精度设计课件

2.1精度设计中的主要原理与原则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。2.1精度设计中的主要原理与原则在精度设计时，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。采用阿贝原理，能避免产生一阶误差，只有二阶误差（常不计）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'=Stanφ=Sφ。

若s=30mm，φ=0.0003rad，则△=30×0.0003=0.009mm=9μm。二、运动学设计原理一个空间物体具有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。滚动导轨副理想的滚动导轨副，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。三、平均效应原理

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。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。设计计基基面面：：零零件件图图上上标标注注尺尺寸寸的的基基准准面面工艺艺基基面面：：加加工工时时的的定定位位基基面面，，以以此此加加工工其其他他面面测量量基基面面：：以以它它为为测测量量基基准准，，测测量量与与此此有有关关的的尺尺寸寸装配配基基面面：：以以它它为为基基准准，，确确定定零零件件间间的的相相互互位位置置六、、误误差差缩缩小小和和放放大大原原理理（（速速比比原原理理））七、、误误差差配配置置原原理理一台台设设备备和和部部件件，，如如果果各各部部分分的的误误差差配配置置得得当当，，就就可可提提高高装装配配成成品品的的总总精精度度。。如如机机床床主主轴轴系系统统的的两两端端轴轴承承精精度度，，如如果果合合理理配配置置，，就就可可以以减减少少主主轴轴工工作作端端的的径径向向跳跳动动。。2.2精度度设设计计中中的的基基本本概概念念精度度是是误误差差的的反反义义词词，，误误差差理理论论是是精精度度设设计计和和精精密密测测量量的的理理论论基基础础。。一、、误误差差定义义：：测测量量值值与与真真值值之之差差异异称称为为误误差差。。表示示方方法法：：1、绝绝对对误误差差：：设设某某物物理理量量的的测测量量值值为为x,它的的真真值值为为a,则x－a=ε；由此式所表表示的误差ε和测量值x具有相同的单单位，它反映映测量值偏离离真值的大小小，所以称为为绝对误差。2、相对误差：：它是绝对误误差与测量值值或多次测量量的平均值的的比值，即或或，并且通常常将其结果表表演示成非分分数的形式，，所以也叫百百分误差。误差分类：1、按性质分：：随机误差、、系统误差、、粗大误差2、按被测参数数的时间特性性分：静态参参数误差和动动态参数误差差3、按误差之间间的关系分：：独立误差、、相关误差4、按误差来源源分类：原理理误差、制造造误差、运行行误差（使用用误差）二、精精度（一））精度度的含含义根据误误差的的不同同性质质，可可将精精度分分为：：1、准确确度：：它用用系统统误差差大小小来表表示。。准确确度反反映了了系统统的测测量值值偏离离真值值的程程度。。2、精密密度：：它是是用随随机误误差大大小表表示。。精密密度反反映了了测量量值与与真值值的离离散程程度。。3、精确确度：：它是是系统统误差差和随随即误误差大大小的的综合合反映映。（二）其其它精精度名名称的的含义义1、机床床加工工精度度：是是一项项综合合性的的精度度指标标，即即指机机床在在加工工工件件时所所达到到的精精确度度。2、机床床精度度：是是机床床在未未受外外载的的作用用下的的原始始精度度，以以允差差表示示。机机床精精度包包括几几何精精度、、传动动精度度、定定位精精度等等各项项指标标。3、几何何精度度：是是指机机床、、仪器器在不不运动动时的的精度度。它它规定定了决决定于于加工工或测测量精精度的的各主主要零零部件件以及及这些些零部部件的的运动动轨迹迹的相相对位位置误误差。。4、定位位精度度：是是指机机床或或仪器器主要要部件件在运运动终终点所所能达达到的的实际际位置置精度度。这这是一一个具具有综综合性性质的的精度度指标标。三、灵灵敏度度和分分辨率率1、灵敏敏度：：系统统的灵灵敏度度是指指当输输入的的变化化值趋趋向于于0时，输输出变变化值值与与输输入变变化值值比值值的的极限限，即即灵敏敏度的的定义义为：：灵敏度度的具具体数数值与与系统统的静静态特特性函函数有关。。此外外，也也有系系统参参数变变化的的灵敏敏度概概念。。2、分辨辨率：：它是是指精精密机机械设设备能能感受受、识识别或或检测测到输输入量量的最最小值值。或或者能能产生生、响响应得得到输输出量量的最最小值值。分分辨率率与精精度是是有联联系的的，提提高设设备的的分辨辨率就就能提提高其其工作作精度度。在数控机床床中,分辨率是用用定位机构构的最小位位置检测量量来表示的的。它与实实际的定位位精度无直直接联系，，因此数控控机床的定定位精度用用分辨率来来表示没有有太大的意意义。如XHK756-2型卧式加工工中心，其其定位精度度为重复定位精精度为数控装置的的脉冲当量量为0.001mm/脉冲，即最最小位置检检测量为0.001mm2.3随机误差和和系统误差差一、随机误误差随机误差常常用均方根根误差、算算术平均误误差和或然然误差作为为评定尺度度。大多数数国家用均均方根误差差表示。（一)均方根误差差设重复测量量某值，可可得随机误误差系列，，其其中中，则定义该数数列的均方方根误差为为：其方差D为：（二）极限限误差误差的极限限范围称为为极限误差差。极限误误差用相对对误差表示示时成为相相对极限误误差；用绝绝对误差表表示时为绝绝对极限误误差，也称称为最大误误差。（三）标标准偏差差的计算算在均方根根误差计计算中，，由于随随机误差差的真值值无法求求得，常常用残余余误差来来代替，，计算所所得的结结果称为为标准偏偏差，仍仍用表表示。标准偏差差的计算算方法有有贝塞尔尔公式、、彼特斯斯公式和和极差法法。二、系系统误误差精密设设备系系统误误差的的数学学特性性表现现为一一定值值或按按某种种函数数规律律变化化，它它有可可能消消除。。系统统误差差是由由原理理误差差和制制造误误差两两部分分组成成的。。系统误误差按按其变变化规规律，，可分分为定定值系系统误误差和和变值值系统统误差差。2.4误差的的合成成新产品品设计计时，，需对对该产产品的的总精精度进进行分分析和和估计计，即即需对对各个个主要要部件件的误误差进进行分分配和和综合合。误差的的种类类不同同，其其综合合方法法也各各异。。对于于随机机误差差，采采用方方差运运算规规律合合成，，对于于已定定系统统误差差的综综合，，采用用代数数和方方法；；对未未定系系统，，采用用绝对对和与与方和和根方方法。。一、随随机误误差的的合成成设有n个随机机原始始标准准偏差差，，根根据方方差运运算规规则，，则其其合成成的总总随机机误差差的标标准偏偏差为为-------第ij两个相相关随随机误误差间间的相相关系系数--------表示两两个相相关随随机误误差的的标准准偏差差合成后后总误误差的的极限限误差差为t---------总误差差分布布的对对应置置信系系数二、系系统误误差的的合成成（一））已定定系统统误差差的合合成由于已已定系系统误误差其其数值值大小小和方方向是是明确确的，，其合合成方方法用用代数法法（二）未未定系系统误误差的的合成成两种方方法：：1、绝对对和法法若各单单项未未定系系统误误差的的不确确定度度为，，则总总误差差的不不确定定度按按绝绝对值值相加加。2、方和和根法法设定m个未定定的系系统误误差，，则则总总误差差的不不确定定度为为2.5精密机机械设设备的的精度度设计计和误误差分分配精密机机械设设备精精度设设计的的基本本任务务就是是精度分分配和误差补补偿精度分分配是根据据产品品允许许的总总误差差，将将其经经济、、合理理地分分配到到零部部件上上，并并制定定各零零部件件的公公差和和技术术要求求。误差补补偿的目的的就是是减小小或消消除部部分误误差，，从而而达到到总精精度的的要求求。一、、产产品品精精度度分分配配依依据据和和步步骤骤（一一））精精度度分分配配依依据据1）产产品品的的精精度度指指标标和和总总技技术术指指标标，，它它们们是是由由使使用用性性能能要要求求和和有有关关精精度度标标准准确确定定。。2）产产品品的的工工作作原原理理、、机机械械结结构构装装配配图图及及有有关关零零部部件件图图。。它它们们提提供供了了误误差差源源的的总总数数、、各各误误差差源源对对产产品品误误差差的的影影响响，，以以及及误误差差之之间间相相互互不不长长的的可可能能性性。。3）产产品品制制造造厂厂的的技技术术水水平平，，产产品品的的使使用用环环境境等等4）产产品品的的经经济济性性要要求求5）国国家家、、部部门门、、企企业业的的有有关关公公差差技技术术标标准准（二）精精度分配配步骤1）明确总总精度指指标2）构成产产品工作作原理和和总体方方案，主主要考虑虑理论误误差和方方案误差差3）设计总总体布布局、机机电光等等系统时时，分别别考虑其其原理误误差4）完成各各零部件件的结构构设计，，找出全全部误差差源，写写出各自自的误差差表达式式，进行行总精度度计算。。然后确确定各零零部件公公差与技技术要求求，确定定误差补补偿方法法5）将给定定的公差差技术条条件标注注到零件件工作图图上，编编写技术术设计书书二、误差差分配方方法产品总误误差=总系统误误差+总随机误误差由于误差差性质不不同，其其分配方方法各异异（一）总总系统误误差一般来说说，系统统误差的的影响较较大而数数目较少少。产品品设计时时，一般般要求总总系统误误差产品允许许误差。。（二）随随机误差差随机误差差的特点点是数量量多，一一般按均均方根法法来综合合。总随随机误差差总随机误误差的分分配方法法是：等作用原原则和不等作用用原则1、等作用用原则若各零部部件误差差相等地地作用于于总随机机误差，，则每个个单项误误差为：---------包括未定定误差和和随机误误差，且且产产品允允许的总总误差（三）公公差调整整调整公差差时，首首先要确确定调整整对象。。一般先先调整系系统误差差、误差差传递系系数较大大和容易易调整的的误差项项目。对对随即误误差调整整，一般般大多数数采用经济公差差极限内，少数数在生产公差差极限内，个别别在技术公差差极限内。对个个别的超超出技术术公差极极限的，，应采用用不补偿偿方法解解决。经济公差差极限---在通用设设备上，，采用最最经济的的加工方方法所能能达到的的精度生产公差差极限---在通用设设备上，，采用特特殊工艺艺装备，，不考虑虑效率因因素进行行加工所所达到的的精度。。技术公差差极限---在特殊设设备（如如高精度度机床））、良好好的实验验室条件件下，进进行加工工和检验验时，所所能达到到的精度度。（四)误差补偿偿误差补偿偿是调整整公差的的一种有有效手段段。补偿偿方法很很多，如如工艺补补偿方法法和设计计补偿法法。工艺补偿偿法如轴轴系回转转精度的的误差抵抵消、大大件导轨轨精度的的综合修修研、坐坐标定位位精度的的综合修修正等方方法。精度设计计时，采采取措施施减小或或消除除误差的的影响是是一种有有效的补补偿方法法。--设计补偿偿。1、误差值值补偿直直接减减少误差差源分级补偿偿---将补偿件件的尺寸寸分成几几级连续补偿偿—如导轨镶镶条，可可用来连连续调调整间隙隙、自动补偿偿---微机自动动补偿装装置，可可自动减减少或消消除系统统误差2、误差传传递系统统补偿通通过函数数误差来来改变或或选择传传递系统统值、减减少或消消除误差差的方法法3、综合合补偿偿利利用用机械械、电电气和和光学学等技技术手手段，，使其其产生生的误误差差互相相抵消消。2.6数控机床的的精度分析析和精度指指标一、数控机机床的误差差源和精度度分析数控机床的的误差源可可分为三类类：（一）加工工前的误差差源1、编编程程误误差差它它由由程程序序控控制制原原理理决决定定的的误误差差，，出出现现在在编编程程阶阶段段。。编编程程阶阶段段是是由由圆圆整整误误差差、、近近似似计计算算误误差差和和过过去去值值计计算算误误差差构构成成，，这这是是数数控控机机床床所所固固有有的的2、机机床床调调整整误误差差：：它它是是数数控控机机床床调调““零零点点””及及““机机外外””调调刀刀时时产产生生的的。。由由于于数数控控机机床床是是按按封封闭闭的的自自动动循循环环工工作作的的，，因因此此在在机机床床按按程程序序工工作作的的整整个个时时间间内内的的加加工工精精度度取取决决于于调调整整精精度度。。3、自自动动换换刀刀误误差差：：取取决决于于许许多多因因素素，，如如换换刀刀原原理理、、换换刀刀装装置置的的结结构构特特点点等等。。（二））机机床床本本身身的的误误差差1、机机床床几几何何形形状状误误差差（（几几何何精精度度））数控控机机床床的的几几何何精精度度是是综综合合反反映映该该机机床床关关键键机机械械零零部部件件和和组组装装后后的的几几何何误误差差。。如如加加工工中中心心：：工工作作台台面面的的平平面面度度等等2、弹弹性性变变形形引引起起的的误误差差这是是机机床床刚刚度度不不够够造造成成的的（三三））运运行行时时的的误误差差1、定定位位误误差差主主要要有有机机电电伺伺服服系系统统误误差差和和控控制制系系统统误误差差等等2、各各种种运运行行速速度度下下的的误误差差（四四））结结论论1）表表面面粗粗糙糙度度、、形形状状和和表