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