精密儀器零件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和作用

1、精密儀器零件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和作用全課程章節(jié)安排第一章 機(jī)構(gòu)及其組成第二章 平面連桿機(jī)構(gòu)第三章 彈性元件第四章 摩擦輪傳動(dòng)和撓性傳動(dòng)第五章 齒輪傳動(dòng)及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)第六章 螺旋傳動(dòng)第七章 支承第八章 軸系第九章 導(dǎo)軌第十章 彈性元件及聯(lián)結(jié)第十一章 公差與配合共48學(xué)時(shí)=40學(xué)時(shí)講授+ 8學(xué)時(shí)試驗(yàn)課緒論概述精密機(jī)械儀器零件工作能力的計(jì)算準(zhǔn)則精密機(jī)械儀器中常用材料與熱處理精密機(jī)械儀器零件的結(jié)構(gòu)工藝性1.1 概述本課程的研究方向和發(fā)展趨勢(shì) 本課程的研究對(duì)象及內(nèi)容本課程的地位、任務(wù)及作用如何對(duì)本課程進(jìn)行學(xué)習(xí)研究方向 精密儀器的機(jī)構(gòu)主要作用是組成具有確定性運(yùn)動(dòng)規(guī)律的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置來(lái)傳遞、轉(zhuǎn)換和控制運(yùn)動(dòng)，或?qū)崿F(xiàn)某種特

2、定的運(yùn)動(dòng)，以及調(diào)整、固定或穩(wěn)定光學(xué)部件、光電元件和機(jī)械構(gòu)件的相對(duì)位置。例如：六自由度關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人、內(nèi)燃機(jī)、工件自動(dòng)裝卸裝置（觀看動(dòng)畫）有關(guān)機(jī)械的基本原理控制系統(tǒng)示教板操作機(jī)六自由度關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人觀看動(dòng)畫有關(guān)機(jī)械的基本理論（1）機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 1）研究機(jī)構(gòu)是怎樣組成的，其組成對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，以及機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件。2）研究機(jī)構(gòu)的組成原理及機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類。3）如何繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的問(wèn)題。（2）機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 介紹對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析（包含位移、速度及加速度分析）的基本原理及方法。（3）機(jī)器動(dòng)力學(xué) 分析機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中其各構(gòu)件的受力情況，以及這些力的作功情況。（5）精密機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)

3、研究在進(jìn)行具體精密儀器機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)構(gòu)的選型、組合、變異及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)等問(wèn)題。（4）常用機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì) 研究常用機(jī)構(gòu)（如連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)等）的類型、工作原理及運(yùn)動(dòng)特性分析和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理及方法。發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)代精密機(jī)械儀器是精密機(jī)械結(jié)構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)和電路系統(tǒng)三者密切聯(lián)系、互相配合，共同保證其各種技術(shù)性能的實(shí)現(xiàn)，即光機(jī)電結(jié)合。例如：中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院的舵機(jī)總體測(cè)試系統(tǒng) 舵機(jī)總體測(cè)試系統(tǒng)是對(duì)舵機(jī)總體功能和性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試的專用測(cè)試設(shè)備，可完成舵機(jī)在空載狀態(tài)下的轉(zhuǎn)角、傳遞系數(shù)、動(dòng)態(tài)特性（相位滯后）、空載角速度和加載狀態(tài)下的輸出力矩等參數(shù)的綜合測(cè)試。課程研究對(duì)象及內(nèi)

4、容研究對(duì)象“機(jī)械”是機(jī)構(gòu)和機(jī)器的總稱。本課程主要介紹精密機(jī)械儀器、儀表中常用機(jī)構(gòu)（如常見的機(jī)構(gòu)有帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈傳動(dòng)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)等。）和零部件的基本組成、工作原理，以及精密機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論和計(jì)算方法。同時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)及零部件設(shè)計(jì)中的精度進(jìn)行分析，而對(duì)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度計(jì)算則力求簡(jiǎn)化。本課程的地位、任務(wù)及作用 精密儀器零件課程是研究精密儀器基礎(chǔ)理論的一門科學(xué)，是機(jī)電類各專業(yè)的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課程，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)儀器結(jié)構(gòu)所需的知識(shí)結(jié)構(gòu)中也占有核心地位。（1）地位（2）任務(wù)掌握有關(guān)精密機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和設(shè)計(jì)計(jì)算。掌握精密機(jī)械儀器儀表中通用零件的工作原理、特點(diǎn)、應(yīng)用范圍及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法。掌握

5、儀器儀表中常用機(jī)構(gòu)的基本知識(shí)，能夠比較合理地進(jìn)行選用。并具有按照機(jī)械的使用要求進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的初步能力。（3）作用 在培養(yǎng)高級(jí)機(jī)電工程技術(shù)人才的全局中，本課程不僅為大家學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)和專業(yè)課程起到承前起后的作用，而且為今后從事機(jī)械設(shè)計(jì)和研究工作起到增強(qiáng)適應(yīng)能力和開發(fā)創(chuàng)新能力的作用。如何對(duì)本課程進(jìn)行學(xué)習(xí) 掌握本課程的特點(diǎn) 注重理論聯(lián)系實(shí)際 逐步建立工程觀點(diǎn) 認(rèn)真對(duì)待每個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)掌握本課程的特點(diǎn) 本課程要用到物理、數(shù)學(xué)、力學(xué)、機(jī)械制圖和工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)等先修課程的知識(shí)，尤其是理論力學(xué)、材力的知識(shí)。 但并不是這些課程的簡(jiǎn)單重復(fù)和堆砌，而是要引導(dǎo)大家如何應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)解決工程實(shí)際中所遇到

6、的問(wèn)題。 所以本課程的學(xué)習(xí)不同于理論課程的學(xué)習(xí)，也不同于專業(yè)課，而具有很強(qiáng)的綜合性及理論系統(tǒng)性及和一定的邏輯性和較強(qiáng)的工程實(shí)踐性的特點(diǎn)。 因此，在學(xué)習(xí)本課程時(shí)應(yīng)注意掌握基本的概念、原理及機(jī)構(gòu)的分析與綜合的方法。注重理論聯(lián)系實(shí)際 本課程并不是研究某種具體的機(jī)械，而是著重研究一般精密機(jī)械儀器的共性問(wèn)題，即機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和綜合的基本理論和基本的方法。這些基本理論和方法是緊密為工程服務(wù)的。 因此，在本課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，一方面要注意這些理論和方法在理論上建立和推演的嚴(yán)密性和邏輯性，另一方面更要注意這些理論和方法如何在工程實(shí)際中的應(yīng)用。 此外還應(yīng)隨時(shí)留意日常生活和生產(chǎn)中遇到的各種儀器機(jī)械，以豐富自己的感性

7、認(rèn)識(shí)；并用所學(xué)到的理論和方法認(rèn)識(shí)分析這些機(jī)械，以加深理解，使理論和實(shí)踐相互促進(jìn)。初步建立工程觀點(diǎn) 本課程要用到很多與工程有關(guān)的名詞、符合、公式、標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)和對(duì)機(jī)械研究的一些常用的簡(jiǎn)化方法，如倒置、反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)化、當(dāng)量、等效、代換等等。 在機(jī)構(gòu)分析與綜合中，除解析法外還介紹圖解法、實(shí)驗(yàn)法以及試湊等一些工程中實(shí)用的方法。 因此在學(xué)習(xí)時(shí)，對(duì)名詞應(yīng)正確理解其含義，對(duì)公式應(yīng)著重于應(yīng)用，而對(duì)方法則著重掌握其基本原理和作法。 另外，實(shí)際工程工程問(wèn)題都是涉及多方面的因素的問(wèn)題，其求解可采用多種方法，其解一般也不是唯一的。這就要求設(shè)計(jì)者具有分析、判斷、決策的能力，要養(yǎng)成綜合分析、全面考慮問(wèn)題的習(xí)慣和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、一絲不

8、茍的工作作風(fēng)。認(rèn)真對(duì)待學(xué)習(xí)的每一個(gè)環(huán)節(jié) 本課程全部教學(xué)工作的完成，需要自學(xué)、聽課、習(xí)題課、實(shí)驗(yàn)課、課后作業(yè)、答疑和考試，以及課程設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)。要學(xué)好這門課，必須對(duì)每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)予以充分重視。精密機(jī)械儀器零件工作能力的計(jì)算準(zhǔn)則 強(qiáng)度剛度塑性硬度耐磨性精度可靠性零件工作能力強(qiáng)度強(qiáng)度：是指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。 強(qiáng)度極限 和屈服極限 是表征強(qiáng)度的主要性能指標(biāo)。 屈服極限是材料發(fā)生塑性變型時(shí)的應(yīng)力； 強(qiáng)度極限是材料發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力。下一頁(yè)強(qiáng)度條件式： 零件的工作應(yīng)力； 零件的許用彎曲應(yīng)力； 零件的許用剪切應(yīng)力其中： S安全系數(shù)（按載荷的性質(zhì)或零件的重要性選?。?、 零件的極限應(yīng)力判斷零件強(qiáng)度

9、的方法 返回零件工作能力剛度剛度是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。強(qiáng)度 抵抗破壞在載荷作用下，構(gòu)件的形狀和尺寸發(fā)生的變化稱為變形。 下一頁(yè)剛度計(jì)算主要是限定零件的彈性變形量 yy， y零件的變形量； 零件的變形角。許用變形量 根據(jù)工作要求確定下一頁(yè)影響零件剛度的因素零件的剛度與材料的強(qiáng)度極限無(wú)關(guān)，只與材料的彈性模量、零件材料的截面形狀和幾何尺寸有關(guān)。彈性模量：表示材料抵抗拉伸或壓縮變形的能力，在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值E為常數(shù)，稱為彈性模量。即表示材料剛度的大小。彈性模量E是表征材料剛度的主要性能指標(biāo)。單位：吉帕（GPa)通過(guò)材料的實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定的。 返回零件工作能力耐磨性 耐磨性是

10、指零件在載荷作用下抵抗磨損的能力。通常用限制壓強(qiáng) （單位接觸面積上的正壓力）和 值來(lái)控制不產(chǎn)生過(guò)渡磨損 ，即： 式中v-兩接觸表面的相對(duì)滑動(dòng)速度 返回塑性塑性：是指在外力作用下，金屬產(chǎn)生塑性變型而不產(chǎn)生斷裂的能力。工程上一般用材料被拉斷后所留下的殘余變形來(lái)表示材料的塑性，一般用兩個(gè)指標(biāo)來(lái)表示：延伸率：收縮率：硬度硬度：材料抵抗壓入物壓陷的能力，即材料對(duì)局部塑性變形的抵抗能力。工程上常用的洛氏硬度和布氏硬度分別為：HRC和HBC。零件工作能力精度表征測(cè)得結(jié)果與真實(shí)值接近程度的量稱為精度 。下一頁(yè)誤差來(lái)源原理誤差制造誤差使用誤差下一頁(yè)誤差分類 誤差按其性質(zhì)，即誤差出現(xiàn)的規(guī)律和特征，可分為系統(tǒng)誤差

11、可以消除偶然誤差（隨機(jī)誤差） 無(wú)法消除下一頁(yè)誤差計(jì)算當(dāng)有兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立有偶然因素影響零件加工的尺寸偏差時(shí)，以及兩個(gè)或多個(gè)零件裝在一起的相關(guān)尺寸偏差 ，都是按偶然誤差的性質(zhì)分布的。則零件加工總誤差等于各獨(dú)立偶然誤差之和，零件裝配相關(guān)尺寸的總誤差等于各部分誤差之和 ，即：下一頁(yè)誤差計(jì)算的優(yōu)化由于一般情況下各偶然誤差具有互相補(bǔ)償?shù)男阅埽虼?，?duì)偶然誤差的合成，用均方根計(jì)算更接近實(shí)際情況。即 ：返回零件工作能力可靠性在規(guī)定時(shí)間和規(guī)定使用條件下，不失效地發(fā)揮其規(guī)定功能的概率稱為可靠度。通常用Rt表示。是衡量零件和產(chǎn)品在壽命方面的質(zhì)量指標(biāo)。下一頁(yè)串連系統(tǒng)的可靠度串連系統(tǒng)的可靠度一定低于最低可靠度零件的可靠

12、度。下一頁(yè)提高可靠性采取的措施在滿足要求前提下，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)目少；設(shè)法提高系統(tǒng)中最低可靠度零件的可靠度；盡可能選用有可靠度保證的標(biāo)準(zhǔn)件；安全系數(shù)要留有余地；增加重要環(huán)節(jié)的備用系統(tǒng)；合理規(guī)定維修期等。返回精密機(jī)械儀器中常用材料與熱處理 常用材料： 金屬材料 非金屬材料 復(fù)合材料金屬材料黑色金屬鑄鐵碳素鋼合金鋼金屬材料有色金屬有色金屬 銅合金鋁合金非金屬材料 工程塑料：聚酰胺、尼龍、等。工業(yè)陶瓷：普通陶瓷、特種陶瓷等。復(fù)合材料：玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料、 層合復(fù)合材料。材料的選用原則 應(yīng)具備保證零件正常工作所必需的性質(zhì)；應(yīng)具備同樣必需的各種材料中較經(jīng)濟(jì)的一種；應(yīng)是具備同樣必需性質(zhì)的各種材料中

13、工藝性較好的一種。熱處理的目的 提高零件的強(qiáng)度、硬度和表面耐磨性；降低硬度，改善機(jī)械加工性能；消除零件內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力；滿足防銹、防腐等一些特殊要求。 鋼的熱處理 將零件加熱到預(yù)定溫度，保溫一段時(shí)間，使其內(nèi)部組織發(fā)生變化，然后按預(yù)定方式冷卻到室溫，以形成一定的金相組織結(jié)構(gòu)，改變零件的性質(zhì)，這一過(guò)程就稱為熱處理。常用熱處理方式退火正火淬火、回火調(diào)質(zhì)時(shí)效表面化學(xué)熱處理滲碳氮化熱處理方法：1、退火：將鋼件加熱到臨界溫度以上2030度，經(jīng)保溫一段時(shí)間后隨熱處理爐（或埋入石灰石、沙中冷卻）緩慢冷卻至500度以下，然后在空氣中冷卻。目的：降低鋼的硬度，改善切削性能；細(xì)化鋼的晶粒，減少組織的不均勻性，消去工

14、件在鍛造、鑄造中出現(xiàn)的內(nèi)應(yīng)力。2、正火：將鋼件加熱到臨界溫度以上3050度，保溫一段時(shí)間后從爐中取出在空氣中冷卻。目的：正火和退火相似，但正火后機(jī)械強(qiáng)度略高。3、淬火和回火淬火是將工件加熱到臨界溫度以上3050度，保溫一定時(shí)間，然后在水或鹽水或油中急速冷卻。目的：提高鋼的硬度和強(qiáng)度。但急速冷卻引起內(nèi)應(yīng)力，使鋼變脆，所以淬火后必須回火，以得到較高的強(qiáng)度、硬度和韌性?；鼗穑簩⒋慊鸷蟮墓ぜ訜岬脚R界溫度以下，保溫一定時(shí)間后在空氣或水或油中冷卻。目的：硬度、強(qiáng)度略有降低，但消除了內(nèi)應(yīng)力和脆性。調(diào)質(zhì)：淬火高溫回火，可以使鋼材獲得良好的綜合機(jī)械性能。表面化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是將鋼件放在某種化學(xué)介質(zhì)中，通過(guò)

15、加熱、保溫、冷卻的方法使介質(zhì)中的某些元素滲入鋼件表面，改變了表面層的化學(xué)成分，從而使其表面具有與內(nèi)部不同的特殊性能。一般都是使表面獲得高硬度、高疲勞極限，以及耐磨、防腐蝕性能。 滲碳將低碳鋼工件放在大量含碳的固體（木炭粉和碳酸鹽）或氣體（天然氣、煤氣等）介質(zhì)中，加熱到850950，保溫一段時(shí)間，使碳擴(kuò)散到鋼表面層內(nèi)，使表面層的含碳量達(dá)到0.8%1.2%。再經(jīng)淬火和低溫回火，從而獲得高硬度和耐磨性。氮化將鋼件放入含有氮的介質(zhì)或利用氨氣加熱分解的氮?dú)庵校訜岬?00620，持續(xù)保溫2050小時(shí)，使氮擴(kuò)散滲入鋼件表面層內(nèi)。經(jīng)氮化處理的鋼件不再經(jīng)淬火便具有很高的表面層硬度及耐磨性，并大大提高疲勞極限、耐腐蝕性能及耐熱性。 金屬零件的表面處理表面處理是在金屬表面附上一層覆蓋層，以達(dá)到防腐、改善性能及裝飾的作用。通常分電鍍、化學(xué)處理和涂漆三種。電鍍電鍍是應(yīng)用電解原理在某些金屬（或非金屬）表面鍍上一薄層其它金屬或合金的過(guò)程。分為：鍍鉻 、鍍鎳 、鍍鋅 化學(xué)處理金屬零件表面的化學(xué)處理主要有氧化和磷化。氧化是零件表面形成該金屬的氧