第二章-机器装置课件

第二章 機器裝置目 錄前 言第一節 機件第二節 接頭 第三節 機構第四節 機構表示法7/16/20242國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室前 言n機構乃是由機件與接頭依特定的方式組合而成，彼此之間有拘束的相對運動。n本章介紹常用的機件、接頭、機構的組成、機構的簡圖符號、運動鏈、以及運動圖畫。7/16/20243國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室第一節 機 件(Machine member)n機件乃是具有阻抗性的物體，為組成機構與機器所不可或缺的要件，它們的大小、形狀、以及功能通常多不相同。可分為：u靜止機件(Stationary member)u活動機件(Moving member)7/16/20244國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室n靜止不動的機件稱作靜止機件，用來支托或約束其它機件、承受負荷、傳遞力量、或者引導其它機件活動u機架、結構件、固定導路、等即是。7/16/20245國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室n活動機件依其抗力特性，可分為：u剛性件(Rigid member)l如運桿、滑件、滾子、凸輪、齒輪、摩擦輪、軸、等u撓性件(Flexible member)l如皮帶、繩索、鏈條、彈簧、等u壓性件(Compression member)，l如傳動氣體與液體7/16/20246國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Mechanical Member(機件)機架(Frame)連桿(Link)滑塊(Slider)滾子(Roller)齒輪(Gear).凸輪(Cam)彈簧(Spring)滑輪(Pulley)皮帶(Belt)致動器(Actuator)7/16/20247國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室機件類型n連桿 u廣義的連桿(Link)：l一種剛性機件，藉由各種接頭與其他機件相鄰接，並且傳遞運動與力量。l連桿可根據與其相附隨的接頭數目來加以分類與一個接頭相附隨的連桿為單接頭桿(Singular link)與二個接頭相附隨的連桿為雙接頭桿(Binary link)與三個接頭相附隨的連桿為參接頭桿(Ternary link)與四個接頭相附隨的連桿為肆接頭桿(Quaternary link)與五個接頭相附隨的連桿為伍接頭桿(Quinary link)與j個接頭相附隨的連桿，則稱之為 j接頭桿(j-link)7/16/20248國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Type of LinksBinary Link:Ternary Link:Quaternary Link:Isolated Link:Singular Link:7/16/20249國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室(a)雙接頭桿 (b)參接頭桿 (c)肆接頭桿 (d)多接頭桿圖 2-1 連桿類型 7/16/202410國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室u狹義的連桿(Link)：l一種細長的剛性機件，藉由各種接頭與其他機件相鄰接，用以傳遞運動與力量。7/16/202411國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室n滑塊(Slider)u是一種與直線或曲線導件做相對滑動接觸的機件。n滾子(Roller)u是一種圓柱形或球形的連桿，用以和其相鄰接之機件做相對滾動運動。n凸輪(Cam)u是一種形狀不規則的連桿，一般用來當做主動件以傳遞特定運動給從動件。7/16/202412國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室n齒輪(Gear)u也是一種連桿，它靠著輪齒的連續嚙合，將旋轉或直線運動傳遞至與其相鄰接的齒輪機件n皮帶(Belt)u是一種撓性機件，在受到張力時才有作用；它與帶輪(Pulley)相配合，依靠摩擦力傳遞運動與動力 n繩索(Rope)u是一種撓性機件，在受到張力時才有作用；它與槽輪(Sheave)相配合，用來傳達具相當距離兩軸之間的動力，活用於各種機械系中，如起重機、升降機、儀表、等。7/16/202413國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室n鏈條(Chain)u也是一種撓性機件，在受到張力時才有作用；它與鏈輪(Sprocket)相配合，用以傳遞運動與動力n摩擦輪(Friction wheel)u是一種剛性機件，利用摩擦力來傳遞運動與動力n彈簧(Spring)u是一種撓性機件，用來貯存能量、施力、以及產生彈性連接 7/16/202414國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室第二節 接頭(Joints)n為使機件有所作用，機件與機件之間必須以特定的方式加以連接n一機件與另一機件直接接觸的部分，稱為對偶元素(Pairing element)n一個運動對(Kinematic pair)，乃是由兩個直接接觸機件的對偶元素所配對而成n運動對通常以接頭稱之 7/16/202415國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室n運動對可根據其u自由度u運動方式u接觸方式等特性來加以分類，茲分別說明如下：7/16/202416國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室自由度分類(Degrees of freedom)n自由度指描述運動對中一個對偶元素相對另一個對偶元素之位置所需的獨立坐標數。n一個不受拘束的對偶元素，可以有三個移動自由度與三個轉動自由度，共六個自由度。n它與另一個對偶元素配連成運動對後，因受拘束而損失一個或多個自由度。n因此，一個運動對最多只能有五個自由度，最少也得有一個自由度。7/16/202417國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室運動方式(Type of motion)n是指運動對中一個對偶元素上之一點相對於另一個對偶元素的運動，不外乎：u直線(或曲線)運動u平面(或曲面)運動u或者空間運動7/16/202418國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室接觸方式(Type of contact)n是指運動對中兩個對偶元素互相接觸的方式，不外乎：u點接觸u線接觸u或者面接觸7/16/202419國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室自由度為1之對偶n旋轉對(Revolute pair,Turning pair)u所屬兩個對偶元素間的相對運動型態，是屬於旋轉運動。u圖2-2(a)所示者為一個典型的旋轉對，它具有一個自由度，是固弧運動與面接觸。n滑行對(Prismatic pair，Sliding pair)u所屬兩個對偶元素間的相對運動，是屬於滑行面的滑動。u固2-2(b)所示者為一個典型的滑行對，它具有一個自由度，是直線運動與面接觸。7/16/202420國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室n滾動對(Rolling pair)u所屬兩個對偶元素問的相對運動，是屬於不帶滑動的純滾動。u圖2-2(c)所示者為一個典型的滾動對，它具有一個自由度，是擺線運動與線接觸。n螺旋對(Helical pair,Screw pair)u所屬兩個對偶元素問的相對運動，是屬於旋轉軸的螺旋運動。u圖2-2(f)所示者為一個典型的螺旋對，它具有一個自由度，是曲線運動與面接觸。7/16/202421國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室圖2-2 接頭的類型 7/16/202422國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Degree of freedom f=17/16/202423國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室自由度為2之對偶n凸輪對(Cam pair)u所屬兩個對偶元素問的相對運動，屬於滑動與滾動的組合。u圖2-2(d)所示為一個典型的凸輪對，它具有二個自由度，是曲線運動與線接觸。n齒輪對(Gear pair)u所屬兩個對偶元素問的相對運動和凸輪對一樣，是動滑和滾動的組合。u圖2-2(e)所示者為一個典型的齒輪對，它具有二個自由度，曲線運動與線接觸。7/16/202424國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室n圓柱對(Cylindrical pair)u所屬兩個對偶元素問的相對運動，是對於旋轉軸的旋轉運動與平行於此軸之移動的組合。u圖2-2(g)所示者為一個典型的圓柱對，它具有二個自由度，是曲線運動與面接觸7/16/202425國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Degree of freedom f=27/16/202426國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室自由度為3之對偶n球面對(Spherical pair)u所屬兩個對偶元素問的相對運動，是屬於球心的轉動。u圖2-2(h)所示者為一個典型的球面對，它具有三個自由度，是球面運動與面接觸。n平面對(Planar pair，flat pair)u所屬兩個對偶元素問的相對運動，是屬於平面運動。u圖2-2(i)所示者為一個典型的平面對，它具有三個自由度，是平面運動與面接觸。7/16/202427國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Degree of freedom f=37/16/202428國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Degree of freedom f=47/16/202429國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Degree of freedom f=57/16/202430國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室自由度為?之對偶n迴繞對(Wrapping pair)u皮帶與帶輪u繩索輿槽輪u鏈條與鏈輪間的運動對u其間並無相對運動7/16/202431國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Lower pair&Higher pairnTwo elements of a lower pair have surface contact with each other,whereas the two elements of a higher pair have only line or point contact.(Reuleaux)7/16/202432國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室第三節 機構n將機件與接頭以特定的方式組合，使其中一個或數個機件之運動依照該組合所形成的規律，迫使其它機件各產生可以預期的運動，並且機件中有一個為機架用以支撐或約束各運動件固定不動的部分，這個組合即為機構(Mechanism)。7/16/202433國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室n若機構中所有的機件皆為連桿，且所有的接頭皆為旋轉對，則這個機構特稱為連桿組(Linkage)。n機構可根據其運動空間概分為平面機構與空間機構。7/16/202434國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Mechanism StructurenLink(連桿):The individual bodies which collectively form a machine are said to be links.nKinematic chain(運動鏈):An assemblage of interconnected links is called a kinematic chain.7/16/202435國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室nMechanism(機構):When one link of a kinematic chain is fixed,the chain is said to form a mechanism,provided that any of its links may move.nLinkage(連桿組):The mechanism whose kinematic pairs are lower pairs only.7/16/202436國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室ExampleThis mechanism is not a linkage.7/16/202437國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Link(Kinematic Link)nA link has only geometric properties.7/16/202438國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室機構類型n平面機構(Planar mechanism)u機構中的機件在運動時，若其上每一點與某一特定平面的距離恆為一定，此機構稱為平面機構。n空間機構(Spatial mechanism)u機構中的機件在運動時，若其上有一點的運動軌跡為空間曲線，則這個機構稱為空間機構。7/16/202439國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室平面機構例n圖2-3為內燃機引擎機構u由汽缸(亦為機架)、活塞、連接桿、以及曲柄等四個機件所組成l汽缸與活塞之間的接頭為滑行對l活塞與連接桿、連接桿與曲柄、以及曲柄與機架之間的接頭皆為旋轉對n由於這個機構之每一機件的運動皆為平面運動，而且這些運動平面皆互相平行，因此它為平面機構。圖2-3 內燃機引擎機構7/16/202440國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室空間機構例n圖2-4為一伐木用的動力鋸機構，由五個機件與五個接頭所組成n動作由角桿(機件2)的轉動，經旋轉桿(機件3)與擺動桿(機件4)，傳遞至做直線往復運動的鋸片桿(機件5)n機架(未標示)與角桿間的接頭為旋轉對，角桿與旋轉桿間的接頭亦為旋轉對，旋轉桿與擺動桿間的接頭為圓柱對，擺動桿與鋸片桿間的接頭為旋轉對，鋸片桿與機架間的接頭則為滑行對圖2-4 動力鋸機構7/16/202441國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Spherical mechanism7/16/202442國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室倒置機構(Inverse Mechanism)n對一個機構選擇不同桿當固定桿，所獲得的機構稱為其倒置機構n一個機構經過倒置以後，各機件之絕對運動發生改變，但相對運動關係保持不變7/16/202443國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室12342(a)惠氏急回機構12343(b)腳踩打氣筒機構1234(c)鄉村幫浦機構圖2-6 曲柄滑塊機構的倒置機構12341圖2-5 曲柄滑塊機構倒置機構7/16/202444國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室平面四連桿機構的分類nClass I:Grashof type(s+L p+q)nClass II:non-Grashof type(s+L p+q)Grashof type7/16/202445國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Double-crank7/16/202446國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Crank-rocker7/16/202447國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Double-rocker7/16/202448國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Triple rocker7/16/202449國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室第四節 機構表示法n分析機構的拓樸構造與運動狀態時，如果使用實體或其組合圖來進行，會因實體或圖面的複雜性，使分析工作難以有效的進行。為了簡化這些事情，我們常用機構簡圖、運動鏈以及運動圖畫來說明機件間的鄰接關係、相對位置或分析運動狀態。7/16/202450國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室機構簡圖n分析機構的拓樸構造與運動狀態時，我們常用簡單的骨架圖來表示機件間的鄰接關係與相對位置n 此圖形稱為機構骨架圖(Skeleton)或稱為機構簡圖。14112356圖2-7(a)機構簡圖7/16/202451國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室n機構簡圖依使用目的可分為(1)構造簡圖和(2)運動簡圖u構造簡圖(Structural sketch)：l在於表示機構的拓樸構造，只要清楚地表示出機件與接頭間的附隨關係即可，而不在乎各個機件的幾何尺寸大小。u運動簡圖(Kinematic sketch)：l乃是依照機構實體或組合圖的尺寸，以一定的比例畫出其幾何運動的相對位置，用來表示各機件之尺寸及各接頭的位置。7/16/202452國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室運動鏈n將機構簡圖中接頭以一個小圓表示之，連桿以線表示之n與m個接頭附隨之連桿以一個內畫斜線且頂點為小圓的m邊多邊形表示之n固定桿不與機架固定n所得之圖形即為機構所對應的運動鏈(Kinematic chain)621357/16/202453國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室運動圖畫n將運動鏈之桿以點表示，接頭以線表示n所得到具有相同附隨與鄰接闢係之圖畫，稱為運動圖畫(Kinematic graph)23156圖2-7(c)運動圖畫7/16/202454國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室範例n圖2-8為急回機構n具有五個機件，分別為機架1、曲柄2、滑塊3和5、搖臂4 n六個接頭，分別為三個迴轉對(a,b,f)、兩個滑行對(c,d)、以及一個凸輪對(e)。圖2-8(a)急回機構7/16/202455國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室圖2-8(b)運動鏈12345abd(JP)e(JA)c(JP)f圖2-8(c)運動圖畫41235abe(JA)d(JP)c(JP)f7/16/202456國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室習題1.試列舉出一部自行車中的所有機件。2.試列舉出一部縫紉機中的所有機件。3.試從日常生活用品中列舉各種對耦的兩個應用。4.試繪出醫院病床頭部和腳部之搖擺機構的機構簡圖、與運動鏈以及運動圖畫，並說明它具有那些機件和運動對，屬於何種機構。5.試繪出自行車三段內變速機構的機構簡圖、與運動鏈以及運動圖畫。6.圖2-8(a)所示的機構，經由選擇不同的固定桿，試問可衍生出多少種不同構造的機構，請將其所有倒置機構的機構簡圖繪出。7/16/202457國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Transmission anglenThe transmission angle m m is the angle between the direction(ta)of the absolute motion of the output link and the direction(tr)of the relative motion of the transmission link with respect to the driving link.tatrm m Driving linkDriven link7/16/202458國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Optimum m nThe optimum value of m is 90o.The recommended tolerance for crank mechanism is about 90o50o.nWhen m is zero(or 180o),it is at the dead-center configuration.7/16/202459國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室m=0mminmmax7/16/202460國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室Deviation angle d nThe angle between the direction(tf)of the static force from transmission link and velocity(ta)at the point of connection.nThe optimum value is 0o.tatfd Driving linkDriven link7/16/202461國立虎尾技術學院動力機械系機器系統設計研究室