Ch02仪表机构设计基础

Ｄ’Ｅ位置如果再给定一个主动 件（例如构件４）的运动规律 Φ＝Φ（t） 则整个机构各构件的运动就完全确定了．
由此得出结论，要使一个机构具有确定运动， 必须使机构的主动件数等于机构的自由度数。 若主动件数少于机构的自由度数，则机构的运 动将不确定，相反，若主动件数大于机构的自由度 数，则因独立运动过多，而使机构中最弱的构件遭 到破坏．
解：此机构共有７个构件，构件７为机架，所 以活动构件n＝６。 机构中有３个移动副，５个转动副（Ａ，Ｂ， Ｃ及Ｏ１，Ｏ２）。 所以，Ｐi＝８．另有一个高副（齿轮副）， 则Ｐh＝１。 Ｗ＝３n－（２Ｐi＋Ｐh） ＝３x６－（２x８＋１） ＝１
例：计算周转轮的自由 度数
解：活动构件是转臂１，行 星轮２和中心轮３，４．分 别为内齿轮和外齿轮．机构 中． n＝４，Ｐi＝４，Ｐh＝２ Ｗ＝３n－（２Ｐi＋Ｐh） ＝３x４－（２x４＋２） ＝２
简易冲床
由于它舍去了结构的形状，联接，定位，调整 等方面的实际构造，只突出了机构的运动情况，故 能清楚地看出组成仪表传动系统的各个环节，以及 运动传递的路线． 绘制机构运动简图，首先要确定主动部分或显 示，执行部分，然后沿着运动传递路线把主动部 分，执行、显示部分之间的传动弄请楚．
正确地选择投影面，也是绘制机构运动简图的 一个关键，一般可以选择机构中大多数构件的运动 平面为投影面，对齿轮机构也可以选择齿轮轴所在 的平面为投影面． 选好投影面后，便可选择适当的比例尺，定出 运动副之间的相对位置，最后一运动副代表符号画 出运动比例，机构运动简图即可画出． 由于许多机构的构件在运动简图上都可以以 “杆”的形式（即以直线线段）出现，所以这类机 构 常常称为“杆机构”．
两构件之间的相对运动是移动的运动副称为移动副； 两构件之间的相对运动是转动的运动副称为回转副； 两构件之间的相对运动是螺旋运动的运动副称为螺旋 副。
运动简图 在设计新的机器或仪器仪表时，或者对现有的 机构进行分析研究时，都要首先做出能够表明其中 机构运动情况的简图－－机构运动简图． 只研究一个机构理论上的运动情况，那么它的 构件的结构形式，材质，各零件的加工精度都可以 不考虑，也不用考虑运动副的具体结构． 2.2 机构示意图； 结构简图。
图b中机构的自由度数为１，若构件１为主动件。 它以α＝α（t）的角位移规律运动，则构件 ２，３的运动规律也就完全确定了．这可以通过解 析法或作图法来求得． 由此可知，机构有一个自由度，则以一个构件 为主动件，他的运动给定后，整个机构都具有确定 的运动．
图c中机构是由五个构件组成的铰链五杆机构， 其自由度数为２． 如果机构只有一个主动件（例如构件１）且以 α＝α（t）的规律运动，此时构件２，３，４的 运动是不确定的． 构件１处于ＡＢ位 置时，构件２，３， ４ 可能处于ＢＣ， ＣＤ，ＤＥ位置， 也可以 处于ＢＣ’，Ｃ’ Ｄ’，
Z Z O X X Y O Y
运动副的自由度
两构件组成运动副后，他们各自的运动都受到了一定 的约束，从而使他们之间只能实现某些性质的相对运动， 而另一些性质的相对运动则被消除。
如果要消除某一构件的某些自由度，就必须给此构件 以某种形式的约束． 约束条件与被约束条件就组成了运动副．所以，运动 副可以消除构件的自由度． 图所示的四种运动副，如只考虑在图示平面内 的运动。 图a所示的运动副消 除了一个移动自由度。 图b所示的运动副也 消除了一个移动自由度。 图c所示的运动副消 除了一个移动自由度和一 个转动自由度。 图d所示的运动副消 除了两个移动自由度。
转动副
2.1.2运动副及其分类
（2）高副 两构件１，２通过点或线的接触所构成的运动副。
2.1.2.1 空间副 凡是允许两构件作空间相对运动的运动副称为 空间运动副，有螺旋副和球面副。
图a所示是轴尖与止推轴垫组成的运动副，它是点接 触，所以构成了高副。 图b所示是一对齿轮的轮齿组成的运动副。 图c，d 分别表示滑块与导 轨，轴颈与轴承组 成的运动副，他们 都是面接触，故都 构成低副．
低副：引入两个约束，保留一个自由度。 低副：引入两个约束，保留一个自由度。
高副：引入一个约束，保 高副：引入一个约束， 留两个自由度。 留两个自由度。
机构是由构件组成的，由于独立的构件在平面内具有 三个自由度，因而，若机构由m个构件组成，这些构件自 未通过运动副联接起来以前，应有３m个自由度，即有３m 个独立的运动． 但由于机构的构件是由运动副联接在一起的，并且有 一个构件作为机架而固定不动，这样，除了机架的自由度 为零以外，其余构件的自由度也会相应地减少． 平面机构的自由度是指此机构具有独立运动的数量， 其计算方法为： 若机构由m个构件组成，其中一个构件为机架，则机构 的活动构件数n＝m-1．
机构自由度计算示例 计算实例1
解： n = 3, Pl = 4, Ph = 0 F = 3n - 2Pl - Ph =3×3 - 2×4 - 0 =1
计算实例2
解： n =5, Pl = 7, Ph =0 F = 3n – 2Pl – Ph = 3×5 – 2×7 – 0 =1
例：计算牛头刨床主 体机构的自由度数， 其中构件１和２为齿轮．
2.1 基本概念 2.1.1有关机构的概念
2.1.1.1机器、机构和机械 （2）机构 是具有确定相对运动的人为实体组合。 包括： 连杆机构 凸轮机构 齿轮机构 螺旋机构等； 平面机构 空间机构
2.1 基本概念 2.1.1有关机构的概念
2.1.1.1机器、机构和机械 （3）机械 一般情况下，在不强调 研究对象的运动关系 和结构关系时，把机构和机器统称为机械。
图３－５中的曲柄滑块机构和四连杆机构都 是杆机构．
2.2.1
绘制机构运动简图的原则
要保证机构运动简图的正确，必须注意以下几点： １．简图上的构件数要与实际机构的构件数相等。 ２．各构件间的运动副性质，数量及相对位置与实 际机构一致。 ３．简图上的主动件和机架与实际机构一致。
2.2.2 绘制机构运动简图的方法和步骤 （1）弄清楚机构的组成情况 按运动传递的顺序观察机 构各部分的运动情况，找出运动件、从动件、机架，从而 确定构件数目、运动副的数目和类型。 （2）测定与机构运动有关尺寸 测定各转动副之间的中心 距，即构件长度尺寸；轴线固定的转动副及移动副导路中 心线的位置尺寸；高副的轮廓形状等。 （3）正确选择投影平面 为了能够清楚的表明各个构件之 间的相对运动关系，一般可以选择与机构中大多数构件的 运动平面平行的平面为投影面。 （4）选定比例尺 选用合实的比例尺，按国标GB446084规定的符号（见表2-1）画出机构运动简图。
2.3.2 机构具有确定运动的条件 １）．n＝２，Ｐi＝３，Ｐh＝０ F＝３x２－(2x3+0)=0 ２）．n＝３，Ｐi＝４，Ｐh＝０ F＝３x３－(2x4+0)=1 ３）．n＝４，Ｐi＝５，Ｐh＝０ n i h F＝３x３－(2x4+0)=2 图a中机构的自由度为零，因为它实际上是一 个刚体，称为静定桁架。
运动简图 机构的运动情况只与主动件的运动规律和该机 构中各运动副的性质（是高，低副或移动副，转动 副）及各运动副之间的相对位置有关． 就可以用由运动副的代表符号和确定运动副位 置关系的简单线条所构成的图形来表示机器和仪器 仪表的运动情况。 2.2
气动遥控板仪表， 图a是装配图，图b是 机构运动简图．
它的示意图见图．在计算中若把Ｃ点 当做一个运动副就会出现错误． 推广之，若有k个构件以复合铰链联接时，则 应有（k－１）个 转动副．
例 计算图示钢板剪 切机的自由度
解： 由图可知, n=5, Pl=7, Ph=0(B处为复合 铰链, 含两个转动副)， 则： F＝3n－2Pl－Ph ＝3×5－2×7－0 × ＝1
第2章
仪表机构设计基础
2.1 基本概念
2.2 机构运动简图
2.3平面机构的自由度及机构具有确 定运动的条件
2.1 基本概念 2.1.1有关机构的概念
2.1.1.1机器、机构和机械 （1）机器 人类在生产实践中创造的具有各种用途的设备， 用来代替或节省人力畜力以完成各种体力工作并提高劳 动生产率。机器具有以下共同特征： ①是人为的实体组合； ②各实体组合之间依次构成可动联接，并能实现确定的相 对运动； ③在工作时能实现Hale Waihona Puke Baidu量转换或做有效的机械功。
2.1.2运动副及其分类
2.1.2.1 平面副 平面运动副可以分为两类：低副和高副 （1）低副 两构件１，２通过面接触（可以是平 面或曲面）所构成的运动副。低副分为两种： ①回转副 两构件之间的相对运动是转动的运动 副称为回转副； ②移动副 两构件之间的相对运动是移动的运动 副称为移动副；
移动副
O1 3 2 B 4 C 5 1 6 O A
2.3.3.2 局部自由度
机构中与整体运动无关的某个构件的自由度常称为局 部自由度，在计算机构自由度时，应将局部自由度除去 不计。 比较图a，b所示的两种凸轮机构。 图b 所示的从动杆３加上了一个滚子４，用以减少摩擦和提高 抗磨损的能力。 若b中点划线 与图a中实线完全 一样。而实线是以滚子的半 径为半径，在点划线上作一 系列圆而得的包络线。
说明此机构有两个自由度，若 主动件仅是转臂１，则其余 构件的运动都不确定． 若将构件３或４中任何一个固 定，则减少一个低副及一个 活动件，此时： n＝３，Ｐi＝３，Ｐh＝２ Ｗ＝３n－（２Ｐi＋Ｐh） ＝３x３－（２x３＋２） ＝１
2.3.3 计算平面机构自由度数应注意的几种情况 2.3.3.1 复合铰链 两个以上的构件同时在一处以转动副相联接， 这就构成了复合铰链．
2.1.1.2构件、零件、元件及其关系
（3）元件 机器中有些依靠其本身物理、化学或生物特性工作的 特殊零件或部件，常称作元件或器件。 弹性元件，电子元件，电气元件。
构件与零件的关系 一个构件可以由一个零件构成，也可以由若干个零件 刚性联接而成。构件只需位置尺寸即可完整描述，而零 件还需结构形状尺寸才能确定。 零件是加工的单元。 从运动的观点来看，每一个由若干个零件组成的刚性 系统和一个单独的零件是没有什么区别的，所以把若干个 零件组成的刚性系统称为构件。有时也称为“杆”。 一个不与其他任何零件刚性联接的的零件是最简单的 构件。
2.1.2运动副及其分类 两个构件之间总是存在着某种状态的接触。这种接触 或是点，线，或是面。 在空气支承，磁悬浮支承中，可能不发生接触，但两 构件间的这种关系，并不构成刚性系统。 将两个构件直接接触并能产生某种相对运动的联系称 为运动副。
2.1.2运动副及其分类 两构件组成的运动副根据其构件作平面相对运动还是空 间相对运动不同，通常可分为平面运动副和空间运动副。
2.2.3机构运动简图举例
仔细分析减压阀的工作运动机理，绘制其运动 简图
2.3 平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件 构件的自由度
机构中的构件在组成机构之前都是自由构件。构件可能出 现的独立运动称为构件的自由度。 一个作平面运动的自由构件有三个自由度。 一个作空间运动的自由构件有六个自由度。
2.1.1.2构件、零件、元件及其 关系
（1）构件 机构中，所提到的实体就是组 成机构的运动单元，即构件。 构件按其运动特性可分为固定 构件（或机架）、原动件和从 动件三大类。 原动件和从动件又统称活动构 件； 与机构相连的构件又称为连架 件。
2.1.1.2构件、零件、元件及其关系
（2）零件 机器中不但要考虑实体的运动，更要注意实体的功能 实现，即尺寸与结构如何，才能传递所需能量、容易 加工制造和方便装配维修。把组成机器的制造单元称 为零件。 分为标准件（通用件）， 非标准件（专用件）。 部件：实现某一特定功能任务 的部分。
若机构中有Ｐi个低副，Ｐh个高副，则他们带 来的约束数为（２Ｐi＋Ｐh）个，即将构件的自 由度减少了（２Ｐi＋Ｐh）． 所以，机构实际剩的自由度Ｗ可按公式进行： F＝３n－（２Ｐi＋Ｐh） 这就是平面机构自由度的计算公式．
2.3.2 机构具有确定运动的条件 分析图中所示的三种机构，分别计算各个机构 的自由度．