精度設(shè)計(jì)課件

2.1精度設(shè)計(jì)中的主要原理與原則大多數(shù)機(jī)電一體化系統(tǒng)均有較高的精度要求，其基本特點(diǎn)是精度、效率和自動(dòng)化程度要求高，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其共同的基礎(chǔ)為精密機(jī)械技術(shù)。精密機(jī)械技術(shù)與普通機(jī)械技術(shù)比較：在機(jī)械原理、功用和重要性方面無(wú)多大變化，主要區(qū)別在：精度、分辨率和靈敏度等性能指標(biāo)上。2.1精度設(shè)計(jì)中的主要原理與原則在精度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循主要原理與原則為：一、阿貝誤差原理其內(nèi)容：長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)，被測(cè)尺寸與標(biāo)準(zhǔn)尺寸必須處在測(cè)量方向的同一直線上，或者兩者彼此處在對(duì)方的延長(zhǎng)線上。采用阿貝原理，能避免產(chǎn)生一階誤差，只有二階誤差（常不計(jì)）用游標(biāo)卡尺測(cè)量軸的直徑時(shí)，作為基準(zhǔn)件的刻線尺與被測(cè)直徑不在同一直線上，即不符合阿貝原則。當(dāng)帶有活動(dòng)量爪的框架因主尺導(dǎo)引面的直線度誤差或框架與主尺間的間隙而發(fā)生傾斜時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差:△=L-L'=Stanφ=Sφ。

若s=30mm，φ=0.0003rad，則△=30×0.0003=0.009mm=9μm。二、運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原理一個(gè)空間物體具有6個(gè)自由度，要是它定位，需要適當(dāng)配置6個(gè)約束加以限制，這就是6點(diǎn)定位原理。要使物體相對(duì)固定的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)，只能配置少于6個(gè)約束才能實(shí)現(xiàn)。

運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原理應(yīng)遵守下列條件：1）物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)等于自由度數(shù)減去約束書(shū)。2）要求約束條件為點(diǎn)接觸，且該點(diǎn)應(yīng)垂直于欲限制自由度方向。同時(shí)要求在同一平面或直線上的點(diǎn)接觸距離盡可能大些，以免運(yùn)動(dòng)到端部造成不穩(wěn)定。滾動(dòng)導(dǎo)軌副理想的滾動(dòng)導(dǎo)軌副，符合運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)原理，左邊的V形導(dǎo)軌內(nèi)兩個(gè)鋼球提供4個(gè)約束，右邊至少一個(gè)鋼球提供一個(gè)約束，使上滑板只能沿V形導(dǎo)軌方向移動(dòng)。理想的點(diǎn)接觸實(shí)際上是不存在，為了克服此缺點(diǎn)就產(chǎn)生半運(yùn)動(dòng)學(xué)的設(shè)計(jì)原理。以小面積接觸或短線接觸代替點(diǎn)接觸來(lái)約束運(yùn)動(dòng)方向-----半運(yùn)動(dòng)學(xué)的設(shè)計(jì)原理。三、平均效應(yīng)原理

采用單點(diǎn)定位約束自由度，由于定位點(diǎn)的誤差，其定位誤差始終低于該定位點(diǎn)的精度，由于單點(diǎn)定位接觸應(yīng)力大，隨著時(shí)間推移，精度會(huì)逐漸降低。因而采用多點(diǎn)定位原理，應(yīng)用平均效應(yīng)作用，使誤差得以均化，，提高機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度在精密機(jī)械設(shè)備中，平均效應(yīng)原理的應(yīng)用很廣，如導(dǎo)軌副、密珠軸承、光柵尺等應(yīng)用此原理。四、變形最小原理精密機(jī)械設(shè)備的零部件受到自重、外載、溫度變化、工藝內(nèi)應(yīng)力以及振動(dòng)等因素的作用，都會(huì)產(chǎn)生變形誤差，因此，變形誤差原理就是要求上述各種變形誤差最小。五、基面統(tǒng)一原則零件設(shè)計(jì)時(shí)，注意下面四個(gè)基面統(tǒng)一原則，以減少制造誤差和測(cè)量誤差。設(shè)計(jì)基基面：：零件件圖上上標(biāo)注注尺寸寸的基基準(zhǔn)面面工藝基基面：：加工工時(shí)的的定位位基面面，以以此加加工其其他面面測(cè)量基基面：：以它它為測(cè)測(cè)量基基準(zhǔn)，，測(cè)量量與此此有關(guān)關(guān)的尺尺寸裝配基基面：：以它它為基基準(zhǔn)，，確定定零件件間的的相互互位置置六、誤誤差縮縮小和和放大大原理理（速速比原原理））七、誤誤差配配置原原理一臺(tái)設(shè)設(shè)備和和部件件，如如果各各部分分的誤誤差配配置得得當(dāng)，，就可可提高高裝配配成品品的總總精度度。如如機(jī)床床主軸軸系統(tǒng)統(tǒng)的兩兩端軸軸承精精度，，如果果合理理配置置，就就可以以減少少主軸軸工作作端的的徑向向跳動(dòng)動(dòng)。2.2精度設(shè)設(shè)計(jì)中中的基基本概概念精度是是誤差差的反反義詞詞，誤誤差理理論是是精度度設(shè)計(jì)計(jì)和精精密測(cè)測(cè)量的的理論論基礎(chǔ)礎(chǔ)。一、誤誤差定義：：測(cè)測(cè)量值值與真真值之之差異異稱為為誤差差。。表示方法：1、絕對(duì)誤差：：設(shè)某物理量量的測(cè)量值為為x,它的真值為a,則x－a=ε；由此式所表表示的誤差ε和測(cè)量值x具有相同的單單位，它反映映測(cè)量值偏離離真值的大小小，所以稱為為絕對(duì)誤差。2、相對(duì)誤差：：它是絕對(duì)誤誤差與測(cè)量值值或多次測(cè)量量的平均值的的比值，即或或，并且通常常將其結(jié)果表表演示成非分分?jǐn)?shù)的形式，，所以也叫百百分誤差。誤差分類(lèi)：1、按性質(zhì)分：：隨機(jī)誤差、、系統(tǒng)誤差、、粗大誤差2、按被測(cè)參數(shù)數(shù)的時(shí)間特性性分：靜態(tài)參參數(shù)誤差和動(dòng)動(dòng)態(tài)參數(shù)誤差差3、按誤差之間間的關(guān)系分：：獨(dú)立誤差、、相關(guān)誤差4、按誤差來(lái)源源分類(lèi)：原理理誤差、制造造誤差、運(yùn)行行誤差（使用用誤差）二、精度（一）精度的的含義根據(jù)誤差的不不同性質(zhì)，可可將精度分為為：1、準(zhǔn)確度：它它用系統(tǒng)誤差差大小來(lái)表示示。準(zhǔn)確度反反映了系統(tǒng)的的測(cè)量值偏離離真值的程度度。2、精密度：它它是用隨機(jī)誤誤差大小表示示。精密度反反映了測(cè)量值值與真值的離離散程度。3、精確度：它它是系統(tǒng)誤差差和隨即誤差差大小的綜合合反映。（二）其它精度度名稱的含義義1、機(jī)床加工精精度：是一項(xiàng)項(xiàng)綜合性的精精度指標(biāo)，即即指機(jī)床在加加工工件時(shí)所所達(dá)到的精確確度。2、機(jī)床精度：：是機(jī)床在未未受外載的作作用下的原始始精度，以允允差表示。機(jī)機(jī)床精度包括括幾何精度、、傳動(dòng)精度、、定位精度等等各項(xiàng)指標(biāo)。。3、幾何精度：：是指機(jī)床、、儀器在不運(yùn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的精度度。它規(guī)定了了決定于加工工或測(cè)量精度度的各主要零零部件以及這這些零部件的的運(yùn)動(dòng)軌跡的的相對(duì)位置誤誤差。4、定位精度：：是指機(jī)床或或儀器主要部部件在運(yùn)動(dòng)終終點(diǎn)所能達(dá)到到的實(shí)際位置置精度。這是是一個(gè)具有綜綜合性質(zhì)的精精度指標(biāo)。三、靈敏度和和分辨率1、靈敏度：系系統(tǒng)的靈敏度度是指當(dāng)輸入入的變化值趨趨向于0時(shí)，輸出變化化值與與輸入入變化值比值值的的極限，即即靈敏度的定定義為：靈敏度的具體體數(shù)值與系統(tǒng)統(tǒng)的靜態(tài)特性性函數(shù)有關(guān)。此外，，也有系統(tǒng)參參數(shù)變化的靈靈敏度概念。。2、分辨率：它它是指精密機(jī)機(jī)械設(shè)備能感感受、識(shí)別或或檢測(cè)到輸入入量的最小值值?；蛘吣墚a(chǎn)產(chǎn)生、響應(yīng)得得到輸出量的的最小值。分分辨率與精度度是有聯(lián)系的的，提高設(shè)備備的分辨率就就能提高其工工作精度。在數(shù)控機(jī)床中中,分辨率是用定定位機(jī)構(gòu)的最最小位置檢測(cè)測(cè)量來(lái)表示的的。它與實(shí)際際的定位精度度無(wú)直接聯(lián)系系，因此數(shù)控控機(jī)床的定位位精度用分辨辨率來(lái)表示沒(méi)沒(méi)有太大的意意義。如XHK756-2型臥式加工中中心，其定位位精度為重復(fù)定位精度度為數(shù)控裝置的脈脈沖當(dāng)量為0.001mm/脈沖，即最小小位置檢測(cè)量量為0.001mm2.3隨機(jī)誤差和系系統(tǒng)誤差一、隨機(jī)誤差差隨機(jī)誤差常用用均方根誤差差、算術(shù)平均均誤差和或然然誤差作為評(píng)評(píng)定尺度。大大多數(shù)國(guó)家用用均方根誤差差表示。（一)均方根誤差設(shè)重復(fù)測(cè)量某某值，可得隨隨機(jī)誤差系列列，其其中，則定義該數(shù)列列的均方根誤誤差為：其方差D為：（二）極限誤誤差誤差的極限范范圍稱為極限限誤差。極限限誤差用相對(duì)對(duì)誤差表示時(shí)時(shí)成為相對(duì)極極限誤差；用用絕對(duì)誤差表表示時(shí)為絕對(duì)對(duì)極限誤差，，也稱為最大大誤差。（三）標(biāo)準(zhǔn)偏偏差的計(jì)算在均方根誤差差計(jì)算中，由由于隨機(jī)誤差差的真值無(wú)法法求得，常用用殘余誤差來(lái)來(lái)代替，計(jì)算算所得的結(jié)果果稱為標(biāo)準(zhǔn)偏偏差，仍用表表示示。標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)計(jì)算方法有貝貝塞爾公式、、彼特斯公式式和極差法。。二、系統(tǒng)誤差差精密設(shè)備系統(tǒng)統(tǒng)誤差的數(shù)學(xué)學(xué)特性表現(xiàn)為為一定值或按按某種函數(shù)規(guī)規(guī)律變化，它它有可能消除除。系統(tǒng)誤差差是由原理誤誤差和制造誤誤差兩部分組組成的。系統(tǒng)誤差按其其變化規(guī)律，，可分為定值值系統(tǒng)誤差和和變值系統(tǒng)誤誤差。2.4誤差的合成新產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)，需對(duì)該產(chǎn)產(chǎn)品的總精度度進(jìn)行分析和和估計(jì)，即需需對(duì)各個(gè)主要要部件的誤差差進(jìn)行分配和和綜合。誤差的種類(lèi)不不同，其綜合合方法也各異異。對(duì)于隨機(jī)機(jī)誤差，采用用方差運(yùn)算規(guī)規(guī)律合成，對(duì)對(duì)于已定系統(tǒng)統(tǒng)誤差的綜合合，采用代數(shù)數(shù)和方法；對(duì)對(duì)未定系統(tǒng)，，采用絕對(duì)和和與方和根方方法。一、隨機(jī)誤差差的合成設(shè)有n個(gè)隨機(jī)原始標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)偏差，，根據(jù)方方差運(yùn)算規(guī)則則，則其合成成的總隨機(jī)誤誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏偏差為-------第ij兩個(gè)相關(guān)隨機(jī)機(jī)誤差間的相相關(guān)系數(shù)--------表示兩個(gè)相關(guān)關(guān)隨機(jī)誤差的的標(biāo)準(zhǔn)偏差合成后總誤差差的極限誤差差為t---------總誤差分布的的對(duì)應(yīng)置信系系數(shù)二、系統(tǒng)誤差差的合成（一）已定系系統(tǒng)誤差的合合成由于已定系統(tǒng)統(tǒng)誤差其數(shù)值值大小和方向向是明確的，，其合成方法法用代數(shù)法（二）未定系統(tǒng)統(tǒng)誤差的合成成兩種方法：1、絕對(duì)和法若各單項(xiàng)未定定系統(tǒng)誤差的的不確定度為為，，則總誤誤差的不確定定度按按絕絕對(duì)值相加。。2、方和根法設(shè)定m個(gè)未定的系統(tǒng)統(tǒng)誤差，，則總總誤差的不確確定度為為2.5精密機(jī)械設(shè)備備的精度設(shè)計(jì)計(jì)和誤差分配配精密機(jī)械設(shè)備備精度設(shè)計(jì)的的基本任務(wù)就就是精度分配和誤差補(bǔ)償精度分配是根據(jù)產(chǎn)品允允許的總誤差差，將其經(jīng)濟(jì)濟(jì)、合理地分分配到零部件件上，并制定定各零部件的的公差和技術(shù)術(shù)要求。誤差補(bǔ)償?shù)哪康木褪菧p減小或消除部部分誤差，從從而達(dá)到總精精度的要求。。一、產(chǎn)品精度度分配依據(jù)和和步驟（一）精度分分配依據(jù)1）產(chǎn)品的精度度指標(biāo)和總技技術(shù)指標(biāo)，它它們是由使用用性能要求和和有關(guān)精度標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)確定。2）產(chǎn)品的工作作原理、機(jī)械械結(jié)構(gòu)裝配圖圖及有關(guān)零部部件圖。它們們提供了誤差差源的總數(shù)、、各誤差源對(duì)對(duì)產(chǎn)品誤差的的影響，以及及誤差之間相相互不長(zhǎng)的可可能性。3）產(chǎn)品制造廠廠的技術(shù)水平平，產(chǎn)品的使使用環(huán)境等4）產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)濟(jì)性要求5）國(guó)家、部門(mén)門(mén)、企業(yè)的有有關(guān)公差技術(shù)術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（二）精度分分配步驟1）明確總精度度指標(biāo)2）構(gòu)成產(chǎn)品工工作原理和總總體方案，主主要考慮理論論誤差和方案案誤差3）設(shè)計(jì)總體體布局、機(jī)電電光等系統(tǒng)時(shí)時(shí)，分別考慮慮其原理誤差差4）完成各零部部件的結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)，找出全全部誤差源，，寫(xiě)出各自的的誤差表達(dá)式式，進(jìn)行總精精度計(jì)算。然然后確定各零零部件公差與與技術(shù)要求，，確定誤差補(bǔ)補(bǔ)償方法5）將給定的公公差技術(shù)條件件標(biāo)注到零件件工作圖上，，編寫(xiě)技術(shù)設(shè)設(shè)計(jì)書(shū)二、誤差分配配方法產(chǎn)品總誤差=總系統(tǒng)誤差+總隨機(jī)誤差由于誤差性質(zhì)質(zhì)不同，其分分配方法各異異（一）總系統(tǒng)統(tǒng)誤差一般來(lái)說(shuō)，系系統(tǒng)誤差的影影響較大而數(shù)數(shù)目較少。產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，，一般要求總總系統(tǒng)誤差產(chǎn)品允許誤差差。（二）隨機(jī)誤誤差隨機(jī)誤差的特特點(diǎn)是數(shù)量多多，一般按均均方根法來(lái)綜綜合。總隨機(jī)機(jī)誤差總隨機(jī)誤差的的分配方法是是：等作用原則和不等作用原則則1、等作用原則則若各零部件誤誤差相等地作作用于總隨機(jī)機(jī)誤差，則每每個(gè)單項(xiàng)誤差差為：---------包括未定誤差差和隨機(jī)誤差差，且產(chǎn)產(chǎn)品允允許的總誤差差（三）公差調(diào)調(diào)整調(diào)整公差時(shí)，，首先要確定定調(diào)整對(duì)象。。一般先調(diào)整整系統(tǒng)誤差、、誤差傳遞系系數(shù)較大和容容易調(diào)整的誤誤差項(xiàng)目。對(duì)對(duì)隨即誤差調(diào)調(diào)整，一般大大多數(shù)采用經(jīng)濟(jì)公差極限限內(nèi)，少數(shù)在生產(chǎn)公差極限限內(nèi)，個(gè)別在技術(shù)公差極限限內(nèi)。對(duì)個(gè)別的的超出技術(shù)公公差極限的，，應(yīng)采用不補(bǔ)補(bǔ)償方法解決決。經(jīng)濟(jì)公差極限限---在通用設(shè)備上上，采用最經(jīng)經(jīng)濟(jì)的加工方方法所能達(dá)到到的精度生產(chǎn)公差極限限---在通用設(shè)備上上，采用特殊殊工藝裝備，，不考慮效率率因素進(jìn)行加加工所達(dá)到的的精度。技術(shù)公差極限限---在特殊設(shè)備（（如高精度機(jī)機(jī)床）、良好好的實(shí)驗(yàn)室條條件下，進(jìn)行行加工和檢驗(yàn)驗(yàn)時(shí)，所能達(dá)達(dá)到的精度。。（四)誤差差補(bǔ)補(bǔ)償償誤差差補(bǔ)補(bǔ)償償是是調(diào)調(diào)整整公公差差的的一一種種有有效效手手段段。。補(bǔ)補(bǔ)償償方方法法很很多多，，如如工工藝藝補(bǔ)補(bǔ)償償方方法法和和設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)補(bǔ)補(bǔ)償償法法。。工藝藝補(bǔ)補(bǔ)償償法法如如軸軸系系回回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)精精度度的的誤誤差差抵抵消消、、大大件件導(dǎo)導(dǎo)軌軌精精度度的的綜綜合合修修研研、、坐坐標(biāo)標(biāo)定定位位精精度度的的綜綜合合修修正正等等方方法法。。精度度設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)時(shí)，，采采取取措措施施減減小小或或消消除除誤誤差差的的影影響響是是一一種種有有效效的的補(bǔ)補(bǔ)償償方方法法。。--設(shè)計(jì)計(jì)補(bǔ)補(bǔ)償償。。1、誤誤差差值值補(bǔ)補(bǔ)償償直直接接減減少少誤誤差差源源分級(jí)級(jí)補(bǔ)補(bǔ)償償---將補(bǔ)補(bǔ)償償件件的的尺尺寸寸分分成成幾幾級(jí)級(jí)連續(xù)續(xù)補(bǔ)補(bǔ)償償—如導(dǎo)軌鑲鑲條，可可用來(lái)連連續(xù)調(diào)調(diào)整間隙隙、自動(dòng)補(bǔ)償償---微機(jī)自動(dòng)動(dòng)補(bǔ)償裝裝置，可可自動(dòng)減減少或消消除系統(tǒng)統(tǒng)誤差2、誤差傳傳遞系統(tǒng)統(tǒng)補(bǔ)償通通過(guò)函數(shù)數(shù)誤差來(lái)來(lái)改變或或選擇傳傳遞系統(tǒng)統(tǒng)值、減減少或消消除誤差差的方法法3、綜合補(bǔ)補(bǔ)償利利用機(jī)機(jī)械、電電氣和光光學(xué)等技技術(shù)手段段，使其其產(chǎn)生的的誤差差互相抵抵消。2.6數(shù)控機(jī)床床的精度度分析和和精度指指標(biāo)一、數(shù)控控機(jī)床的的誤差源源和精度度分析數(shù)控機(jī)床床的誤差差源可分分為三類(lèi)類(lèi)：（一）加加工前的的誤差源源1、編程誤誤差它它由程程序控制制原理決決定的誤誤差，出出現(xiàn)在編編程階段段。編程程階段是是由圓整整誤差、、近似計(jì)計(jì)算誤差差和過(guò)去去值計(jì)算算誤差構(gòu)構(gòu)成，這這是數(shù)控控機(jī)床所所固有的的2、機(jī)床調(diào)調(diào)整誤差差：它是是數(shù)控機(jī)機(jī)床調(diào)““零點(diǎn)””及“機(jī)機(jī)外”調(diào)調(diào)刀時(shí)產(chǎn)產(chǎn)生的。。由于數(shù)數(shù)控機(jī)床床是按封封閉的自自動(dòng)循環(huán)環(huán)工作的的，因此此在機(jī)床床按程序序工作的的整個(gè)時(shí)時(shí)間內(nèi)的的加工精精度取決決于調(diào)整整精度。。3、自動(dòng)換換刀誤差差：取取決于許許多因素素，如換換刀原理理、換刀刀裝置的的結(jié)構(gòu)特特點(diǎn)等。。（二）機(jī)床床本身的的誤差1、機(jī)床幾幾何形狀狀誤差（（幾何精精度）數(shù)控機(jī)床床的幾何何精度是是綜合反反映該機(jī)機(jī)床關(guān)鍵鍵機(jī)械零零部件和和組裝后后的幾何何誤差。。如加工工中心：：工作臺(tái)臺(tái)面的平平面度等等2、彈性變變形引起起的誤差差這是機(jī)床床剛度不不夠造成成的（三）運(yùn)運(yùn)行時(shí)的的誤差1、定位誤誤差主主要有機(jī)機(jī)電伺服服系統(tǒng)誤誤差和控控制系統(tǒng)統(tǒng)誤差等等2、各種運(yùn)運(yùn)行速度度下的誤誤差（四）結(jié)結(jié)論1）表面粗粗糙度、、形狀和和表面相相互位置置精度基基本上由由機(jī)床機(jī)機(jī)械部分分形成。。它取決決于幾何何精度、、剛度、、主軸部部件的制制造精度度等2）沿x