互换性与测量技术基础
授课教案
课次：1
授课课题：课题一、测量标准及互换性概述
目的要求：掌握互换性概念，有关标准化、优先数、技术测量的术语及定义。 了解机械精度设计的基本理论及方法
参考资料：公差配合与技术测量 陈泽民等编著
互换性原理 成熙治等编著
课题一、测量标准及互换性概述
任何一台机器的设计，除了运动分析、结构设计、强度、刚度计算外，还要进行精度设计。研究机器的精度时，要处理好机器的使用要求与制造工艺的矛盾。解决的方法是规定合理的公差，并用检测手段保证其贯彻实施。由此可见，“公差”在生产中是非常重要的。 公差是一门专业基础课，要求： 提出本课程的要求
（1） 掌握有关公差、测量的基本概念、基本理论、术语、定义；
（2） 培养公差设计及精度检测的基本能力；
（3） 学会查工具书，如手册、标准等。
一、 互换性概述 了解互换性的概念
1、什么叫互换性
举例：组成现代技术装置和日用机电产品的各种零件，如电灯泡、自行车、手表、缝纫机上的零件、一批规格为M10-6H的螺母与M10-69螺栓的自由旋合。在现代化生产中，一般应遵守互换性原则。
（1）定义：在制成的同一规格零件中，不需要作任何挑选或附加加工（如钳工修配）或再调整就可装上机器（或部件）上，而且达到原定使用性能要求。
（2）互换性包括：
几何参数、机械性能和理化性能方面的互换性。
几何量误差（尺寸、形状、位置、表面微观形状误差）
（3）互换性分类：
A、 完全互换性
特点：不限定互换范围，以零部件装配或更换时不需要挑选或修配为条件。如日常生活中所用电灯泡。
B、 不完全互换性
特点：因特殊原因，只允许零件在一定范围内互换。如机器上某部位精度愈高，相配零件精度要求就愈高，加工困难，制造成本高，为此，生产中往往把零件的精度适当降低，以便于制造，然后再根据实测尺寸的大小，将制成的相配零件分成若干组，使每组内的尺寸差别比较小，最后，再把相应的零件进行装配。除此分组互换法外，还有修配法、调整法。主要适用于小批量和单件生产。
2、怎样才能使零件具有互换性
若制成的一批零件实际尺寸数值=理论值。即这些零件完全相同，虽具有互换性，但在生产上不可能，且没有必要。而只要求制成零件的实际参数值变动不大，保证零件充分近似即可。
要使零件具有互换性，就应按“公差”制造。
公差：实际参数允许的最大变动量。
3、互换性在机械制造中有什么作用
（1） 在设计方面，有利于最大限度采用标准件、通用件和标准件，大大简化绘图和计算工作，缩短设计周期。便于计算机辅助设计CAD。
（2）在制造方面，有利于组织专业化生产，采用先进工艺和高效率的专用设备，提高生产效率。
（3） 在使用、维修方面，可以减少机器的维修时间和费用，保证机器能连续持久的运转。提高了机器的使用寿命。
二、 公差标准和几何量的测量（公差标准化）
现代化工业生产的特点是规模大，协作单位多，互换性要求高，为了正确协调各生产部门和准确衔接各生产环节，必须有一种协调手段，使分散的局部的生产部门和生产环节保持必要的技术统 一。成为一个有机的整体，以实现互换性生产。 标准制定的必要性
标准与标准化正是联系这种关系的主要途径和手段，是实现互换性的基础。
1、公差标准
A 技术标准：对产品和工程建设质量、规格及检验方面所作的技术规定。
我国的技术标准分三级：国家标准（GB）、部门标准（专业标准，如JB）、企业标准。
B 公差标准：对零件的公差和相互配合所制订的标准。
2、加工误差和公差
（1）加工误差：加工过程中产生的尺寸、几何形状和相互位置误差。
（2）公差：由设计人员给定的允许零件的最大误差。
3、优先数和优先数系
（1）数值标准化 数值标准化的必要性
制定公差标准以及设计零件的结构参数时，都需要通过数值表示。任何产品的参数值不仅与自身的技术特性有关，还直接、间接地影响与其配套系列产品的参数值。如：螺母直径数值，影响并决定螺钉直径数值以及丝锥、螺纹塞规、钻头等系列产品的直径数值。由于参数值间的关联产生的扩散称为“数值扩散”。
为满足不同的需求，产品必然出现不同的规格，形成系列产品。产品数值的杂乱无章会给组织生产、协作配套、使用维修带来困难。故需对数值进行标准化。
（2）优先数系
优先数系是一种十进制的几何级数。我国标准GB321-80与国际标准ISO推荐R5、R10、R20、R40、R80系列，前四项为基本系列（见表1-1），R80为补充系列。其公比为：
R5系列 q5≈1.6 R10
R20系列 q20≈1.12 R40
R80系列 q80≈1.03
4、几何量的测量
有了先进的公差标准，还必须有相应的技术测量措施。技术测量研究的问题：
（1）统一计量单位：用什么单位计量；量值的传递。
（2）研究测试理论：制定计量标准、设计计量器具、培训计量人员。
三、 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：
（1）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，确定机系列 q10≈1.25 系列 q40≈1.06 器或机构的合理的传动系统，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。
（2）强度的分析与计算。根据强度、刚度等方面的要求，决定各个零件的合理的基本尺寸，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。
（3）几何精度的分析与计算。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。
需要指出的是，以上三个方面，在设计过程中，是缺一不可的。本书主要讨论的是机械精度的分析与计算。
机器精度的分析与计算是多方面的，但归结起来，设计人员总是要根据给定的整机精度，最终确定出各个组成零件的精度，如尺寸公差，形状和位置公差，以及表面粗糙度参数值。但是，根据上述设计精度制造出的零件，装配成机器或机构后，还不一定能达到给定的精度要求。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。而且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，而是还包括光学量、电学量等及其误差在内的多量纲精度问题，其分析与计算与传统的几何量精度分析更为复杂和困难。 四、 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。
1）类比法
类比法就是与经过实际使用证明合理的类似产品上的相应要素相比较，确定所设计零件几何要素的精度。
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要素精度设计采用的方法。类比法亦称经验法。
2）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，计算确定零件要素的精度。
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。而且，用计算法得到的公差，往往还需要根据多种因素进行调整。
3）试验法
试验法就是先根据一定条件，初步确定零件要素的精度，并按此进行试制。再将试制产品在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，根据比较结果再对原设计进行确认或修改。经过反复试验和修改，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且费用较高，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。大多数要素的几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进的手段和工具。但是，在计算机辅助设计（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，不仅需要建立和完善精度设计的理论与精确设计的方法，而且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。只有这样才可能使计算机辅助公差设计进入实用化的阶段。
互换性与测量技术基础
授课教案
课次：1
授课课题：课题一、测量标准及互换性概述
目的要求：掌握互换性概念，有关标准化、优先数、技术测量的术语及定义。 了解机械精度设计的基本理论及方法
参考资料：公差配合与技术测量 陈泽民等编著
互换性原理 成熙治等编著
课题一、测量标准及互换性概述
任何一台机器的设计，除了运动分析、结构设计、强度、刚度计算外，还要进行精度设计。研究机器的精度时，要处理好机器的使用要求与制造工艺的矛盾。解决的方法是规定合理的公差，并用检测手段保证其贯彻实施。由此可见，“公差”在生产中是非常重要的。 公差是一门专业基础课，要求： 提出本课程的要求
（1） 掌握有关公差、测量的基本概念、基本理论、术语、定义；
（2） 培养公差设计及精度检测的基本能力；
（3） 学会查工具书，如手册、标准等。
一、 互换性概述 了解互换性的概念
1、什么叫互换性
举例：组成现代技术装置和日用机电产品的各种零件，如电灯泡、自行车、手表、缝纫机上的零件、一批规格为M10-6H的螺母与M10-69螺栓的自由旋合。在现代化生产中，一般应遵守互换性原则。
（1）定义：在制成的同一规格零件中，不需要作任何挑选或附加加工（如钳工修配）或再调整就可装上机器（或部件）上，而且达到原定使用性能要求。
（2）互换性包括：
几何参数、机械性能和理化性能方面的互换性。
几何量误差（尺寸、形状、位置、表面微观形状误差）
（3）互换性分类：
A、 完全互换性
特点：不限定互换范围，以零部件装配或更换时不需要挑选或修配为条件。如日常生活中所用电灯泡。
B、 不完全互换性
特点：因特殊原因，只允许零件在一定范围内互换。如机器上某部位精度愈高，相配零件精度要求就愈高，加工困难，制造成本高，为此，生产中往往把零件的精度适当降低，以便于制造，然后再根据实测尺寸的大小，将制成的相配零件分成若干组，使每组内的尺寸差别比较小，最后，再把相应的零件进行装配。除此分组互换法外，还有修配法、调整法。主要适用于小批量和单件生产。
2、怎样才能使零件具有互换性
若制成的一批零件实际尺寸数值=理论值。即这些零件完全相同，虽具有互换性，但在生产上不可能，且没有必要。而只要求制成零件的实际参数值变动不大，保证零件充分近似即可。
要使零件具有互换性，就应按“公差”制造。
公差：实际参数允许的最大变动量。
3、互换性在机械制造中有什么作用
（1） 在设计方面，有利于最大限度采用标准件、通用件和标准件，大大简化绘图和计算工作，缩短设计周期。便于计算机辅助设计CAD。
（2）在制造方面，有利于组织专业化生产，采用先进工艺和高效率的专用设备，提高生产效率。
（3） 在使用、维修方面，可以减少机器的维修时间和费用，保证机器能连续持久的运转。提高了机器的使用寿命。
二、 公差标准和几何量的测量（公差标准化）
现代化工业生产的特点是规模大，协作单位多，互换性要求高，为了正确协调各生产部门和准确衔接各生产环节，必须有一种协调手段，使分散的局部的生产部门和生产环节保持必要的技术统 一。成为一个有机的整体，以实现互换性生产。 标准制定的必要性
标准与标准化正是联系这种关系的主要途径和手段，是实现互换性的基础。
1、公差标准
A 技术标准：对产品和工程建设质量、规格及检验方面所作的技术规定。
我国的技术标准分三级：国家标准（GB）、部门标准（专业标准，如JB）、企业标准。
B 公差标准：对零件的公差和相互配合所制订的标准。
2、加工误差和公差
（1）加工误差：加工过程中产生的尺寸、几何形状和相互位置误差。
（2）公差：由设计人员给定的允许零件的最大误差。
3、优先数和优先数系
（1）数值标准化 数值标准化的必要性
制定公差标准以及设计零件的结构参数时，都需要通过数值表示。任何产品的参数值不仅与自身的技术特性有关，还直接、间接地影响与其配套系列产品的参数值。如：螺母直径数值，影响并决定螺钉直径数值以及丝锥、螺纹塞规、钻头等系列产品的直径数值。由于参数值间的关联产生的扩散称为“数值扩散”。
为满足不同的需求，产品必然出现不同的规格，形成系列产品。产品数值的杂乱无章会给组织生产、协作配套、使用维修带来困难。故需对数值进行标准化。
（2）优先数系
优先数系是一种十进制的几何级数。我国标准GB321-80与国际标准ISO推荐R5、R10、R20、R40、R80系列，前四项为基本系列（见表1-1），R80为补充系列。其公比为：
R5系列 q5≈1.6 R10
R20系列 q20≈1.12 R40
R80系列 q80≈1.03
4、几何量的测量
有了先进的公差标准，还必须有相应的技术测量措施。技术测量研究的问题：
（1）统一计量单位：用什么单位计量；量值的传递。
（2）研究测试理论：制定计量标准、设计计量器具、培训计量人员。
三、 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：
（1）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，确定机系列 q10≈1.25 系列 q40≈1.06 器或机构的合理的传动系统，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。
（2）强度的分析与计算。根据强度、刚度等方面的要求，决定各个零件的合理的基本尺寸，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。
（3）几何精度的分析与计算。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。
需要指出的是，以上三个方面，在设计过程中，是缺一不可的。本书主要讨论的是机械精度的分析与计算。
机器精度的分析与计算是多方面的，但归结起来，设计人员总是要根据给定的整机精度，最终确定出各个组成零件的精度，如尺寸公差，形状和位置公差，以及表面粗糙度参数值。但是，根据上述设计精度制造出的零件，装配成机器或机构后，还不一定能达到给定的精度要求。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。而且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，而是还包括光学量、电学量等及其误差在内的多量纲精度问题，其分析与计算与传统的几何量精度分析更为复杂和困难。 四、 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。
1）类比法
类比法就是与经过实际使用证明合理的类似产品上的相应要素相比较，确定所设计零件几何要素的精度。
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要素精度设计采用的方法。类比法亦称经验法。
2）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，计算确定零件要素的精度。
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。而且，用计算法得到的公差，往往还需要根据多种因素进行调整。
3）试验法
试验法就是先根据一定条件，初步确定零件要素的精度，并按此进行试制。再将试制产品在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，根据比较结果再对原设计进行确认或修改。经过反复试验和修改，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且费用较高，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。大多数要素的几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进的手段和工具。但是，在计算机辅助设计（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，不仅需要建立和完善精度设计的理论与精确设计的方法，而且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。只有这样才可能使计算机辅助公差设计进入实用化的阶段。