Конструирование измерительных приборов: Рабочая программа, задание на контрольную работу, методические указания к выполнению контрольной работы

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ И СИСТЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

КОНСТРУИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Факультет: машиностроительный Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста 653700-приборостроение 190100- приборостроение Направление подготовки бакалавра 551500-приборостроение

Санкт-Петербург 2003

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 681.2(071) Конструирование измерительных приборов: Рабочая программа, задание на контрольную работу, методические указания к выполнению контрольной работы- СПб.:СЗТУ, 2003,-24с. Рабочая программа разработана в соответствии с государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 653700 – “Приборостроение” (специальность 190100 –“Приборостроение”) и направлению подготовки бакалавра 551500- “Приборостроение”. В дисциплине “Конструирование измерительных приборов”– рассматриваются основные принципы конструирования деталей, сборочных единиц и функциональных устройств измерительных приборов и вопросы рационального выбора параметров механизмов приборов. Методический комплекс содержат варианты заданий на контрольную работу. Тематика задач контрольной работы - конструирование элементов механических систем измерительных приборов. Рассмотрено на заседании кафедры приборов контроля и систем экологической безопасности 28.12. 2002 г, одобрено методической комиссией машиностроительного факультета 29.12. 2002. Рецензенты: Р. Н. Парахуда, канд.техн.наук, доц. кафедры “Метрология”; К.У. Кутыев, канд.техн.наук, доц. кафедры “Теоретическая и прикладная механика”. С о с т а в и т е л ь Ю. А. Аруцов, канд. техн. наук, проф.

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина “Конструирование измерительных приборов ” является завершающей в цикле дисциплин, формирующих конструкторскотехнологическую подготовку будущего инженера. Целью дисциплины является формирование знаний основных принципов рационального конструирования измерительных приборов. Задачей изучения дисциплины является развитие у будущих инженеров умения разрабатывать такие конструкции, в которых экономическая эффективность от их внедрения сочеталась бы с высокой степенью современных достижений науки и техники, новизной и перспективностью конструктивного решения, патентной чистотой, конкурентоспособностью и другими показателями качества. Изучение дисциплины “Конструирование измерительных приборов” базируется на курсах ”Механика“, “Материаловедение и технология конструкционных материалов”, “Детали приборов и основы конструирования”, “Взаимозаменяемость и технические измерения ” и завершает конструкторскую подготовку студентов. Эта подготовка должна обеспечить: знание элементной базы, характерной для приборов специальности; знание теоретических основ конструирования и выработку навыков их использования при конструировании типовых элементов и устройств приборов специальности; понимание общих тенденций развития приборов специальности; умение разрабатывать конструкции механических систем приборов; выработку навыков использования компьютерной техники для нахождения наилучших решений при конструировании. 1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 1. 1 Содержание дисциплины по Государственному образовательному стандарту (ГОС) Стадии разработки приборов: составление и анализ технического задания; выбор вариантов конструкции; техническое предложение и эскизное проектирование; разработка рабочей документации; методика конструирования деталей, соединений: выбор формы, размеров, материала детали и их соединений, конструкторские методы повышения жесткости и надежности; особенности конструирования соединений; конструирование сборочных единиц: методы инверсии и совмещения функций; методы блочного конструирования, базового изделия, резервирования; принцип кратчайшей размерной цепи; методы достижения заданной точности замыкающего звена; компенсаторы и регуляторы; показатели качества конструкции; вопросы стандартизации и унификации; типовые узлы и устройства приборов: защита приборов от внешних воздействий.

3

1.2 РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объем 200 часов) 1.2.1 Общие вопросы проектирования механических систем измерительных приборов [1],c.3-31;

Стадии разработки приборов: составление и анализ технического задания; выбор вариантов конструкции; техническое предложение и эскизное проектирование. Показатели качества конструкции. Методы нахождения новых инженерных решений. Типовые приемы нахождения новых инженерных решений. Нахождение наилучших решений при конструировании с использованием математических методов и метода разработки вариантов. Расчет оптимальных параметров конструкций с использованием метода множителей Лагранжа. 1.2.2 Конструирование деталей [1],c.31-52; [3],c20-93

Основные элементы поверхностей деталей. Конструкторские, технологические и измерительные базы. Расчетные, компоновочные, параметрические и технологические размеры. Нормальные линейные размеры. Основные принципы выбора и простановки размеров на чертежах деталей. Конструкторский и технологический способы простановки размеров. Выбор формы деталей, изготавливаемых резанием, литьем, штамповкой и другими технологическими способами. Обеспечение требований прочности, жесткости и технологичности деталей. Соответствие формы детали масштабу выпуска и условиям производства. Выбор материала для детали, Основные группы материалов. Оформление технических требований на чертежах деталей. 1.2.3 Конструирование соединений [1],c.53-70; [3],c94-120

Рабочие и базирующие соединения. Основные характеристики соединений: число наложенных связей, форма контакта и способ замыкания. Основные положения кинематического и машиностроительного методов конструирования соединений. Выбор числа связей и их расположение. Дублирующие (избыточные) связи, их влияние на технологичность и работоспособность конструкции. Расчет числа дублирующих связей в кинематической паре и кинематической цепи. Устранение дублирующих связей. Влияние формы связей на точность соединения. Конструирование центрирующих соединений. Точные неподвижные соединения. 1.2.4 Конструирование сборочных единиц и функциональных устройств [1],c.70-79 Принцип поузлового конструирования изделий. Обеспечение удобства сборки и разборки сборочных единиц (узлов). Уменьшение ручных пригоночных операций. Способы предотвращения возможности неправильной сборки. Принцип наикратчайшей сборочной размерной цепи. Выявление погрешностей, требующих компенсации.

4

1.2.5 Проектирование изделий [1],c.79-83; Этапы подготовки производства новых изделий. Основные критерии качества изделий. Основные противоречия в требованиях к изделию производителя и пользователя. Методы повышения объема выпуска. Типизация конструкций. Модульный принцип построения изделий с использованием унифицированных узлов и агрегатов. Метод базового изделия. Многофункциональные машины и приборы. Вопросы изобретательства в условиях международного экономического и научно- технического сотрудничества и конкуренции. Международная охрана интеллектуальной и промышленной собственности. 1.2.6 Типовые узлы и устройства приборов [2],c.156-170 Механизмы настройки и регулировки. Маломощный электропривод. Типовые структурные схемы измерительных приборов. Отсчетные устройства. Конструкции отсчетных устройств. Расчет основных параметров шкальных отсчетных устройств. Передаточные механизмы измерительных приборов и их характеристики. Использование прикладных программ для расчета оптимальных параметров измерительных приборов. Выбор компенсаторов погрешностей изготовления. Конструкции компенсаторов. 1.3 Объем дисциплины и виды учебной работы Виды занятий Всего часов 7-й семестр 8-й семестр 130 70 Общая трудоемкость 200 44 32 12 Аудиторные занятия Лекции 32 20 12 Лабораторные занятия 12 12 Самостоятельная работа Курсовой проект 50 50 Контрольная работа 10 Вид итогового ЗАЧЕТ ЭКЗАМЕН контроля 1.4 Тематический план лекций для студентов очно-заочной

формы обучения (32 часа) 1. Основные этапы подготовки производства нового изделия. Особенности работы конструктора. Основные критерии качества измерительных приборов (4 ч). 2.Нахождение оптимальных решений при проектировании (4 ч). 3. Выбор размеров, формы и материала деталей (4 ч). 4.Выбор числа связей и их расположения в точных соединениях (4 ч). 5.Проектирование сборочных единиц (узлов) приборов (4 ч). 6.Проектирование изделий (4 ч). 7.Расчет параметров механизмов измерительных приборов (4 ч). 8. Надежность измерительных приборов (4 ч). 5

1.5 ТЕМАТИКА ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (12 часов) 1.Исследование точности винтовых механизмов в статике (4 ч). 2.Изучение конструкции механизмов приборов (4 ч). 3.Проверка сборочных и рабочих чертежей деталей.Составление перечня выявленных ошибок и способов их устранения (4 ч). 2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной: 1. Аруцов Ю. А. , Слободянюк И.М. Конструирование элементов приборов.:Учеб. пособие. Л.:СЗПИ, 1987. 2. Элементы приборных устройств: Курсовое проектирование. В 2-х частях, Часть1/Под ред. О.Ф. Тищенко.-М.: Высш.шк.,1978. 3.Элементы приборных устройств: Курсовое проектирование. В 2-х чатях,Часть2/Под ред. О.Ф. Тищенко.-М.: Высш.шк.,1978. Дополнительный: 4. Атлас конструкций элементов приборных устройств/Под ред О.Ф.Тищенко.М.:Машиностроение, 1982. 5. Кулагин В.В. Основы конструирования оптических приборов.-Л.: Машиностроение, 1982. 6. Орлов П.И. Основы конструирования. 7. Справочник конструктора точного приборостроения/Под ред. К.Н.Явленского Л.: Машиностроение, 1989. 8. Чурабо Д.Д. Детали и узлы приборов. Конструирование и расчет. Справочное пособие.М.: Машиностроение,1975. 3. ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ Контрольная работа содержит задачи по четырем темам дисциплины. По каждой теме нужно выполнить две задачи. Номер первой задачи студент выбирает в соответствии с последней цифрой шифра, номер второй – с последней цифрой шифра. Если две последние цифры шифра студента одинаковые, то вторая задача выбирается по предыдущему номеру. Рекомендуем перед началом выполнения контрольных задач ознакомиться с методическими указаниями. В темах 2,3,и 4 номера рисунков соответствуют номерам задач. Тема 1. Выбор наилучшего решения при конструировании При решении 1, 2 и 3-й задач следует пользоваться одним из математических способов нахождения наилучшего решения, например, способом множителей Лагранжа. При решении остальных задач нужно предложить не менее 3-х работоспособных решений (в виде эскизов), указать их достоинства и недостатки предложенных конструкций и выбрать лучший вариант. Основными критериями качества при выборе лучшей конструкции должны быть технологичность и надежность. Задача 1. Требуется рассчитать размеры прямоугольного корпуса прибора с минимальной длиной сварного шва (лист можно гнуть). Объем корпуса 1500 мм3.

6

Задача 2. Требуется рассчитать такие размеры прямоугольного корпуса прибора, при которых расход материала для его изготовления будет наименьшим. Объем корпуса 1200 мм3. Задача 3. В трубу диаметром 200 мм требуется установить прямоугольный корпус с размерами сторон a и b. Рассчитать оптимальные значения параметров a и b, при которых обеспечивается наибольший коэффициент заполнения объема. Задача 4. Крепление поворотной ручки на консольном конце вала d=6 мм с помощью стопорных винтов оказалось ненадежным. Предложите более надежную конструкцию. Соединение должно обеспечивать возможность частой сборки и разборки для съема крышки прибора. Задача 5. Для монтажа прибора необходимо соединить два вала различного диаметра (d=5мм и d=12мм). Соединение должно допускать возможность осевого смещения валов на величину до 1,5мм. Задача 6. Предложите конструкцию муфты для соединения двух валов d=5 мм. Муфта должна допускать возможность радиального смещения валов на величину до 1,5мм и перекос валов до 60 угл. мин. Задача 7. Предложите конструкцию зажима, позволяющего стопорить вал в любом положении. На вал действует крутящий момент до 1Нм. Задача 8. Предложите конструкцию опор с минимальным моментом трения для валика высокоточного прибора. Задача 9. Предложите конструкцию опор для валика высокоточного прибора, позволяющую устранить зазоры в опорах. Задача 10. Укажите не менее марку материала, который вы рекомендуете для изготовления деталей: 1.Зубчатые колеса z=16, m=0,3 мм и z=96, m=0,8 мм; 2.Валик d=4мм; 3.Кронштейн (литой) и кронштейн (сварной); 4 Плата толщ. 2мм (объем производства 150 шт.). Тема 2. Выбор и простановка размеров Вариант 1 № 1 рисунка

2 2

3 3

4 4

5 5

6 6

7 7

8 8

9 9

10 10

Задача 1. Укажите, какой из вариантов простановки размеров предназначен для изготовления детали на токарном станке, какой на станке с ПЧУ и какой для изготовления на станке – автомате (рис. 1). Задача 2. Требуется правильно проставить размеры для детали I (рис. 2). Задача 3. Требуется правильно проставить размеры для детали I (рис 3). Задача 4. Требуется правильно проставить размеры для детали I (рис 4). Задача 5. Выбрать правильный вариант простановки размеров из предложенных 3-х вариантов (рис 5). Задача 6. Требуется указать, какие размеры на чертеже литого корпуса (рис.6) проставлены неправильно и пояснить правильную простановку размеров. Задача 7. Требуется выбрать правильный вариант простановки размеров для детали 2 плоского шарнира (рис 7), указать, какие ошибки допущены в остальных вариантах. 7

Задача 8. Выбрать правильный вариант простановки размеров из предложенных 9-и вариантов (рис. 8), если объем производства Q=10шт. и Q=1000шт. Задача 9. Выбрать правильный вариант простановки размеров из предложенных 3-х вариантов (рис 9). Требуется указать, какие ошибки допущены в остальных вариантах. Задача 10. Выбрать правильный вариант простановки размеров для симметричной детали из предложенных 4-х вариантов (рис 10).Требуется указать, какие ошибки допущены в остальных вариантах?

Рис 1-3

8

Рис4-6

9

Рис 7-9

10

Рис 10 Тема 3. Выбор числа связей и их расположения. Дублирующие связи. Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 № 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 рисунка В задачах 1-10 (рис 11-20) нужно рассчитать число дублирующих (избыточных) связей в предложенных схемах механизмов. Укажите, каким образом можно устранить каждую дублирующую связь, нарисуйте эскиз новой конструкции (или кинематическую схему) не содержащей дублирующих связей. Укажите, при каких дополнительных требованиях к точности изготовления деталей эти связи будут пассивными.

Рис 11-17 11

Рис 18-20 Тема 4. Конструирование деталей и соединений Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 № 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 рисунка В задаче 1 (рис.21) следует описать принцип действия регулировочных устройств однооборотной измерительной головки и рычажной скобы, предназначенных для компенсации производственных погрешностей и повышения точности измерений. В Приложении приведен рабочий чертеж шкалы точного и грубого отсчета многооборотной измерительной головки, перечислите, какие требования предъявляются к рабочему чертежу детали?

12

Однооборотная измерительная Рычажная скоба головка Перечень деталей: Перечень деталей: 1- регулируемая пятка; 1-измерительный наконечник; 2- измерительный стержень; 2- измерительный стержень; 3- рычаг арретира; 3- направляющая втулка; 4- трибка с стрелкой; 4- арретир; 5- синусно-кулисный рычаг; 5- насадка; 6- пружина, создающая 6- ободок; измерительное усилие; 7- стрелка; 7- контактная поверхность в 8- ось поворота нижней платы; форме ножа; 9- промежуточный рычаг; 8- арретир. 10- регулировочный винт; 11- кулиса; 12- нижняя плата; 13- зубчатый сектор. В задачах 2-10 (рис 22-30) нужно указать правильный вариант конструкции. Дайте анализ предложенных конструкций. Какие ошибки допущены в остальных конструкциях?

13

14

Рис 21-24

15

Рис25-28

16

Рис 29-30

17

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ Тема 1. Выбор наилучшего решения при конструировании Инженерные задачи часто допускают множество решений, в этом случае желательно находить оптимальное решение. Существует два основных способа нахождения оптимальных решений: использование математических методов; использование метода разработки вариантов. Использование математических методов Если удается выделить основной критерий качества конструкции и создать достаточно точную его математическую модель, то можно использовать математические методы для нахождения оптимального решения, например, оптимизирующие программы табличного редактора Excel. В технических задачах часто встречается случай, когда оптимизируемые параметры g1, g2, … gn связаны только одним уравнением связи (1) ϕ (g1, g2, … gn) = 0, тогда можно использовать достаточно простой метод множителей Лагранжа ∂F/ ∂gn ∂F/ ∂g1 ∂F/ ∂g2 -------- = -------- = ….. = -------(2) ∂ϕ/ ∂gn ∂ϕ/ ∂g1 ∂ϕ/ ∂g2 Пример 1 Требуется рассчитать параметры цилиндрического резервуара емкостью 10м3, при которых расход материала будет наименьшим. Решение Площадь поверхности цилиндрического резервуара F=2πrl+2πr2, где r- радиус цилиндра, l –длина цилиндра. Целевая функция F=2πrl+2πr2=min. Оптимизируемые параметры связаны одним дополнительным условием: ϕ=πr2l –10=0 Частные производные: ∂F/ ∂r=2πl +4πr; ∂ϕ/ ∂r= 2πrl; ∂F/ ∂l= 2πr; 2 ∂ϕ/ ∂l=πr . Подставляя в уравнение (2), получим: (2πl +4πr)/ 2πrl=2πr/πr2 , решение уравнения r=l/2. Второй параметр найдем, используя дополнительное условие связи π(l/2)2l=10м3 Получаем: r=1,18м; l=2,36м. Использование метода разработки вариантов В большинстве конструкторских задач не удается использовать математические методы нахождения наилучшего решения. В этих случаях необходимо разработать несколько вариантов работоспособных решений, дать их инженерный анализ и определить, какой из них обладает лучшей совокупностью свойств. Число вариантов должно быть не меньше трех. Основной критерии качества по которым следует производить сравнение конструкций – технологичность и 18

надежность. Технологичным называют изделие, которое требует для изготовления наименьших трудовых и материальных затрат. Пример 2 Требуется разработать конструкцию стоек для корпуса часового типа. Стойки должны обеспечить соосность отверстий в соединяемых платах, параллельность плоскостей соединяемых плат, а также возможность легкой сборки и разборки. Решение Вариант 1. На рис 41,а стойка крепится к платам при помощи развальцовки одного конца стойки в одной плате и с помощью винта - к другому концу стойки. Эта конструкция не отвечает требуемым условиям, так как при развальцовке технологически трудно обеспечить закрепление стойки без перекосов. Кроме того, у стоек важно обеспечить перпендикулярность опорных торцов и оси цапф и параллельность опорных торцов ( для точного положения обеих плат) и соосность цапф. Вариант 2. В конструкции рис 41,б платы прикреплены к обеим концам стоек при помощи винтов. Параллельность плат и соосность отверстий в платах так же трудно обеспечить. Вариант 3. Конструкции рис 41,в - нетехнологична. Вариант 4. Наилучшей является конструкция, показанная на рис 41,г. Стойка разделена на две детали: оси и втулку. Ось обтачивается за один проход, следовательно, обеспечивается соосность отверстий в соединяемых платах, торцы втулок могут быть прошлифованы совместно, при этом исключается разноразмерность втулок и обеспечивается параллельность торцов. Конструкция гарантирует точное взаимное положение соединяемых плат. Тема 2. Выбор и простановка размеров Очень важно, как будут проставлены размеры на чертеже детали, так как от способа простановки размеров зависит точность их выполнения. Это становится понятным, если принять во внимание отклонения реальных размеров из-за неточности изготовления. Размеры должны быть проставлены таким образом, чтобы в первую очередь обеспечивались конструктивносборочные требования при наименьшей точности выдерживания размеров. При нерациональной простановке размеров, вследствие суммирования допусков на изготовление деталей отдельные элементы детали получат значительные отклонения от номинального положения. Самые короткие размерные цепи получаются, если размеры проставляются от баз и между ними, а конструкторские, технологические и измерительные базы совпадают. Простановка размеров, не входящих в расчетные размерные цепи (так называемых свободных размеров), должна осуществляться от технологических баз, обеспечивающих удобство обработки и замера размеров детали. Тема 3. Выбор числа связей и их расположения. Дублирующие связи Дублирующие связи - это лишние связи с точки зрения обеспечения требуемой подвижности устройства. Дублирующие (избыточные) связи могут использоваться для увеличения прочности или жесткости системы, но при этом ужесточаются и требования к точности изготовления деталей, поэтому конструктор должен точно знать, имеются ли в разрабатываемой конструкции дублирующие связи и нужны ли они. 19

Число дублирующих связей можно определить по формуле g = W- 6n+5p5+4p4+3p3+2p2+p1, где n- число подвижных звеньев механизма; p5,p4,p3,p2,p1- число кинематических пар 5-го, 4-го, 3-го, 2-го 1-го классов (класс кинематической пары определяется числом связей в паре); W – число степеней свободы механизма. Пример Требуется определить число дублирующих связей в кривошипно - ползунном механизме (рис 32,а ) и представить схему механизма без дублирующих связей. Решение В данном механизме n=3, p5=4, следовательно g = W- 6n+5p5+4p4+3p3+2p2+p1=1-6*3+5*4=3 (3) Результат означает, что при сборке из-за неизбежных неточностей изготовления в кинематических парах могут возникнуть натяги, и механизм будет работать либо с повышенным трением, либо вообще не будет собираться. Чтобы исключить этот недостаток нужно повысить точность изготовления деталей механизма (в кинематических парах должны сохраняться минимальные зазоры) или устранить дублирующие связи. Если в кривошипно - ползунном механизме (рис 32,б) кривошип со стойкой соединить парой пятого класса, кривошип и шатун – парой четвертого класса, шатун с ползуном - парой третьего класса, а ползун с направляющей - парой пятого класса, то получим g=1-6*3+5*2+4*1+3*1=0. Формула (3) дает возможность определить число дублирующих связей в конструкции, но важно выявить не только наличие дублирующих связей, но и их расположение. На рис 32,б дублирующие связи устранены неправильно, данный механизм не будет самоустанавливающимся, так как при наличии перекосов осей шарниров возможно заклинивание механизма. Правильный вариант показан на рис 32,в. Тема 4. Конструирование деталей и соединений Для сравнения предложенных вариантов нужно помнить основные принципы конструирования технологичных изделий: - протяженность точных механически обрабатываемых поверхностей следует сокращать до конструктивно необходимого минимума; - количество металла, снимаемого при обработке, должно быть минимальным; - следует облегчать изготовление трудоемких деталей применением составных конструкций, а также использовать составные конструкции для экономии дефицитных материалов; - при токарной обработке следует предусматривать возможность обтачивания точных поверхностей на проход с одной установки; - следует предусматривать удобный подход и выход режущего инструмента; - нужно обеспечивать четкое разделение поверхностей, обрабатываемых на различных операциях, различным инструментом и с различной точностью; - измерительные базы должны быть удобными для контроля размеров. 20

При конструировании центрирующих соединений с посадкой по цилиндрической поверхности нужно иметь в виду, что: -недопустимо центрировать детали одновременно по двум цилиндрическим поверхностям (избыточное центрирование); - центрирование в глухих отверстиях нетехнологично; - центрирование по наименьшему из возможных диаметров предпочтительней.

21

22

Сводный темплан 2003г. Лицензия ЛР N020308 от 14.02.97 Редактор М.Ю. Комарова Подписано в печать Б.кн.-журн. СЗТУ.

Формат 60*84 1/16 П.л.

Б.л.

Тираж 300 экз Заказ Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско- полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5

23

РТП РИО