互换性与标准化：第一章 互换性与标准化概论

1、zxb第一章 互换性与标准化概论 zxb1-1 互换性、及其作用和意义一、什么是互换性 a. 灯泡和灯头， b. 自行车和自行车零件， c. 计算机和计算机的板卡。d. 光纤转换器件 1zxb1. 互换性：（对机械工业的定义） 2（书中第1页，第3小段）机器制造中的互换性，是指按规定的几何、物理及其它质量参数的极限范围（公差），来分别制造机器的各个组成部分，使其在装配与更换时，不需要辅助加工和修配，便能很好地满足使用和生产上的要求。它不仅是一种技术属性，更重要的它是技术经济意义上的生产原则与技术基础。zxb2. 具体怎样使零件具有互换性呢？ 说明：即按“公差”来制造。什么是公差呢？公差就是实际

2、参数值允许的最大变动量。3zxb制造时按公差加工；装配时不需要修配；使用时能满足要求；只要满足了这三条就基本可满足机器的生产和使用的互换性要求。 43. 互换性的要点 zxb二、互换性的分类 5几何参数互换性：规定几何参数公差，以保证成品的几何参数充分近似，例如灯泡和灯头的尺寸，就是几何尺寸互换性功能互换性：不仅规定几何参数公差，还包括其它一些参数，化学，光学，电学等参数 1. 按互换性的参数分：几何参数互换性，功能互换性zxb62. 按互换性的程度：完全互换，不完全互换 完全互换：任取一个零件（或部件）就能满足要求，进行互换。 不完全互换：对零件（或部件）有一定选择，才能满足要求。不完全互换

3、，它可分为：概率互换，分组互换，调整互换和修配互换zxb概率互换，（有小概率的零件不具有互换性）分组互换（一类零件是分组的，组内零件，具有互换性，组间零件不具有互换性。例如滚动轴承的组成零件的制造和发动机的连杆小头孔和活塞销的配合的结合的制造 ，-，这样作使加工成本低，最后成品精度高）7zxbTf= TH +TS （1），TH ：孔的公差； TS ：轴的公差TH=nTH （2），TS =n TS （3），（ TH是孔的制造公差， TS是轴的制造公差） zxb调整互换和修配互换把调节环进行调整来达到使用要求，调整互换；对调节环进行修配来满足使用要求修配互换。注意：这之后，不再有互换性，但其精度却

4、是很高的。 ）调节环zxb三、互换性的作用和意义 8 互换性不仅是零部件等机械组成部分的一种技术属性，而且是具有重要技术经济意义的生产原则与生产技术基础，即它是现代大工业的基础。 为了让大家对互换性的在机械制造中的作用了解得清楚一些，我们具体从设计，制造和使用几方面进行分析。 zxb1. 设计时由于产品构成的各部分按互换性设计，设计时大为简单，从而节省了时间，便于更新快，也便于计算机辅助设计（CAD）2. 加工时可按协作方式进行加工，各个部分的加工具体单一，保证质量好，成本低。 9zxb3、装配时可以进行流水线作业，不仅劳动强度小，而且缩短装配周期，还可降低成本。 104、使用时维修方便，时间

5、短，找一个同一样零部件换上就行了，保证了机器工作的连续性和持久性，提高了机械的使用价值产品的维护是现在强调的产品后备服务了的一个重要方面。 zxb11 从以上分析可以看出互换性与现代工业发展密切联系，其作用和意义是巨大的，并且，现在互换性超出了机械工业的范畴，扩大到其它领域:光电子工业，通信业，微电子工业，特别微电子工业和光电子工业，其产品及元器件的互换性使之广泛的应用，广义互换性的作用显得特别突出，其意义是巨大的。zxb现在国际上已经实施了新一代GPS几何产品技术规范国际标准 最近美国仅通过对机械、电子工业市场的精确估计，提出所有直接涉及到使用GPS标准的机电工业的全球年支出为645亿美元。

6、ISO/TC 213统计公布，机电产品成本的 80% 均与 GPS 有关。zxb我们先让同学们了解互换性的作用和意义，就更清楚这门课在同学们知识结构中的地位。由于GPS标准是最基础的标准之一，它涉及许多相关技术标准。我国在GPS标准体系方面的落后，势必妨碍我国技术标准整体水平的提高，制约我国经济的发展进步。 zxb题外：computer and English很重要，同学们也很重视。但专业也是很重要的。人们做过统计，现在主要的企业需要的是computer and English好的专业型人才。 12zxb 下面我用广义互换性的例子来进一步说明本课程的重要性。比如说第三代移动通信无线传输技术标准

7、3G，它的通信带宽是2M以上，可以上网和在线看电影。 同学们都知道第一代为模拟系统和第二代的GSM数字系统都是进口产品，特别是标准 。 中国和德国西门子的第三代移动通信无线传输技术标准是TD-SCDMA （中国移动，大唐电信）意味着一个庞大的产业。在被国际电联（ITU）正式接纳为第三代移动通信无线传输技术标准之后，TD-SCDMA以其突出的技术优势和广阔的市场前景在世界范围内引起了越来越广泛的关注，与美国WCDMA（联通）、日本cdma2000 （联通和中国电信）等并列，成为国际第三代移动通信三大主流技术之一。13zxb说明：技术领先地位制定标准，再在市场占据主导地位三流的企业卖劳力；二流的企

8、业卖产品；一流的企业卖专利；超一流的企业卖标准。 zxb四、 制造误差与精度设计互换性生产的全过程均存在误差，几何参数的极限范围（公差）适用于设计、加工检测、装配、使用等互换性生产的全过程公差用来限制制造误差的，机械工程的几种制造误差，即几何参数的误差包括： 1）尺寸误差；2）几何误差（形状及相互位置误差）（波距10mm）；3）波纹度（10mm波距1mm）；4）表面粗糙度（波距1mm）1. 互换性与制造误差zxb2）几何误差又称形状与位置误差形状误差：实际要素与其理想要素之间的差别位置误差：制件上几个要素的实际相对位置与其理想相对位置的不一致1）尺寸误差制成件的实际尺寸与规定的期望尺寸的不一致

9、zxb3）波纹度介于宏观和微观几何形貌误差（10mm波距1mm）之间实际表面几何特征；4）表面粗糙度又称微观几何形貌误差图1-2中制件实际表面存在微小间距、高度的微观峰谷的微观几何形貌特征几何形貌误差按尺寸特征分为：形状误差、波纹度、表面粗糙度。zxb几何参数的精度包括：1. 尺寸精度2.几何误差的控制要求（形状及相互位置误差）（波距10mm）3. 波纹度（10mm波距1mm）4. 表面粗糙度（波距1mm）zxb 机械零件是由构成其几何特征的若干点、线、面组成的，这些点、线、面统称为几何要素（简称要素）。 要 素：构成零件几何特征的点、线、面称为要素 （GB/T18780-2002产品几何量技

10、术规范（GPS）几何要素 第1部分2要素的定义 zxb 零件几何要素的图例点要素：圆锥顶点5和球心8；线要素：素线6和轴线7；面要素：球面1圆锥面2环状平面3和圆柱面 4。zxb根据不同特征对要素进行分类如下：1按状态分为理想要素和实际要素理想要素：纯几何学意义的要素 实际要素：零件上实际存在的要素 2按结构分为轮廓要素和中心要素(例)zxbzxb3. 精度设计精密仪器及装备的专业基本常识： 1）系统的规划(功能和精度分析；组成和构架，机械、电器、测量等部件和数学模型；保证精度的工艺体系)2）系统设计（功能设计；精度设计：静态的零部件、机器的误差极限设计和动态的运动轨迹的误差极限的设计）zxb

11、3）结构设计及尺寸稳定性设计（尺寸精度，材料，应力，精度寿命）4）加工制造（精密设备、测量、修正、工艺、工艺经验与工艺数据积累）5）装配（测量技术、修正、工艺、工艺经验与工艺数据积累）6）终端精度测量与补偿；，校准技术和方法本教材的精度设计的主要内容确定零部件、机器的几何参数公差及其评定方法。zxb1-2 互换性生产的前提标准化 一、标准1广义标准：大家共同遵守的某种约定2标准：（GB3935.183）它以科学、技术和实践经验的综合成果为基础，经有关方面协商一致，由主管机构批准，以特定形式作为共同遵守的准则和依据。它的特点：实践性、广泛性、统一性、技术法律性 发展性、变化性。标准分级依照实用范

12、围：国家、专业、地方、企业标准。标准分类依照类别而定:技术标准和管理标准技术标准（基础标准、产品标准、方法和安全、卫生、环保标准）zxb标准分类图示说明zxb二、标准化1定义：标准化是指通过制定、贯彻、实践标准以达到统一，获得最佳秩序和社会效益的整个活动过程。比如象日常的尺寸、重量、时间、功率等，都有相应的标准，执行的法规，检定规程等等。标准化主要是建立一种体系，目的是为了优化、简化等（以尺寸为例）（单位、法规、检定）zxb2标准化的历史和现状1926、ISO成立（ISO-国际标准化组织International standards organization ）,中国1947加入ISO,194

13、9被除名，1978年恢复。1990年主要国家的标准美国10，590种 德国国标20，000多种 中国国标4，463种，1993 IEC（国际电工协会）其作用越来越大，电子与计算机领域？ ITUzxb3标准化的作用和意义一个国家国标种类多少表明这个国家经济发展水平，标准越多，经济发展水平越高；同时，标准、标准化也保证了经济活动有法可依，顺利进行。 zxb三、优先数系 工程上各种技术参数的协调、简化和统一，是标准化的重要内容，比如：1、2、4、10把这些常用而多用的数归一化，就形成了一种数值系统优先数系 zxb1实数与技术参数 实数 连续,是有理数和无理数的集合 技术参数是有理数，应该是离散的 图

14、1-2-1 zxb2优先数系 由于工程中常见10倍和倍增关系的数，例如车床转速25/50/250图纸的尺寸，就以此为基础，对各种技术参数进行协调、简化和统一的一种科学的数值制度，工程中通常采用十进制的几何级数（包括了2倍关系数）。 这个数系包含0.1,1,10a） 十进段（就是10倍关系数）110，10100， 10N和10.1，0.10.01为十进段b） 细分十进段: 每个十进段细分为m段等比节数，公比q。细分后每间隔递增x 项，后项是前项的2倍，构成倍数关系。而细分的数，包含在优先数系中，并以公比q构成细分十进段。zxb图1-2-2Y0YxYm递增x 项zxb证明： qm=10 又 qx=

15、2 所以zxb（GB321）和（ISO3）具体的规定为: m = 10 20 40 1.25 1.12 1.066zxbR10，R20，R40系列数见P15表1-2。 R80系列数数值分得更细，作为补充，而R5不包括2倍关系数R51.001.602.504.006.3010.00R101.001.251.602.002.503.154.005.006.308.0010.00R201.001.121.251.401.601.802.002.242.502.803.153.554.004.505.005.606.307.108.009.0010.00R401.001.061.121.181.251

16、.321.401.501.601.701.801.902.002.122.242.362.502.652.803.003.153.353.553.754.004.254.504.755.005.305.606.006.306.707.107.508.008.509.009.5010.00zxb3优先数的优点 （1）相邻项的相对误差均匀相对误差（2）插补方便 同一数系中，优先数（理论值）的积商，整数次乘方等仍为优先数。 因为这些优先数值这两个特点，所以这个数值制度在国际上广泛应用。这是一个典型的标准和标准化的例子。 zxb第二章 技术测量概论 图2-1 以太漂移试验 zxb一、技术测量的定义 测

17、量（狭义）：是被测量与单位量比较，确定其比值的实验过程。技术测量（狭义）：指对长度、角度、形状位置误差、表面粗糙度等几何量的测量。 2-1 技术测量的基本知识zxb二、长度基准 1单位基准国际和国标长度单位基准为1m，另外规定长度单位1m=1000mm, 1mm=1000m, 1m=1000nm 定义了长度单位基准,就要物理(实物)实现它。 对单位基准的要求：准确，可靠，易复现。zxb单位基准的发展历史 先是人为基准，比如皇帝的臂长法国巴黎米石（相当于现在0.84m）铂铱单位基准（米原器）（巴黎）（从实物到物理参数的质变是）氪光波波长激光光速在某个时间的间隔1299792458秒内的光行程，从

18、而实现了单位基准的准确，可靠，易复现。 zxb2实物基准量块，线纹尺（以量块最广泛）量块的形状 长方形 长圆柱形zxb量块的特征： 是端面量具， 两测量面平 行度高，表 面粗糙度高， 光洁易粘合， 并且材料线 膨胀系数小。 zxb量块精度：为满足不同应用场合对量块精度的要求：级和等，一般量块按制造精度分为0、1、2、3、4级和校准级K级，其中0级精度最高，按量块的标注尺寸使用，含加工误差；按检定精度分为1、2、3、4、5、6共六等，1等精度最高，按量块的检定书上的尺寸使用，含测量误差。 zxb量块是按成套生产的，根据GB6093-85规定，量块共有17种套别，其每套数目为91、83、46、38

19、、10、8、6、5等。 选用不同尺寸的量块组合所需尺寸时，为了减小量块的组合误差，应尽量减少量块的数目，注意：一般不能多于3块。选用量块时，应从消去所需尺寸最小尾数开始，逐一选取。 例如:62.069-1.009+1.06+60.000( 91)。注意：量块尺寸都是指工作面中心点之间的距离尺寸zxb三、量值传递 量值传递 系统zxb三、量值传递 1组织保证：国家质量监督检验检疫总局 省质量技术监督局地（市）质量技术监督局工厂企业。2技术保证：采用检定规程（它规定了检定用的仪器，方法，环境要求） zxb四、测量方法分类 测量方法：是指测量原理、测量器具和测量条件等的总称。但是，在实际工作中，往往

20、单纯从获得测量结果的方式来理解测量方法，它可按不同特征分类。 测量条件主要包括环境条件和人员的操作水平zxb1. 按所测之量是否为要测之量，测量方法可分为直接测量与间接测量直接测量, 从测量器具的读数装置上得到要测之量的整个数值或相对于标准量的偏差。直接测量又可分为绝对量法与相对（比较）量法 .间接测量, 测量有关量，并通过一定的数学关系式，求得要测之量的数值。zxb2. 按零件上同时被测参数的多少，测量方法可分为综合测量与单项测量 单项测量 一次测量零件的一个参数。效率较低，一般用于刀具与量具的测量、废品分析以及工序检验等。 综合测量 同时测量零件几个相关参数的综合效应或综合参数。一般效率较

21、高；对保证零件的互换性更为可靠，常用于完工零件的最终检验。zxb3. 按量仪与被测工件表面之间是否有机械作用的测量力，测量方法可分为接触测量与非接触测量. 接触测量 仪器的测量头与被测零件表面直接接触，并有机械作用的测量力存在。特点是稳定，但有弹性变形，容易磨损及对工件造成划伤。 非接触测量 仪器的测头与被测零件之间没有机械作用的测量力。无变形，无磨损和无划伤，灵敏度高，但受工件表面状况影响大。 zxb4. 按技术测量在机械制造过程中所起的作用，测量方法可分为被动测量与主动测量。 主动测量 （实时测量） 在零件加工过程中进行的测量，补偿修正 ，防止出废品。现在越来越多。 被动测量 零件加工后进

22、行的测量。此时，测量结果仅用于发现并剔出废品。zxb此外，按照被测的量或零件在测量过程中所处的形态，测量方法可分为静态测量与动态测量；按照在测量过程中，决定测量精度的因素或条件是否相对稳定：测量方法可分为等精度测量与不等精度测量例如：用游标卡尺测量一个轴的直径zxb直接测量（绝对量法），单项测量，接触测量，被动测量 测量器具：多指量规和通用量具及其辅具zxb五、测量器具的基本度量指标 1刻度间距 测量器具标尺上相邻两个刻线中点间的实际距离或弧长。（C=12.5mm）这样一般肉眼容易辨别，比如大家用的直尺C=1mmzxb2分度值 每个刻度间距所代表的量值，比如直尺：1mm3示值误差：测量器具的示

23、值与真值的差 例子zxb4校正值：用于修正测量结果的值。其绝对值与示值误差的大小相等，但符号相反。真值=测量示值+校正值5示值范围：测量器具的标尺满刻度所代表的被测量的值的大小。比如一个一米的卷尺的示值范围1m，比较仪示值范围100um 6测量范围：测量器具在允许的误差范围内所测被测量的最大测量值与最小之间的范围。 zxb7.灵敏度(放大比)K 当激励与响应为同一类量时， 灵敏度也可称为放大比或放大倍数。8.灵敏限(迟钝度):引起量仪示值可察觉变化的被测值的最小变化量.或者说,不引起量仪示值可察觉变化的被测值的最大变化量 8.稳定性 测量仪器保持其计量特性持续恒定的能力。 9.鉴别力阈 使测量

24、仪器产生未察觉的响应变化的最大激励变化，也可称为灵敏阈或灵敏限。 zxb 10.分辨力 显示装置能有效辨别的最小的示值差。 11.测量力 在接触测量中,计量器具的测头与被测工件表面之间的接触力。 12.量具的标称值 在量具上标注的量值。zxb 13.测量器具的示值 由计量器具所指示的量值。14计量器具的重复性 在相同条件下，重复使用相同的被测量，测量仪器提供非常相似示值的能力。15回程误差 使用计量器具对同一被测量进行往、返两个方向测量时，其示值的变动量。zxb16.测量不确定度 由于测量误差的存在而对测量结果不能肯定的程度。 17允许误差 技术规范、规程等对给定计量器具所允许的误差极限值。1

25、8引用误差 测量仪器的误差除以仪器的特定值。 zxb2-2 测量的基本原则1、基准统一原则，各种基准原则上应该一致。设计，装配，加工，测量(注塑机NOZZLE的；键槽)2、最小变形原则，被测工件与测量器具之间的相对变形最小。3、最短链原则，连接被测工件与测量器具的测头之间的组成环节最少4、阿贝（Enst Abbe）原则，工件的被测量与测量器具的测头标尺应该在一条直线上或在延长线上。（进而形成阿贝-布来恩J. B. Bryan建议 P51）（卡尺；荷兰的0.1um的CMM）zxb5、闭合原则，在圆周封闭测量中，累积误差为零，例如：齿距累积误差测量，多棱体内角测量6、重复原则，同一被测量应多次测量

26、，以消除测量误差的影响。7、随机原则，按置信概率根据测量值给出真值所在的估计置信区间。zxb2-3 测量误差与数据处理 引子：不论测量仪器精度有多高，在测量过程中，由于有各种误差因素的存在，使得测量结果与被测量的真值存在差异， 这个差异我们称之为测量误差zxb测量误差：测得值减去被测量的真值的代数差 ， 又称绝对误差。绝 对误差与被测量的真值的比值 ， 称为相对误差。 当被测量的基本尺寸相同时，可用绝对误差的大小来评定测量精度的高低。绝对误差大，测量精度低，反之则测量精度高。由于测量误差大体上与被测尺寸的大小成正比。当被测量的基本尺寸不同时，可用相对误差 的大小来评定其测量精度。 测量误差可按

27、原因和性质分类 zxb按原因分四种 1 测量方法引起的误差。测量方法不完善，例 ：基准不统一的阿贝误差，测头的形状和位置及测量力变形。2 测量器具引起的误差。测量器具设计采用了近似设计，例- ；制造不准确；使用中磨损。 3 客观因素引起的误差。例4 主观因素引起的误差。例 按性质也分三种系统误差，随机误差，粗大误差 zxb一、测量误差按性质分类 1系统误差：系统误差是测量系统本身所固有的因素引起的误差。误差源在测量之前就己存在，并在测量过程中始终以确定的规律影响着测量结果。系统误差分为定值系统误差和变值系统误差。在相同的条件下，多次测量同一量时误差的绝对值与符号保持不变，是定值系统误差；或者在

28、相同的条件下 ，按某一确定的规律变化，是变值系统误差。zxb2随机误差：在相同条件下，多次重复测量同一量时，误差大小，方向不定。原因：温度波动，振动，间隙和阻尼等 3粗大误差：超出规定条件下的允许限制的误差。原因：主观上的 疏忽读错，记错和客观上的条件突变。例如： zxb二、随机误差的处理 1，随机误差的特点P16 - vi残差=测量值-测量值的均值a) 单峰性，|vi|大的概率小，|vi|小概率大b) 对称性，|vi|相等的正、负随机误差出现的概率相等c)有限性，在一定测量条件下，随机误差的分布范围是有限的我们一般多设定随机误差属于正态分布或C、F、Gauss分布，图2-20。减小对结果的影

29、响zxb以正态分布曲线的标准偏差作为评定指标= 如图所示， 标准偏差对随机误差分 布特性的影响zxb2随机误差的处理 由概率论可知，多次测量的平均值残余误差 zxb随机误差的标准偏差平均值的标准偏差式中，n多次重复测得的次数。 zxb真值 的概率为99.73%。由于小概率的事件不会发生，所以认定因此，测量结果另外，P16还讲到 的概率为68.27%。 的概率为95.45%。 zxb三、系统误差的消除 对定值系统误差和变值系统误差分别讨论1定值系统误差的发现与消除a)用更高精度仪器的测量值对比，加以修正。 b)（从测量方法考虑）采用抵消法。 可能显著影响结果zxb例如：用双顶尖打表法，测轴的半径

30、，这时存在安装偏心，对称180测两个值a,b。则半径 ，安装偏心就抵消了。 三个等重的砝码 zxb2变值系统误差的发现与消除 残余误差代数和检验：（这是一种近似检验法）a)对测量值按测量顺序排序： x1,x2,x3xj,xj+1,xn; 分前、后两组，取j zxbb)求测量值的平均值 计算残余误差 （i=1-n） zxbC）（方法一）观察法 把残余误差（i=1-n）按测量顺序排序，当正负号不成规律且近似正负相间，则无变值系统误差，zxb线性变值系统误差 zxb 周期性变值系统误差 zxbd) （方法二）计算法 如果 和 二者相对残余误 差近似为零， 则无变值系统误差zxb由于线性和周期性变值系统误差是常见的，用以上两种方法容易发现。另外还有多种发现变值系统误差的方法，这里就不讲了，不过同学应该知道，系统误差的发现多为重大发现的前提。(惰性气体,1894年英国化学家拉姆赛和物理学家瑞利) 总之，变值系差的消除：首先发现原因，再消除它，再重新测量处理 zxb四、粗大误差的判别与剔除 1怎样避免粗大误差？(1)加强工作责任心，(2)保证工作环境良好（如恒温,冷色,隔振；园房角等，这是现在国内企业最不注意的） 歪曲结果zxb2粗大误差判别与剔除（一般假定服从正态分布） 1) 对|vi|直接用观察法，可剔除明显的粗大误差。 2) 3（sigma）准则 当测量次数n50时，若残余