東北大學精密儀器設計及制造緒論-ppt(1)

1、精密儀器設計與制造精密儀器設計與制造主講人：孟紅記主講人：孟紅記東北大學信息學院儀表研究所東北大學信息學院儀表研究所Northeastern University2Northeastern University3儀器儀表的用途儀器儀表的用途: : 在機械制造業(yè)中：在機械制造業(yè)中：對產品的靜態(tài)與動態(tài)性能測試；加工過程的控制與監(jiān)測；對產品的靜態(tài)與動態(tài)性能測試；加工過程的控制與監(jiān)測；設備運行中的故障診斷等。設備運行中的故障診斷等。 在電力、化工、石油工業(yè)中：在電力、化工、石油工業(yè)中：對壓力、流量、溫度、成分、尺寸等參數的檢對壓力、流量、溫度、成分、尺寸等參數的檢測和控制；對壓力容器泄漏和裂紋的檢測等

2、。測和控制；對壓力容器泄漏和裂紋的檢測等。 在航天、航空工業(yè)中：在航天、航空工業(yè)中：對發(fā)動機轉速、轉矩、振動、噪聲、動力特性、噴油對發(fā)動機轉速、轉矩、振動、噪聲、動力特性、噴油壓力、管道流量的測量；對構件的應力、剛度、強度的測量；對控制系統(tǒng)的壓力、管道流量的測量；對構件的應力、剛度、強度的測量；對控制系統(tǒng)的電流、電壓、絕緣強度的測量等。電流、電壓、絕緣強度的測量等。 儀器儀表的用途和重要性儀器儀表的用途和重要性 遍及國民經濟各個部門，深入到人民生活的各個角落，儀器儀表中的計遍及國民經濟各個部門，深入到人民生活的各個角落，儀器儀表中的計量量測試儀器測試儀器與與控制儀器控制儀器統(tǒng)稱為測控儀器，可以

3、說測控儀器的水平是科學技術統(tǒng)稱為測控儀器，可以說測控儀器的水平是科學技術現代化的重要標志。現代化的重要標志。Northeastern University43D掃掃描描儀儀Northeastern University5流量流量計計濕濕度度計計Northeastern University6機械結構部件機械結構部件 儀器中的儀器中的機械結構部件機械結構部件用于對被測件、標準器、傳感器用于對被測件、標準器、傳感器的定位，支承和運動，如導軌、軸系、基座、支架、微調、的定位，支承和運動，如導軌、軸系、基座、支架、微調、鎖緊、限位保護等機構。所有的零部件還要裝到儀器的基座鎖緊、限位保護等機構。所有的零

4、部件還要裝到儀器的基座或支架上或支架上, ,這些都是測控儀器必不可少的部件，其精度對儀器這些都是測控儀器必不可少的部件，其精度對儀器精度影響起決定作用。精度影響起決定作用。Northeastern University7科學技術發(fā)展科學技術發(fā)展 經濟與工業(yè)經濟與工業(yè) 各種類型的精密機械與儀器儀表；各種類型的精密機械與儀器儀表；現在精密機械與儀器儀表，現在精密機械與儀器儀表， 不再局限于：不再局限于： 純機械類的精密機械元件或零部件的組裝；純機械類的精密機械元件或零部件的組裝； 結合體：（結合體：（1 1）精密機械技術；）精密機械技術； （2 2）電子技術（包括計算機控制）；）電子技術（包括計算

5、機控制）； （3 3）檢測技術（包括光電檢測）；）檢測技術（包括光電檢測）；新技術發(fā)展對儀器提出更高要求：新技術發(fā)展對儀器提出更高要求： (1) (1) 微電子技術；微電子技術； (2) (2) 信息科學；信息科學； (3) (3) 能源科學；能源科學； (4) (4) 材料科學；材料科學； (5) (5) 海洋科學；海洋科學； (6) (6) 生物工程生物工程; ; (7) (7) 宇航工業(yè)宇航工業(yè); (8) ; (8) 智能機器人智能機器人Northeastern University8例例1 1：日本和德國提出：日本和德國提出： “ “精密工程精密工程” “” “精密技術精密技術”的概念

6、。的概念。 航母大飛機的蒸汽彈射器難以制造，主要原因：缺少精密機床航母大飛機的蒸汽彈射器難以制造，主要原因：缺少精密機床例例2 2： 微電子技術：微電子技術： 大規(guī)模大規(guī)模 超大規(guī)模發(fā)展超大規(guī)模發(fā)展 集成度集成度 圖形線條的越來越細，圖形線條的越來越細， 微米級微米級( (m) m) 亞微米級（亞微米級（0.10.1m m）過度）過度 將來毫微米級（將來毫微米級（0.0010.001m m）。）。需要：需要：一整套高精度的微細加工和精密檢測設備。一整套高精度的微細加工和精密檢測設備。故：故：從事儀器儀表工作的工程技術人員，既應有良好的精密機械從事儀器儀表工作的工程技術人員，既應有良好的精密機械

7、技術的訓練，善于將其與電子技術及其它技術結合起來，才技術的訓練，善于將其與電子技術及其它技術結合起來，才能推動科學技術不斷向前發(fā)展。能推動科學技術不斷向前發(fā)展。Northeastern University9Northeastern University10部件部件：由零件組裝，具有單一功能的裝置。由零件組裝，具有單一功能的裝置。 主要研究主要研究通用通用儀表機構、零部件的儀表機構、零部件的結構、組成、工作原理、特性及設計計算結構、組成、工作原理、特性及設計計算。通用通用：與與專用專用相對應。在專用儀表中，例如檢測儀表（溫度、壓力、流量、相對應。在專用儀表中，例如檢測儀表（溫度、壓力、流量、

8、機械量、成份量等儀表）、調節(jié)儀表、顯示儀表、執(zhí)行器等有許多機械量、成份量等儀表）、調節(jié)儀表、顯示儀表、執(zhí)行器等有許多 通用的機構、零部件。這些通用的零部件、機構是我們這門課程所要通用的機構、零部件。這些通用的零部件、機構是我們這門課程所要 講述的主要內容。講述的主要內容。零件零件：組成儀表或儀器的組成儀表或儀器的制造單元制造單元，不經過任何裝配。，不經過任何裝配。例如：彈簧、螺母等。例如：彈簧、螺母等。例如：齒輪、蝸桿傳動、螺旋傳動；軸；滾動軸承、滑動軸例如：齒輪、蝸桿傳動、螺旋傳動；軸；滾動軸承、滑動軸承；螺栓、鍵、銷；鉚、焊、膠結構件；彈簧等。承；螺栓、鍵、銷；鉚、焊、膠結構件；彈簧等。例

9、如：減速器、阻尼器、減震器等。例如：減速器、阻尼器、減震器等。Northeastern University111.3.1 1.3.1 課程特點課程特點綜合性強綜合性強 多種學科的綜合：涉及工程制圖、工程力學、金屬工藝學、金屬材料、公多種學科的綜合：涉及工程制圖、工程力學、金屬工藝學、金屬材料、公差與技術測量等學科。差與技術測量等學科。實踐性強實踐性強 設計者從工程實際出發(fā)，零部件的好壞必須在整機上體現。堅持以設計者從工程實際出發(fā)，零部件的好壞必須在整機上體現。堅持以“整機整機為歸依為歸依”的思想。的思想。工程性強工程性強 采用具體問題具體分析的觀點。采用具體問題具體分析的觀點。 例如：例如：

10、a a、完成同一任務可選用不同的零、部件或機構；、完成同一任務可選用不同的零、部件或機構； b b、同一種零件、部件和構件可應用在不同的場合下，但其受力狀、同一種零件、部件和構件可應用在不同的場合下，但其受力狀 況、工作效率、設計原則和方法不盡相同。況、工作效率、設計原則和方法不盡相同。 設計中采用經驗數據與經驗公式的情況，會存在一題多解的情況，設計者設計中采用經驗數據與經驗公式的情況，會存在一題多解的情況，設計者權衡比較，在眾多可行方案中，找到最佳答案。權衡比較，在眾多可行方案中，找到最佳答案。Northeastern University121.3.2 1.3.2 課程的重要性課程的重要性

11、專業(yè)培養(yǎng)目標專業(yè)培養(yǎng)目標 培養(yǎng)自動化儀表的專業(yè)人才。培養(yǎng)自動化儀表的專業(yè)人才。 在儀表、系統(tǒng)及其生產過程中，有大量的機械設備、機構、零部件、這些在儀表、系統(tǒng)及其生產過程中，有大量的機械設備、機構、零部件、這些是自動化儀表人才的必備知識。是自動化儀表人才的必備知識。自動化儀表的剖析自動化儀表的剖析 自動化儀表涉及到機械的、物理的、化學的、生物的等各方面的知識，要自動化儀表涉及到機械的、物理的、化學的、生物的等各方面的知識，要求的知識面相當廣泛。求的知識面相當廣泛。 按生產過程參數分按生產過程參數分： 熱工量：溫度、流量、壓力；熱工量：溫度、流量、壓力； 機械量：位移（物位、測寬、測厚）、速度機械

12、量：位移（物位、測寬、測厚）、速度(n(n、v) v)、 加速度、力矩等加速度、力矩等 成份量：化學成份；成份量：化學成份； 例如：鋼鐵中的成份；尾氣成份分析。例如：鋼鐵中的成份；尾氣成份分析。Northeastern University13按組成及原理劃分按組成及原理劃分：信號傳感（傳感器信號傳感（傳感器 感受、傳送）：感受、傳送）： 物理化學效應；應變效應；物理化學效應；應變效應； 力（應變片技術）力（應變片技術）變形，機械敏感檢測元件等；變形，機械敏感檢測元件等； 機械、電子放大等。機械、電子放大等。執(zhí)行機構：執(zhí)行機構：顯示：機械、電子顯示；標尺指針顯示，機械計數器，記錄裝置等顯示：機

13、械、電子顯示；標尺指針顯示，機械計數器，記錄裝置等上述分析表明：上述分析表明：本課程的重要性。本課程的重要性。Northeastern University141.3.3 1.3.3 本課程的地位本課程的地位要求先修課程：要求先修課程：高等數學高等數學 普通物理普通物理 機械制圖機械制圖 工程力學工程力學基礎課基礎課技術基礎課技術基礎課專業(yè)課專業(yè)課機械設計基礎機械設計基礎比基礎課更接近工比基礎課更接近工程實際程實際承上啟下承上啟下比專業(yè)課有更寬的研究面比專業(yè)課有更寬的研究面和更廣的適應性和更廣的適應性Northeastern University15具有一定分析，解決儀表中有關機械方面問題的能

14、力，為專業(yè)儀表的學習具有一定分析，解決儀表中有關機械方面問題的能力，為專業(yè)儀表的學習打下機械方面的基礎。打下機械方面的基礎。具體來說就是要掌握以下三個基本方面的問題：具體來說就是要掌握以下三個基本方面的問題：掌握一定的基本知識、基本概念掌握一定的基本知識、基本概念 例如：機械效率、剛度、機構、運動付等。例如：機械效率、剛度、機構、運動付等。掌握一定的機械基本理論，基本規(guī)律掌握一定的機械基本理論，基本規(guī)律 例如：彈性元件的特性分析，齒輪嚙合原理，機構自由度計算等。例如：彈性元件的特性分析，齒輪嚙合原理，機構自由度計算等。掌握通用機構、零部件的設計計算掌握通用機構、零部件的設計計算 例如：彈性元件

15、的設計計算，軸承選擇計算，齒輪設計計算等。例如：彈性元件的設計計算，軸承選擇計算，齒輪設計計算等。Northeastern University16主要研究內容：主要研究內容： 構件和運動副構件和運動副 機構圖機構圖 機構的自由度機構的自由度 平面機構的組成原理平面機構的組成原理Northeastern University17機構機構： 多個構件由多個構件由運動付運動付聯(lián)接，作聯(lián)接，作確定運動確定運動的構件系統(tǒng)。的構件系統(tǒng)。 例如：汽車的內燃機、柴油機、儀表中的壓力表。例如：汽車的內燃機、柴油機、儀表中的壓力表。內燃機組成：內燃機組成： 1 1 箱體箱體 2 2 活塞活塞 3 3 連桿連桿

16、4 4 曲軸曲軸 5 5、6 6 齒輪齒輪 7 7 凸輪凸輪 8 8 推桿推桿連桿機構連桿機構：將活塞的往復移動轉化為曲軸的連續(xù)轉動。將活塞的往復移動轉化為曲軸的連續(xù)轉動。 齒輪機構齒輪機構：實現轉動的傳遞實現轉動的傳遞 凸輪機構：凸輪機構：將凸輪的轉動變換為頂桿的往復移動。將凸輪的轉動變換為頂桿的往復移動。 內燃機內燃機箱體+活塞、連桿、曲軸齒輪凸輪、推桿連桿機構齒輪機構凸輪機構視頻視頻Northeastern University18從運動觀點看：從運動觀點看：儀表由構件組成儀表由構件組成從制造觀點看：從制造觀點看：儀表由零件組成儀表由零件組成與動力與動力源組合源組合機械機械機器機器機構機

17、構構件構件零件零件通用零件通用零件專用零件專用零件原動構件原動構件從動構件從動構件機機 架架零件零件構件構件機構機構機器機器靜聯(lián)接靜聯(lián)接動聯(lián)接動聯(lián)接( (運動副運動副) )Northeastern University19 構件構件 機構中作相對運動的各個物體，是機構的機構中作相對運動的各個物體，是機構的運動運動單元。單元。 與與零件零件區(qū)別：區(qū)別：單獨加工的制造單元單獨加工的制造單元從制造和裝配的觀點看，機器是由許多獨立加工、獨立裝配的從制造和裝配的觀點看，機器是由許多獨立加工、獨立裝配的 單元體所組成，這些單元體稱為零件。單元體所組成，這些單元體稱為零件。例如：曲軸例如：曲軸 視頻視頻u

18、構件可以由一個零件組成構件可以由一個零件組成u 也可以由幾個零件組成也可以由幾個零件組成例如：連桿例如：連桿Northeastern University20u 構件的種類構件的種類 構件分為構件分為：主動構件主動構件、從動構件從動構件和和固定構件固定構件 主動構件：機構中作獨立運動的構件。主動構件：機構中作獨立運動的構件。 從動構件：實現要求的運動規(guī)律的隨動構件。從動構件：實現要求的運動規(guī)律的隨動構件。 固定構件：機構中不動的構件。固定構件：機構中不動的構件。機機 架架主動件主動件從動件從動件從動件從動件視頻視頻Northeastern University21 運動副運動副 兩構件之間相互

19、接觸的活動聯(lián)接部分。兩構件之間相互接觸的活動聯(lián)接部分。xyo運動副元素運動副元素：構成運動副時直接接觸的點、線、面部分：構成運動副時直接接觸的點、線、面部分接觸形式接觸形式 : : 點、線、面點、線、面運動副的特點運動副的特點：即限制了兩構件的某些相對運動，又允許一：即限制了兩構件的某些相對運動，又允許一 定的相對運動定的相對運動Northeastern University22u 按按接觸形式接觸形式分類：分類：接觸形式接觸形式 : : 點、線、面點、線、面 低副低副：面接觸：面接觸 高副高副：點、線接觸：點、線接觸平面低副平面低副空間低副空間低副xyo高副高副高副高副空間低副空間低副平面低

20、副平面低副平面低副平面低副Northeastern University23低副低副高副高副Northeastern University24u 按按相對運動相對運動分類：分類： 轉動副轉動副：相對轉動：相對轉動 回轉副、鉸鏈回轉副、鉸鏈 移動副移動副：相對移動：相對移動 螺旋副螺旋副：螺旋運動：螺旋運動 球面副球面副：球面運動：球面運動 Northeastern University25 自由度自由度 一個在空間不受任何限制的物體共有六個自由度。一個在空間不受任何限制的物體共有六個自由度。獨立運動的數目稱為自由度獨立運動的數目稱為自由度. .一個物體在一個物體在xoyzxoyz坐標系中共有六

21、個自由度：即沿坐標系中共有六個自由度：即沿X X、Y Y、Z Z軸移動和繞軸移動和繞X X、 Y Y、Z Z軸的三個轉動。軸的三個轉動。約束約束 限制獨立運動的數目叫做約束限制獨立運動的數目叫做約束 約束與自由度是相對而言的。約束與自由度是相對而言的。Northeastern University26名稱圖形簡圖符號約束條件數自由度數級別球面高副15柱面高副24球面低副33球銷副42圓柱副42螺旋副51轉動副轉動副51移動副移動副51平面高副平面高副42根根據據約約束束的的數數目，目，運運動動副副分分為為五五級級Northeastern University27 機構圖機構圖 用規(guī)定的符號代表

22、構件和運動副，表示機構運動關系的簡圖。用規(guī)定的符號代表構件和運動副，表示機構運動關系的簡圖。 機構圖的特點：機構圖的特點：u 簡單明了簡單明了u 能清楚表達出構件間的運動關系能清楚表達出構件間的運動關系實例實例1 1視頻視頻Northeastern University28實例實例2 2視頻視頻Northeastern University29 機構圖的代表符號機構圖的代表符號轉動副轉動副移動副移動副高副高副（齒輪副、（齒輪副、凸輪副）凸輪副）Northeastern University301. 機構的自由度機構的自由度 自由度自由度：機構相對于機架所具有的獨立運動數目。：機構相對于機架所具

23、有的獨立運動數目。 一個構件在空間有一個構件在空間有6個自由度，如圖個自由度，如圖1 一個構件在平面內有一個構件在平面內有3個自由度，如圖個自由度，如圖2圖圖1圖圖2Northeastern University31 自由度的計算公式自由度的計算公式1234523456PPPPPnW4523PPnWn n 活動構件數（總構件數活動構件數（總構件數-1 -1）u 平面機構的自由度平面機構的自由度平面機構平面機構：所有構件均在同一平面或平行平面內運動。：所有構件均在同一平面或平行平面內運動。有三個公共約束，因此平面機構各運動副約束應除去公有三個公共約束，因此平面機構各運動副約束應除去公共約束。共約

24、束。此三個公共約束：此三個公共約束：（1）沿）沿z軸方向移動；軸方向移動；（2）沿）沿X軸方向轉動；軸方向轉動；（3）沿）沿Y軸方向轉動。軸方向轉動。45) 34() 35() 36(PPnW公式公式：hlPPnW23Northeastern University32舉例：舉例：1234F =3n2plph = 3 2 340= 112345F =3n2plph = 3 2 450= 2F =3n2plph = 3 2 221= 1BCAF =3n2plph = 3 2 340 = 1F =3n2plph = 3 2 451 = 1Northeastern University33 幾種特殊的

25、機構自由度計算幾種特殊的機構自由度計算u m個構件個構件(m2)在同一處構成轉動副在同一處構成轉動副u m-1-1個低副個低副(1) (1) 復合鉸鏈復合鉸鏈412356F F 3n3n2p2pl lp ph h 3 3 2 2 560 3F F 3n3n 2p2pl lp ph h 3 3 2 2 570 1412356錯錯對對計算在內計算在內5232351m個構件個構件,m-1個鉸鏈個鉸鏈Northeastern University34F F3n3n2p2pl lp ph h 3 3 2 2 3 33 31 1 2 2F F3n3n 2p2pl lp ph h 3 3 2 2 2 22

26、21 1 1 1錯錯對對排除排除(2) (2) 局部自由度局部自由度 定義：定義：機構中某些構件所具有的獨立的局部運動機構中某些構件所具有的獨立的局部運動, , 不影響機構輸出運動不影響機構輸出運動的自由度的自由度 局部自由度經常發(fā)生的場合：局部自由度經常發(fā)生的場合：滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦時添加的滾子、滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦時添加的滾子、軸承中的滾珠軸承中的滾珠 解決的方法：解決的方法：計算機構自由度時，設想將滾子與安裝滾子的構件固結計算機構自由度時，設想將滾子與安裝滾子的構件固結在一起，視作一個構件在一起，視作一個構件視頻視頻視頻視頻Northeastern University35412351

27、234F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 340 1F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 46 0 0？排除排除(3) 虛約束虛約束不影響機構運動傳遞的不影響機構運動傳遞的重復約束重復約束在特定幾何條件或結構條件下，某些運動副所引入的約束可能與其它在特定幾何條件或結構條件下，某些運動副所引入的約束可能與其它運動副所起的限制作用一致，這種不起獨立限制作用的運動副叫運動副所起的限制作用一致，這種不起獨立限制作用的運動副叫虛約虛約束束處理方法：處理方法：計算自由度時，將虛約束（或虛約束構件及其所帶入的運計算自由度時，將虛約束（或虛約束構件及其所帶入的運動副）去掉動副）去掉視頻視頻視頻視頻Northeastern University36自由度計算小結自由度計算小結F3n2plph機構自由度機構自由度3活動構件數活動構件數(2低副數