东北大学精密仪器设计与制造绪论ppt

1、精密仪器设计与制造精密仪器设计与制造主讲人：孟红记主讲人：孟红记东北大学信息学院仪表研究所东北大学信息学院仪表研究所Northeastern University2Northeastern University3仪器仪表的用途仪器仪表的用途: : 在机械制造业中：在机械制造业中：对产品的静态与动态性能测试；加工过程的控制与监测；对产品的静态与动态性能测试；加工过程的控制与监测；设备运行中的故障诊断等。设备运行中的故障诊断等。 在电力、化工、石油工业中：在电力、化工、石油工业中：对压力、流量、温度、成分、尺寸等参数的检对压力、流量、温度、成分、尺寸等参数的检测和控制；对压力容器泄漏和裂纹的检测等

2、。测和控制；对压力容器泄漏和裂纹的检测等。 在航天、航空工业中：在航天、航空工业中：对发动机转速、转矩、振动、噪声、动力特性、喷油对发动机转速、转矩、振动、噪声、动力特性、喷油压力、管道流量的测量；对构件的应力、刚度、强度的测量；对控制系统的压力、管道流量的测量；对构件的应力、刚度、强度的测量；对控制系统的电流、电压、绝缘强度的测量等。电流、电压、绝缘强度的测量等。 仪器仪表的用途和重要性仪器仪表的用途和重要性 遍及国民经济各个部门，深入到人民生活的各个角落，仪器仪表中的计遍及国民经济各个部门，深入到人民生活的各个角落，仪器仪表中的计量量测试仪器测试仪器与与控制仪器控制仪器统称为测控仪器，可以

3、说测控仪器的水平是科学技术统称为测控仪器，可以说测控仪器的水平是科学技术现代化的重要标志。现代化的重要标志。Northeastern University43D扫扫描描仪仪Northeastern University5流量流量计计湿湿度度计计Northeastern University6机械结构部件机械结构部件 仪器中的仪器中的机械结构部件机械结构部件用于对被测件、标准器、传感器用于对被测件、标准器、传感器的定位，支承和运动，如导轨、轴系、基座、支架、微调、的定位，支承和运动，如导轨、轴系、基座、支架、微调、锁紧、限位保护等机构。所有的零部件还要装到仪器的基座锁紧、限位保护等机构。所有的零

4、部件还要装到仪器的基座或支架上或支架上, ,这些都是测控仪器必不可少的部件，其精度对仪器这些都是测控仪器必不可少的部件，其精度对仪器精度影响起决定作用。精度影响起决定作用。Northeastern University7科学技术发展科学技术发展 经济与工业经济与工业 各种类型的精密机械与仪器仪表；各种类型的精密机械与仪器仪表；现在精密机械与仪器仪表，现在精密机械与仪器仪表， 不再局限于：不再局限于： 纯机械类的精密机械元件或零部件的组装；纯机械类的精密机械元件或零部件的组装； 结合体：（结合体：（1 1）精密机械技术；）精密机械技术； （2 2）电子技术（包括计算机控制）；）电子技术（包括计算

5、机控制）； （3 3）检测技术（包括光电检测）；）检测技术（包括光电检测）；新技术发展对仪器提出更高要求：新技术发展对仪器提出更高要求： (1) (1) 微电子技术；微电子技术； (2) (2) 信息科学；信息科学； (3) (3) 能源科学；能源科学； (4) (4) 材料科学；材料科学； (5) (5) 海洋科学；海洋科学； (6) (6) 生物工程生物工程; ; (7) (7) 宇航工业宇航工业; (8) ; (8) 智能机器人智能机器人Northeastern University8例例1 1：日本和德国提出：日本和德国提出： “ “精密工程精密工程” “” “精密技术精密技术”的概念

6、。的概念。 航母大飞机的蒸汽弹射器难以制造，主要原因：缺少精密机床航母大飞机的蒸汽弹射器难以制造，主要原因：缺少精密机床例例2 2： 微电子技术：微电子技术： 大规模大规模 超大规模发展超大规模发展 集成度集成度 图形线条的越来越细，图形线条的越来越细， 微米级微米级( (m) m) 亚微米级（亚微米级（0.10.1m m）过度）过度 将来毫微米级（将来毫微米级（0.0010.001m m）。）。需要：需要：一整套高精度的微细加工和精密检测设备。一整套高精度的微细加工和精密检测设备。故：故：从事仪器仪表工作的工程技术人员，既应有良好的精密机械从事仪器仪表工作的工程技术人员，既应有良好的精密机械

7、技术的训练，善于将其与电子技术及其它技术结合起来，才技术的训练，善于将其与电子技术及其它技术结合起来，才能推动科学技术不断向前发展。能推动科学技术不断向前发展。Northeastern University9Northeastern University10部件部件：由零件组装，具有单一功能的装置。由零件组装，具有单一功能的装置。 主要研究主要研究通用通用仪表机构、零部件的仪表机构、零部件的结构、组成、工作原理、特性及设计计算结构、组成、工作原理、特性及设计计算。通用通用：与与专用专用相对应。在专用仪表中，例如检测仪表（温度、压力、流量、相对应。在专用仪表中，例如检测仪表（温度、压力、流量、

8、机械量、成份量等仪表）、调节仪表、显示仪表、执行器等有许多机械量、成份量等仪表）、调节仪表、显示仪表、执行器等有许多 通用的机构、零部件。这些通用的零部件、机构是我们这门课程所要通用的机构、零部件。这些通用的零部件、机构是我们这门课程所要 讲述的主要内容。讲述的主要内容。零件零件：组成仪表或仪器的组成仪表或仪器的制造单元制造单元，不经过任何装配。，不经过任何装配。例如：弹簧、螺母等。例如：弹簧、螺母等。例如：齿轮、蜗杆传动、螺旋传动；轴；滚动轴承、滑动轴例如：齿轮、蜗杆传动、螺旋传动；轴；滚动轴承、滑动轴承；螺栓、键、销；铆、焊、胶结构件；弹簧等。承；螺栓、键、销；铆、焊、胶结构件；弹簧等。例

9、如：减速器、阻尼器、减震器等。例如：减速器、阻尼器、减震器等。Northeastern University111.3.1 1.3.1 课程特点课程特点综合性强综合性强 多种学科的综合：涉及工程制图、工程力学、金属工艺学、金属材料、公多种学科的综合：涉及工程制图、工程力学、金属工艺学、金属材料、公差与技术测量等学科。差与技术测量等学科。实践性强实践性强 设计者从工程实际出发，零部件的好坏必须在整机上体现。坚持以设计者从工程实际出发，零部件的好坏必须在整机上体现。坚持以“整机整机为归依为归依”的思想。的思想。工程性强工程性强 采用具体问题具体分析的观点。采用具体问题具体分析的观点。 例如：例如：

10、a a、完成同一任务可选用不同的零、部件或机构；、完成同一任务可选用不同的零、部件或机构； b b、同一种零件、部件和构件可应用在不同的场合下，但其受力状、同一种零件、部件和构件可应用在不同的场合下，但其受力状 况、工作效率、设计原则和方法不尽相同。况、工作效率、设计原则和方法不尽相同。 设计中采用经验数据与经验公式的情况，会存在一题多解的情况，设计者设计中采用经验数据与经验公式的情况，会存在一题多解的情况，设计者权衡比较，在众多可行方案中，找到最佳答案。权衡比较，在众多可行方案中，找到最佳答案。Northeastern University121.3.2 1.3.2 课程的重要性课程的重要性

11、专业培养目标专业培养目标 培养自动化仪表的专业人才。培养自动化仪表的专业人才。 在仪表、系统及其生产过程中，有大量的机械设备、机构、零部件、这些在仪表、系统及其生产过程中，有大量的机械设备、机构、零部件、这些是自动化仪表人才的必备知识。是自动化仪表人才的必备知识。自动化仪表的剖析自动化仪表的剖析 自动化仪表涉及到机械的、物理的、化学的、生物的等各方面的知识，要自动化仪表涉及到机械的、物理的、化学的、生物的等各方面的知识，要求的知识面相当广泛。求的知识面相当广泛。 按生产过程参数分按生产过程参数分： 热工量：温度、流量、压力；热工量：温度、流量、压力； 机械量：位移（物位、测宽、测厚）、速度机械

12、量：位移（物位、测宽、测厚）、速度(n(n、v) v)、 加速度、力矩等加速度、力矩等 成份量：化学成份；成份量：化学成份； 例如：钢铁中的成份；尾气成份分析。例如：钢铁中的成份；尾气成份分析。Northeastern University13按组成及原理划分按组成及原理划分：信号传感（传感器信号传感（传感器 感受、传送）：感受、传送）： 物理化学效应；应变效应；物理化学效应；应变效应； 力（应变片技术）力（应变片技术）变形，机械敏感检测元件等；变形，机械敏感检测元件等； 机械、电子放大等。机械、电子放大等。执行机构：执行机构：显示：机械、电子显示；标尺指针显示，机械计数器，记录装置等显示：机

13、械、电子显示；标尺指针显示，机械计数器，记录装置等上述分析表明：上述分析表明：本课程的重要性。本课程的重要性。Northeastern University141.3.3 1.3.3 本课程的地位本课程的地位要求先修课程：要求先修课程：高等数学高等数学 普通物理普通物理 机械制图机械制图 工程力学工程力学基础课基础课技术基础课技术基础课专业课专业课机械设计基础机械设计基础比基础课更接近工比基础课更接近工程实际程实际承上启下承上启下比专业课有更宽的研究面比专业课有更宽的研究面和更广的适应性和更广的适应性Northeastern University15具有一定分析，解决仪表中有关机械方面问题的能

14、力，为专业仪表的学习具有一定分析，解决仪表中有关机械方面问题的能力，为专业仪表的学习打下机械方面的基础。打下机械方面的基础。具体来说就是要掌握以下三个基本方面的问题：具体来说就是要掌握以下三个基本方面的问题：掌握一定的基本知识、基本概念掌握一定的基本知识、基本概念 例如：机械效率、刚度、机构、运动付等。例如：机械效率、刚度、机构、运动付等。掌握一定的机械基本理论，基本规律掌握一定的机械基本理论，基本规律 例如：弹性元件的特性分析，齿轮啮合原理，机构自由度计算等。例如：弹性元件的特性分析，齿轮啮合原理，机构自由度计算等。掌握通用机构、零部件的设计计算掌握通用机构、零部件的设计计算 例如：弹性元件

15、的设计计算，轴承选择计算，齿轮设计计算等。例如：弹性元件的设计计算，轴承选择计算，齿轮设计计算等。Northeastern University16主要研究内容：主要研究内容： 构件和运动副构件和运动副 机构图机构图 机构的自由度机构的自由度 平面机构的组成原理平面机构的组成原理Northeastern University17机构机构： 多个构件由多个构件由运动付运动付联接，作联接，作确定运动确定运动的构件系统。的构件系统。 例如：汽车的内燃机、柴油机、仪表中的压力表。例如：汽车的内燃机、柴油机、仪表中的压力表。内燃机组成：内燃机组成： 1 1 箱体箱体 2 2 活塞活塞 3 3 连杆连杆

16、4 4 曲轴曲轴 5 5、6 6 齿轮齿轮 7 7 凸轮凸轮 8 8 推杆推杆连杆机构连杆机构：将活塞的往复移动转化为曲轴的连续转动。将活塞的往复移动转化为曲轴的连续转动。 齿轮机构齿轮机构：实现转动的传递实现转动的传递 凸轮机构：凸轮机构：将凸轮的转动变换为顶杆的往复移动。将凸轮的转动变换为顶杆的往复移动。 内燃机内燃机箱体+活塞、连杆、曲轴齿轮凸轮、推杆连杆机构齿轮机构凸轮机构视频视频Northeastern University18从运动观点看：从运动观点看：仪表由构件组成仪表由构件组成从制造观点看：从制造观点看：仪表由零件组成仪表由零件组成与动力与动力源组合源组合机械机械机器机器机构机

17、构构件构件零件零件通用零件通用零件专用零件专用零件原动构件原动构件从动构件从动构件机机 架架零件零件构件构件机构机构机器机器静联接静联接动联接动联接( (运动副运动副) )Northeastern University19 构件构件 机构中作相对运动的各个物体，是机构的机构中作相对运动的各个物体，是机构的运动运动单元。单元。 与与零件零件区别：区别：单独加工的制造单元单独加工的制造单元从制造和装配的观点看，机器是由许多独立加工、独立装配的从制造和装配的观点看，机器是由许多独立加工、独立装配的 单元体所组成，这些单元体称为零件。单元体所组成，这些单元体称为零件。例如：曲轴例如：曲轴 视频视频u

18、构件可以由一个零件组成构件可以由一个零件组成u 也可以由几个零件组成也可以由几个零件组成例如：连杆例如：连杆Northeastern University20u 构件的种类构件的种类 构件分为构件分为：主动构件主动构件、从动构件从动构件和和固定构件固定构件 主动构件：机构中作独立运动的构件。主动构件：机构中作独立运动的构件。 从动构件：实现要求的运动规律的随动构件。从动构件：实现要求的运动规律的随动构件。 固定构件：机构中不动的构件。固定构件：机构中不动的构件。机机 架架主动件主动件从动件从动件从动件从动件视频视频Northeastern University21 运动副运动副 两构件之间相互

19、接触的活动联接部分。两构件之间相互接触的活动联接部分。xyo运动副元素运动副元素：构成运动副时直接接触的点、线、面部分：构成运动副时直接接触的点、线、面部分接触形式接触形式 : : 点、线、面点、线、面运动副的特点运动副的特点：即限制了两构件的某些相对运动，又允许一：即限制了两构件的某些相对运动，又允许一 定的相对运动定的相对运动Northeastern University22u 按按接触形式接触形式分类：分类：接触形式接触形式 : : 点、线、面点、线、面 低副低副：面接触：面接触 高副高副：点、线接触：点、线接触平面低副平面低副空间低副空间低副xyo高副高副高副高副空间低副空间低副平面低

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 按按相对运动相对运动分类：分类： 转动副转动副：相对转动：相对转动 回转副、铰链回转副、铰链 移动副移动副：相对移动：相对移动 螺旋副螺旋副：螺旋运动：螺旋运动 球面副球面副：球面运动：球面运动 Northeastern University25 自由度自由度 一个在空间不受任何限制的物体共有六个自由度。一个在空间不受任何限制的物体共有六个自由度。独立运动的数目称为自由度独立运动的数目称为自由度. .一个物体在一个物体在xoyzxoyz坐标系中共有六

21、个自由度：即沿坐标系中共有六个自由度：即沿X X、Y Y、Z Z轴移动和绕轴移动和绕X X、 Y Y、Z Z轴的三个转动。轴的三个转动。约束约束 限制独立运动的数目叫做约束限制独立运动的数目叫做约束 约束与自由度是相对而言的。约束与自由度是相对而言的。Northeastern University26名称图形简图符号约束条件数自由度数级别球面高副15柱面高副24球面低副33球销副42圆柱副42螺旋副51转动副转动副51移动副移动副51平面高副平面高副42根根据据约约束束的的数数目，目，运运动动副副分分为为五五级级Northeastern University27 机构图机构图 用规定的符号代表

22、构件和运动副，表示机构运动关系的简图。用规定的符号代表构件和运动副，表示机构运动关系的简图。 机构图的特点：机构图的特点：u 简单明了简单明了u 能清楚表达出构件间的运动关系能清楚表达出构件间的运动关系实例实例1 1视频视频Northeastern University28实例实例2 2视频视频Northeastern University29 机构图的代表符号机构图的代表符号转动副转动副移动副移动副高副高副（齿轮副、（齿轮副、凸轮副）凸轮副）Northeastern University301. 机构的自由度机构的自由度 自由度自由度：机构相对于机架所具有的独立运动数目。：机构相对于机架所具

23、有的独立运动数目。 一个构件在空间有一个构件在空间有6个自由度，如图个自由度，如图1 一个构件在平面内有一个构件在平面内有3个自由度，如图个自由度，如图2图图1图图2Northeastern University31 自由度的计算公式自由度的计算公式1234523456PPPPPnW4523PPnWn n 活动构件数（总构件数活动构件数（总构件数-1 -1）u 平面机构的自由度平面机构的自由度平面机构平面机构：所有构件均在同一平面或平行平面内运动。：所有构件均在同一平面或平行平面内运动。有三个公共约束，因此平面机构各运动副约束应除去公有三个公共约束，因此平面机构各运动副约束应除去公共约束。共约

24、束。此三个公共约束：此三个公共约束：（1）沿）沿z轴方向移动；轴方向移动；（2）沿）沿X轴方向转动；轴方向转动；（3）沿）沿Y轴方向转动。轴方向转动。45) 34() 35() 36(PPnW公式公式：hlPPnW23Northeastern University32举例：举例：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 几种特殊的

25、机构自由度计算几种特殊的机构自由度计算u m个构件个构件(m2)在同一处构成转动副在同一处构成转动副u m-1-1个低副个低副(1) (1) 复合铰链复合铰链412356F F 3n3n2p2pl lp ph h 3 3 2 2 560 3F F 3n3n 2p2pl lp ph h 3 3 2 2 570 1412356错错对对计算在内计算在内5232351m个构件个构件,m-1个铰链个铰链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错错对对排除排除(2) (2) 局部自由度局部自由度 定义：定义：机构中某些构件所具有的独立的局部运动机构中某些构件所具有的独立的局部运动, , 不影响机构输出运动不影响机构输出运动的自由度的自由度 局部自由度经常发生的场合：局部自由度经常发生的场合：滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子、滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子、轴承中的滚珠轴承中的滚珠 解决的方法：解决的方法：计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固结计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起，视作一个构件在一起，视作一个构件视频视频视频视频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) 虚约束虚约束不影响机构运动传递的不影响机构运动传递的重复约束重复约束在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限制作用的运动副叫运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限制作用的运动副叫虚约虚约束束处理方法：处理方法：计算自由度时，将虚约束（或虚约束构件及其所带入的运计算自由度时，将虚约束（或虚约束构件及其所带入的运动副）去掉动副）去掉视频视频视频视频Northeastern University36自由度计算小结自由度计算小结F3n2plph机构自由度机构自由度3活动构件数活动构件数(2低副数