机电一体化02

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2 精密机械系统的精度设计基础,2.1精度设计中的主要原理与原则,2.2 精度设计中的基本概念,2.3随机误差和系统误差,2.4误差综合,2.5精密机械设备的精度设计和误差分配,2.6数控机床的精度分析和精度指标,1,2.1精度设计中的主要原理与原则,机电工程系机械工程教研室,大多数机电一体化系统均有较高的精度要求，其基本特点是精度、效率和自动化程度要求高，结构比较复杂，其共同的基础为,精密机械技术,。,精密机械技术与普通机械技术比较：在机械原理、功用和重要性方面无多大变化，主要区别在：,精度、分辨率和灵敏度,等性能指标上。,2,2.1精度设计中的主要原理与原则,机电工程系机械工程教研室,在精度设计时，应遵循主要原理与原则为：,一、阿贝误差原理,其内容：长度测量时，被测尺寸与标准尺寸必须处在测量方向的同一直线上，或者两者彼此处在对方的延长线上。,3,机电工程系机械工程教研室,采用阿贝原理，能避免产生一阶误差，只有二阶误差（常不计）,4,机电工程系机械工程教研室,5,机电工程系机械工程教研室,用游标卡尺测量轴的直径时，作为基准件的刻线尺与被测直径不在同一直线上，即不符合阿贝原则。当带有活动量爪的框架因主尺导引面的直线度误差或框架与主尺间的间隙而发生倾斜时，就会产生测量误差:,=L-L=Stan=S。若s=30 mm，=0.0003 rad，则=300.0003=0.009mm=9m。,6,二、运动学设计原理,机电工程系机械工程教研室,一个空间物体具有6个自由度，要是它定位，需要适当配置6个约束加以限制，这就是6点定位原理。,要使物体相对固定的坐标运动，只能配置少于6个约束才能实现。,运动学设计原理应遵守下列条件：,1）物体相对运动数等于自由度数减去约束书。,2）要求约束条件为点接触，且该点应垂直于欲限制自由度方向。同时要求在同一平面或直线上的 点接触距离尽可能大些，以免运动到端部造成不稳定。,7,机电工程系机械工程教研室,滚动导轨副,8,机电工程系机械工程教研室,理想的滚动导轨副，符合运动学设计原理，左边的V形导轨内两个钢球提供4个约束，右边至少一个钢球提供一个约束，使上滑板只能沿V形导轨方向移动。,理想的点接触实际上是不存在，为了克服此缺点就产生,半运动学的设计原理,。,以小面积接触或短线接触代替点接触来约束运动方向-,半运动学的设计原理。,9,三、平均效应原理,机电工程系机械工程教研室,采用单点定位约束自由度，由于定位点的误差，其定位误差始终低于该定位点的精度，由于单点定位接触应力大，随着时间推移，精度会逐渐降低。因而采用,多点定位原理,，应用平均效应作用，使误差得以均化，提高机构的运动精度,在精密机械设备中，平均效应原理的应用很广，如导轨副、密珠轴承、光栅尺等应用 此原理。,10,机电工程系机械工程教研室,四、变形最小原理,精密机械设备的零部件受到自重、外载、温度变化、工艺内应力以及振动等因素的作用，都会产生变形误差，因此，变形误差原理就是要求上述各种变形误差最小。,五、基面统一原则,零件设计时，注意下面,四个基面,统一原则，以减少制造误差和测量误差。,11,机电工程系机械工程教研室,设计基面：零件图上标注尺寸的基准面,工艺基面：加工时的定位基面，以此加工其他面,测量基面：以它为测量基准，测量与此有关的尺寸,装配基面：以它为基准，确定零件间的相互位置,六、误差缩小和放大原理（速比原理）,七、误差配置原理,一台设备和部件，如果各部分的误差配置得当，就可提高装配成品的总精度。如机床主轴系统的两端轴承精度，如果合理配置，就可以减少主轴工作端的径向跳动。,12,机电工程系机械工程教研室,2.2 精度设计中的基本概念,精度是误差的反义词，误差理论是精度设计和精密测量的理论基础。,一、误差,定义： 测量值与真值之差异称为误差 。,表示方法：,1、绝对误差：设某物理量的测量值为x,它的真值为a,则xa=；由此式所表示的误差和测量值x具有相同的单位，它反映测量值偏离真值的大小，所以称为绝对误差,。,13,机电工程系机械工程教研室,2、相对误差：它是绝对误差与测量值或多次测量的平均值的比值，即或，并且通常将其结果表演示成非分数的形式，所以也叫百分误差。,误差分类：,1、按性质分：随机误差、系统误差、粗大误差,2、按被测参数的时间特性分：静态参数误差和动态参数误差,3、按误差之间的关系分：独立误差、相关误差,4、按误差来源分类：原理误差、制造误差、运行误差（使用误差）,14,机电工程系机械工程教研室,二、精度,（一）精度的含义,根据误差的不同性质，可将精度分为：,1、准确度：它用系统误差大小来表示。准确度反映了系统的测量值偏离真值的程度。,2、精密度：它是用随机误差大小表示。精密度反映了测量值与真值的离散程度。,3、精确度：它是系统误差和随即误差大小的综合反映。,15,机电工程系机械工程教研室,（,二）其它精度名称的含义,1、机床加工精度：是一项综合性的精度指标，即指机床在加工工件时所达到的精确度。,2、机床精度：是机床在未受外载的作用下的原始精度，以允差表示。机床精度包括几何精度、传动精度、定位精度等各项指标。,3、几何精度：是指机床、仪器在不运动时的精度。它规定了决定于加工或测量精度的各主要零部件以及这些零部件的运动轨迹的相对位置误差。,4、定位精度：是指机床或仪器主要部件在运动终点所能达到的实际位置精度。这是一个具有综合性质的精度指标。,16,机电工程系机械工程教研室,三、灵敏度和分辨率,1、灵敏度：系统的灵敏度是指当输入的变化值 趋向于0时，输出变化值 与输入变化值比值 的极限，即灵敏度的定义为：,灵敏度的具体数值与系统的静态特性函数,有关。此外，也有系统参数变化的灵敏度概念。,17,机电工程系机械工程教研室,2、分辨率：它是指精密机械设备能感受、识别或检测到输入量的最小值。或者能产生、响应得到输出量的最小值。分辨率与精度是有联系的，提高设备的分辨率就能提高其工作精度。,在数控机床中,分辨率是用定位机构的最小位置检测量来表示的。它与实际的定位精度无直接联系，因此数控机床的定位精度用分辨率来表示没有太大的意义。,如XHK756-2型卧式加工中心，其定位精度为,重复定位精度为,数控装置的脉冲当量为0.001mm/脉冲，即最小位置检测量为0.001mm,18,机电工程系机械工程教研室,2.3随机误差和系统误差,一、随机误差,随机误差常用均方根误差、算术平均误差和或然误差作为评定尺度。大多数国家用均方根误差表示。,（一) 均方根误差,设重复测量某值，可得随机误差系列， 其中，,则定义该数列的均方根误差为：,其方差D为：,19,机电工程系机械工程教研室,（二）极限误差,误差的极限范围称为极限误差。极限误差用相对误差表示时成为相对极限误差；用绝对误差表示时为绝对极限误差，也称为最大误差。,（三）标准偏差的计算,在均方根误差计算中，由于随机误差的真值无法求得，常用残余误差来代替，计算所得的结果称为标准偏差，仍用 表示。,标准偏差的计算方法有贝塞尔公式、彼特斯公式和极差法。,20,机电工程系机械工程教研室,二、系统误差,精密设备系统误差的数学特性表现为一定值或按某种函数规律变化，它有可能消除。系统误差是由原理误差和制造误差两部分组成的。,系统误差按其变化规律，可分为定值系统误差和变值系统误差。,21,机电工程系机械工程教研室,2.4误差的合成,新产品设计时，需对该产品的总精度进行分析和估计，即需对各个主要部件的误差进行分配和综合。,误差的种类不同，其综合方法也各异。对于随机误差，采用方差运算规律合成，对于已定系统误差的综合，采用代数和方法；对未定系统，采用绝对和与方和根方法。,22,机电工程系机械工程教研室,一、随机误差的合成,设有n个随机原始标准偏差 ，根据方差运算规则，则其合成的总随机误差的标准偏差为,-,第ij两个相关随机误差间的相关系数,-表示两个相关随机误差的标准偏差,23,机电工程系机械工程教研室,合成后总误差的极限误差,为,t-,总误差分布的对应置信系数,24,机电工程系机械工程教研室,二、系统误差的合成,（一）已定系统误差的合成,由于已定系统误差其数值大小和方向是明确的，其合成方法用,代数法,（,二）未定系统误差的合成,两种方法：,1、绝对和法,若各单项未定系统误差的不确定度为 ，则总误差的不确定度 按绝对值相加。,25,机电工程系机械工程教研室,2、方和根法,设定m个未定的系统误差 ， 则总误差的不确定度 为,26,机电工程系机械工程教研室,2.5 精密机械设备的精度设计和误差分配,精密机械设备精度设计的基本任务就是,精度分配,和,误差补偿,精度分配,是根据产品允许的总误差，将其经济、合理地分配到零部件上，并制定各零部件的公差和技术要求。,误差补偿,的目的就是减小或消除部分误差，从而达到总精度的要求。,27,机电工程系机械工程教研室,一、产品精度分配依据和步骤,（一）精度分配依据,1）产品的精度指标和总技术指标，它们是由使用性能要求和有关精度标准确定。,2）产品的工作原理、机械结构装配图及有关零部件图。它们提供了误差源的总数、各误差源对产品误差的影响，以及误差之间相互不长的可能性。,3）产品制造厂的技术水平，产品的使用环境等,4）产品的经济性要求,5）国家、部门、企业的有关公差技术标准,28,机电工程系机械工程教研室,（二）精度分配步骤,1,）明确总精度指标,2）构成产品工作原理和总体方案，主要考虑理论误差和方案误差,3）设计 总体布局、机电光等系统时，分别考虑其原理误差,4）完成各零部件的结构设计，找出全部误差源，写出各自的误差表达式，进行总精度计算。然后确定各零部件公差与技术要求，确定误差补偿方法,5）将给定的公差技术条件标注到零件工作图上，编写技术设计书,29,机电工程系机械工程教研室,二、误差分配方法,产品总误差 =总系统误差 +总随机误差,由于误差性质不同，其分配方法各异,（一）总系统误差,一般来说，系统误差的影响较大而数目较少。产品设计时，一般要求总系统误差,产品允许误差。,30,机电工程系机械工程教研室,（二）随机误差,随机误差的特点是数量多，一般按均方根法来综合。总随机误差,总随机误差的分配方法是：,等作用原则,和,不等作用原则,1、等作用原则,若各零部件误差相等地作用于总随机误差，则每个单项误差为,：,- -,包括未定误差和随机误差，且 产品允许的总误差,31,机电工程系机械工程教研室,（三）公差调整,调整公差时，首先要确定调整对象。一般先调整系统误差、误差传递系数较大和容易调整的误差项目。对随即误差调整，一般大多数采用,经济公差极限,内，少数在,生产公差极限,内，个别在,技术公差极限,内。对个别的超出技术公差极限的，应采用不补偿方法解决。,经济公差极限-在通用设备上，采用最经济的加工方法所能达到的精度,生产公差极限-在通用设备上，采用特殊工艺装备，不考虑效率因素进行加工所达到的精度。,技术公差极限-在特殊设备（如高精度机床）、良好的实验室条件下，进行加工和检验时，所能达到的精度。,32,机电工程系机械工程教研室,（四)误差补偿,误差补偿是调整公差的一种有效手段。补偿方法很多，如工艺补偿方法和设计补偿法。,工艺补偿法如轴系回转精度的误差抵消、大件导轨精度的综合修研、坐标定位精度的综合修正等方法。,精度设计时，采取措施减小 或消除误差的影响是一种有效的补偿方法。-设计补偿。,1、误差值补偿 直接减少误差源,分级补偿-将补偿件的尺寸分成几级,连续补偿如导轨镶条，可用来连续 调整间隙、,自动补偿-微机自动补偿装置，可自动减少或消除系统误差,33,机电工程系机械工程教研室,2、误差传递系统补偿 通过函数误差来改变或选择传递系统值、减少或消除误差的方法,3、综合补偿 利用机械、电气和光学等技术手段，使其产生的 误差互相抵消。,2.6 数控机床的精度分析和精度指标,一、数控机床的误差源和精度分析,数控机床的误差源可分为三类：,34,机电工程系机械工程教研室,（一）加工前的误差源,1、编程误差 它由程序控制原理决定的误差，出现在编程阶段。编程阶段是由圆整误差、近似计算误差和过去值计算误差构成，这是数控机床所固有的,2、机床调整误差：它是数控机床调“零点”及“机外”调刀时产生的。由于数控机床是按封闭的自动循环工作的，因此在机床按程序工作的整个时间内的加工精度取决于调整精度。,3、自动换刀误差 ：取决于许多因素，如换刀原理、换刀装置的结构特点等。,35,机电工程系机械工程教研室,（,二）机床本身的误差,1、机床几何形状误差（几何精度）,数控机床的几何精度是综合反映该机床关键机械零部件和组装后的几何误差。如加工中心：工作台面的平面度等,2、弹性变形引起的误差,这是机床刚度不够造成的,（三）运行时的误差,1、定位误差 主要有机电伺服系统误差和控制系统误差等,2、各种运行速度下的误差,36,机电工程系机械工程教研室,（四）结论,1）表面粗糙度、形状和表面相互位置精度基本上由机床机械部分形成。它取决于几何精度、刚度、主轴部件的制造精度等,2）沿x、y、z轴的尺寸精度反映了数控机床的特点。它由机床机械部分和数控系统共同形成的。,3）轮廓加工时，要考虑各坐标轴尺寸精度对轮廓加工的不同影响。,4）在进给传动的闭环控制系统中，执行机构的位移精度在很大程度上决定于反馈系统测量传感器的分辨率和安装位置。在半闭环控制系统中，不被反馈系统包围的工作机构和进给传动元件的误差影响大；被反馈系统包围的元部件影响很小。,5）计算机数控系统一般具有校正机床误差和诊断机床及数控系统状态的可能性，因而，机床加工精度与此有很大关系，但可以进行调整来减小他的影响。,37,机电工程系机械工程教研室,二、数控机床的位置精度,数控机床需检验项目很多，如几何精度、静刚度、抗振性、热变形等。机床的位置精度是一项重要的综合性精度指标，它反映了机床空 运转时各个误差源所形成的综合误差。,位置精度是机床执行机构沿某个坐标轴移动途中不同位置、作多次双向或单向定位时，其实际位置与程序规定的位置（目标位置）的偏差。该偏差具有随机性和分散性，需要统计方法估计。,38,机电工程系机械工程教研室,我国标准GB10931-89数字控制机床位置精度的评定方法规定了数字控制机床和机床数控附件直线运动和回转运动位置精度的检测和计算方法。,39,机电工程系机械工程教研室,作业,2.1简述精度设计中的主要原理与原则,2.2误差的种类和表达方法,2.3数控机床的误差源和精度分析,40,机电工程系机械工程教研室,41,