《互换性与测量技术》课件第1章.ppt

1、第1章 绪 论1.1 互换性概述 1.2 标准及标准化的概念 1.3 几何量计量技术简介 1.4 本课程的学习任务 1.1 互互换换性性概概述述1.1.1 互换性的概念及定义互换性的概念及定义在日常生活中，互换性给我们带来的便利随处可见。如灯管坏了，只要换上一根同规格的新灯管，通电以后就可以正常照明了；电子手表的电池没电了，只要换装一粒同规格的新电池，手表便会继续运行。在工业生产过程中，互换性对提高生产效率和保证经济性也起着重要的作用。如在繁忙的装配流水线的某一工位上，若装配同规格的螺栓需经过挑选或修锉才能完成，则会影响整个流水线的运行。现代工业生产对零(部)件的互换性提出了要求；同时，零(部

2、)件的互换性也保证了工业生产的正常运行。同一规格的零(部)件，不经过任何附加修配或挑选就能装配在机器上，并能达到规定的功能要求，这一特性被称为互换性。互换性包括几何性和可靠性，本书只讲述几何性互换性的保证。互换性在制造业中的作用可以从以下几方面加以概括：(1)在设计方面，零(部)件具有了互换性就可以最大限度地采用标准件、通用件和标准部件，极大地简化绘图、计算等工作，最终缩短设计周期，而且有利于计算机辅助设计和产品品种的多样化。(2)在制造方面，互换性有利于组织专业化生产；有利于采用先进工艺和高效率的专用设备，甚至采用计算机辅助制造；有利于实现加工过程和装配过程的机械化、自动化，从而提高劳动生产

3、率，保证产品质量，降低生产成本。(3)在使用和维修方面，零(部)件具有了互换性就可以及时更换已磨损或损坏了的零(部)件(如机器中的滚动轴承)，以减少机器的维修时间和费用，保证机器能连续而持久地运行，从而提高机器的使用价值。1.1.2 零零(部部)件互换性的保证件互换性的保证机器零(部)件在加工或装配过程中均存在加工误差，包括尺寸误差、形状误差、位置误差及表面质量缺陷。这些误差均会与零(部)件的互换性要求发生冲突。但实践表明，只要将同规格零(部)件的误差控制在一定的范围内，它们就具备了互换性，该控制范围称为公差(Tolerance)。公差包括尺寸公差、几何公差(控制零件的形状和位置误差)等，统称

4、为几何量公差。表征几何特性的量称为几何量，包括长度、角度、几何形状、相互位置、表面粗糙度等。对几何量误差的控制由来已久，如考古人员在对秦始皇兵马俑的发掘过程中，共发现了四万多个金属制造的三棱箭头，它们都制作得极其规整，箭头底边宽度的平均误差只有0.83 mm。且对这些青铜箭头的三个面做20倍的放大投影后发现，其轮廓误差不大于0.15 mm，甚至箭头的各金属含量的配比也基本一致，这说明数以万计的箭头都是按照相同的技术标准制造的。另外，在俑坑中还发掘出了弩机，弩机的所有零件均为青铜制造，其中的几处孔、轴结合都具有互换性。这也说明了在两千多年前，我们的祖先已掌握了控制几何量误差、遵循互换性生产的技术

5、。有文献可查的基于互换性的生产，可追溯到美国的独立战争时期。那时的枪支都是先由工匠手工制好一个零件后，再按照已制好的零件用手工配做另一个零件，因此制造一支枪的周期很长，且同名称的枪械零件之间也不能相互替换；但是战争需要大量的枪支，所以如何能在短时期内赶制大量的枪支以满足战争的需要，就成为了一个急需解决的问题。一位名叫惠特尼(Whitney Eli)的青年人开始思考这个问题并付诸行动。他先将工匠分为不同的制作小组，每个小组按照一定的尺寸要求制作相同的零件；然后再将合格的零件进行组装，这样一支合格的枪便做好了，且同名称的零件可以相互替换。按照这种制造方法，在很短的时间内就赶制出了四万支合格的枪。在

6、整个制造过程中，虽然惠特尼没有发明任何有形的东西，但他发明了一个新的思想，即基于互换性制造的思想。互换性制造又称为标准化制造。后来美国的福特(Ford)汽车公司发明的流水线生产汽车的方法，也遵循了互换性、并行生产的理念，此方法奠基了现代机器制造业的基础。1.1.3 互换性的分类互换性的分类互换性按照其互换程度可分为完全互换与非完全互换。(1)完全互换。完全互换是指零(部)件在配合前不需要进行选择，装配时也不需要修配和调整，装配后即可满足预定的使用要求的互换性。(2)非完全互换。当装配精度要求很高时，若采用完全互换将会要求零件的尺寸公差很小，从而导致加工困难和成本高，甚至无法加工。这时可以采用非

7、完全互换法进行生产，即将其制造公差适当放大，以便于加工；在完工后，再对零件进行测量并按实际尺寸的大小分组；最后按组进行装配。这种仅是组内零件可以互换，组与组之间不可互换的方法，叫做分组互换法。分组互换既可保证装配精度与使用要求，又降低了生产成本。机器装配时，允许使用补充机械加工或钳工修刮的方法来获得所需精度的方法，称为修配法。如普通车床尾架部件中的垫板，其厚度需在装配时再进行修磨，以满足头尾架顶尖等高的要求。在装配时，用调整的方法，改变零件在机器中的尺寸和位置，以满足其功能要求，称之为调整法。如机床导轨中的镶条，装配时可沿导轨移动方向调整其位置，以满足间隙要求。分组互换法、修配法和调整法都属于

8、不完全互换。不完全互换只限于部件或机构在制造厂内装配时使用；对于厂际协作，则往往要求完全互换。具体采用哪种方式为宜，要由产品精度、产品复杂程度、生产规模、设备条件及技术水平等一系列因素来决定。一般的大量生产和成批生产，如汽车厂、拖拉机厂大都采用完全互换法生产；精度要求高的行业，如轴承工业，常采用分组装配，即按照不完全互换法生产；而小批和单件生产，如矿山、冶金等重型机器业，则常采用修配法或调整法生产。需要指出的是，对于一些精度要求极高的配合，即便采用非完全互换性生产，也难以满足要求时，可采用配对(配作)的方法。此方法相当于无互换性，即若将配作生产的零件拆开与其他零件相配，则满足不了使用要求，如发

9、动机的气阀与阀座须成对研磨才能保证精度要求。因此互换性的运用，是以保证生产效率和经济性为前提的。1.2 标准及标准化的概念标准及标准化的概念标准分为五级：国际标准、国家标准、行业标准、地方标准和企业标准。(1)国家标准是指由国家的官方标准化机构或政府授权的有关机构批准、发布，且在全国范围内统一适用的标准。我国国家标准由国务院标准化行政主管部门编制计划和组织草拟，并统一审批、编号和发布。我国国家标准的代号是用“国标”两个字的汉语拼音的第一个字母“G”和“B”表示的。强制性国家标准的代号为“GB”，推荐性国家标准的代号为“GB/T”。国家标准的编号由国家标准的代号、国家标准发布的顺序号和国家标准发

10、布的年号三部分组成。(2)行业标准是对国家标准的补充，其在相应的国家标准实施后自行废止。机械行业的标准用“JB”表示。(3)地方标准是指在某个省、自治区、直辖市范围内统一的标准。对没有国家标准和行业标准，而又需要在省、自治区、直辖市范围内统一的工业产品的安全和卫生要求，可以制定地方标准。地方标准可用“DB”表示。(4)企业标准是指企业所制定的产品标准和企业内部为了协调、统一技术要求和管理工作要求所制定的标准。企业在生产没有相应的国家标准、行业标准和地方标准的产品时，应当制定企业标准，以作为组织生产的依据。企业标准可用“QB”表示。标准化是指为在一定范围内获得最佳秩序，对实际的或潜在的问题制定共

11、同的和重复使用的规则的活动；也指在经济、技术、科学、管理等社会实践中，通过制订、发布和实施标准，使重复性的事物和概念达到统一，以获得最佳秩序和社会效益的活动。标准化是组织现代化生产的重要手段和必要条件，是合理发展产品品种、组织专业化生产的前提，是公司实现科学管理和现代化管理的基础；是提高产品质量、保证安全和卫生的技术保证；是国家资源合理利用、节约能源和节约原材料的有效途径；是推广新材料、新技术、新科研成果的桥梁；是消除贸易障碍、促进国际贸易发展的通行证。1.3 几何量计量技术简介几何量计量技术简介计量(metrology)被定义为实现单位统一、量值准确可靠的活动。新中国成立后，国家于1953年

12、确认采用“计量”一词，取代了使用几千年的度量衡，并被赋予了更广泛的内容。测量(measurement)指以确定量值为目的的操作。从几何量计量的角度来看，测量是指将被测量与测量单位相比较并得出比值的过程。例如使用卡尺或外径千分尺测量轴的直径，便是测量。检验(inspection)是指为确定被测量值是否达到预期要求所进行的操作。例如，用光滑极限量规对孔(或轴)的合格性进行判断，便是检验。对几何量的评判，常用到检测，可以将其理解为检验与测量的综合称呼。在对几何量的合格性进行评判时，常要用到检验和测量手段。为了保证零(部)件的互换性，必须制定相关的公差标准；而判断零(部)件是否达到相应的公差要求，则需

13、借助计量这一手段。因此，互换性、公差标准和计量手段之间是相辅相成的。早在人类文明发展初期，人们就已知道利用人的肢体作为量具来进行简单的长度测量了。18世纪中叶之前，机械制造业中所用的测量工具是线纹尺，在军工产品中使用的是标准量规。19世纪初，几何量检测技术得到了第一次大发展：1850年游标卡尺问世，1867年出现了千分尺，1895年生产了量块。采用量块作为长度标准，大大地促进了比较测量的发展。20世纪，几何量检测技术再一次得到了发展：1907年出现了杠杆式测微器，随后出现百分表、测微仪等；1928年出现了气动量仪；1930年起各种不同的电接触式、电感式、电容式量仪相继出现，为机械加工过程中的自

14、动检测提供了新的装置；1937年生产了扭簧比较仪；20世纪30年代人们运用光学原理设计了光学量仪，并应用光学显微镜、光学投影等技术制成了工具显微镜、测长仪、投影仪；到20世纪50年代，光学量仪已成系列；60年代，电子、光栅技术的应用出现了光、机、电结合的量仪，且应用激光等新技术研制出很多新颖量仪。我国研制的光电光波比长仪、激光量块干涉仪、微电脑双频激光干涉仪、齿轮整体误差测量机等，都达到了国际先进水平。此外三坐标测量机、齿轮单面啮合检查仪等都配置了电子计算机，大大提高了测量速度和精度。近年来，微型、大型、复杂形状工件的自动检测技术发展很快：利用激光衍射原理自动连续检测0.01mm0.1mm的细

15、丝直径的精度达到0.1 m；采用光栅传感器自动检测大直径后，测量结果可用数字显示；利用射线、微波、超声波来检测板块、带状和薄壁筒工件的厚度，可达到很高的精度；对于复杂形状工件，可采用多个测头自动巡回测量，或利用工业电视扫描法与标准板块作比较测量；利用激光全息照相技术对工件内形状进行检测。这些技术均取得了很好的效果。目前，坐标测量机和数控机床广泛使用光栅、磁栅、感应用步器和激光作为检测元件，实现了脉冲记数、数字显示的自动检测，提高了检测准确度和测量效率。这就使几何量检测技术有了飞速发展，检测精度达到微米级，甚至纳米级。例如1940年出现的比较仪，检测精度从3 m提高到1.5 m；1950年推出的

16、光电比较仪，检测精度提高到0.2 m；1960年生产的圆度仪，检测精度达到0.1 m；1969年出现的激光干涉仪，检测精度达到0.01 m。几何量检测技术的进步使得测量范围由两维发展到三维空间，测量尺寸的大小则涵盖了从集成元件线条宽度到飞机机架尺寸。检测的自动化程度，从人工对准刻度尺读数到自动对准、计算机处理数据、自动显示并打印测量结果，无一不加快了工件在线加工、自动检测的进程。国外在1985年的机械加工中就实现了25%的自动检测，不需人为干预；到了1990年，通过计算机闭环控制和自动检测则实现了质量控制的全盘自动化。当前的几何量检测正由主动测量发展到动态过程测量。主动测量是将测量结果用来控制

17、加工工艺，以决定是否继续加工；动态过程测量是将测量与加工组成一个整体，此时测量不仅用于纠正加工方法，而且可对工件参数的变化进行连续测量，并将这些参数变化反馈到加工过程中，以保持被测参数落在最佳要求的范围内。1.4 本课程的学习任务本课程的学习任务从机械设计的角度讲，设计不仅包含结构设计和强度设计，还包括机构和零件的几何精度设计。作为机械类高职高专的学生，虽然对几何精度设计的掌握要求较低，但通过本课程的学习后，必须建立起零(部)件几何精度的概念，并初步掌握标准化和互换性的基本概念及有关的基本术语与定义；在此基础上，应能正确地阅读零(部)件的工程图，理解其上的几何精度要求，包括尺寸公差要求、几何公差要求、表面粗糙度要求等；应会正确地查用本课程所介绍的公差表格，熟悉各种典型的几何量检测方法，学会使用常用的计量器具；此外，应能设计出基本的几何量精度检测方案，以满足解决生产线实际问题的能力要求。本课程作为机械类专业学生的一门重要的技术基础课程，既要对已有的机械加工认识作提高和强化，也要为后续各专业课程的学习和相关课程设计作一个知识的铺垫，因而该课程具有桥梁和纽带的作用。相信学生在认真学好本门课程后，再结合后续课程的教学和实训，一定会对零(部)件的相关几何精度概念有更加深刻的理解，对零(部)件的几何精度要求的检测能力也会有一个质的提高。