紫竹惊蛰几何精度设计概论课件

第一章 几何精度设计概论n 一、几何误差的基础知识一、几何误差的基础知识 本章主要内容本章主要内容二、几何精度的基础知识二、几何精度的基础知识三、几何精度规范三、几何精度规范四、课程的性质、任务及要求四、课程的性质、任务及要求重点要求重点要求互换性与公差的定义及作用互换性与公差的定义及作用几何精度规范学几何精度规范学 1.1.1 1.1.1 几何误差几何误差 本本课课程程研研究究机机械械产产品品的的精精度度设设计计问问题题，机机械械产产品品是是固固态态产产品品，主主要要是是由由具具有有一一定定几几何何形形状状的的零、部件安装组成。零、部件安装组成。固固态态产产品品的的特特点点是是具具有有特特定定的的几几何何外外形形，而而且且几几何何外外形形的的特特性性对对其其使使用用功功能能具具有有直直接接的的影影响。响。几几何何误误差差就就是是指指制制成成产产品品的的实实际际几几何何参参数与设计给定的理想几何参数之间偏离的程度。数与设计给定的理想几何参数之间偏离的程度。这这些些几几何何参参数数包包括括表表面面结结构构、几几何何尺尺寸寸、几几何何形状和相互位置。形状和相互位置。1.1 1.1 几何误差基础知识几何误差基础知识1.1.2 1.1.2 几何误差产生的原因几何误差产生的原因几何误差的产生原因主要有：几何误差的产生原因主要有：1 1、加工原理误差；、加工原理误差；2 2、工艺系统的几何误差；、工艺系统的几何误差；3 3、工艺系统受力变形、热变形引起的误差；、工艺系统受力变形、热变形引起的误差；4 4、工件内应力引起的误差、工件内应力引起的误差 5 5、测量误差等。、测量误差等。1.1 1.1 几何误差基础知识几何误差基础知识产生几何误差的主要因素有：产生几何误差的主要因素有：机机床床用用以以保保证证刀刀具具与与工工件件间间的的相相对对运运动动。相相对对运运动动误误差差使使工工件产生形状误差；件产生形状误差；夹夹具具用用来来确确定定工工件件在在机机床床上上的的位位置置。它它的的制制造造和和安安装装误误差差将将直接影响工件的正确定位，造成工件方向和位置误差，直接影响工件的正确定位，造成工件方向和位置误差，工工艺艺因因素素主主要要有有切切削削用用量量、切切削削力力及及热热处处理理。它它们们将将产产生生受受力变形和温度变形力变形和温度变形.直接影响加工表面质；直接影响加工表面质；环环境境因因素素主主要要是是切切削削热热导导致致的的工工件件与与刀刀具具的的变变形形和和温温度度变变动动产生的加工系统的变形。影响尺寸误差和形状误差。产生的加工系统的变形。影响尺寸误差和形状误差。材材料料的的内内应应力力、材材料料的的腐腐蚀蚀直直接接导导致致产产品品几几何何特特性性产产生生变变化化。将影响完工工件的几何精度及其持久性。将影响完工工件的几何精度及其持久性。1.1 1.1 几何误差基础知识几何误差基础知识1.1.3 1.1.3 几何误差对使用功能的影响几何误差对使用功能的影响 在在相相同同型型号号的的一一批批产产品品中中，零零部部件件的的几几何何特特性性设设计计是是相相同同的的，但但是是其其成成品品质质量量差差异异很很大大，这这是是由由于于产产品品零零部部件件在在制制造造、装装配配过过程程中中存存在在的的几几何误差所造成的。何误差所造成的。测测绘绘仿仿制制产产品品无无法法具具备备原原型型产产品品的的性性能能和和使使用用寿寿命命，其其关关键键原原因因也也是是在在测测绘绘仿仿制制过过程程中中，虽虽然然能能够够得得到到原原型型产产品品的的原原理理、结结构构等等信信息息，但但是是无无法法得得到到原原型型产产品品的的精精度度设设计计信信息息（几几何何误误差差允许范围）。允许范围）。1.1 1.1 几何误差基础知识几何误差基础知识 几几何何误误差差的的大大小小体体现现了了国国家家和和企企业业的的工工业业水水平平。机机械械工工业业的的能能力力关关键键体体现现在在其其高高精精度度制制造造能能力力上上，也也就就是是体体现现在在几几何何精精度度的的设设计计、生生产产、和检测等方面的水平上。和检测等方面的水平上。各各种种不不同同几几何何特特性性的的误误差差对对产产品品的的使使用用功功能能的的影影响响有有所所不不同同。表表面面误误差差主主要要影影响响外外观观、摩摩擦擦磨磨损损、腐腐蚀蚀、噪噪音音等等使使用用功功能能，尺尺寸寸和和形形位位误误差差主主要要影影响响零零、部部件件的的空空间间相相互互位位置置，直直接接影影响运动传递、载荷传递等性能。响运动传递、载荷传递等性能。1.1 1.1 几何误差基础知识几何误差基础知识1.1 1.1 几何误差基础知识几何误差基础知识 1.1.4 1.1.4 几几何何误误差差与与成成本本的关系的关系 几几何何误误差差与与制制造造成成本本、检检测测成成本本和和维维修修成成本之间存在密切的关系。本之间存在密切的关系。为为获获得得较较小小的的制制造造几几何何误误差差，必必然然需需要要采采用用相相对对复复杂杂的的工工艺艺过过程程，使使用用相相对对精精密密的的工工艺艺设设备备，由由技技术术水水平平较较高高的的操操作作人人员员操操作作，所所以以相相对对生生产成本较高。产成本较高。1.1 1.1 几何误差基础知识几何误差基础知识1.2.1 1.2.1 几何精度的概念几何精度的概念 几几何何精精度度就就是是零零、部部件件允允许许的的几几何何误误差差，也也称称为为几几何何公公差差，简简称称公公差差。几几何何精精度度设设计计的的主主要要依依据据是是产产品品功功能能对对零零部部件件的的静静态态与与动动态态精精度度要要求求，以及产品生产和使用维护的经济性。以及产品生产和使用维护的经济性。根根据据市市场场需需求求在在进进行行产产品品的的概概念念设设计计之之后后，转转入入产产品品的的工工程程设设计计阶阶段段，进进行行产产品品的的系系统统设计、参数设计和精度设计。设计、参数设计和精度设计。1.2 1.2 几何精度基础知识几何精度基础知识n系系统统设设计计是是根根据据使使用用功功能能要要求求确确定定机机械械产产品品的的基基本本工工作作原原理理和和总总体体布布局局，以以保保证证总总体体方方案案的的合理和先进。合理和先进。n参参数数设设计计是是根根据据产产品品的的使使用用功功能能要要求求确确定定机机构构各各零零件件的的结结构构和和尺尺寸寸的的标标称称值值。主主要要是是结结构构设设计计，须须按按照照力力学学、摩摩擦擦学学、可可靠靠性性等等原原理理，采采用优化、有限元等方法进行设计计算。用优化、有限元等方法进行设计计算。n精精度度设设计计是是根根据据产产品品的的使使用用功功能能要要求求和和制制造造条条件件确确定定机机械械零零部部件件几几何何要要素素允允许许的的加加工工和和装装配配误差。误差。1.2 1.2 几何精度基础知识几何精度基础知识 1.2.2 1.2.2 几何精度设计的基本原则几何精度设计的基本原则 一一般般说说来来，产产品品几几何何精精度度设设计计的的基基本本原则是经济地满足功能要求。原则是经济地满足功能要求。精精度度设设计计时时，应应该该考考虑虑使使用用功功能能、精精度度储储备备、经经济济性性、互互换换性性、协协调调匹匹配配等主要因素。等主要因素。1.2 1.2 几何精度基础知识几何精度基础知识 1.2.3 1.2.3 几何精度设计的主要方法几何精度设计的主要方法 几几何何精精度度设设计计的的原原始始依依据据是是产产品品的的技技术术要要求求。因因此此，首首先先应应调调查查、分分析析、提提出出产产品品的的技技术术要要求求。在在明明确确产产品品的的使使用用功功能能、使使用用环环境境、批量、等因素后，方能开始几何精度设计。批量、等因素后，方能开始几何精度设计。精精度度设设计计时时，首首先先需需要要确确定定产产品品整整机机的的精精度度，随随后后确确定定部部件件的的精精度度要要求求，最最后后确确定定零件的精度。零件的精度。精精度度设设计计的的方方法法主主要要有有：类类比比法法、计计算法算法和和试验法试验法三种三种1.2 1.2 几何精度基础知识几何精度基础知识 1 1、互互换换性性：一一批批相相同同规规格格的的零零部部件件，任任取取其其一一，不不经经任任何何挑挑选选和和修修配配就就能能装装在在机器上，并能满足其使用要求的特性机器上，并能满足其使用要求的特性 。例例如如：自自行行车车、缝缝纫纫机机上上的的零零件件坏坏了了，买买一一个个更更换换即即可可。在在工工厂厂的的装装配配线线上上，工工人在一批零件中顺手拿一个，装上即可。人在一批零件中顺手拿一个，装上即可。机机械械制制造造业业中中的的互互换换性性通通常常包包括括几几何何参参数数和和 物物理理参参数数的的互互换换，本本课课程程仅仅讨讨论论几几何何参参数数的的互换性互换性。1.2.4 1.2.4 互换性与公差互换性与公差1.2 1.2 几何精度基础知识几何精度基础知识 2 2、几何量公差、几何量公差 允许几何量的变动范围。包括尺寸公差、形位允许几何量的变动范围。包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度。见下图公差和表面粗糙度。见下图1.2 1.2 几何精度基础知识几何精度基础知识 互换性的作用：设设计计方方面面：可可以以最最大大限限度度地地采采用用标标准准件件、通通用用件件，简简化化设设计计绘绘图图和和计计算算工工作作，从从而而缩缩短短设设计计周期，并有利于计算机辅助设计和产品的多样化。周期，并有利于计算机辅助设计和产品的多样化。制制造造方方面面：有有利利于于组组织织专专业业化化生生产产，便便于于采采用用先先进进工工艺艺和和高高效效率率的的专专用用设设备备，从从而而降降低低加加工工成成本本，并并能能够够实实现现流流水水线线装装配配甚甚至至在在自自动动线线上进行装配。上进行装配。使使用用维维修修方方面面：及及时时更更换换损损坏坏了了的的零零部部件件，减减少少了了机机器器维维修修的的时时间间和和费费用用，提提高高了了机机器器的使用效率。的使用效率。1.2 1.2 几何精度基础知识几何精度基础知识互换性的种类互换性的种类：1 1、完完全全互互换换：一一批批零零件件可可以以进进行行任任意意的的代代换使用，装配时不需挑选和修配。换使用，装配时不需挑选和修配。2 2、不不完完全全互互换换：装装配配时时允允许许挑挑选选、调调整整和和修配。修配。区区别别在在于于：完完全全互互换换适适合合于于精精度度要要求求不不高高，生生产产批批量量较较大大，或或与与外外厂厂协协作作生生产产的的情情况况；不不完完全全互互换换适适合合于于精精度度要要求求很很高高，生生产产批批量量较较大大，通常是制造厂内部装配的机构或构件通常是制造厂内部装配的机构或构件。1.2 1.2 几何精度基础知识几何精度基础知识 不不完完全全互互换换常常用用的的有有分分组组互互换换法法和和调调整整法法。如发动机的汽缸和活塞即采用分组互换法。如发动机的汽缸和活塞即采用分组互换法。活塞 气缸加工尺寸加工尺寸测量分组测量分组 1 2 3 41.2 1.2 几何精度基础知识几何精度基础知识1.2 1.2 几何精度基础知识几何精度基础知识1.3.11.3.1、标准化、标准化 1 1、标准化概念的提出、标准化概念的提出 现现代代化化生生产产的的特特点点是是品品种种多多、规规模模大大、分分工工细细和和协协作作多多。为为使使社社会会生生产产有有序序地地进进行行，必必须须通通过过标标准准化化使使产产品品规规格格品品种种简简化化，使使分分散散的的、局局部部的生产环节相互协调和统一。的生产环节相互协调和统一。例例如如：为为使使两两个个生生产产厂厂家家生生产产的的产产品品能能够够 实实现现自自由由装装配配 ，这这些些产产品品必必须须按按相相同同的的标标准准制制造造。自自行行车车的的损损坏坏零零件件能能及及时时更更换换，是是因因为为它它们们是是按按相相同同的的标标准准制制造造的的。所所以以 ，标标准准化化是是实实现现互换性的基础互换性的基础。1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范 标标准准化化是是在在经经济济、技技术术、科科学学及及管管理理等等社社会会实实践践中中，对对重重复复性性事事物物和和概概念念通通过过制制定定、发发布布和和实实施施标标准准，达达到到统统一一，以以获获得得最最佳佳秩秩序序和和效效益益。（这这是是国国家家标标准准标标准准化化基基本本术术语语对对标标准准化化所做的解释。它的最终目的是提高社会经济效益所做的解释。它的最终目的是提高社会经济效益。）。）标标准准化化的的主主要要任任务务是是 制制定定标标准准、组组织织实实施标准、和对标准的实施进行监督。施标准、和对标准的实施进行监督。标标准准化化的的主主题题是是标标准准，标标准准就就是是对对重重复复性事物和概念所做的统一规定。性事物和概念所做的统一规定。2 2、标准化的基本含义、标准化的基本含义1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范 3 3、标准的级别、标准的级别 标标准准按按不不同同的的级级别别颁颁发发。我我国国标标准准分分为为国国家家标准、行业标准、地方标准和企业标准。标准、行业标准、地方标准和企业标准。国国家家标标准准：由由国国家家标标准准化化主主管管机机构构批批准准发发布布，在全国范围内统一的标准，代号为在全国范围内统一的标准，代号为GBGB ；行行业业（专专业业）标标准准：由由行行业业标标准准化化主主管管机机构构批批准准发发布布，在在全全国国某某行行业业统统一一的的标标准准；如如JBJB、MTMT；地地方方标标准准或或企企业业标标准准：由由省省、自自治治区区或或企企业业主管部门批准发布的标准。代号为主管部门批准发布的标准。代号为DBDB、QBQB 。注意下级标准不能与上级标准相违背注意下级标准不能与上级标准相违背。1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范 国国际际标标准准：在在国国际际上上，为为了了促促进进世世界界各各国国在在技技术术上上的的统统一一，成成立立了了国国际际标标准准化化组组织织（简简称称ISOISO）和和国国际际电电工工委委员员会会（简简称称IECIEC），由由这这两两个个组组织织负负责责制制定定和和颁颁发发国国际际标标准准。我我国国于于19781978年年恢恢复复参参加加ISOISO组组织织后后。陆陆续续修修订订了了自自己己的的标标准准。修修订订的的原原则则是是，在在立立足足我我国国生生产产实实际际的的基基础础上上向向ISOISO靠靠拢拢，以以利利于于加加强强我我国国在在国国际际上上的的技技术术交交流流和产品互换。和产品互换。1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范 4 4、标准的种类、标准的种类 标准化涉及到国民经济的各个部门，因此标准标准化涉及到国民经济的各个部门，因此标准种类繁多，主要有：种类繁多，主要有：基础标准：基础标准：作为其他标准的基础，应用广泛。作为其他标准的基础，应用广泛。产品标准：产品标准：对产品的品种、规格、技术性能，对产品的品种、规格、技术性能，质量检验及包装运输等要求所制订的标准。质量检验及包装运输等要求所制订的标准。此此外外还还有有工工程程建建设设标标准准、方方法法标标准准、安安全全标标准准、环境保护标准、服务标准及管理标准等。环境保护标准、服务标准及管理标准等。标标准准化化是是组组织织现现代代化化生生产产的的重重要要手手段段，是是实实现现互互换换性性的的必必要要前前提提，它它对对人人类类进进步步和和科科学学技技术术发发展起着巨大的推动作用。展起着巨大的推动作用。1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范 1 1、优先数系的提出、优先数系的提出 在在机机械械设设计计中中，需需要要确确定定很很多多参参数数 参参数数 一一旦旦选选定定，这这 个个 数数 值值 就就 会会 按按 照照 一一 定定 规规 律律，向向 一一 切切 有有 关关 的的 参参 数数 传传 播播。例例如如，螺螺栓栓的的尺尺寸寸一一旦旦确确定定，将将会会影影响响螺螺母母的的尺尺寸寸、丝丝锥锥板板牙牙的的尺尺寸寸、螺螺栓栓孔孔的的尺尺寸寸以以及及加加工工螺螺栓栓孔孔的的钻钻头头的的尺尺寸寸等等。所所以以，机机械械产产品品中中的的各各种种技技术术参参数数不不能能随随意意确确定，否则会给生产管理带来麻烦。定，否则会给生产管理带来麻烦。为为使使产产品品的的参参数数选选择择能能遵遵守守统统一一的的规规律律，使使参参数数选选择择一一开开始始就就纳纳入入标标准准化化轨轨道道，必必须须对对各各种种技技术术参参数数的的数数值值作作出出统统一一规规定定。优优先先数数和和优优先先数数系系国国家家标标准准（GB32180GB32180）就就是是其其中中最最重重要要的的一一个个标标准准，要要求求工工业业产产品技术参数尽可能采用它。品技术参数尽可能采用它。1.3.21.3.2、优先数系、优先数系1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范 2 2、优先数系的规定、优先数系的规定 优先数系为优先数系为十进制等比数列十进制等比数列即数列中含有即数列中含有 和和 项项，它它们们分分别别用用系系列列符符号号R5R5、R10R10、R20R20、R40R40和和R80R80表示，表示，各系列的公比各系列的公比q q为；为；n R5 R5 的公比：的公比：n R10 R10的公比：的公比：n R20 R20的分比：的分比：n R40 R40的公比：的公比：n R80 R80的公比：的公比：基本系列基本系列补充系列补充系列1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范优先数系的基本系列：优先数系的基本系列：R5系列系列：1.00 1.60 2.50 4.00 6.30 10.00R10系列系列：1.00 1.25 1.60 2.00 2.50 3.15 4.00 5.00 6.30 8.00 10.00使用中可以每个隔几项取一个数，组成派生系列使用中可以每个隔几项取一个数，组成派生系列，R5/2：1.00 2.50 6.30 16.0 40.0 100 R10/3：1.00 2.00 4.00 8.00 16.0 32.0取值方法取值方法：计算值计算值：取五位有效数字，供精确计算用：取五位有效数字，供精确计算用 常用值常用值：取三位有效数字，经常用的优先数：取三位有效数字，经常用的优先数1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范 3 3、优先数系的特点、优先数系的特点 疏密均匀，分档合理疏密均匀，分档合理，简单易记，便于使用，简单易记，便于使用，国际通用。国际通用。国国家家标标准准规规定定的的优优先先数数系系具具有有广广泛泛的的适适用用性性，常常见见的的量量值值，如如长长度度、直直径径、转转速速及及功功率率等等分分级级，基基本本上上都都是是按按一一定定的的优优先先数数系系进进行行的的。本本课课程程所所涉涉及及的的有有关关标标准准里里，诸诸如如尺尺寸寸分分段段、公公差差分分级级及及表面粗糙度的参数系列等，基本上采用优先数系。表面粗糙度的参数系列等，基本上采用优先数系。1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范1.3.3 1.3.3 几何要素几何要素 几几何何要要素素是是指指构构成成零零件件几几何何特特征征的的点点、线线、面面等，简称为要素。等，简称为要素。按结构特点：按结构特点：轮廓要素与中心要素轮廓要素与中心要素按存在状态：按存在状态：实际要素与理想要素实际要素与理想要素按检测关系：按检测关系：被测要素与基准要素被测要素与基准要素按功能关系：按功能关系：单一要素与关联要素单一要素与关联要素1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范1 1、几何要素的传统分类、几何要素的传统分类1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范2.2.几何要素分类的新方法几何要素分类的新方法(GB/T18780)给出了要素的定义和基本概念给出了要素的定义和基本概念GB/T18780分为两部分分为两部分：GB/T18780.1-2002 第第1部分：基本术语和定义部分：基本术语和定义GB/T18780.2-2003 第第2部部分分：圆圆柱柱面面和和圆圆锥锥面面的的提提取取中中心心线线、平平行行平平面面的的提提取取中中心心面面、提提取要素的局部尺寸取要素的局部尺寸组成要素组成要素(轮廓轮廓)要要 素素导出要素导出要素(中心中心)公称组成要素公称组成要素公称导出要素公称导出要素公称要素公称要素实际组成要素实际组成要素实际要素实际要素提取组成要素提取组成要素提取导出要素提取导出要素提取要素提取要素拟合组成要素拟合组成要素拟合导出要素拟合导出要素拟合要素拟合要素1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范图样上图样上零件上零件上测得测得理想理想公称组成公称组成要素要素公称导出公称导出要素要素实际实际要素要素提取组成提取组成要素要素提取导出提取导出要素要素拟合组成拟合组成要素要素拟合导出拟合导出要素要素 设计设计 制造制造 检验检验 评定评定公称要素公称要素 实际要素实际要素 提取要素提取要素 拟合要素拟合要素1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范1.3.4 1.3.4 几何技术规范（几何技术规范（GPSGPS）产产品品几几何何技技术术规规范范是是规规范范所所有有符符合合机机械械工工程程规规律律的的零零件件的的整整套套几几何何量量技技术术标标准准，它它覆覆盖盖了了从从宏宏观观到到微微观观的的产产品品几几何何特特征征，涉涉及及产产品品开开发发、设设计计、制制造造、检检测测、装装配配以以及及维维修修、报报废废等等产产品品生生命命周周期期的的全全过过程程。它它不不但但是是产产品品的的信信息息传传递递与与交交换换的的基基础础，也是产品市场流通领域中合格评定的依据。也是产品市场流通领域中合格评定的依据。在在国国际际标标准准中中，GPSGPS标标准准体体系系是是影影响响最最广广、最最重重要要的的基基础础标标准准体体系系之之一一，与与质质量量管管理理（ISO ISO 90009000）等等重重要要标标准准体体系系的的有有着着密密切切的的联联系系，是是产产品品质量保证和制造业信息化的重要基础质量保证和制造业信息化的重要基础。1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范课程性质课程性质：技术基础课，承上启下技术基础课，承上启下。课程任务课程任务：学会对机械产品进行精度设计，即合理规定公学会对机械产品进行精度设计，即合理规定公 差差 ，通过实验掌握测量的基本技能。，通过实验掌握测量的基本技能。基本要求基本要求：1 1、掌握、掌握 基本概念，重要概念要熟记；基本概念，重要概念要熟记；2 2、熟悉各个公差标准的内容及特点，能正确选择公差、熟悉各个公差标准的内容及特点，能正确选择公差 并能正确地标注到图样上；并能正确地标注到图样上；3 3、独立完成作业及实验、独立完成作业及实验课程特点课程特点：三多一少三多一少课时安排课时安排：322462 课程性质、任务与要求课程性质、任务与要求汽车发动机装配线