兰州交通大学：《机械精度设计（几何精度控制技术）》课程教学资源（授课教案，打印版）第一章绪论（负责人：苟向锋）

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第一章绪论第一节课程的性质、任务和要求一、课程的性质几何精度控制技术是机械类各专业的一门技术基础课，本课程以几何参数的互换为主介绍可相度政计的果及其它技术基础课和专业课的桥梁作用二、课程的任务本课程的任务是通过对国家标准的学习和应用，将几何精度控制概念贯穿到机械产品的设计、生产、检测、装配的整个过程，以解决机械产品使用与制造工艺之间的矛盾，达到实现机械产品互换性的目的：并能根据零件类型和精度选用适当的计量器具进行测量，初步建立测量误差的概念，为正确地理解和绘制设计图样、正确地表达设计思想和根据精度要求选择适当的加工方法打下基础。三、课程的教学要求 (1)了解机械零件几何精度，互换性与标准化的基本概理解图样上所标注的各种十精度表面质量的学握几何精度控制的概念及测量技术的基本知识：熟悉常用量具和量仪的结构、 (3)熟悉常用典型零件（如渐开线圆柱齿轮、键、花键和螺纹等）结合的精度设计和检测方法。第二节机械精度设计概述一般地，在机械产品的设计过程中，需要进行以下三方面的分析计算：运动分析与计算。根据机器或机构应实现的运动，由运动学原理，确定机器或机构合理的传动系统，选择合适的机构或元件，以保证实现预定的动作，满足机器或机构的运动方面的要求。属《机械原理》课程的内容。强度分析与计算。根据强度、刚度等方面的要求，决定各个零件合理的基本尺寸，进行合理的结构设计，使其在工作时能承受规定的负荷，达到强度和刚度方面的要求，不致遭到严重变形和破坏，保证工作的稳定和一定的使用寿命。属《机械设计》课程的内容。几何精度分析与计算。零件基本尺寸确定后，还需要进行精度计算，以决定产品各个部件的装配精度以及零件的几何参数和公差。需装指出的是，以上三个方面在设计过程中是缺一不可的。本书主姕讨论的是几何精度的分析与计算。机械零部件的精度一定程度上决定了整台机械设备的精度和质量。在机械精度设计中，几何量包括长度、角度、几何形状、相互位置几何参数和表面粗糙度，几何精度是指这些几何参数的精度。机械零件的典型形态来看，主要有圆柱形、圆锥形、单键、花键、螺纹、齿轮等等，从基本几何要素来看，都是由一些点，线，面等几何要素构成。在实际零件上，由于制造过程的多种因素造成这些要素所形成的尺寸、位置、形状和表面质量都存在定的误差。几何精度是指这些几何尝素的参数值的精度。其设计任务的主要内容是要使机械产品在满足功能要求的前提下，使之满足几何参数的互换性要求

但是，根据上述设计精度制造出的零件，装配成机器成机构后，还不一定能达倒给定的精度要求。因为机器在运动过程中，其所处的环境条件（如电压、气温、湿度、振动等等）及所受的负荷都可能发生变化，造成相关零件的尺寸发生变化：或者相对运动的零件耦合后其几何精度在运动过程中也能发生改变。为此，除分析计算机器静态的精度问题之外，还必须分析在运动情况下，零件及机器的精度问题。而月由于现代机械产品正朝着机光电一体化的方向发展，这样的产品，其精度问题已不再是单纯的尺寸误差、形状和位置误差等几何量精度问题还包括光学、山学量等及其误差在内的多量纲精度问题，其分析与计算比传统的几何量精度分析更为复杂和困难第三节几何精度设计的主要方法几何精度设计的方法主要有类比法、计算法和试验法三种、类比法类比法就是与经过实际使用证明合理的类似产品的相应要素进行比较，确定所设计零件几何要素精度的设计方法。采用类比法进行精度设计时，必须正确选择类比产品，分析它与所设计产品在使用条件和功能要求等方面的异同，并考虑到实际生产条件、制造技术的发展、市场供求信息等多种因素采用类比法进行精度设计的基础是资料的收集、分析与整理。类比法是大多数零件装素精度设计采用的方法。类比法亦称经验法计算法计算法就是根据由某种理论建立起来的功能要求与几何要素公差之间的定量关系，计算确定零件要素精度的设计方法。例如，根据液体润滑理论计算确定滑动轴承的最小间隙：根据弹性变形理论计算确定圆柱结合的过盈；根据机构精度理论和概率设计方法计算确定传动系统中各传动件的精度；等目前，用计算法确定零件几何要素的精度，只适用于某些特定的场合。而月，用计算法得到的公差，往往还需要根据多种因素进行调整。三、试验法试验法先根据一定条件，初步确定零件要素的精度，并按此进行试制，再将试制产品有规定的使用条件下运转，同时，对其各项技术性能指标进行监测，并与预定的功能要求相比较，根据比较结果冉对原设计进行确认或修改。过反复试验和修改，就可以最终确定满足功能要求的合理设计试验法的设计周期较长月费用较高，因此主要用于新产品设计中个别重要要素的精度设计。迄今为止，几何精度设计仍处于以经验设计为主的阶段。大多数要素的儿何精度都是采用类比的方法凭实际工作经验确定的。计算机科学的兴起与发展为机械设计提供了先讲的手段知工具，但是，在计算机铺助设计(CAD)的领域中，计算机辅助公差设计(CAT)的研究还刚刚开始。其中，不仪需要建立和完善精度设计的理论与精确设计的方法，而月要建立具有实用价值和先进水平的数据库以及相应的软件系统。只有这样才可能仲计算机捕助公差设计讲入实用化的阶段

第四节几何量的检测完工后的零件是否满足公差要求，要通过检测加以判断。检测包含检验与测量。几何量的检验是指确定多件的几何参数是否在却定的限范围内，并作出合格性判析而不必得出被测量的具体数值；测量是将被测量与作为计量单位的标准量进行比较，以确定被测量的具体数值的过程。检测不仪用来评定产：品质最，而目用于分析产生不合格品的原因.及时州整牛产监督工艺过程，预防废品产生。检测是机械制造的“眼睛”。尤数事实证明，产品质量的提高，除设计和加工精度的提高外，往往更有赖于检测精度的提高。综上所述，合理确定公差与正确讲行拾则.是保证产品质量、实现互换性生产的两个以不可少的条件和于段第五节机械精度设计原则由于各种机械或仪器产品的不同，如机床、汽车、拖拉机、机车车辆、流体机械、动力机械、精密仪器和仪器仪表等，其机械精度设计的要求和方法不同，但从机械精度设计总的角度来看，应遵循以下一些原则：经济性原则经济性原则是一切设计工作都要遵守的一条基本而重要的原则，机械精度设计也不例外祭济性可以从以下儿个方面来考虑 (①)工艺性。包括加工工艺及装配工艺，若工艺性较好，则易于组织生产，节省工时，节省能源，降低管理费用。 (2)合理的精度要求。不必要地提高零部件的加工及装配精度，往往使加工费用成倍增加。 (3)合理选材。材料费用不应占机器或仪器整个费用的人大分量。元器件成本太高，往往使所生产的机器尤法推广应用或滞销。 (4)合理的调整环节。通过设计合理的调整环节，往往可以降低对零部件的精度要求，达到降低机器成本的目的。 (5)提高寿命。寿命延长一倍，相当于一台设备当两台用，价格便降低了一半。、匹配性原则在对整机进行精度分析的基础上，根据机器或位置中各部分各环节对机械精度影响程度的不同，根据现实可能，分别对各部分各环节提出不同的精度要求和恰当的精度分配，做到恰到好处，这就是精度匹配性原则。例如，一般机械中，运动链中各环节要求精度高，应当设法使这些环节保持足够的精度；对于其他链中的各环节则应根据不同的要求分配不同的精度。再如对于一台机器的机、电、光等各个部分的精度分配要恰当，要互相照项和适应，特别要注意各部分之间相互牵连、相互要求上的衔接问题。三、最优化原则机械精度是由许多零、部件精度构成的集合体，可以主动重复再现其组成零、部件精度间的优化协调。所谓最优化原则，即探求并确定各组成零、部件精度处于最佳协调时的集合体。例如探求并确定先进工艺、优质材料等，这是一种创造性、探索性的劳动，由于各组成零、部件间精度的最佳协调是有条件的，故可通过实现此条件，来主动重复获得精度间的最住协调。例如，主动推广先进工艺，发展优质产品等

按最优化原则，充分利用创造性劳动成果免除重复探索性劳动的损失，反复应用成功的经验，可获得巨大的经济效果。由于计算机的广泛使用，特别是微型机的普及和推广，对机械精度设计正在产生极为深远的影响。计算机能够处理大量的数据，提高计算的精度和运算速度，准确地分析结果，合理地进行机械的最优化精度设计四、互换性原则可换性是指某一产品（利赶零件、部件，构件）与另一产品在尺计、功能上能铭估此百相替换的性能。由此可见，要使产品能够满足互换性的要求，不仪要使产品的几何参数（包括寸、宏观几何形状、微观几何形状)充分近似，而月要使产品的机械性能、理化性能以及其他功能参数充分近似，第六节对互换性原则做进一步的阐述。第六节互换性概述一、互换性的含义由零件图样表达的设计要求，需要通过实际生产来实现，而不同的生产力水平，要求有与之相适应的生产方式。在当前全球化大生产的条件下，按照专业协作的原则进行生产，是提高产品质量，降低生产成本，从而提高经济效益的必由之路。在生产水平低下的情况下，社会的主要经济形态是自然经济。一家一户，或一个于工业工场，就可以完成某些产品的全部生产过程。但是，随者生产力的发展，和对产品质量要求与复杂程度的提高，科学技术的进步，大量生产的出现，特别是商品巾场的发展，就不可能也不应该只由一个工厂来完成某一产品的金部生产过程，必须组织专业化的协作生产。在不同工厂、不同车间、由不同工人生产的相同规格的零件或部件，可以不经选择、修配或调整，就能装配成满足预定使用功能要求的机器或仪器，则机械产品所具有的这种性能就称为互换性。能够保证产品具有互换性的生产，就称为遵循互换性原则的生产由此可见，互换性表现为对产品零、部件在装配过程中三个不同阶段的要求：装配前，不需选择：装配时，不需修配和调整：装配后，可以满足预定的使用功能的要求】显然，为了使零、部件具有互换性，首先应对其几何要素提出适当的一的要求，闲为只有保证了对零部件的儿何要素的配性和装配后满足与儿何要素这就是零件或部件的几府的石性精度的互换性是不够的，还需要从零件的物性能互换二、互换性的分类在生产中，互换性按期互换的程度分为完全互换（绝对互换）和不完全互换（有限互换）。 (1)完全互换：指一批零件在装配或更换时，不需选择，不需遍整与修理，装配后即可达到使用要求的方法。如螺栓、螺母等标准间的装配大都属于此类情况。 (2)不完企互换：指同种零部件加工好以后，在装配前需约过挑选、调整或修配辅助工序处理，在功能上才能具有彼此相互替换的性能。根据零件满足互换要求所采取的措施不同，不完全互换又可分为分组互换、调整互换和修配互换，分组互换：同种零部件加工好后，装配前要先进行检测分组，然后按组装配，仪仪同组的零部件可以互换，组与组之间的零部件不能互换。调整互换：同种零部件加工好后，装配时用调整的方法改变它在部件或机构中的尺寸或位置，方能满足功能要求

修配互换：是指同类零部件加工好后，在装配时要用去除材料的方法改变它的某一实际尺寸的大小，方能满足功能上的要求。对于不同的产品和某种产品的不同生产阶段，是否应具有互换性或应该在何种范围内和何种程度上具有互换性，还需进行具体的分析。例如滚动轴承，作为由专业化工厂生产的高精度标准部件，它与其他委件具有装配关系的各尺寸应该具有完全的互换性。但其内、外圈和滚子等零件相互装配的尺寸，由于精度要求极高，如果也要求具有完全的互换性，就会给制选世来极大的困难，所以往往只有不完全的互换性，即采取选择装配的方法，才能取得较好的经济效果，又不影响整个轴承的使用。又如，对于单件或小批量生产的大尺寸零件，常常采用配制的方法而不按互换的原则来生产，以实现更高的经济效益互换性是对重复生产零件的求。只按照统一的设计进行重复生产，就可以获得具有互换性的零件。零件的精度设计必须合理，即经济地满足功能要求。对于重复生产、分散制造、集中装配的零件，在结府沿时以须万拖三、互换性的意义从广义上来讲，互换性已经成为国民经济各个部门生产建设中必须遵循的一项基本原则。现代机械制造中，尤论大批量生产或者是单件生产，都应遵循这一原则。任何机械的生产，其设计过程都是：整机一部件一零件，其制造过程则是：零件一部件整机。尤论是设计过程还是制造过程，都需要把互换性原则贯彻始终。从设计看，按互换性原则进行设计可以简化绘图、计算工作，缩短设计周期，并有利于采用计算机进行辅助设计。这对发展系列产品、促进产品结构性能的不断改进，使产品不断更新换代，满足日异变换的巾场需求，具有重大意义。从制造看，互换性是提高生产水平和进行文明生产的必要于段。互换性能促使高效率高效益的生产，便于组织社会化大生产协作，进行专门化生产，这一点在当前市场经济走向全球化方面尤为重要。由于制造者在制造中必须充分考虑互换性要求，因此就必须尽可能选用标准化的刀、夹、量具，工艺尽可能保持稳定，不仪被加工的零件能业格的控制在规定的允许误差之内，而月尽可能使其误差分布合理等。采用计算机辅助加工系统，使产量和质量提高，成本下隆从使用看，在零部件失效后，可快速维修或更换，从而缩短维修时间，延长机械的使用寿命，保证机械的工作连续性和持久性，给用户世来极大的方便，同时也提高了产品的信誉尤甘在某此特定的况下，石换性所起的作用以用价伯来衡品。加 ,发电厂及时排除保证继续供中：战场上迅速排除武装备故愤，保证战斗续进行合，完企互换就显得尤重具有互换性的产品可使用过程中迅速更换易损零、部件，从而保持共连续可靠地运转，来枚大的方但 1,可以迅速更换磨损了的刀保证加工材料夹设备的更换等，都是以具有互换的特性为前提的。所以，互换性也大大提高了制造过程的由此可见在机械制造和设计中，遵循互换性原则不仪能显苦提高劳动生产有效地保证成本。互换性原则是机械设计和制造过程中的重要原则，它对于产品顺应巾场经济的发展至关重要。第七节标准化及优先数系一、标准化的含义些实现互换性，就要严格按照统一的标准进行设计、制造、装配、检验等，而标准化是

实现这一要求的一项重要技术于段。因此，在现代工业中，标准化是广泛实现互换性生产的前提和基础。标准化是组织现代化生产的重要于段之一，是实现专业化协作生产的必要前提，也是科学化质量管理的重要组成部分，另外，标准化还是发展贸易、提高产品在国际巾场上竞争能力的技术保证。现代经济技术的发展表明，标准化客观地标志出一个国家现代化的水平，当现代化程度愈高时，对标准化的要求就愈高支术标准是标准化的具体体现形式所谓技术标准（简称标准），是指在济、技术、科学和管理面包性的事物和概孕东一定萄围内通过科学简化优洗地遇定的程序审批后所颁发的统定范围内具有约束力标准化则是指制定（修订)、贯彻各项标准，以获得国民经济最住次序和最住社会效益的企过二、标准化的分类根据标准法规定，我国的标准分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准四级。国家标准是指由国家标准化主管部门审批领发、对全国竿济技术发展有重大意义，必须在全国范围内统一执行的标准，用“GB”表示。行业标准是指由行业（或部委）标准化部门批准发布，在行业范围内统一执行的标准，如机械标准用“B”表示。地方标准通常是在没有国家标准或国家标准不能满足需要的情况下，依据某地区的特殊情况发布的仪在该地凶范国内统一执行的标准。企业标准是指为提高产品质量，强化竞争能力，企业往往制定出高于专业标准和国家标准的内控标准，这种企业内部所制定颁发的标准，用“QB”表示。按照制定的范围不同，标准分为国际标准、国家标准、地方标准、行业标准和企业标准五个级别。在国际范围内制定的标准称为国际标准，用“1S0”、“EC”等表示。我国机械行业新的国家标准在制定时，基本上都参照了目前的国际标准】三、优先数与优先数系各种技术参数值的简化和统是标准化的基到因为任一产品的数都种不同用 ]形式和胶卷的尺的建向有关产品传播机、录像机有关。优先数和优先数系就是对国家标准GB/T321规定的优先数系是由公比为0、10、10、10或10，月项值中含有10的整数是的理论等比数列导出的一组近似等比数列。名数分别用符号R5 R10、R20和R40表示，称为R5系列、R10系列、R20系列、R40系列和R80系列。优先数系中的任一项值均为优先数。五个系列中，80为补充系列，其余四种为基本系列，其常用数值列于附表1-1。基本系列的公比为： R5的公比g,=V10≈1.5894=1.6 R10的公比m=10≈1.2589=1.25 R20的公比9m=910=1.1220=1.12 R40的公比0=910≈1.0593=1.06 采用等比数列作为优先数系可使相邻两个优先数的相对差相同，月运算简便，简单易记选用基本系列时，应遵守先疏后密的规则，即应按照R5、R10、R20、R40的顺序优先采用公比较大的基本系列，以免规格过多】优先数系列在各项公差标准中得到了广泛的应用，公差标准的许多数值都是按照优先数系列选定的。例如：在尺寸精度的国家标准中，标准公差数值就是按R5优先数系列确定的，而尺寸分段式按10优先数系列确定的。优先数有很多优点，疏密适当，有广泛的适应性而月简单易记，使用方便，符标准化的统简化和协调的原则，现已被国际标准化组织采纳为统二的标准值制 6

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