基準是指理論正确是點、線、面或者組合在一起。在一個零件上,基準一般作為零件尺寸評價的參考要素。這些點、線、面存在于三個相互垂直的相交平面上,這三個互相垂直的平面就叫做基準框架。基準框架的三個平面不一定可以測量得到,也可能是虛拟存在于零件空間中,通過基準框架,可以确定零件的準确位置,從而對零件的位置進行約束。
在基準框架中,即XYZ坐标系中,一個零件可以通過6個自由度來約束。這6個自由度分别是X軸、Y軸、Z軸的旋轉,X軸、Y軸、Z軸的平移,當一個零件這6個自由度都存在約束時,這個零件在基準框架中被完全約束。
在三基準面組成的基準框架中,零件自由度的約束需遵循3-2-1法則。當零件放置在第一個基準平面時,這個基準平面可以約束零件3個自由度;和零件貼合的第二個基準平面,可以約束零件2個自由度;最後一個貼合零件的基準平面約束零件1個自由度。
所以隻要保證第一基準面有 3個點接觸,第二基準面有2個點接觸,第三基準面有1個點接觸,就能保證零件的6個自由度被完全約束,也就是完全約束一個零件在空間中的位置,這就是3-2-1法則的原理。
圖中立方體通過三個面和基準框架的三個平面重合,從而使得這個立方體在基準框架中被完全約束。根據 3-2-1法則,不同基準平面與立方體表面貼合的順序不同,不同基準平面控制自由度的個數也不相同。
假定這個零件先和 XY平面貼合,再和XZ平面貼合,最後再和YZ平面貼合,則第一基準平面為XY平面,XY平面約束Z軸移動、X軸轉動、Y軸轉動共3個自由度(紅色标示);第二基準平面為XZ平面,XZ平面約束Z軸轉動、Y軸移動2個自由度(綠色标示);第三基準平面為YZ平面,YZ平面約束X軸移動即1個自由度(藍色标示)。
當零件和YZ平面先貼合,再和XY平面貼合,最後和XZ平面貼合時,第一基準平面為YZ平面,YZ平面約束X軸移動、Y軸轉動、Z軸轉動共3個自由度(紅色标示);第二基準平面為XY平面,XY平面約束Z軸移動、X軸轉動2個自由度(綠色标示);第三基準平面為XZ平面,XZ平面約束Y軸移動即1個自由度(藍色标示)。
通過上面兩個例子,可以加深理解3-2-1法則中基準平面如何約束零件自由度。從兩個例子中可以看到,第一基準平面都是約束零件3個自由度,第二基準平面隻約束了2個零件自由度,最後一個平面約束1個零件自由度。對于一個平面,最多都可以約束零件3個自由度,為什麼不同基準平面約束零件自由度的個數會不同了?
我們具體來分析這個例子,XY平面最多可約束Z軸移動、X軸轉動、Y軸轉動;XZ平面最多可約束Y軸移動、X軸轉動、Z軸轉動;YZ平面最多可約束X軸移動、Y軸轉動、Z軸轉動。我們會發現XY平面和XZ平面都可以約束X軸轉動;XY平面和YZ平面都可以約束Y軸轉動;XZ平面和YZ平面都可以約束Z軸轉動。這樣一來,會有兩個平面都可以約束同一個自由度的情況發生,為了避免這種情況,保證基準平面約束自由度的唯一性,需要對基準平面約束零件自由度的情況進行定義。
在基準框架中,第一基準可以約束的自由度,第二第三基準不再約束;第二基準可以約束的自由度,第三基準不再約束。這樣一來,避免了兩個基準重複約束同一個自由度的情況,使得基準約束的零件自由度具有唯一性。同時,這也和3-2-1法則原理相同,使得零件在同一基準框架下空間位置的約束具有唯一性。
3-2-1法則除了約束零件自由度,對于零件的設計和檢測也具有指導意義。在設計時,需要根據零件的使用功能(即裝配順序),确定零件的基準和基準順序,基準順序不同,其裝配的順序亦不相同,從而使得可以直接從圖紙表達出零件的裝配順序,方便不同部門,不同公司之間的産品交流。在檢測時,除了需要構造或者測量圖紙中的基準,還需要按圖紙的基準順序來建立坐标系,即第二基準不約束第一基準可約束的自由度,第三基準不約束第二基準可約束的自由度,這樣得到的結果才能保持和圖紙一緻,從而保持了和設計的一緻。
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