1、主教教师：郑浩鑫电话：0351-3942721 办公地点：科研楼214室Email:,精密仪器零件设计,个人简介,1999-2003年：中北大学（原华北工学院）机械制造及其自动化、工商管理双学士 2003-2006年：中北大学电子工程系测试计量及仪器专业硕士 2006.7-至今：中北大学信息与通信工程学院教师,全课程章节安排,第一章 机构及其组成 第二章 平面连杆机构 第三章 弹性元件 第四章 摩擦轮传动和挠性传动 第五章 齿轮传动及其系统设计 第六章 螺旋传动 第七章 支承 第八章 轴系 第九章 导轨 第十章 弹性元件及联结 第十一章 公差与配合 共48学时=40学时讲授+ 8学时试验课,绪
2、论,概述 精密机械仪器零件工作能力的计算准则 精密机械仪器中常用材料与热处理 精密机械仪器零件的结构工艺性,1.1 概述,本课程的研究方向和发展趋势 本课程的研究对象及内容 本课程的地位、任务及作用 如何对本课程进行学习,研究方向,精密仪器的机构主要作用是组成具有确定性运动规律的相对运动的装置来传递、转换和控制运动，或实现某种特定的运动，以及调整、固定或稳定光学部件、光电元件和机械构件的相对位置。 例如：六自由度关节式工业机器人、内燃机、工件自动装卸装置（观看动画） 有关机械的基本原理,六自由度关节式工业机器人,观看动画,有关机械的基本理论,（1）机构的结构分析,1）研究机构是怎样组成的，其组
3、成对运动的影响，以及机构 具有确定运动的条件。,2）研究机构的组成原理及机构的结构分类。,3）如何绘制机构运动简图的问题。,（2）机构的运动分析,介绍对机构进行运动分析（包含位移、速度及加速度分析）的基本原理及方法。,（3）机器动力学,分析机器在运转过程中其各构件的受力情况，以及这些力的作功情况。,（5）精密机械系统运动方案的设计,研究在进行具体精密仪器机械设计时机构的选型、组合、 变异及机械传动系统运动方案的设计等问题。,（4）常用机构的分析与设计,研究常用机构（如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、螺旋 机构等）的类型、工作原理及运动特性分析和机构设计的基本 原理及方法。,发展趋势,现代精密机械
4、仪器是精密机械结构、光学系统和电路系统三者密切联系、互相配合，共同保证其各种技术性能的实现，即光机电结合。 例如：中国空空导弹研究院的舵机总体测试系统,舵机总体测试系统是对舵机总体功能和性能参数进行测试的专用测试设备，可完成舵机在空载状态下的转角、传递系数、动态特性（相位滞后）、空载角速度和加载状态下的输出力矩等参数的综合测试。,课程研究对象及内容,研究对象“机械”是机构和机器的总称。 本课程主要介绍精密机械仪器、仪表中常用机构（如常见的机构有带传动机构、链传动构、齿轮机构、凸轮机构、螺旋机构等。）和零部件的基本组成、工作原理，以及精密机构设计的基础理论和计算方法。同时对机构及零部件设计中的精
5、度进行分析，而对设计中的强度计算则力求简化。,本课程的地位、任务及作用,精密仪器零件课程是研究精密仪器基础理论的一门科学，是机电类各专业的一门主干技术基础课程，在创新设计仪器结构所需的知识结构中也占有核心地位。,（1）地位,（2）任务,掌握有关精密机械设计的基础理论知识和设计计算。掌握精密机械仪器仪表中通用零件的工作原理、特点、应用范围及其设计计算方法。掌握仪器仪表中常用机构的基本知识，能够比较合理地进行选用。并具有按照机械的使用要求进行机电系统方案设计的初步能力。,（3）作用,在培养高级机电工程技术人才的全局中，本课程不仅为大家学习相关技术基础和专业课程起到承前起后的作用，而且为今后从事机械
6、设计和研究工作起到增强适应能力和开发创新能力的作用。,如何对本课程进行学习,掌握本课程的特点,注重理论联系实际,逐步建立工程观点,认真对待每个学习环节,掌握本课程的特点,本课程要用到物理、数学、力学、机械制图和工程材料及机 械制造基础等先修课程的知识，尤其是理论力学、材力的知识。,但并不是这些课程的简单重复和堆砌，而是要引导大家如何应用 所学的知识解决工程实际中所遇到的问题。,所以本课程的学习不 同于理论课程的学习，也不同于专业课，而具有很强的综合性及 理论系统性及和一定的逻辑性和较强的工程实践性的特点。,因此，在学习本课程时应注意掌握基本的概念、原理及机构 的分析与综合的方法。,注重理论联系
7、实际,本课程并不是研究某种具体的机械，而是着重研究一般精密 机械仪器的共性问题，即机构的结构分析和综合的基本理论和基 本的方法。,这些基本理论和方法是紧密为工程服务的。,因此，在本课程的学习过程中，一方面要注意这些理论和方 法在理论上建立和推演的严密性和逻辑性，另一方面更要注意这 些理论和方法如何在工程实际中的应用。,此外还应随时留意日常 生活和生产中遇到的各种仪器机械，以丰富自己的感性认识；并 用所学到的理论和方法认识分析这些机械，以加深理解，使理论 和实践相互促进。,初步建立工程观点,本课程要用到很多与工程有关的名词、符合、公式、标准及 参数和对机械研究的一些常用的简化方法，如倒置、反转、
8、转化、 当量、等效、代换等等。,在机构分析与综合中，除解析法外还介 绍图解法、实验法以及试凑等一些工程中实用的方法。,因此在学习时，对名词应正确理解其含义，对公式应着重于 应用，而对方法则着重掌握其基本原理和作法。,另外，实际工程工程问题都是涉及多方面的因素的问题，其 求解可采用多种方法，其解一般也不是唯一的。这就要求设计者 具有分析、判断、决策的能力，要养成综合分析、全面考虑问题 的习惯和科学严谨、一丝不苟的工作作风。,认真对待学习的每一个环节,本课程全部教学工作的完成，需要自学、听课、习题课、实 验课、课后作业、答疑和考试，以及课程设计等教学环节。要学 好这门课，必须对每个教学环节予以充分
9、重视。,1.2精密机械仪器零件工作能力的计算准则,强度 刚度 塑性 硬度 耐磨性 精度 可靠性,零件工作能力强度,强度：是指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。强度极限 和屈服极限 是表征强度的主要性能指标。屈服极限是材料发生塑性变型时的应力；强度极限是材料发生断裂时的应力。,下一页,强度条件式： 零件的工作应力；零件的许用弯曲应力；零件的许用剪切应力 其中： S安全系数（按载荷的性质或零件的重要性选取）；、 零件的极限应力,判断零件强度的方法,返回,零件工作能力刚度,刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。 强度 抵抗破坏 在载荷作用下，构件的形状和尺寸发生的变化称为变形。,下一页,刚度计算,
10、主要是限定零件的弹性变形量yy，y零件的变形量；零件的变形角。许用变形量 根据工作要求确定,下一页,影响零件刚度的因素,零件的刚度与材料的强度极限无关，只与材料的弹性模量、零件材料的截面形状和几何尺寸有关。 弹性模量：表示材料抵抗拉伸或压缩变形的能力，在弹性变形范围内，应力与应变的比值E为常数，称为弹性模量。即表示材料刚度的大小。弹性模量E是表征材料刚度的主要性能指标。单位：吉帕（GPa) 通过材料的实验来测定的。,返回,零件工作能力耐磨性,耐磨性是指零件在载荷作用下抵抗磨损的能力。通常用限制压强 （单位接触面积上的正压力）和 值来控制不产生过渡磨损 ，即：式中v-两接触表面的相对滑动速度,返
11、回,塑性,塑性：是指在外力作用下，金属产生塑性变型而不产生断裂的能力。工程上一般用材料被拉断后所留下的残余变形来表示材料的塑性，一般用两个指标来表示： 延伸率：收缩率：,硬度,硬度：材料抵抗压入物压陷的能力，即材料对局部塑性变形的抵抗能力。工程上常用的洛氏硬度和布氏硬度分别为：HRC和HBC。,零件工作能力精度,表征测得结果与真实值接近程度的量称为精度 。,下一页,误差来源,原理误差 制造误差 使用误差,下一页,误差分类,误差按其性质，即误差出现的规律和特征，可分为 系统误差 可以消除 偶然误差（随机误差） 无法消除,下一页,误差计算,当有两个或多个独立有偶然因素影响零件加工的尺寸偏差时，以及
12、两个或多个零件装在一起的相关尺寸偏差 ，都是按偶然误差的性质分布的。则零件加工总误差等于各独立偶然误差之和，零件装配相关尺寸的总误差等于各部分误差之和 ，即：,下一页,误差计算的优化,由于一般情况下各偶然误差具有互相补偿的性能，因此，对偶然误差的合成，用均方根计算更接近实际情况。即 ：,返回,零件工作能力可靠性,在规定时间和规定使用条件下，不失效地发挥其规定功能的概率称为可靠度。通常用Rt表示。是衡量零件和产品在寿命方面的质量指标。,下一页,串连系统的可靠度,串连系统的可靠度一定低于最低可靠度零件的可靠度。,下一页,提高可靠性采取的措施,在满足要求前提下，力求结构简单，零件数目少； 设法提高系
13、统中最低可靠度零件的可靠度； 尽可能选用有可靠度保证的标准件； 安全系数要留有余地； 增加重要环节的备用系统； 合理规定维修期等。,返回,1.3精密机械仪器中常用材料与热处理,常用材料：金属材料非金属材料复合材料,金属材料黑色金属,铸铁 碳素钢 合金钢,金属材料有色金属,有色金属 铜合金 铝合金,非金属材料,工程塑料：聚酰胺、尼龙、等。 工业陶瓷：普通陶瓷、特种陶瓷等。 复合材料：玻璃纤维树脂基复合材料、 层合复合材料。,材料的选用原则,应具备保证零件正常工作所必需的性质； 应具备同样必需的各种材料中较经济的一种； 应是具备同样必需性质的各种材料中工艺性较好的一种。,热处理的目的,提高零件的强
14、度、硬度和表面耐磨性； 降低硬度，改善机械加工性能； 消除零件内部的残余内应力； 满足防锈、防腐等一些特殊要求。,钢的热处理,将零件加热到预定温度，保温一段时间，使其内部组织发生变化，然后按预定方式冷却到室温，以形成一定的金相组织结构，改变零件的性质，这一过程就称为热处理。,常用热处理方式,退火 正火 淬火、回火 调质 时效 表面化学热处理 渗碳 氮化,热处理方法：,1、退火：将钢件加热到临界温度以上2030度，经保温一段时间后随热处理炉（或埋入石灰石、沙中冷却）缓慢冷却至500度以下，然后在空气中冷却。目的：降低钢的硬度，改善切削性能；细化钢的晶粒，减少组织的不均匀性，消去工件在锻造、铸造中
15、出现的内应力。,2、正火：将钢件加热到临界温度以上3050度，保温一段时间后从炉中取出在空气中冷却。目的：正火和退火相似，但正火后机械强度略高。,3、淬火和回火 淬火是将工件加热到临界温度以上3050度，保温一定时间，然后在水或盐水或油中急速冷却。目的：提高钢的硬度和强度。但急速冷却引起内应力，使钢变脆，所以淬火后必须回火，以得到较高的强度、硬度和韧性。,回火：将淬火后的工件加热到临界温度以下，保温一定时间后在空气或水或油中冷却。 目的：硬度、强度略有降低，但消除了内应力和脆性。 调质：淬火高温回火，可以使钢材获得良好的综合机械性能。,表面化学热处理,化学热处理是将钢件放在某种化学介质中，通过
16、加热、保温、冷却的方法使介质中的某些元素渗入钢件表面，改变了表面层的化学成分，从而使其表面具有与内部不同的特殊性能。一般都是使表面获得高硬度、高疲劳极限，以及耐磨、防腐蚀性能。,渗碳,将低碳钢工件放在大量含碳的固体（木炭粉和碳酸盐）或气体（天然气、煤气等）介质中，加热到850950，保温一段时间，使碳扩散到钢表面层内，使表面层的含碳量达到0.8%1.2%。再经淬火和低温回火，从而获得高硬度和耐磨性。,氮化,将钢件放入含有氮的介质或利用氨气加热分解的氮气中，加热到500620，持续保温2050小时，使氮扩散渗入钢件表面层内。经氮化处理的钢件不再经淬火便具有很高的表面层硬度及耐磨性，并大大提高疲劳
17、极限、耐腐蚀性能及耐热性。,金属零件的表面处理,表面处理是在金属表面附上一层覆盖层，以达到防腐、改善性能及装饰的作用。通常分电镀、化学处理和涂漆三种。,电镀,电镀是应用电解原理在某些金属（或非金属）表面镀上一薄层其它金属或合金的过程。分为：镀铬 、镀镍 、镀锌,化学处理,金属零件表面的化学处理主要有氧化和磷化。 氧化是零件表面形成该金属的氧化膜，以保护金属不受侵蚀，并起美化作用； 磷化是在金属表面生成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，可以保护金属。,1.4精密机械仪器零件的结构工艺性,结构工艺性就是要求所设计的零件结构，在满足使用技术性能要求前提下，适应具体生产条件和规模，能用最少的时间，劳动量、工具设备以及最简单的工艺方法和过程生产出来。,结构工艺性应考虑的内容,合理的选择毛坯的种类和形状 零件结构设计时应尽可能提高零件的刚度 零件结构设计应保证刀具工作的可能性 零件结构设计，应保证装配的可能性,提高零件刚度示例,保证刀具工作的可能性示例,保证装配可能性示例,参考书目,浙江大学出版社，解兰昌等精密仪器仪表机构设计 高等教育出版社，邹慧君等机械原理 高等教育出版社，邱宣怀机械设计 中国轻工业出版社，王复兴材料力学 兵器工业出版社，王月梅理论力学,
