机器精度设计

第四篇机器精度设计一、概述精度是精确度的简称，是评价精密仪器和精密机械设备的性能和质量的最主要的指标之一。

精密机械和仪器设计是以精度为核心来考虑的，比如：机械系统的精度不高，则任何先进的技术系统就难以发挥其应有的作用。

(如:火控系统)精度设计的质量不仅直接影响机器的精度，还将影响工艺和检测方法，经济成本等。

因此精度设计是精密设备机械系统与结构设计的中心环节，是保证精密机械设备精度最重要的技术措施。

而机械精度设计是一门综合性应用技术基础科学,它与机械要理。

质量管理与控制,材料学，机械制造工艺,检测学等许多学科有密切联系，又以信息技术，光电技术为支撑的，是一项综合性技术性要求很高的综合技术问题。

目前，设备仪器精度不断提高是科学研究和现代生产技术应用追求的永恒目标。

随着科学技术发展的不同历史时期对精度要求的水平有所不同，近20年来科学技术迅速发展，对机器设备和仪器精度要求出现了数量级的变化。

从精密测量三个阶段发展到极高的纳米精度测量。

中等精度：直线位置误差1~10μm,主轴回转误差1~10μm圆分度度误差1”~10”高精度：直线位置误差,0.1~1μm主轴回转误差0.1~1μm,圆分度误差0.2”~1”以内.超高精度：直线位置误差,0.1μm以内,主轴回转误差0.01~0.1μm圆度误差0.2”以内。

（有的还高至0.5~0.005μm)最近又提出有纳米精度测量(5~0.05nm)精密机械设备的精度无论多高总是存在误差，因此:精度的高低用误差的数值来表示，在设备机械系统与结构设计制造中，必须使误差限制在技术条件规定的精度范围内。

进行精度分析的目的是要找出产生误差的根源和规律，分析误差对设备精度的影响以及合理地选择方案，结构设计确定技术参数和设置必须的补偿环节，在保证经济性的基础上达到高的精度。

二、精度误差1.误差：由于科学技术水平的限制和认识的局限，对测量对象进行测量时所测得的数值与真实值不会完全相等，这种差异即称为误差。

误差的大小反映了测量值对标称值的偏离程度.它具有以下特点：a.任何测量手段无论精度多高总是有误差存在，即真误差是客观存在的永远不会等于零。

b.多次重复测量某物理时各次的测量值不相等这是误差不确定性的反映。

c.真误差是未知的因为通常真值是未知的。

2.误差分类；大致分为：a.系统误差：在同一条件下，多次重复测试同一量时,误差的数值和正负号有较明显规律(如线性规律,周期规律等)该误差是在测量之前就存在。

有规律可以补偿。

b.随机误差：在相同条件下多次重复测试同一量时，测出的数值没有明显的规律它是由很多难以控制微小因素造成的，如要材料特性正常波动,试验条件的微小变化等、测试数值变化发生出于偶然很难消除。

c.过失误差：过失误差明显地歪曲试验结果，如错测、读错、记错或算错，过失误差数据是不能被采用的，在进行误差分析只时考虑系统误差和随机误差。

3.误差来源与分析根据影响因素：通常又将误差归结为：原理误差、制造误差和使用误差三大类，弄清误差来源找出规律采取补救措施，目的是为了提高产品精度。

a原理误差；分为方案误差、机构原理误差、零件结构误差、光路原理误差和电气部分原理误差。

b制造误差；制造包括零件制造误差及零部件和产品装配整体误差，零件的制造误差是精密机械产品误差的主要来源，可通过合理制订零件公差来控制。

另外，零件设计中应尽量遵守“基面统一原则”以减少制造误差，在确定误差时一定要有经济观点，在保证精度条件下力求将制造误差控制在适当范围内。

c使用误差；产品在使用过程中由零部件的受力变形,工作环境变化(温度变化、振动变化等)引起构件尺寸和形状变化，磨损、发热、磨擦力变化以及运动副间隙的变化而造成的误差。

（i）受力引起的误差：传动中的作用力和反作用力，保证可靠性接触的封闭力，零部件自身重力，摩擦力和各种内应力。

只有材料内应力消除的很好弹性模量(G)才会达到正常值，由材料力学刚度公式知，拉压变形与截面形状无关，弯曲和扭转却在很大程度上取决于截面形状。

因此在设计精密机构时应尽量避免零件受到弯曲和扭转作用。

在受弯扭作用时为了增大刚度在保持截面不变的情况下，应增大截面惯性矩和极惯性矩(机座接触刚度也是引起变形,故应提高粗糙度进行配研) （ii）热变形影响：如精密设备中的电动机、液压系统、切削点、激光器、灯光源等，通过热传导、热对流及热辐射会使设备变形不一致，而引起加工和测量误差。

d振动引起的误差：振动会使精密设备和仪器上加工的零件表面粗糙度变大，会使计量仪器产生测量错误，产生振动除外部因素外，内部振源主要有电动机转动的不平衡,往反运动机构的冲击等。

三、机器精度设计的原则精度设计要根据使用要求确定设备或仪器的总误差，再将总误差分配到各个误差源中去，形成对各组成部件，零件的技术要求，这个过程称为精度设计。

1、功能保证原则：它是机器精度设计的出发点和归宿。

2、互换性原则：机械零件几何参数互换性，是指同种零件在几何参数方面能够相互替换的性能，机械零件的形体千差万别，从一些典型零件来看就有圆柱形、圆锥形、单键、花键、螺纹、齿轮等。

虽然形体各异但它们都是一些点、线、面等几何组成。

如实际零件在制造中由于“机床、刀具、夹具、工件”工艺系统有误差存在，致使其尺寸几何要素之间的相互位置，线与面的宏观几何形状，表面的微观几何形状出现误差，这些误差被称尺寸误差、位置误差、形位误差和表面粗糙度。

为了实现零件互换按一定要求，把这些几何要素误差限制在相应的尺寸公差、位置公差、形状公差和表面粗糙度要求的范围内。

3、经济性原则：①达到精度要求的加工工艺性较好，易于组织生产节省工时，降低管理费用，人们对于结构工艺性通常都比较重视，对精度设计工艺性则往往注意不够。

②合理的精度要求，避免多余功能。

③合理确定互换性程度，以降低对零件的加工精度要求，达到降低机器成本目的。

④注意精度储备，以保证机器的使用寿命。

4.匹配性原则：对机器(机构、结构部件、零件)进行精度分析时，各部件对机器的约定功能影响程度不同，应分别提出不同的精度要求，即做出恰当的精度分配，即达到各部件、各环节精度的工艺难易程度大体相当，即做到工艺等价(即应遵守精度分配相似原则、等公差原则、等影响原则、等精度原则)以上四项精度设计原则应很好贯彻于设计工作之中。

四、精密设备支承系统和安装精密机械仪器或设备具有各种各样的基座和支承件，它们不仅起作连接和支承各种零部件相互位置作用，而且还要保证仪器的工作精度。

1、支承件尺寸较大是整台设备的基础支承件，不仅自身重量大，而且还要承受外载荷作用。

2、支承座结构比较复杂，有很多加工面(或孔)而且相互位置精度和本身精度要求高。

因此：设计和制造中特别要注意刚性，热变形精度抗振性及结构工艺性。

若刚度不足由此造成的几何和位置偏差可能会大于制造误差，这不仅影响精度而且与自振频率有直接关系。

3、抗振性支承件的抗振性是指抵抗受迫振动的能力，振源有内部的驱动件的换向冲击等。

振源也有外部，如相邻机器车辆、人员活动以及温室的通风机、冷冻机等。

这些振动会使部件之间产生弯曲或扭转振动对精度产生影响。

因此，对振动的振幅特别是相对振幅都有规定的允许值，如光波干涉孔经测量仪(精度为0.03mm)激振频率35Hz时，允许工作台在垂直方向的振幅为0.12mm,水平方向振幅为0.22mm.对于坐标测量机。

国外一些产品通常规定激振频率在50Hz以下，稳幅不得超过5mm.为提高抗振性可从如下方面着手：a提高静刚度，合理设计物件断面形状和尺寸，布置筋板和隔板提高固有频率，避免产生共振。

b增加阻尼，增加阻尼对提高刚度有很大作用，液体动压或静压导轨及气体静压导轨的阻尼比滚动导轨的阻尼大。

c.减轻重量，在不降低对象刚度的前提下减轻重量，可以提高固有频率(壁厚减小钢焊接结构)为了减少外部振源对仪器的影响，隔振材料有钢弹簧，橡胶泡沫乳胶。

4、稳定性：基座与支承件结构比较复杂，在浇注时各处冷却速度不均很容易产生内应力，这种内应力是造成零件尺寸长期不稳定的主要因素。

因此精密设备对机座一定要进行时效处理以消除内应力。

a、自然时效处理，将铸件毛坯或粗加工后的半成品置于露天经几个月或几年时间，内部应力逐渐消失再进行精加工，方法简单、效果好、时间长占用资金大。

b、人工时效处理：是最常用的是热处理方法，工件平整悬搁在烘板上使四周受热均匀，开始60℃／h速度加热至530~550℃保温4~6h然后随炉冷却，一般精度的构件一次时效处理可达要求，精度要求高的在精加工之前要进行多次时效处理。

5、热变形，对于精度要求较高的机器和仪器，热变形成为造成误差的一个重要因素。

当机身的导轨面与底面有温差时，在垂直平面内导轨面将产生中凹或中凸，其最大凹凸量δ可按下公式求得：式中L-机身(机座)长度mmH-机身(机座)长度mm2-基座材料线膨胀系数，对于铸铁a=11.1×10-6（/℃）△t-温度差℃对于一端固定的立柱或横标，热变形造成的弯曲为δ，则：设机座铸件的长度L= 2000mm,高H=500mm ，当上下温差△t=1℃时求得基座弯曲量，由此可见热变形的误差是很大的。

６．精密设备安装：由上求知，精密设备安装应注意以下几点：①、设备基础应尽量远离振动源热源及有害气体。

②、设备地基应挖防振带填充好的防振材料③、基础应牢固不变形，并采用二次浇灌水泥方案尺寸精确。

④、设备应置于恒温室，设备安装时采用光学合像水平仪，检测设备直线度和安位置准确度及测量零件的微小倾角。

⑤、调试应按使用说明书进行，或请生产厂专业技术人员指导。

注： 花岗岩：近年来国内外采用花岗岩制造基座，支撑件（以及各种量具）日益H L t 22×∆×=αδ2/4tan L δϕ=8ϕδL =H t L ∆=αϕtL H L L L ∆==−=∆αϕ12普遍，泰山花岗岩制造“泰山青”的实测力学性能如下：抗压强度262.2MPa抗弯强度374.8MPa密度3.07 克／cm3硬度肖纸硬度79.8吸水率;一般在0.5%~0.7%线膨胀系数5.7~7.3×10-6(1/℃)弹性模量1280 MPa花岗岩制件具有如下优点：①、稳定性好，经过百万年的天然失效处理，内应力早已消除几乎不会变形能长期保持稳定的精度。

②、加工简便，通过研磨抛光很容易得到很高的表面粗糙度和精度。

不像金属件需经复杂的翻砂，锻造或热处理工艺，因而加工设备简单，在表面干净的条件下耐磨性比铸铁高5~10倍。

③、对温度不敏感，导热系数和膨胀系数均很小，即使在没有恒温的环境也能保持精度，在室内温度缓慢变化的条件下产生的变形比钢铁小0.5倍。

④、保养简便，不需涂任何防锈油脂能抵抗一般酸碱气体和溶液浸蚀。

表面被划痕或碰撞后没有毛刺也不影响精度。

⑤、吸振性好，内阻尼系数比钢铁大15倍，不传递振动。