个齿上。而且，由于蜗轮轮齿的变形，造成卸载，
引起载荷沿齿高方向分布不均，使合力作用点向齿根方向偏移。
因而，蜗轮断齿主要由于齿根剪切强度不足造成的
校核：
其中 
—— 作用于蜗轮齿面上的及摩擦力影响的载荷;
—— 蜗轮包容齿数
—— 蜗杆与蜗轮啮合齿间载荷分配系数;
——蜗轮齿根受剪面积;
公式中各参数的计算
1.的计算
=
——作用在蜗轮轮齿上的圆周力，
——蜗杆喉部螺旋升角 ，4.5
—— 当量齿厚，
滑动速度
=
=0.088m/s
根据滑动速度
查机械设计手册3－3－9得
将数据带入公式得
=
N
2.计算得 = 5
3.蜗轮齿根受剪面积
—— 蜗轮齿根圆齿厚；
由上可知
—— 蜗轮端面周节；
—— 蜗轮理论半包角；
—— 蜗轮分度圆齿厚所对中心角。
数据带入公式得
=5.998mm
由上可得
对于H62 
取
,抗拉强度=225MPa
，
则 <
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