设计及工程图纸转换为测量过程的良好实践基础.pdf

2 摘要摘要 此良好实践指南是为了工程师和计量技术人员而写的 这些人员希望了解工程图纸与计量 过程的关系 在阅读此指南后 设计者应当对测量过程有一个更好的理解 而计量技术人员应更好理解 设计者的意图 2005 年 7 月 声明声明 此文件是根据海克斯康公司与贸易部及国家测量政策单位所签合同 GBBK C 0817 下产生 的 非常感谢海克斯康计量公司 Tesa 技术公司及 Renishaw 公司 因为他们提供了许多照片 同时要感谢 NPL 的 Richard Leach 博士及 Taler Hobson 公司的 Paul Scott 教授对此指南提出 的改进意见 3 目录 前言前言 6 序言序言 8 此指南是什么 它不是什么此指南是什么 它不是什么 9 生产的整体分析生产的整体分析 9 几何量产品规范的介绍几何量产品规范的介绍 9 为了准备制造而对图纸进行的转换为了准备制造而对图纸进行的转换 12 为了准备测量而对图纸进行的转换为了准备测量而对图纸进行的转换 13 标准参考温度标准参考温度 14 设计设计 15 设计者的角色 应用现代设计手段设计者的角色 应用现代设计手段 CAD 有限元 有限元 FEA 及数学模型及数学模型 16 设计的转换以更易于制造及测量设计的转换以更易于制造及测量 17 为什么尺寸要求公差为什么尺寸要求公差 19 设计零件时对于测量的考虑设计零件时对于测量的考虑 19 我是否能设计一个较易测量的零件 我是否能设计一个较易测量的零件 19 制造制造 21 零件制造介绍零件制造介绍 22 基本制造及加工工艺概览 基本制造及加工工艺概览 23 监测工艺过程监测工艺过程 26 趋势监测及统计控制趋势监测及统计控制 26 过程控制及测量反馈过程控制及测量反馈 27 图纸图纸 28 4 概览 什么信息被传递概览 什么信息被传递 尺寸 位置 形状和表面粗糙度尺寸 位置 形状和表面粗糙度 29 为零件建立一个坐标系统 基准 为零件建立一个坐标系统 基准 44 基准是否容易测到 基准是否容易测到 46 虚拟基准虚拟基准 46 为什么局部圆弧是一个坏的基准 为什么局部圆弧是一个坏的基准 47 在坐标测量机上测量局部圆弧存在的问题在坐标测量机上测量局部圆弧存在的问题 47 公差真的要求那样小吗 公差真的要求那样小吗 48 最小二乘还是最小条件最小二乘还是最小条件 48 检测检测 50 保证零件符合要求保证零件符合要求 51 取样对比取样对比 100 检测检测 51 选用合适的检测工具选用合适的检测工具 51 检测图纸上规定的尺寸是否符合公差要求是可能的 检测图纸上规定的尺寸是否符合公差要求是可能的 51 已出版的标准已出版的标准 57 已出版的标准的清单已出版的标准的清单 58 名词词汇名词词汇 59 名词词汇名词词汇 解释略解释略 60 附录附录 61 附录附录 A 与其他有用信息资源的联系与其他有用信息资源的联系 62 A 1 国家和国际组织国家和国际组织 62 A 2 网络网络 62 A 3 国家和国际标准国家和国际标准 63 A 4 溯源性溯源性 63 A 5 国家测量伙伴国家测量伙伴 NMP 64 5 A 6 培训教程培训教程 64 A 7 进一步的读物进一步的读物 65 附录附录 B 进一步的读物进一步的读物 67 B 1 最大实体条件最大实体条件 一个例子一个例子 67 B 2 统计过程控制统计过程控制 68 6 工程图纸转换的良好实践基础工程图纸转换的良好实践基础 前言前言 作者希望读者在读完此良好实践指南后 将在测量尺寸和形状时可以作得更好 此书的 内容比一般 工程设计 的教科书更为简单 其目的是让更多的读者能够理解 我们并不希望去替代现有教科书 操作手册 规范和标准的全部内容 而是用作良好实 践及技术的概览 Richard Leach 博士在 2003 年就说过 计量不仅仅是最终产品的测量过程 它还应当是 在设计阶段考虑的一个方面 按照几何量产品规范 GPS 模式 公差及不确定度要求 在设 计 制造和检测的各个阶段均应加以考虑 最重要的理由是 晚些时候发现由于难于测量而 重新设计产品 比在开始设计时就考虑了计量要付出更高代价 7 良好测量实践良好测量实践 由由 NPL 制订的六个良好测量实践原则制订的六个良好测量实践原则 这些是 正确的测量正确的测量 测量仅应当满足已经认可的而且进行完善定义的要求 正确的工具正确的工具 应当应用合适的设备和方法进行测量 这些都经过论证并适合于工作的 目的 正确的人员正确的人员 测量人员应当是能胜任工作的 合格的和熟悉了解工作的 定期的回顾定期的回顾 应当有内部的独立部门对所有测量设施和过程的技术性能作出评估 论证的一致性论证的一致性 在一个地方测量应当与在其他地方进行测量一致 正确的过程 正确的过程 所有的测量过程应当经深思熟虑并与国家或国际标准相一致 8 序言 在此章内在此章内 此指南是什么 它不是什么 生产的整体分析 几何量产品规范的介绍 GPS 标准链 作测量准备而对系统的转换 标准检测温度 第一章第一章 9 此此测量良好实践指南将对生产的三个阶段 设计 制造 检测提供一个概览 提供 在现代化制造中考虑优化生产的一个全局纵览 此指南是什么 它不是什么 此指南打算给出足够的信息 这样计量工作者可以了解设计者的规定与要求 同时给设 计者一些现代化测量方法的知识背景 此良好的实践指南并不打算作为产生工程图纸的权威 指南 生产的整体分析 只有在制造过程中的每个人都能正确的交流与沟通 才能完成对生产过程的整体分析 而主要的沟通工具就是工程图纸 它是十分重要的 因为所有生产过程中的关键参与者 在设计的一开始就决定了他们能否正确的介入 Richard Leach 博士在 2003 年就说过 计量不仅仅是最终产品的测量过程 它还应当是 在设计阶段考虑的一个方面 按照几何量产品规范 GPS 模式 公差及不确定度要求 在设 计 制造和检测的各个阶段均应加以考虑 最重要的理由是 晚些时候发现由于难于测量而 重新设计产品 比在开始设计时就考虑了计量要付出更高代价 一个重要的问题是 工作于现代制造中的许多人 因为现代化的生产过程是如此复杂 以致于很少人了解它的全部 现在的趋势是把人培养成专家 产品必须满足其设计要求 产品的规范及标准 因此产品需要在合适的环境下应用经济 的方法来生产制造 质量必须在从设计到装配的每个阶段中确立 而不仅是最后成品的检测 考虑到竞争 制造方法必须柔性化 这样才能对市场需求 产品类型 数量及生产率迅速做 出反应 新材料的应用 新的制造方法以及计算机辅助制造必须进行考虑和应用 因为为大 家所推崇 一个生产组织是一个大的 复杂的系统 它们要求从所有的层次作出反馈 来保 证优化使用所有的原材料 机器 能源 资金 劳动及技术资源 几何量产品规范的介绍 在深入了解工程图纸之前 你需要了解一点儿几何量产品规范 简称为 GPS GPS 的 概念可保证得到产品下述的基本特性 功能性 安全性 可靠性 互换性 GPS 通过一系列的标准得以应用 GPS 标准被分为四组 基本的 GPS 标准 尺寸及公差的基本规则 全球的 GPS 标准 例如 ISO 1 关于标准参考温度 10 通用的 GPS 标准 例如在 13 页所附的标准链 补充的 GPS 标准 例如工程图标注的技术规则 这一节将简要的介绍 GPS 更为详细的说明可以在附录 A 7 提到的文献 几何量产品 规范 技术大学教程 中找到 在生产中主要的沟通工具就是工程图纸 它提供了一个明晰的 无可争议的零件几何形 状的定义 而且规定了该几何形状不完善的极限 这个极限一般称为公差 图 1 典型的加工好零件 在第一步零件的设计阶段 设计者想象产品是完全理想的 完美制成的 所有的零件设 想在形状及尺寸上是完美的 生产过程由于各种因素造成零件的变化 例如它们可以在尺寸 形状 表面粗糙度引起变化 这些变化可能引起零件的功能发生变化 因此几何定义给出极限值 并且标准化以便于理解 这样在生产过程中不可避免的变化 可以纳入考虑以减少废品 为了理解零件的几何变化 定义一系列要求 这些要求就是 GPS 部分 包括了大小和尺寸 形位公差和表面的几何性质 见图 2 图 2 GPS 公差的通用概念 对于零件的配合 功能 安全和质量可以在 GPS 中找到相应的部分 11 GPS 是一个国际所接受的概念 覆盖了标注在技术图纸上工件所有的有关几何量不同 的要求 例如尺寸 距离 半径 角度 形状 方向 位置 跳动 表面粗糙度 表面波度 表面缺陷 边缘等 及所有相关的检测原理 检测仪器和它们的校准 简单的说就是它规定 了产品 工件 的微观及宏观的几何性质 以及根据相应的要求对相关的仪器进行检测和校 准 如同在 ISO 14660 1 1999 的引言中所介绍的 几何元素存在于三个世界 规范的世界规范的世界 由设计者想象的未来工件几个代表性参数 工件世界 工件世界 即实物世界 检测世界检测世界 用测量仪器通过取样得到所给工件的代表性参数 对于三个世界的关系的理解是非常重要的 ISO 14660对几何元素给出了标准化的名词 它应用于每一个世界 亦作为标准化的名词应用于各个世界的相互沟通 此处提及的 由 ISO CD 14659 定义的二元性原理亦是十分重要的 一个规范的定义是独立于任何检测过程或仪器 测量和设备是完全受控于规范 规范操 作者 检测操作者 所有规则都是为规范而订 任何计量仅仅应用此规则 偏差 差别将是 测量不确定度的组成部分 对所有在设计 制造和计量部门工作的人 了解 GPS 的要求是重要的 与 GPS 相关的 工程部门的通讯应当是清楚 精密 准确 每个部门了解设计的要求 GPS 标准包含了工程图纸的基本技术规则 在图 3 中勾画了 GPS 各模块的基本元素 图 3 GPS 各公差模块 注 注 在 1996 年 ISO TC213 技术会议 尺寸和几何量产品规范和检测 委员会成立 此技术组织的建立 专为国际标准化组织准备 GPS 文件 见 A 3 2 此时在欧洲有 一个平行的组织叫 CEN TC 290 为了工作的连续性 两个组织达成协议 他们准 备关于 GPS 的同一文件 大部分国家把 GPS 的标准作为国家标准 线和表面的形状 独立于基准 依赖于基准 尺寸 距离 半径 角度 方向 位置 圆跳动 全跳动 基准 GPS 模式 轮廓粗糙度 轮廓波度 主轮廓 表面不完善 边缘 12 GPS 标准的技术规则被分成六个链 它们连接任何所给的特性而且如下面所列 1 规则 字符及如何理解产品文件规范 2 公差理论定义及它们的数值 3 在图纸上给出非理想的实际零件相关公差字符 4 考虑测量不确度下零件偏离规范后 合格及不合格的判断 5 对测量仪器类型和要求的通用规则 6 对所用测量设备用的校准标准 方法和要求 以及它们如何与国家标准及国际标准 相连结 所有上述连接都与设计 制造及检测有关 近日 GPS 的主要内容 因考虑二元性原理而作了修改 现在有七个系列 第一列 产品文件表示 代码标准化 第二列 公差定义 理论的定义及数值 第三列 提取的元素的特性定义 规范操作者 第四列 比较 第五列 提取测量值的元素特性 第六列 测量设备的计量特性 第七列 测量设备几何量特性的校准和检测 只用于无争议的合同 只用于检测 对于不含糊的合同为必须 GPS 研究院的网址为 点击网址可以得到 GPS 的更多资源 为了准备制造而对图纸进行的转换 通常设计者并不给出机械加工零件的细节 但经常预先告知加工的顺序 从了解加工的 顺序 设计者可以确定加工的基准面 而由此给出加工的尺寸 此基准面可以用作制造过程 的夹持之用 注注 基准 一个理论元素 其他公差元素与此相关 在各个行业中 在生产各个阶段中有阶段性图纸 在各个阶段中所使用的基准元素可能 与成品图纸的基准元素不同 例如一个孔可能在生产中用找正夹具来加工其他元素 例如叶 片加工中的槽 一旦把槽加工出来 原来的孔可能在成品之前被去除 对于成功的生产出高质量零件 加工的计划是基于阶段性图纸还是最终成品图纸是至关 重要的 在制造加工之初必须考虑许多方面 考虑下述各点是重要的 什么是所要求的加工方法 资源是否具备 例如机床 工具 人员 设备 我们如何夹持零件 比较 4 规范 1 2 3 检测 5 6 7 仅用于检测 13 是否需要夹具 是否在线检测 是用量规还是测量仪器 什么是最合适的仪器 我们是否已考虑了测量不确定度 是否需要培训 一旦当这些问题得到回答 加工就可以开始 现在需要考虑怎么监视加工过程 作为制 造过程的一部分 应当用统计技术来协助我们 为了准备测量而对图纸进行的转换 设计要求的转换在测量准备阶段不能把重要性强调过高 用同一个元件的几何特性来建 立坐标系的基准元素对成功的测量策略是十分重要的 当测量时你所用的基准元素应当与图 纸中的 技术文件中的或 CAD 模块中直接与元件相关的基准元素相同 图纸中的基准元素一般为重要的特征 一个位置或定位元素 一个基准元素可以是一 个面 表面 一条中心线 轴线 或一系列特征 由它们的集合组成一个基准系统 一个基 准系统用传统的测量设备可能是易于建立 例如用平台加上角度板 千分表 高度尺及量块 见图 4 作为另一种选择 测量过程要求应用 CAD 的数据 因此要应用计算机化的仪器 例如 坐标测量机 CMM 见图 5 注 有时把 CAD 理解为计算机辅助作草图 而把 CADD 作为计算机辅助作草图及设计 CAD 与 CADD 基本是相同的意思 图 4 量块 图 5 坐标测量机 当设置一个测量基准时宁愿选择一个表面作为一个基准元素 此表面在制造过程中用以 夹持零件 这在以后可以清楚的看到 14 任何零件的元素可以用两种方法定义 相对于基准的位置 绝对值 相互的位置 增量 值 坐标系统应当清楚的说明是在实际图纸上或 CAD 模块上 根据图纸 必须制订测量零 件的几何特征及建立坐标系等测量的策略 必须考虑到环境例如温度的影响 所用的仪器和 对应相应规范的不确定度 在此指南将包含这些点的详细内容 标准参考温度 GPS 标准中最重要的是 ISO 1 2002 几何量产品规范 GPS 几何量产品规范及检测的 标准参考温度 此规范为所有尺寸测量及其他 GPS 标准定义了标准参考温度 ISO 1 2002 说 对几何 量产品规范及检测的标准参考温度是固定于 20 C 这个对于设计者 制造者和尺寸计量人员意味着什么呢 对于设计人员此意味着图纸上所有应用于零件的尺寸及公差都是指在 20 C 的温度情况下 的 若零件实际工作在较高的温度 那么设计人员需要在图纸上修正此尺寸 把较高温度的 尺寸转换为在 20 C 时的尺寸 在制造过程中零件必须在接近 20 C 的情况下测量 接近的 程度取决于所用材料及公差值 最终的检测必须满足下述条件之一 在温度控制为 20 C 的房间内 用与零件相同材料制成的已知的标准器在接近 20 C 的情况下进行比较测量 用一台测量机 此测量机可以测零件的温度并进行适当的修正 由操作者在其它温度情况下进行测量 并进行人工修正 温度 对一个给定的温度变化 零件尺寸变化多少一般称为线热膨胀 一个典型例子是钢 它 的热膨胀系数一般表达为 11 6 10 6 C 1 去修正为 20 C 时用下述公式 L20 LT 20 T LT 此处 L 是长度 T 是测量长度时的温度 是膨胀系数 例如一根钢棒 在温度为 23 4 C 测量长度为 300 015 mm 修正为 20 C 时长度为 300 015 20 23 4 11 6 10 6 300 015 300 003 mm 15 设计 在此章内在此章内 设计者的角色 应用现代设计手段 CAD 有限 元 FEA 及数学模型 当设计零件时考虑到制造 我是否能设计一个较易制造的零件 当设计零件时考虑到测量 我是否能设计一个较易测量的零件 改变设计以便于零件夹持 改变设计以便于接近零件 改变设计以便于再次定位 第二章第二章 16 设计者的角色 应用现代设计手段 CAD 有限元 FEA 及数学模型 设计开始于对一系列功能性的要求而制订技术规范 此时设计者应建立一系列针对用户 问题的解决方案 以及可以推想所要零件的形状 图 6 用计算机辅助设计 CAD 设计可以用传统的图纸生成方法 亦可以用计算机辅助设计 CAD CAD 是一种电子 工具 它使设计者能快速和精确的用计算机来作图 CAD 允许设计者用三维形象来表示零 件 这样可以从不同的角度来对零件作功能性及外观的检查 见图 6 先进的 CAD 系统可以对零件作干涉性检查 模拟运动零件的运动 计算应力 零件的 自振频率和模拟装配 为了便于零件的制造 设计者必须构造一个坐标系统来给零件标注尺寸 这样才能给制 造工程师提供详细的信息 坐标系统通常采用笛卡尔坐标系统 它有互相垂直的三个轴 通常用 x y z 表示 在 某些情况下用圆柱坐标系统 用一个径向距离 一个角度 一个高 其它较少用的是球坐标 系 用一个径向距离及两个角度 现代设计者应用 CAD 有限元分析 FEA 及数学模型来提出设计要求和产品规范 许多 设计中的考虑应加以强调 这在整过程中均带来效益 例如 当设计零件时考虑到制造 我是否能设计一个较易制造的零件 当设计零件时考虑到测量 我是否能设计一个较易测量的零件 改变设计以便于零件夹持 改变设计以便于接近零件 上述各点在这里作详细叙述 17 设计的转换以更易于制造及测量 不合适的设计会延误生产 在装配时返修并依赖于转包商 转包商有专门知识知道应当 发运什么 图 7 典型图纸 对在图纸上应用的名称及符号有国际标准及国家标准 此指南并不打算重复它们 而是 提供一个概览 指出在交流沟通时什么是重要的 如何进行沟通 如何传递知识到车间关键 的加工中去 图 7 给出了典型图纸中的部分 注 有限元分析是一种技术 用来预测结构和材料对环境因素例如力 热和振动的影响 在翻译工程图纸中最基本的问题为 不是所有的设计者 制造者和计量人员都已经读了 1700 多页的各种图纸标准 例如 BS8888 不同的 ISO 标准 ASME Y14 5 此处只提了很 少的名字 因此几乎没有人全部理解写在图纸上的和可以得到什么推论 可以确定当他们坐 下来讨论一张图纸时 几乎不可能每一点都同意 一张工程图的目的是表达设计功能的要求 它们应当清晰而且具有相关的信息 这样产 品可以根据这些要求制造和检测 设计中所用的方法应当清楚和简明 不致于在翻译设计中 含糊不清 这样反过来允许涉及到过程中的每一个人都可以理解设计的要求 传统的测量手段用测高仪 千分尺 量块和其他的参考基准 见图 8 到图 11 图 8 千分尺 图 9 卡尺 18 图 10 塞规 图 11 千分表 如今替代这些传统技术的是坐标测量机的应用 图 5 现代计量武器库中其他还有例如 圆度仪 图 12 传统的计量通常只能取样很少的点 千分表在物体表面移动时对读数的变化只能估读 现代的仪器几乎能覆盖全部表面 因此很容易确定形状误差以及更精确的数值 例如平 均直径 图 12 圆度仪 当进入测量阶段 许多因素能造成问题 例如测量局部的圆弧 此时设计图纸要求测量 圆的直径 但只有局部的圆弧可以触及 部分圆弧 圆的其他部分是虚拟的 局部圆弧对形状的微小变化十分敏感 显示的直径及中心位置都会急剧的变化 我们将 在第五章进行深入讨论 在图纸上标注的直径和公差有时会造成疑惑 假如技术图纸或 CAD 模型标注出要求直 径为 20 0 mm 在制造和测量中用什么方法什么设备呢 这回答取决于许多因素 但考虑公 差的小数点后的位数在决定时起着主要的作用 例如你用什么设备去测量下述的直径 1 直径 20 0 0 2 mm 2 直径 20 0 0 02 mm 直径 1 可以用卡尺测量 而直径 2 用千分尺 这清楚表明公差值在决定测量策略时的重 要性 注 注 应用 的极限的规范一般会造成很大的规范的不确定度 必须强调任何用 表示的规范 一般来说可以按 ISO 1101 的几何尺寸及公差或相关 的标准来替代 因此用 方式表达的公差仅用于表示尺寸 19 为什么尺寸要求公差 零件设计图纸或 CAD 模块确定了在给定规范内的理想尺寸 大家知道 制造过程不可 避免的产生某些变化 这些变化是由于机床 刀具 材料 操作者 不良的量规 缺少维护 测量设备或缺少培训所造成的 在制造过程中测量时 减少这些变化是十分重要的 对设计图纸的要求 包括对公差类型的了解有助于减少上述的变化 强调测量技术和设 备必须适合于检测这些尺寸 对于相关的测量不确定度的理解是必须的 设计零件时对于测量的考虑 当设计者在设计时必须经常问 这个项目能测量吗 对于规定的公差还不存在检测它的技术来判断它合格或不合格 若存在此技术 但你所 在的公司还没有触及或此测量非常昂贵超出你的财政预算 是否有足够的几何空间来测量所需测量的元素 公差是否合理 基准元素是否足够 大 对局部元素是否用最恰当的方式表达了公差要求 例如局部圆弧 在设计的早期阶段 设计者应当与进行测量的实验室接触 特别当实验不属于自己的组 织 在设计阶段的微小变化将防止以后昂贵的测量 我是否能设计一个较易测量的零件 这个问题的回答是完全肯定的 可以添加许多元素 它们不影响零件的功能却能大大方 便测量人员 设计人员在最终定型图纸前与检测人员谈话 在最终定型前 图纸细微的变化将为以后 节约很多时间 一个例子是提高表面粗糙度要求可以减少在测量过程中感觉到的变化 设计的改变帮助了零件的夹持设计的改变帮助了零件的夹持 对于小零件经常碰到的问题是如何在测量时固定它们又不引起变形或不会妨碍测量元 素 有时在设计阶段简单的加几个孔 一个法兰或一个定位套使得测量时更加容易 有时设 计者甚至考虑设计测量用的夹具 设计的改变帮助了元素的可接近性设计的改变帮助了元素的可接近性 改变设计使被测元素可被测量设备接近是设计人员经常要考虑的 这可能只要加一个小 的观察孔或移去没有作用的材料 例如把槽加宽以放下千分尺的砧座 改变设计以便于再次定位改变设计以便于再次定位 有一个非常强大的工具称为再次定位 这应用于零件大于特定的测量机行程而要分两段 测量 当在零件上设计几个螺纹孔 那里可以安装标准球 这样两段的测量可以应用同一个 20 坐标系统 图 15 显示了一个零件 其尺寸大于该测量机的行程 操作者把几个分离的黑色的球安装 在零件的边上 分别进行几次测量 然后在一个共同的坐标系统中进行拼合 图 13 一个被安装的球 图 14 附加的球用来允许重新定位 图 15 一个零件 其尺寸大于该测量机的行程 利用再次定位的方法测量 白色球用于再 次定位 对于再次定位的更多信息 见 Cox M G 1997 在 NPL 的报告 CLM2 利用再次定位方法 进行测量 重新定位的几个球 白色 21 制造 在此章内在此章内 制造者的角色 零件制造介绍 加工工艺基础 批量加工工艺 模铸 制造过程中的测量 手动和在线 监测和统计控制的趋向 加工过程中测量的反馈 第三章第三章 22 零件制造介绍 当一个零件设计完成 就可以被制造 当处理零件制造时 有许多事情需要考虑 不仅 要考虑制造方法而且要考虑测量及工艺过程的量化 这一章的目的是给出一个概览 既是为 了不同加工工艺时设计者 亦是为了计量者之用 在表 1 中给出了某些可能碰到的加工工艺 表表 1 通用制造工艺通用制造工艺 当处理所有生产工艺时 下述内容须加考虑 确定生产工艺要求 是否小批量生产 例如运动摩托单个零件生产 摩托工业每 20 个 零件为一批的中批量生产 航空工业用的成千的紧固件的大批量生产 在制造过程中测量 例如用最基本的手动工具 卡尺 千分尺 塞块等 或用在线量具 在线的量仪可以用硬量规来测量指定的尺寸 或者用坐标测量机利用传送装置或机械人在检 查站进行检测 图 16 及图 17 显示了在机床上的量仪 图 18 显示了硬量仪 图 16 机床上的量仪 图 17 机床上的量仪 金属铸造 成型工艺 碾压 锻造 热挤压 板材冲压 烧结 快速成型 金属切削工艺 车削 钻削 铣削 磨削 连接工艺 焊接 铜焊 胶结 机械连接 23 图 18 量仪 基本制造及加工工艺概览 原料切除技术原料切除技术 从原料上切除材料以生产零件有许多方法 最通用的办法在下面作一简述 车床 车床是机床的一种 工件旋转时刀具或研磨工具接近工件时 工作可以被加工成轴对称 的形状 在车床上制造的零件有桌腿 曲轴和凸轮轴等零件 图 19 显示了一台典型的车床 车床用卡盘夹持零件 相对于静止的刀具旋转零件 移动滑座及小溜板在轴向或径向运 动 原材料和刀具间相互作用 刀具去除材料生成切屑 一般来说车床宜于生成圆柱型零件 零件可以拿下来掉头用卡盘夹住加工另一端 如果 用掉头的方法加工内孔 内孔的同轴度公差不可能要求得很高 同样地 用两次装夹的方法 加工的法兰盘其厚度亦会变化 图 19 一台典型的车床 24 三轴铣床 三轴铣床用一个旋转的刀具从零件上切削材料 三轴铣床有不同的性能参数 典型的三 轴铣床的垂直轴安装刀具 而工作台在两个垂直方向的水平面内移动 零件可以用虎钳 卡盘或压板装夹在工作台上 虽然铣床可以加工很广范围的零件 并 不是在任何时间在任何方向都可以接近零件 虽然可以用转台或倾斜的工作台来改进 亦是 如此 图 20 显示了一台三轴铣床 图 20 一台三轴铣床 五轴计算机数控机床 五轴铣床是在三轴铣床的基础上另加了两个互相垂直的旋转轴 它们在计算机控制下 可以加工出复杂的空间三维形状 例如离心压缩机叶轮或螺旋推进器 五轴铣床可以在一次 装夹中加工零件的五个表面 根据机床的不同 零件可以用虎钳 卡盘 工作台的压板或转 台表面固定 线切割 线切割应用电化学工艺 用一根导电的细丝来加工导电的材料 被加工零件装在两轴工 作台上 此工艺适于加工二维的复杂外形的表面 图 21 给出了一个典型的线切割机床 图 22 可以看到切削钼丝 被加工零件必须预加工一个先导孔以在开始时穿过钼丝 更高级的 线切割机床的头可以倾斜以加工外锥体及内锥孔 此工艺适于薄壁的高精度零件 它不会由 于机床承载及变形造成工件加工失败 25 图 21 给出了一个典型的线切割机床 图 22 正在运转的线切割机床 电火花加工机床 EDM 电火花机床与线切割机床原理类似 但应用石墨或青铜电极而不是用钼丝 电极或模子 逐步下降深入到零件 并用电化学反应去除材料 一般先用粗加工电极然后再用精加工电极 因为电极本身亦在消耗 当然比零件变化得慢 此技术对制造注塑模具系统的模子及工具非常有用 可以在 Airfix 塑料模具套装中见 到详情 26 批量生产工艺批量生产工艺 铸造 模铸技术适于中 大批量生产 而且使零件有接近于成品的尺寸 这样减少了机械加工 工作量 设计人员可以考虑作一些装夹的地方作为零件的临时或永久部分 设计人员亦可以 设计一些元素以利于检测 例如三个小平面可以用作建立基准平面 假如它们不是功能性 元素则它们可以在检测时作为三维的最佳拟合时的完全浮动元素 例如 SmartfitTM 5 此软件 可以让检测者决定铸造件是否可以加工出成品零件 监测工艺过程 当处理任何工艺时 很重要的是它能从工艺中得到持续改进的信息 这一点有许多方法 及用许多质量工具及技术 这些技术可以应用许多不同的测量仪器 包括基础的手动工具 坐标测量机或专用的量仪 根据工艺的不同 真正了解所用工具要监测什么是很重要的 这些监测工艺是考虑以 500 为一个批次的检测 从 500 件中抽出 50 件进行测量 从这 些测量中得到的推论 例如平均尺寸及取样的标准偏差将根据你选用的采样计划及相应标 准允许你作出接收或拒收这一批的决定 用这种方法 并不会告诉你制造工艺的详情 假如 我们现在改变检测的工艺 从生产线中抽出每第十个零件检查 那么不但能得到平均值及标 准偏差而且能决定其趋势 这种趋势的监测在工艺控制中是一个强大的工具 使得操作者可 以定期的调整机床使零件不会超差 图 23 批量检测 趋势监测及统计控制 零件描述的不同方法将影响到生产过程的许多决策 正如在生命的过程中有不同的事 情 我们周边充满了变化 例如人的不同高度 汽车的不同类型 颜色和形状 所以当处理 制造过程中的变化时 监测的方法是重要的 此种方法使得每个产品和过程都会变化 例如 为什么零件的尺寸会变化 27 什么是此制造方法中引起变化的原因 用统计的技术去监测变化能清楚的帮助我们在工艺过程中减少变化 并且把统计 制造 和检测过程联系起来 这些监测过程所用的名词 如均值 范围 标准偏差 直方图 控制图 6 原则 见附 录 B 2 所有这些名词都是不同的监测过程的描述工具及技术 统计过程控制 SPC 这一名词是用于工业过程控制的统计应用 它的最简化形式是测 量生产线上每第十个零件的尺寸 测量并记录在具有上下公差标志的图形上 图 24 由此可 能预测何时加工过程可能产生超差品 并采用相应的措施 例如调整刀具等 过程控制及测量反馈 当在制造阶段或检测阶段进行测量时 可以应用趋势监视和 SPC 测量仪器 诸如千分 尺 卡尺 在线量仪甚至坐标测量机 它们能与计算机连接 而计算机可以连网 这样就可 以应用软件来监测测量结果及所得的统计数据 在附录 B 2 所说明的质量工具及技术可以把 数据反馈给工艺过程 共同应用计算及结果 加之以图形表示 这对于建立一个预防环境是 十分重要的 从测量设备所得到的数据 SPC 可以反馈到生产过程以允许对机床作相关的调整 这样 给予应用预防策略的机会 图 24 显示了一张基本的 SPC 的图形表示了随时间的变化 此 SPC 图的目标是减少变 化 USL 规定的上偏差极限 UCL 上偏差控制极限 LSL 规定的下偏差极限 LCL 下偏差控制极限 结果在控制极限内 图 24 基本的控制图形 28 图纸 在此章内在此章内 所传递的信息概览 尺寸 形状 表面粗糙度 坐标系统 笛卡尔坐标系 圆柱坐标系 球坐标 系 局部坐标系与全局坐标系 尺寸 建基准 基准要易于测量 虚拟基准 为什么局部圆弧是一个坏的基准 是否公差值应规定得这么小 最小二乘法还是最小条件 加工工艺基础 第四章第四章 29 工程图纸是设计者的思想传递给工程师和计量者的最主要通讯工具 此章对图纸语言作 一个简单介绍 概览 什么信息被传递 尺寸 位置 形状和表面粗糙度 引言引言 一个真实制造的零件会与规定的设计产生不同的变化 尺寸会有不同的变化如内孔直 径 长度 形状可能变化 例如圆柱形状可以变成桶形 表面纹理不平滑 由于制造用的机 床的重复性因素而造成的形状偏差变化 例如机床的弹性及工件夹具的因素 若这些变化在 规范以内 那么是可以接受的 图纸传递的信息是多大的变化是许可的 坐标系统坐标系统 首先我们将简要的介绍你们可能在图纸上碰到的坐标系 它们是笛卡尔坐标系 圆柱坐 标系 球坐标系 每一个都可能是局部坐标系或全局坐标系 坐标系统 笛卡尔坐标系 圆柱坐标系 球坐标系 局部坐标系与全局坐标系 最常见的坐标系是传统的笛卡尔坐标系 它有三个互相垂直的轴系 即互相成直角 习惯用 x y 和 z 表示 见图 25 图 25 笛卡尔坐标系 在某些情况下 应用圆柱坐标系 用一个半径距离 一个角度和一个高度 较少的情况 下应用球坐标系 一个半径距离和两个角度 笛卡尔坐标 x y 和 z 可以应用球坐标系表示 方位角及俯仰角是角位移 分别从 x 轴 正向及 x y 平面量起 而 R 值为坐标原点到点的距离 30 全局坐标系及局部坐标系 坐标系统可以是全局坐标系或局部坐标系 一个全局坐标系统可以想象为绝对参考坐标 框架 许多情况下可能必须建立你自己的坐标系统 它的原点与全局坐标系原点偏置 它的方 向亦与原来预定的全局坐标系不同 这种由用户定义的坐标系统被称为局部坐标系 这两种系统都可以是笛卡尔 圆柱或球坐标系 作为一个例子 图纸描述一架飞机 其全局坐标系可以在飞机的鼻锥建立 但各个零件 可以有局部坐标系 通用公差通用公差 在工程上公差是一个允许值 是考虑在制造一个对象时的不完善所造成的 一个规定名 义直径为 100 mm 的圆柱同时规定一个公差为 0 1 mm 这亦就是说此圆柱任何直径从 99 9 mm 到 100 1 mm 均为合格 把直径规定正好为 100 mm 是没有道理的 因为不可能做出这 样的圆柱 在图纸上大部分关键的元素将分别注出公差 其地方则没有相近的公差甚至公差标注 这一般称为通用公差 通用公差值一般在图纸的特定区域标注 例如可以标注为若无特别标 注则尺寸公差为 0 250 mm 或角度公差为 1 对功能尺寸的公差是下一步要谈及的 形位公差形位公差 形位公差的目的是描述产品的几何性质及各个功能零件或装配时的关系 形位公差与传 统的制图实践有关 对形位公差有通用的符号语言 就像路标的国际系统 它们告诉驾驶者如何选择道路 形位公差符号允许设计工程师精确地和逻辑地描述零件的元素 使这些元素能够精确地制造 和检测 通过应用形位公差对工艺最大的改进表现在你的产品的质量 成本和发运 在 CAD 和 CMM 的发展的世界里 作为标准 质量工具和技术已经把责任交给了 GPS 来提供一个设计 质量和制造过程的通用的连接 应用形位公差于 CAD 设计及工程图纸可能带来许多好处 例如 基准及基准参考系统用来规定设计要求的尺寸及相配合的零件 通用的符号及名称 减少混淆 尺寸及相关公差是建立在功能的基础之上 尺寸公差的方法减少了公差的累加 提供了信息 那些可被用来控制工具及装配的接口 当应用形位公差和处理零件的真实几何表面时 你可以从理论表面形状 方向 位置分 类它的偏差 作为单独的或相关基准的元素形位公差的类型 图 26 单独的形状公差一般与 基准无关 例如直线度 可能去看它轮廓的形状误差 它们并不总是与基准有关 31 图 26 形位公差分类 下述章节将给出形位公差的基本要求 图 27 用图形的方式给出一个概览 图 27 形位公差概览 形位公差在图纸上的应用包括 几何参考 基准元素 元素控制框架 几何特征 符号 公差形状 公差带 上述各点现在加以详述 形状 平面度 直线度 圆度 圆柱度 方向性 同心度 同轴度 对称度 角度公差 平行度 垂直度 形位公差 位置有关的 位置度 线轮廓度 面轮廓度 跳动 圆跳动 轴向跳动 全跳动 32 几何参考 基准元素 几何参考 基准元素 基准元素可以在图纸上或 CAD 模块上加以确定 在图纸上往往用涂色或打开的三角形 表示基准元素 框内表示基准的字母如图 28 所示用大写表示 此字母将在与基准有关的元 素公差控制框内出现 见图 33 元素控制框内应标注出所有有关的基准 很重要的是当测量时创建与此零件有关的坐标系统 用以确定基准元素的形位公差名词 有 1 主基准 这是定义一个元素或元素组 用来找正零件 一般为一个表面或一条轴线 2 第二基准 这是定义一个元素或元素组 用来相对于主基准转动零件 3 第三基准 这是定义一个元素或元素组 相对于主基准及第二基准用来完成坐标系的建 立 图 28 基准三角形及基准字母 基准在图纸上的位置会有所不同 这取决于元素或元素组的特定要求及功能 很重要的 是确定这些要求 而不致在制造或测量此零件时造成基本的错误 例如必须注意是否一条轴 线 平面 元素的延长线或目标基准是坐标系所要求的参考 图 29 基准是零件的轴线 而图 30 基准是一个元素的延长线 图 29 基准轴 图 30 基准表面或表面元素延长线 当进行粗加工时 基准目标点群用来建立基准 基准目标框用来表示此点群 线或区域 在确定制造位置或测量点时 均应从此点定义来建立坐标系 图 31 给出了一个基准目标框 33 的例子 此例给出了制造及测量的位置可以在直径为 8mm 的圆区域中的任何位置 此理论 中心距角点为 15mm 和 15mm A1 是基准名字 基准元素及基准目标号 由于目标是一个 区域 所以画上剖面线 图 31 基准目标框例子 元素控制框元素控制框 元素控制框 或公差框 是一个直角形框架 分成许多小格 它们提供了各种不同技术要 求的制造及测量的尺寸信息 此特性控制方框含有公差特性字符 公差带形状 生产中变化 量的极限值及应用的参考基准 公差特性符号 公差值及形状公差带 第一基准 第二基准 第三基准 图 32 一个元素控制 公差 框和它能包含的信息 元素框格中所含的格数可以变化 这取决于所用特性的类型 是否独立的或相关的 而 且有什么特性要求 例如一个独立元素的元素控制框可以如图 33 所示 图 33 一个简单的元素控制框 公差框 34 几何特性几何特性 特性控制框的第一格包含了公差特性字符 几何特性用一系列的符号表示 它们可以描 述出这些制造或待测元素的设计要求 我们将依序通过实例显示出如何进行测量 形状公差形状公差 圆度圆度 图 34 给出了表示圆度的符号 两个同心圆间的区域作为规定的公差带 见图 35 在图 34 轮廓线必须在两个带宽为 0 038mm 的同心圆之间 在检测时可以用圆度仪 图 12 或用坐 标测量机 应用圆度仪时旋转零件 传感器与零件表面接触 记录相对于理想圆的偏差 坐 标测量机将绕圆周表面接触许多点 并用圆来拟合这些数据然后评价圆度 两种方法均用过 滤器 重要的是所有卷入生产过程的人均要同意所采用的过滤方法 采点的密度应反应出加 工过程中的典型形状误差 图 34 圆度符号 图 35 圆度定义 直线度直线度 图 36 给出了表示直线度直线度的符号 两个包容平行线间的区域作为规定的直线度公差 见图 37 在检测时可以用千分表与其他的基本测量工具一起进行测量 或用坐标测量机在表面 上测线 CMM 的几何量测量 当用坐标测量机测量形状 所用测点的密度应当反映在加工过程中的典型的形状误差 35 图 36 直线度符号 图 37 直线度定义 平面度平面度 图 38 给出了表示平面度的符号 两个包容平行面间的区域作为规定的平面度公差 见图 39 在检测时可以用平面度测量设备 如光学平镜 精密水平仪或千分表与其他的基本测量 工具一起进行测量 或用坐标测量机在表面上测点阵 图 38 平面度符号 图 39 平面度定义 圆柱度圆柱度 图 40 给出了表示圆柱度的符号 两个同心圆柱间的区域作为规定的圆柱度公差 被测 圆柱必须被此二圆柱包容 见图 41 在检测时可以用圆度仪或用坐标测量机按一定的点阵测 量 36 图 40 圆柱度符号 图 41 圆柱度定义 轮廓度轮廓度 轮廓度是一种控制非规则表面 线 弧或一般表面的表示 轮廓度可应用于线段或零件 的整个表面 轮廓度公差定义了一个沿着真实轮廓的均匀的两个边界 真实轮廓必须包容其 中 测量可以用千分表 样件及其他基本测量工具来完成 如轮廓投影仪 轮廓测量仪器及 其他测量设备 亦可以用坐标测量机 图 42 轮廓度符号 轮廓度公差可以是双向或单向的 此取决于箭头线相对名义尺寸的方向和公差带 图 43 图 43 轮廓度公差可以是双向或单向的 图 43 的左侧显示了线轮廓的公差带总是在两条线之间 此二条线由一组直径为 t 的圆 的公切线形成 此组圆的中心在名义轮廓线上 37 图 44 线轮廓公差 在图 44 中粗实线 实际轮廓线 位于圆的公切线形成的公差带内 用虚线表示的圆中 心线表示了理想轮廓 位置公差位置公差 位置公差表示了一个几何元素相对于另一个元素或基准的允许位置变化 位置度 对称 度和同心度 基本尺寸建立了相对于基准元素的真实位置和元素的相互关系 图 45 表示了 一个零件图纸上孔相对于基准 B 和 C 的尺寸 图 45 位置公差 位置公差是一个元素允许的总的相对于基准理论位置的变化 对于一个圆柱类元素 例 如孔和外直径 位置公差带是一个圆柱 而元素的轴线必须被它们包容 图 46 圆柱形公差带 在图 46 中是由直径为 0 375 mm 的圆柱定义的 圆柱的公差带的轴线是相对于基准 B 和 C 而言的 38 最大实体条件最大实体条件 最大实体条件 MMC 的原理描述了这样的情况 即此时几何特性有最多的材料 这对 两个零件装配在一起是重要的 若最大实体条件应用于内孔元素 则定义为最小尺寸 若定 义外尺寸 则此时定义了最大允许尺寸 图 47 最大实体条件符号的位置 最大实体条件符号放在如图 47 所示的公差框架内 放在所要求的公差值之后或任何应 用的基准符号之后 MMC 是一个应用的原理 当零件装配时是重要的 装配时把最小的孔与最大的轴装在 一起 在此原理建立后 被称为虚拟条件 它定义了孔和轴的最差装配条件 图 48 显示了最小实体条件 也就是轴为最小尺寸 孔为最大尺寸 下面的图给出了轴 为最大尺寸孔为最小尺寸 图 48 最大实体条件的概念 当两个零件处于虚拟条件时 它们仅仅能装配在一起 若偏离此条件的任何偏差 都会 造成两个元素更容易组合在一起 请记住这原理只有零件保持在公差之内才有效 这是十分 重要的 此虚拟条件是由最大实体条件和公差相组合而形成 若用于内孔尺寸 虚拟条件将是最 大实体条件减形位公差 相反若用于实体外尺寸 虚拟条件将为最大实体条件加形位公差 39 见 BS ISO 2692 1988 工程制图 形位公差 最大实体原理以得到更多信息 图 49 给出了一些最大实体条件符号的应用 最大实体条件应用于被测元素 最大实体条件应用于基准元素 最大实体条件应既用于被测元素 亦用于基准元素 图 49 最大实体条件公差框示例 同心度同心度 同轴度同轴度 图 50 表示了同心度及同轴度符号 同心度 同轴度公差带或者是与两个元素的中心点有 关 同心度 或者是与两个元素的中心轴线有关 同轴度 见图 51 所示的圆和圆柱 可 以用圆度仪或坐标测量机进行检测 对同心度应测两个圆 对于同轴度 相对于一个圆柱表 面的轴线 测量另一个圆柱表面 图 50 同心度 同轴度符号 在图 50 元素控制框架内 所检测元素的实际轴线应当在一个直径为 0 3mm 的圆柱内 此圆柱的轴线为基准 B 图 51 同轴度定义 对称度对称度 在图 52 给出了对称度的符号 对一些非圆柱形的元素 例如槽 位置公差可以是公差 带的总宽度 而元素的中心平面必须包容在其中 在检测时可以用千分表与其他的基本测量 40 工具一起进行测量 或用坐标测量机测量 图 52 对称元素控制框 图 53 槽的对称度 把图 52 的对称度框架公差带定义应用于图 53 所示的槽 以两个相距 0 175mm 的平行 平面为极限 对称于中心平面 中心平面以虚线表示 测量槽的中间平面 它应包容在相距 为 0 175mm 的平行平面间 此二平面是对称于基准中间平面 H 方向性公差方向性公差 平行度平行度 在图 54 给出了平行度平行度的符号 平行度公差带可以用两个平行于基准平面或轴线的两平 行平面或平行线来定义 见图 55 在检测时可以用千分表与其他的基本测量工具一起进行测量 或用坐标测量机测量 要记住表面 A 对表面 B 的平行度是不同于表面 B 对基准 A 的平行度 图 54 平行度符号 41 图 55 平行度公差举例 当应用于轴线时公差带可以是为圆柱形 图 56 平行度的圆柱形公差带 垂直度垂直度 在图 57 给出了垂直度的符号 垂直度公差带可以用两个垂直于基准平面或轴线的两平 面或线来定义 见图 58 及图 59 在检测时可以用千