精密机械设计基础
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理论位移——B1B0；实际位移——B1′B0′
B1 B0
B 1 ′ B0 ′
位移误差： Δ B1 B0 B1 B0
相对位移误差： Δ Δ
20/13
五. 精度概念（不确定度）
表征测量结果与真实值的接近程度。
精度的高低常用误差的大小来度量，误差
越小，则精度越高（不确定度越小）。
20/07
1. 加工误差 机械零件的实际尺寸和几何形状与理想 值之间的差异。 如：几何参数误差：长度、高度、角度等 几何形状误差：圆度、直线度等 相对位置误差：平行度、垂直度等 造成加工误差的因素十分复杂，如设备、 检具、人为等，正常误差值符合正态分布。
误差在系统中存在累积，可以利用原理 性方法予以控制。
机械设计中控制精度的方法：
公差与配合：标准公差等级、基本偏差
例1：预控制长度尺寸100的精度 设计标注为：100±0.03
0 50 h 7 例2：外圆尺寸精度设计： 0.025
20/14
六. 机械设计的误差分析
1. 设计误差（原理性误差） 采用近似机构代替理想机构（或近似假 设），使得设计的零件或机构在原理上产生 了误差。
规划、方案、技术、施工
2.功能设计法（最重要的设计途径） 以分析产品功能为基点，运用相应技术
手段寻求实现的总体方案设计。
设计主要流程：
主要功能→原理性构思→简图→方案整合
20/02
二. 零件的工作能力及其计算 产品由多机构组成，机构的最小单元是零 件，实现产品预定功能必须保证零件质量。 机械设计要素：运动、动力
σ s( σ b) σ max σ n
20/06
三. 零件的误差 机械制造过程，各类误差客观存在。
互换性概念：机械零件尺寸、形状、机械性能、
物理性能、化学性能足够接近。 根据功能需求，精密机械零件、系统应达 到的最终精度（不确定度）要求不同。 如：微米级、微纳米级
由于系统组成的复杂性，控制误差是精密 机械设计的主要矛盾，必须采用特殊的处理手 段控制零件及系统误差。
精密机械与常规机械的差异：
●相对荷载大：尺寸小、空间结构紧凑，局 部相对荷载大。
●系统变形影响大：进给量小，电气控制精 度要求高，结构间隙不容忽视。
20/03
1. 刚度设计及校核 基于上述原因，精密机械设计中对零件 承载能力的校核更注重刚度。 刚度：载荷作用下零件抵抗弹性变形的能力
用当量荷载评价——F′（ M′）
20/08
2. 特性误差
零件实际特性与理想特性之间的差异。
影响互换性的因素除尺寸、形状外，还 包括机械性能、物理化学性能。 例：机械零件可能出现的特性误差
●片簧承载时有挠度误差（材质影响） ●导轨表面硬度不足（热处理） ●发动机汽缸连杆之间质量超差（工艺） ●陀螺仪质心位置误差（工艺）
20/09
四. 机构的误差 机构误差是零件误差、装配误差之和，属于 累积误差，可以通过设计方法予以控制。 零件误差通过机构误差反应出来，使实际 机构的运动状态相对理想机构存在偏差。 机构误差评价的常用方法：
20/06
3. 强度设计及校核 在外荷载作用下构件抵抗破坏的能力。 精密机械设计中零件承受荷载的绝对值较 小，正常情况下仅作强度校核。 匀速驱动 非匀速运动 F′ F0 若系统中重要零件强度不足时，零件将 发生断裂或产生永久塑性变形，使零件丧失工 F
作能力，导致系统失效。如：进给爬行。
材料力学理论：
20/11
位置误差评价：
主动转角：Δα=α1-α0 从动件初始位置误差：Δ0=OB0′-OB0 从动件终点位置误差：Δ1=OB1′-OB1 Δ0 Δ1 ; 1 从动件相对位置误差： 0 Δ Δ
曲柄滑块机构
20/12
2. 位移误差及其评价
实际机构与理想机构的主动件位移相 同时，两者从动件位移量的偏差。
●操作人员：生产过程相关人员的操作技能、
对产品的熟悉程度、责任心。
20/16
3. 使用误差
加工设备、工具量具、工艺系统等在使 用过程产生的误差。 例1：内径量表的正确使用 ●选配——表、杆、测量头 步骤1
●校定——用三级块规校准
●测量手法——慢慢晃动，观察最小值
步骤3
步骤2
20/17
例2：各类磨床砂轮安装与调试
即产生单位变形所承受的外力(外力矩) F L 例：悬臂梁刚度评价
3 3 EI Ebh F' 3 a (N/mm) L 4 L3
b h
F
20/04
2. 振动稳定性 精密机械系统中运动引起的振动对传 动精度有直接影响，结构固有频率计算：
固有频率： n
F' KΒιβλιοθήκη m式中：F′——相当荷载 m —— 系统质量 K —— 弹性系数 因此考虑振动影响主要应分析上述因素。
●机构位置误差 ●机构位移误差
输入 （理想）
20/10
机 构
输出 （实际）
1. 位置误差及其评价 当实际机构与理想机构的主动件位置 相同时，两从动件位置之间的偏差。
如图曲柄滑块机构：
主动件曲柄转动角度达到理想时，从动件 滑块的始点、终点都相对理想点有误差。
曲 柄 滑 块 机 构
终点位置误差 始点位置误差
例6：进给回程反向间隙
属于设计原理性误差，但可通过正确
的使用予以消除。
20/19
思考题
1.分析精密机械设计与常规机械设计的异同。 2.如何理解零件的互换性？正常情况下有哪
些因素影响零件（机构）的误差。
20/20
如：汽车转向系统
直拉杆→左转向节臂4 →梯形臂5→横拉杆6 →梯形臂5→右转向节 （近似系统）
20/15 直拉杆 转向器 横拉杆 梯形臂
2. 工艺误差
零件在加工、检验和装配过程中产生 的无法避免的误差。
机械制造过程：
●加工装备系统：各类机床进给误差。
●工艺系统：刀具、夹具、量具自身误差；
系统受力弹性变形产生误差等。
●磨削转速：800-3000r/min;
●常用砂轮质量：0.05-50.00kg 砂轮制造存在不均匀性， 毂上设有配重。可进行人工、 电子调试
20/18
例3：零件配合表面间的磨损
磨损达到一定程度应考虑报废或更换。
例4：载荷作用下系统变形 注意额定荷载，一般不达到设计上限。 例5：环境温度变化引起尺寸改变 仪器类使用环境不合要求。
上次课主要内容：
1.精密机械系统的基本组成 2.精密机械设计的基本要求 3.常规工作机分类及用途 4.设备生产效率分析 ●单机生产 ●多工位周期位移生产线
●连续位移生产线
普通机械设计 精密机械设计
相关思考：成本、性价比、生产规模
20/01
§1.4 精密机械设计基础知识
一. 总体方案设计 方案设计的优劣直接影响产品开发的结果。 1.产品开发过程的四个主要环节
B1 B0
B 1 ′ B0 ′
位移误差： Δ B1 B0 B1 B0
相对位移误差： Δ Δ
20/13
五. 精度概念（不确定度）
表征测量结果与真实值的接近程度。
精度的高低常用误差的大小来度量，误差
越小，则精度越高（不确定度越小）。
20/07
1. 加工误差 机械零件的实际尺寸和几何形状与理想 值之间的差异。 如：几何参数误差：长度、高度、角度等 几何形状误差：圆度、直线度等 相对位置误差：平行度、垂直度等 造成加工误差的因素十分复杂，如设备、 检具、人为等，正常误差值符合正态分布。
误差在系统中存在累积，可以利用原理 性方法予以控制。
机械设计中控制精度的方法：
公差与配合：标准公差等级、基本偏差
例1：预控制长度尺寸100的精度 设计标注为：100±0.03
0 50 h 7 例2：外圆尺寸精度设计： 0.025
20/14
六. 机械设计的误差分析
1. 设计误差（原理性误差） 采用近似机构代替理想机构（或近似假 设），使得设计的零件或机构在原理上产生 了误差。
规划、方案、技术、施工
2.功能设计法（最重要的设计途径） 以分析产品功能为基点，运用相应技术
手段寻求实现的总体方案设计。
设计主要流程：
主要功能→原理性构思→简图→方案整合
20/02
二. 零件的工作能力及其计算 产品由多机构组成，机构的最小单元是零 件，实现产品预定功能必须保证零件质量。 机械设计要素：运动、动力
σ s( σ b) σ max σ n
20/06
三. 零件的误差 机械制造过程，各类误差客观存在。
互换性概念：机械零件尺寸、形状、机械性能、
物理性能、化学性能足够接近。 根据功能需求，精密机械零件、系统应达 到的最终精度（不确定度）要求不同。 如：微米级、微纳米级
由于系统组成的复杂性，控制误差是精密 机械设计的主要矛盾，必须采用特殊的处理手 段控制零件及系统误差。
精密机械与常规机械的差异：
●相对荷载大：尺寸小、空间结构紧凑，局 部相对荷载大。
●系统变形影响大：进给量小，电气控制精 度要求高，结构间隙不容忽视。
20/03
1. 刚度设计及校核 基于上述原因，精密机械设计中对零件 承载能力的校核更注重刚度。 刚度：载荷作用下零件抵抗弹性变形的能力
用当量荷载评价——F′（ M′）
20/08
2. 特性误差
零件实际特性与理想特性之间的差异。
影响互换性的因素除尺寸、形状外，还 包括机械性能、物理化学性能。 例：机械零件可能出现的特性误差
●片簧承载时有挠度误差（材质影响） ●导轨表面硬度不足（热处理） ●发动机汽缸连杆之间质量超差（工艺） ●陀螺仪质心位置误差（工艺）
20/09
四. 机构的误差 机构误差是零件误差、装配误差之和，属于 累积误差，可以通过设计方法予以控制。 零件误差通过机构误差反应出来，使实际 机构的运动状态相对理想机构存在偏差。 机构误差评价的常用方法：
20/06
3. 强度设计及校核 在外荷载作用下构件抵抗破坏的能力。 精密机械设计中零件承受荷载的绝对值较 小，正常情况下仅作强度校核。 匀速驱动 非匀速运动 F′ F0 若系统中重要零件强度不足时，零件将 发生断裂或产生永久塑性变形，使零件丧失工 F
作能力，导致系统失效。如：进给爬行。
材料力学理论：
20/11
位置误差评价：
主动转角：Δα=α1-α0 从动件初始位置误差：Δ0=OB0′-OB0 从动件终点位置误差：Δ1=OB1′-OB1 Δ0 Δ1 ; 1 从动件相对位置误差： 0 Δ Δ
曲柄滑块机构
20/12
2. 位移误差及其评价
实际机构与理想机构的主动件位移相 同时，两者从动件位移量的偏差。
●操作人员：生产过程相关人员的操作技能、
对产品的熟悉程度、责任心。
20/16
3. 使用误差
加工设备、工具量具、工艺系统等在使 用过程产生的误差。 例1：内径量表的正确使用 ●选配——表、杆、测量头 步骤1
●校定——用三级块规校准
●测量手法——慢慢晃动，观察最小值
步骤3
步骤2
20/17
例2：各类磨床砂轮安装与调试
即产生单位变形所承受的外力(外力矩) F L 例：悬臂梁刚度评价
3 3 EI Ebh F' 3 a (N/mm) L 4 L3
b h
F
20/04
2. 振动稳定性 精密机械系统中运动引起的振动对传 动精度有直接影响，结构固有频率计算：
固有频率： n
F' KΒιβλιοθήκη m式中：F′——相当荷载 m —— 系统质量 K —— 弹性系数 因此考虑振动影响主要应分析上述因素。
●机构位置误差 ●机构位移误差
输入 （理想）
20/10
机 构
输出 （实际）
1. 位置误差及其评价 当实际机构与理想机构的主动件位置 相同时，两从动件位置之间的偏差。
如图曲柄滑块机构：
主动件曲柄转动角度达到理想时，从动件 滑块的始点、终点都相对理想点有误差。
曲 柄 滑 块 机 构
终点位置误差 始点位置误差
例6：进给回程反向间隙
属于设计原理性误差，但可通过正确
的使用予以消除。
20/19
思考题
1.分析精密机械设计与常规机械设计的异同。 2.如何理解零件的互换性？正常情况下有哪
些因素影响零件（机构）的误差。
20/20
如：汽车转向系统
直拉杆→左转向节臂4 →梯形臂5→横拉杆6 →梯形臂5→右转向节 （近似系统）
20/15 直拉杆 转向器 横拉杆 梯形臂
2. 工艺误差
零件在加工、检验和装配过程中产生 的无法避免的误差。
机械制造过程：
●加工装备系统：各类机床进给误差。
●工艺系统：刀具、夹具、量具自身误差；
系统受力弹性变形产生误差等。
●磨削转速：800-3000r/min;
●常用砂轮质量：0.05-50.00kg 砂轮制造存在不均匀性， 毂上设有配重。可进行人工、 电子调试
20/18
例3：零件配合表面间的磨损
磨损达到一定程度应考虑报废或更换。
例4：载荷作用下系统变形 注意额定荷载，一般不达到设计上限。 例5：环境温度变化引起尺寸改变 仪器类使用环境不合要求。
上次课主要内容：
1.精密机械系统的基本组成 2.精密机械设计的基本要求 3.常规工作机分类及用途 4.设备生产效率分析 ●单机生产 ●多工位周期位移生产线
●连续位移生产线
普通机械设计 精密机械设计
相关思考：成本、性价比、生产规模
20/01
§1.4 精密机械设计基础知识
一. 总体方案设计 方案设计的优劣直接影响产品开发的结果。 1.产品开发过程的四个主要环节