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机构运动方案创新设计1机电工程学院一、概述机构运动方案创新设计是一个具有创新性的活动过程，旨在培养学生的创新意识和创新设计的能力。本实验是基于杆组的迭加原理而设计的，主要应用于机构组成原理的拼接设计实验、课程设计和毕业设计中的机构运动方案的设计实验、课外科技活动（如机械设计大赛）中的机构运动方案创新设计实验。2二、实验目的1加深对平面机构组成原理、结构组成的认识，熟悉杆组概念，了解机构运动特点2利用若干不同的杆组，拼接各种不同的平面机构，以培养机构创新设计能力及综合设计能力3通过对实际机械结构的拼接，增强工程实践动手能力。3三、实验原理任何机构都是由若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上而构成的。机构具有确定运动的条件是其原动件数等于机构的自由度数。因此，机构可以拆分成机架、原动件和自由度为零的构件组。而自由度为零的构件组还可以拆分成更简单的自由度为零的构件组，将最后不能再拆的最简单的自由度为零的构件组称为组成机构的基本杆组，简称杆组。由杆组定义知，组成平面机构的基本杆组应满足条件：023HLPPnF41.高副杆组若n=PL=PH=1，即可获得单构件高副杆组，常见形式下图所示。5低副杆组若PH=0，杆组中运动副均为低副，称为低副杆组。即满足上式的构件数和运动副数的组合为：n=2,4,6……,PL=3,6,9……。其中最简单的组合为n=2,PL=3，称为Ⅱ级组。Ⅱ级组是应用最多的基本杆组，由于杆组中转动副和移动副的配置不同，Ⅱ级杆组共有如图所示五种形式：6四、实验设备本实验需要设备为湖南长庆科教仪器有限公司生产的ZBS-C机械运动创新设计方案实验台，下面对此类设备的组成和操作方法作一简介。设备简介：组成实验台的主要零部件以及详细规格如表所示。7机构运动方案创新设计实验台零部件89直线电机控制器：如图本控制器采用电子组合设计方式，控制电路采用低压电子集成电路和微型密封功率继电器，并采用光槽作为行程开关，极具使用安全。控制器的前面板为LED显示方式，当控制器的前面板与操作者是面对面的位置关系时，控制器上的发光管指示直线电机齿条的位移方向。控制器的后面板上置有电源引出线及开关、与直线电机相连的4芯插座、与光槽行程开关相连的5芯插座和1A保险管。IEP直线电机控制器发光管a)前面板图直线电机行程开关220VAC2AOFF4芯插座5芯插座电源开关源引出线保险管座电源开关10操作说明1、实验台机架的固定实验台机架图11如图所示实验台机架中有5根铅垂立柱，它们可沿X方向移动。移动时请用双手扶稳立柱、并尽可能使立柱在移动过程中保持铅垂状态，这样便可以轻松推动立柱。立柱移动到预定的位置后，将立柱上、下两端的螺栓锁紧（安全注意事项：不允许将立柱上、下两端的螺栓卸下，在移动立柱前只需将螺栓拧松即可）。立柱上的滑块可沿Y方向移动。将滑块移动到预定的位置后，用螺栓将滑块紧定在立柱上。按上述方法即可在X、Y平面内确定活动构件相对机架的连接位置。面对操作者的机架铅垂面称为拼接起始参考面或操作面。122、各另部件之间的拼接（1）轴相对机架的拼接有螺纹端的轴颈可以插入滑块28#上的铜套孔内，通过平垫片、防脱螺母34#的连接与机架形成转动副或与机架固定。若按图6拼接后，6或8#轴相对机架固定；若不使用平垫片34#，则6或8#轴相对机架作旋转运动。拼接者可根据需要确定是否使用平垫片34#。扁头轴6#为主动轴、8#为从动轴。该轴主要用于与其它构件形成移动副或转动副、也可将连杆或盘类零件等固定在扁头轴颈上，使之成为一个构件。13（2）转动副的拼接若两连杆间形成转动副，可按图所示方式拼接。其中，14#件的扁平轴颈可分别插入两连杆11#的圆孔内，再用压紧螺栓16#和带垫片螺栓15#分别与转动副轴14#两端面上的螺孔连接。这样，有一根连杆被压紧螺栓16#固定在14#件的轴颈处，而与带垫片螺栓15#相连接的14#件相对另一连杆转动。14移动副的拼接移动副的拼接如图所示。转滑副轴24#的圆轴端插入连杆11#的长槽中，通过带垫片的螺栓15#的连接，转滑副轴24#可与连杆11#形成移动副。提示：转滑副轴24#的另一端扁平轴可与其它构件形成转动副或移动副。根据拼接的实际需要，也可选用7#或14#件替代24#件作为滑块。15另外一种形成移动副的拼接方式如图所示。选用两根轴（6#或8#），将轴固定在机架上，仍后再将连杆11#的长槽插入两轴的扁平轴颈上，旋入带垫片螺栓15#，则连杆在两轴的支撑下相对机架作往复移动。提示：根据实际拼接的需要，若选用的轴颈较长，此时需选用相应的运动构件层面限位套17#对构件的运动层面进行限位。16滑块与连杆组成转动副和移动副的拼接如图所示的拼接效果是滑块13#的扁平轴颈处与连杆11#形成移动副；在20#、21#的帮助下，滑块13#的圆轴颈处与另一连杆在连杆长槽的某一位置形成转动副。首先用螺栓、螺母21#将固定转轴块20#锁定在连杆11#上，再将转动副轴13#的圆轴端穿插20#的圆孔及连杆11#的长槽中，用带垫片的螺栓15#旋入13#的圆轴颈端面的螺孔中，这样13#与11#形成转动副。将13#扁头轴颈插入另一连杆的长槽中，将15#旋入13#的扁平轴端面螺孔中，这样13#与另一连杆11#形成移动副。17齿轮与轴的拼接如图所示，齿轮2#装入轴6#或轴8#时，应紧靠轴（或运动构件层面限位套17#）的根部，以防止造成构件的运动层面距离的累积误差。按图示连接好后，用内六角紧定螺钉27#将齿轮固定在轴的上（注意：螺钉应压紧在轴的平面上）。这样，齿轮与轴形成一个构件。18齿轮与连杆形成转动副的拼接如图所示拼接，连杆11#与齿轮2#形成转动副。视所选用盘杆转动轴19#的轴颈长度不同，决定是否需用运动构件层面限位套17#。19若选用轴颈长度L=35mm的盘杆转动轴19#，则可组成双联齿轮，并与连杆形成转动副，参见图所示；若选用L=45mm的盘杆转动轴19#，同样可以组成双联齿轮，与前者不同的是要在盘杆转动轴19#上加装一个运动构件层面限位套17#。20齿条护板与齿条、齿条与齿轮的拼接如图所示，当齿轮相对齿条啮合时，若不使用齿条导向板，则齿轮在运动时会脱离齿条。为避免此种情况发生，在拼接齿轮与齿条啮合运动方案时，需选用两根齿条导向板23#和螺栓螺母21#按图示方法进行拼接。21凸轮与轴的拼接按图所示拼接好后，凸轮1#与轴6或8#形成为一个构件。若不用内六角紧定螺钉27#将凸轮固定在轴的上，而选用带垫片螺栓15#旋入轴端面的螺孔内，则凸轮相对轴转动。22凸轮高副的拼接如图所示，首先将轴6#或8#与机架相连。然后分别将凸轮1#、从动件连杆11#拼接到相应的轴上去。用内六角螺钉27#将凸轮紧定在6#轴上，凸轮1#与6#轴形成一个运动构件；将带垫片螺栓15#旋入8#轴端面的螺孔中，连杆11#相对8#轴作往复移动。高副锁紧弹簧的小耳环用螺栓21#固定在从动杆连杆上，大耳环的安装方式可根据拼接情况自定，必须注意弹簧的大耳环安装好后，弹簧不能随运动构件转动，否则弹簧会被缠绕在转轴上而不能工作。23槽轮副的拼接图为槽轮副的拼接示意图。通过调整两轴6#或轴8#的间距使槽轮的运动传递灵活。提示：为使盘类零件相对轴更牢靠地固定，除使用内六角螺钉27#紧固外，还可加用压紧螺栓16#。24滑块导向杆相对机架的拼接如图所示，将轴6#或轴8#插入滑块28#的轴孔中，用平垫片、防脱螺母34#将轴6#或轴8#固定在机架29#上，并使轴颈平面平行于直线电机齿条的运动平面，以保证主动滑块插件9#的中心轴线与直线电机齿条的中心轴线相互垂直且在一个运动平面内；将滑块导向杆11#通过压紧螺栓16#固定在6#或8#轴颈上。这样，滑块导向杆11#与机架29#成为一个构件。25主动滑块与直线电机齿条的拼接当滑块为原动件且接受的输入运动为直线运动时，其与直线电机的安装如图所示。首先将主动滑块座10#套在直线电机的齿条上再将主动滑块插件9#上只有一个平面的轴颈端插入主动滑块座10#的内孔中，有两平面的轴颈端插入起支撑作用的连杆11#的长槽中，然后，将主动滑块座调整至水平状态，直至主动滑块插件9#相对连杆11#的长槽能作灵活的往复直线运动为止，此时用螺栓26#将主动滑块座固定。起支撑作用的连杆11#固定在机架29#上的拼接方法，最后，根据外接构件的运动层面需要调节主动滑插件9#的外伸长度（必要的情况下，沿主动滑块插件9#的轴线方向调整直线电机的位置），以满足与主动滑块插件（9#）形成运动副的构件的运动层面的需要，用内六角紧定螺钉27#将主动滑块插件9#固定在主动滑块座10#上。图8-19主动滑块与直线电机齿条的拼接26光槽行程开关的安装如图所示，首先用螺钉将光槽片固定在主动滑块座上；再将主动滑块座水平地固定在直线电机齿条的端头；然后用内六角螺钉将光槽行程开关固定在实验台机架底部的长槽上，且使光槽片能顺利通过光槽行程开关，也即光槽片处在光槽间隙之间，这样可保证光槽行程开关有效工作而不被光槽片撞坏。27五、实验内容实验前首先要以平面机构运动简图的形式拟定机构运动方案，然后在实验台上进行运动方案的拼接，并验证其相对运动情况是否与设计要求相符。实验时每3～4名学生一组，至少完成一种运动方案的拼接设计实验。机构运动方案可由学生根据原始设计数据要求进行构思和设计，也可从下列工程机械的各种实际机构中进行选择，并完成其方案的拼接和运动关系验证。下列实例的机构运动简图中所标注的数字编号的意义为：横杠前面的数字代表构件编号，横杠后面的数字为建议该构件所占据的运动层面。运动层面数的第1层是指机架的拼接起始参考面，层面数越大距离第1层越远。281、蒸汽机机构结构说明：如图所示，1-2-3-8组成曲柄滑块机构，8-1-4-5组成曲柄摇杆机构，5-6-7-8组成摇杆滑块机构。曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构串联组合。工作特点：滑块3、7作往复运动并有急回特性。适当选取机构运动学尺寸，可使两滑块之间的相对运动满足协调配合的工作要求。应用举例：蒸汽机的活塞运动及阀门启闭机构。292、自动车床送料机构结构说明：如图所示，由平底直动从动件盘状凸轮机构与连杆机构组成。当凸轮转动时，推动杆5往复移动，通过连杆4与摆杆3及滑块2带动从动件1（推料杆）作周期性往复直线运动。工作特点：一般凸轮为主动件，能够实现较复杂的运动规律。应用举例：自动车床送料及进刀机构。303、六杆机构结构说明：如图所示，由曲柄摇杆机构6-1-2-3与摆动导杆机构3-4-5-6组成六杆机构。曲柄1为主动件，摆杆5为从动件。工作特点：当曲柄1连续转动时，通过杆2使摆杆3作一定角度的摆动，再通过导杆机构使摆杆5的摆角增大。应用举例：缝纫机摆梭机构。4（滑块）314、双摆杆摆角放大机构结构说明：如图a)所示，主动摆杆1与从动摆杆3的中心距L应小于摆杆1的半径l。工作特点：当主动摆杆1摆动角时，从动杆3的摆角大于，实现摆角增大，各参数之间的关系为：注：由于主动杆1的运动为摆动，所以不能用电机带动，只能用手动方式观察其运动。若要电机带动，则可按图b)所示方式串联一个曲柄摇杆机构。2sec22LltgLlLlctg32a)b)双摆杆摆角放大机构335、转动导杆与凸轮放大升程机构结构说明：如图所示，曲柄1为主动件，凸轮3和导杆固联。工作特点：当曲柄1由图示位置顺时针转过900时，导杆和凸轮一起转过1800。图示的机构常用于凸轮升程较大，而升程角受到某些因素的限制不能太大的情况。该机构制造安装简单，工作性能可靠。346、铰链四杆机构结构说明：图a)所示，双摇杆机构ABCD的各构件长度满足条件：机架，摇杆，连杆，E点为连杆延长线上的点，且。为主动摇杆。工作特点：当主动摇杆BC绕B点摆动时，E点轨迹为图中点划线所示，其中有一段为近似直线。应用举例：固定式港口用起重机，E点处安装吊钩。利用E点轨迹的近似直线段吊装货物，能符合吊装设备的平稳性要求。注：由于原动件为摇杆，所以不能用电