紫竹惊蛰 几何精设计概论PPT课件

1、 1.1.1 1.1.1 几何误差几何误差 本课程研究机械产品的精度设计问题，机械本课程研究机械产品的精度设计问题，机械产品是固态产品，主要是由具有一定几何形状产品是固态产品，主要是由具有一定几何形状的零、部件安装组成。的零、部件安装组成。 固态产品的特点是具有特定的几何外形，固态产品的特点是具有特定的几何外形，而且几何外形的特性对其使用功能具有直接的而且几何外形的特性对其使用功能具有直接的影响。影响。 几何误差几何误差就是指制成产品的实际几何参就是指制成产品的实际几何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。 这些几何参数包括这些几何参数包括表面结

2、构、几何尺寸、几何表面结构、几何尺寸、几何形状和相互位置。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第1页/共35页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第2页/共35页产生几何误差的主要因

3、素有：产生几何误差的主要因素有：机床机床用以保证刀具与工件间的相对运动。相对运动误差使用以保证刀具与工件间的相对运动。相对运动误差使工件产生形状误差；工件产生形状误差；夹具夹具用来确定工件在机床上的位置。它的制造和安装误差用来确定工件在机床上的位置。它的制造和安装误差将直接影响工件的正确定位，造成工件方向和位置误差，将直接影响工件的正确定位，造成工件方向和位置误差，工艺工艺因素主要有切削用量、切削力及热处理。它们将产生因素主要有切削用量、切削力及热处理。它们将产生受力变形和温度变形受力变形和温度变形. .直接影响加工表面质；直接影响加工表面质；环境环境因素主要是切削热导致的工件与刀具的变形和温

4、度变因素主要是切削热导致的工件与刀具的变形和温度变动产生的加工系统的变形。影响尺寸误差和形状误差。动产生的加工系统的变形。影响尺寸误差和形状误差。材料材料的内应力、材料的腐蚀直接导致产品几何特性产生变的内应力、材料的腐蚀直接导致产品几何特性产生变化。将影响完工工件的几何精度及其持久性。化。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第3页/共35页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 在相同型号的一批产品中，零部件的几何在相同型号的一批产品中，零部件的几何特性设计是相同的，但是其成品质量差异很大，特性设计是相同的，但是

5、其成品质量差异很大，这是由于产品零部件在制造、装配过程中存在这是由于产品零部件在制造、装配过程中存在的几何误差所造成的。的几何误差所造成的。 测绘仿制产品无法具备原型产品的性能测绘仿制产品无法具备原型产品的性能和使用寿命，其关键原因也是在测绘仿制过程和使用寿命，其关键原因也是在测绘仿制过程中，虽然能够得到原型产品的原理、结构等信中，虽然能够得到原型产品的原理、结构等信息，但是无法得到原型产品的精度设计信息息，但是无法得到原型产品的精度设计信息（几何误差允许范围）。（几何误差允许范围）。1.1 1.1 几何误差基础知识几何误差基础知识第4页/共35页 几何误差的大小体现了国家和企业的工业水几何误

6、差的大小体现了国家和企业的工业水平。平。机械工业的能力关键体现在其高精度制造机械工业的能力关键体现在其高精度制造能力上，也就是体现在几何精度的设计、生产、能力上，也就是体现在几何精度的设计、生产、和检测等方面的水平上。和检测等方面的水平上。 各种不同几何特性的误差对产品的使用各种不同几何特性的误差对产品的使用功能的影响有所不同。功能的影响有所不同。表面误差表面误差主要影响外观、主要影响外观、摩擦磨损、腐蚀、噪音等使用功能，摩擦磨损、腐蚀、噪音等使用功能，尺寸和形尺寸和形位误差位误差主要影响零、部件的空间相互位置，直主要影响零、部件的空间相互位置，直接影响运动传递、载荷传递等性能。接影响运动传递

7、、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第5页/共35页1.1 1.1 几何误差基础知识几何误差基础知识第6页/共35页 1.1.4 1.1.4 几何误差与成几何误差与成本的关系本的关系 几何误差与制造几何误差与制造成本、检测成本和维修成本、检测成本和维修成本之间存在密切的关成本之间存在密切的关系。系。 为获得较小的制造几何为获得较小的制造几何误差，必然需要采用相误差，必然需要采用相对复杂的工艺过程，使对复杂的工艺过程，使用相对精密的工艺设备，用相对精密的工艺设备，由技术水平较高的操作由技术水平较高的操作人员操作，所以相对生人员操作，所以相对生产成本较高。产成本较高。

8、1.1 1.1 几何误差基础知识几何误差基础知识第7页/共35页1.2.1 1.2.1 几何精度的概念几何精度的概念 几何精度就是零、部件允许的几何误差，也几何精度就是零、部件允许的几何误差，也称为几何公差，简称称为几何公差，简称公差。公差。几何精度设计的主几何精度设计的主要依据是产品功能对零部件的静态与动态精度要依据是产品功能对零部件的静态与动态精度要求，以及产品生产和使用维护的经济性。要求，以及产品生产和使用维护的经济性。 根据市场需求在进行产品的概念设计之根据市场需求在进行产品的概念设计之后，转入产品的工程设计阶段，进行产品的后，转入产品的工程设计阶段，进行产品的系系统设计、参数设计和精

9、度设计。统设计、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第8页/共35页 系统设计系统设计是根据使用功能要求确定机械产品是根据使用功能要求确定机械产品的基本工作原理和总体布局，以保证总体方的基本工作原理和总体布局，以保证总体方案的合理和先进。案的合理和先进。 参数设计参数设计是根据产品的使用功能要求确定机是根据产品的使用功能要求确定机构各零件的结构和尺寸的标称值。主要是构各零件的结构和尺寸的标称值。主要是结结构设计构设计，须按照力学、摩擦学、可靠性等原，须按照力学、摩擦学、可靠性等原理，采用优化、有限元等方法进行设计计算。理，采用优化、有限元等方法进行设计计算。

10、精度设计精度设计是根据产品的使用功能要求和制造是根据产品的使用功能要求和制造条件确定机械零部件几何要素允许的加工和条件确定机械零部件几何要素允许的加工和装配误差。装配误差。1.2 1.2 几何精度基础知识几何精度基础知识第9页/共35页 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 一般说来，产品几何精度设计的基本原则是经济地满足功能要求。一般说来，产品几何精度设计的基本原则是经济地满足功能要求。 精度设计时，应该考虑精度设计时，应该考虑使用功能使用功能、精度储备、精度储备、经济性、互换性经济性、互换性、协调、协调匹配等主要因素。匹配等主要因素。1.2 1.2 几何精度

11、基础知识几何精度基础知识第10页/共35页 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 几何精度设计的原始依据是产品的技几何精度设计的原始依据是产品的技术要求。因此，首先应调查、分析、提出产术要求。因此，首先应调查、分析、提出产品的技术要求。在明确产品的使用功能、使品的技术要求。在明确产品的使用功能、使用环境、批量、等因素后，方能开始几何精用环境、批量、等因素后，方能开始几何精度设计。度设计。 精度设计时，首先需要确定产品整机精度设计时，首先需要确定产品整机的精度，随后确定部件的精度要求，最后确的精度，随后确定部件的精度要求，最后确定零件的精度。定零件的精度。 精度设

12、计的方法主要有：精度设计的方法主要有：类比法类比法、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第11页/共35页 1 1、互换性：、互换性：一批相同规格的零部件，任取其一，不经任何挑选和修一批相同规格的零部件，任取其一，不经任何挑选和修配就能装在机器上，并能满足其使用要求的特性配就能装在机器上，并能满足其使用要求的特性 。 例如：自行车、缝纫机上的零件坏了，买一个更换即可。在工厂的例如：自行车、缝纫机上的零件坏了，买一个更换即可。在工厂的装装配线上配线上，工人在一批零件中顺手拿一个，装上即可。，工人在一批零件中顺手拿一个，装上即可。 机械制造业中的互换

13、性通常包括几何参数机械制造业中的互换性通常包括几何参数和和 物理参数的互换，物理参数的互换，本课程仅讨论几何参数的本课程仅讨论几何参数的互换性互换性。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第12页/共35页 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。见下图位公差和表面粗糙度。见下图1.2 1.2 几何精度基础知识几何精度基础知识第13页/共35页 互换性的作用： 设计方面：设计方面：可以最大限度地采用标准件、可以最大限度地采用标准件、通用件，简化设计绘

14、图和计算工作，从而缩短通用件，简化设计绘图和计算工作，从而缩短设计周期，并有利于计算机辅助设计和产品的设计周期，并有利于计算机辅助设计和产品的多样化。多样化。 制造方面：制造方面：有利于组织专业化生产，便有利于组织专业化生产，便于采用先进工艺和高效率的专用设备，从而降于采用先进工艺和高效率的专用设备，从而降低加工成本，并能够实现流水线装配甚至在自低加工成本，并能够实现流水线装配甚至在自动线上进行装配。动线上进行装配。 使用维修方面：使用维修方面：及时更换损坏了的零部及时更换损坏了的零部件，减少了机器维修的时间和费用，提高了机件，减少了机器维修的时间和费用，提高了机器的使用效率。器的使用效率。1

15、.2 1.2 几何精度基础知识几何精度基础知识第14页/共35页互换性的种类互换性的种类： 1 1、完全互换完全互换：一批零件可以进行任意的代一批零件可以进行任意的代换使用，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、不完全互换、不完全互换：装配时允许挑选、调整和装配时允许挑选、调整和修配。修配。 区别在于区别在于：完全互换适合于精度要求不高，完全互换适合于精度要求不高，生产批量较大，或与外厂协作生产的情况；不生产批量较大，或与外厂协作生产的情况；不完全互换适合于精度要求很高，生产批量较大，完全互换适合于精度要求很高，生产批量较大，通常是制造厂内部装配的机构或构件通常是制造厂

16、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第15页/共35页 不完全互换常用的有分组互换法和调整法。不完全互换常用的有分组互换法和调整法。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00.0400.010.010.020.020.030.030.044040404040 0.0400.040.030.030.020.020.010.0104040404040 加工尺寸测量分组 1 2 3 41.2 1.2 几何精度基础知识几何精度基础知识第16页/共35页1.2 1.2 几何精度基础知识几何精度基础知识第17页/共35页

17、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 现代化生产的特点是品种多、规模大、现代化生产的特点是品种多、规模大、分工细和协作多。为使社会生产有序地进行，分工细和协作多。为使社会生产有序地进行，必须通过标准化使产品规格品种简化，使分散必须通过标准化使产品规格品种简化，使分散的、局部的生产环节相互协调和统一。的、局部的生产环节相互协调和统一。 例如：为使两个生产厂家生产的产品能例如：为使两个生产厂家生产的产品能够够 实现自由装配实现自由装配 ，这些产品必须按相同的标，这些产品必须按相同的标准制造。自行车的损坏零件能及时更换，是因准制造。自行车的损坏零件能及时更

18、换，是因为它们是按相同的标准制造的。为它们是按相同的标准制造的。所以所以 ，标准，标准化是实现互换性的基础化是实现互换性的基础。1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范第18页/共35页 标准化是在经济、技术、科学及管理等社会实践中，对重复性事物和概念通过制定、发布和实施标准，达到统一，以获得最佳秩序和效益。（。（这是国家标准这是国家标准标准化基本术语标准化基本术语对标准化所做的解释。它的最终目的是提高社会经对标准化所做的解释。它的最终目的是提高社会经济效益济效益。） 标准化的主要任务是 制定标准、组织实施标准、和对标准的实施进行监督。 标准化的主题是标准，标准就是对重复性事物和概念所做的统一

19、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第19页/共35页 3 3、标准的级别、标准的级别 标准按不同的级别颁发。我国标准分为国家标准按不同的级别颁发。我国标准分为国家标准、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。 国家标准：国家标准：由国家标准化主管机构批准发布，由国家标准化主管机构批准发布，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 ； 行业（专业）标准：行业（专业）标准：由行业标准化主管机构由行业标准化主管机构批准发布，在全国某行业统一的标准；如批准发布，在全国某行业统一的标准；如JBJB

20、、MTMT； 地方标准或企业标准：地方标准或企业标准：由省、自治区或企业由省、自治区或企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第20页/共35页 国际标准：国际标准：在国际上，为了促进世界各国在技术在国际上，为了促进世界各国在技术上的统一，成立了国际标准化组织（简称上的统一，成立了国际标准化组织（简称ISOISO）和国际电工委员会（简称和国际电工委员会（简称IECIEC），由这两个组），由这两个组织负责制定和颁发国际标准。我国于织负责制定和

21、颁发国际标准。我国于19781978年年恢复参加恢复参加ISOISO组织后。陆续修订了自己的标准。组织后。陆续修订了自己的标准。修订的原则是，在立足我国生产实际的基础上修订的原则是，在立足我国生产实际的基础上向向ISOISO靠拢，以利于加强我国在国际上的技术靠拢，以利于加强我国在国际上的技术交流和产品互换。交流和产品互换。 1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范第21页/共35页 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，因此标标准化涉及到国民经济的各个部门，因此标准准种类繁多，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

22、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。 此外还有工程建设标准、方法标准、安全标此外还有工程建设标准、方法标准、安全标准、环境保护标准、服务标准及管理标准等。准、环境保护标准、服务标准及管理标准等。 标准化是组织现代化生产的重要手段，是实现互换性的必要前提， 它对人类进步和科学技术发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第22页/共35页 1 1、优先数系的提出、优先数系的提出 在机械设计中，需要确定很多参数在机械设计中，需要确定很多参数

23、 参数参数 一旦选一旦选定，这个数值就会按照一定规律，向一切有关的参数定，这个数值就会按照一定规律，向一切有关的参数传播。传播。 例如，例如， 螺栓的尺寸一旦确螺栓的尺寸一旦确定，将会影响螺母的尺寸、丝锥板牙的尺寸、螺栓孔定，将会影响螺母的尺寸、丝锥板牙的尺寸、螺栓孔的尺寸以及加工螺栓孔的钻头的尺寸等。的尺寸以及加工螺栓孔的钻头的尺寸等。 所以，机械所以，机械产品中的各种技术参数不能随意确定，否则会给生产产品中的各种技术参数不能随意确定，否则会给生产管理带来麻烦。管理带来麻烦。 为使产品的参数选择能遵守统一的规律，使参数选为使产品的参数选择能遵守统一的规律，使参数选择一开始就纳入标准化轨道，必

24、须对各种技术参数的择一开始就纳入标准化轨道，必须对各种技术参数的数值作出统一规定。数值作出统一规定。优先数和优先数系优先数和优先数系国家标准国家标准（GB32180GB32180）就是其中最重要的一个标准，要求）就是其中最重要的一个标准，要求工业产品技术参数尽可能采用它。工业产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第23页/共35页 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，它们分别用系列符号项，它们分别用系列符号R5R5、 R10R10、 R2

25、0R20、R40R40和和R80R80表示，表示， 各系列的公比各系列的公比q q为；为； R5 R5 的公比：的公比： R10R10的公比：的公比： R20R20的分比：的分比： R40R40的公比：的公比： R80R80的公比：的公比： n10n106 . 11055q25. 1101010q12. 1102020q06. 1104040q03. 1108080q基本系列补充系列1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范第24页/共35页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.

26、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第25页/共35页 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，

27、简单易记，便于使用，简单易记，便于使用， 国际通用。国际通用。 国家标准规定的优先数系具有广泛的适国家标准规定的优先数系具有广泛的适用性，常见的量值，如长度、直径、转速及功用性，常见的量值，如长度、直径、转速及功率等分级，基本上都是按一定的优先数系进行率等分级，基本上都是按一定的优先数系进行的。本课程所涉及的有关标准里，诸如尺寸分的。本课程所涉及的有关标准里，诸如尺寸分段、公差分级及表面粗糙度的参数系列等，基段、公差分级及表面粗糙度的参数系列等，基本上采用优先数系。本上采用优先数系。 1.3 1.3 几何精度规范几何精度规范第26页/共35页1.3.3 1.3.3 几何要素几何要素 几何要素几

28、何要素是指构成零是指构成零件几何件几何特征特征的点、线、面的点、线、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第27页/共35页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

29、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部分：圆柱面和圆锥面的提取中心线、平行平面的提取中心部分：圆柱面和圆锥面的提取中心线、平行平面的提取中心面、提取要素的局部尺寸面、提取要素的局部尺寸第28页/共35页组成要素组成要素( (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零件上测得理想第29页/共35页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