机构运动方案创新设计机构运动方案创新设计机电工程学院1一、概述一、概述v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。v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 2二、二、实验实验目的目的1 1 1加深对平面机构组成原理、结构组成的认识，加深对平面机构组成原理、结构组成的认识，熟悉杆组概念，了解机构运动特点熟悉杆组概念，了解机构运动特点2 2 2利用若干不同的杆组，拼接各种不同的平面机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构，以培养机构创新设计能力及综合设计能力3 3 3通过对实际机械结构的拼接，增强工程实践动通过对实际机械结构的拼接，增强工程实践动手能力。手能力。3 3三、三、实验实验原理原理v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。v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。v由杆组定义知，组成平面机构的基本杆组应满足条件：4 41.1.高副杆组高副杆组v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 5低副杆组低副杆组v若PH =0，杆组中运动副均为低副，称为低副杆组。即v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。v其中最简单的组合为n = 2, PL = 3，称为级组。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，级杆组共有如图所示五种形式：6 6四、四、实验设备实验设备v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。v设备简介： v组成实验台的主要零部件以及详细规格如表所示。7 7机构运机构运动动方案方案创创新新设计实验设计实验台零部件台零部件8 89 9v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。IEPIEP直线电机控制器直线电机控制器发光管a)前面板图直线电机 行程开关 220VAC 2A OFF4芯插座 5芯插座 电源开关源引出线保险管座 电源开关1010操作操作说说明明v1、实验台机架的固定 实验台机架图1111v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）。v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。12122、各另部件之、各另部件之间间的拼接的拼接v（1）轴相对机架的拼接v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#。v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。1313（2）转动副的拼接）转动副的拼接v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。1414移动副的拼接移动副的拼接v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。v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。1515v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。v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。1616滑块与连杆组成转动副和移动副的拼接滑块与连杆组成转动副和移动副的拼接v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。1717齿轮与轴的拼接齿轮与轴的拼接v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。1818齿轮与连杆形成转动副的拼接齿轮与连杆形成转动副的拼接v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#。1919v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#。2020齿条护板与齿条、齿条与齿轮的拼接齿条护板与齿条、齿条与齿轮的拼接 v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。2121凸轮与轴的拼接凸轮与轴的拼接v按图所示拼接好后，凸轮1#与轴6或8#形成为一个构件。v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。2222凸凸轮轮高副的拼接高副的拼接v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。2323槽轮副的拼接槽轮副的拼接v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。v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#。2424滑块导向杆相对机架的拼接滑块导向杆相对机架的拼接v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。2525主动滑块与直线电机齿条的拼接主动滑块与直线电机齿条的拼接v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2626光槽行程开关的安装光槽行程开关的安装v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。2727五、五、实验实验内容内容v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。v实验时每34名学生一组，至少完成一种运动方案的拼接设计实验。v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。v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。28281、蒸汽机机构、蒸汽机机构v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。v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。v应用举例：蒸汽机的活塞运动及阀门启闭机构。29292 2、自动车床送料机构、自动车床送料机构v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。v工作特点：一般凸轮为主动件，能够实现较复杂的运动规律。v应用举例：自动车床送料及进刀机构。 30303 3、六杆机构、六杆机构v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。v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。v应用举例：缝纫机摆梭机构。4（滑块）31314、双、双摆摆杆杆摆摆角放大机构角放大机构v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。v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： v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。3232 a) b) 双摆杆摆角放大机构33335、转动导杆与凸轮放大升程机构、转动导杆与凸轮放大升程机构v结构说明：如图所示，曲柄1为主动件，凸轮3和导杆固联。v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。34346、铰链四杆机构、铰链四杆机构v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。v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。v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。v注：由于原动件为摇杆，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。3535 a) b) 铰链四杆机构36367、冲压送料机构、冲压送料机构v结构说明：如图所示，1-2-3-4-5-9组成导杆摇杆滑块机构，完成冲压动作；由1-8-7-6-9组成齿轮凸轮机构，完成送料动作。v工作特点：导杆机构按给定的行程速度变化系数设计，它和摇杆滑块机构组合可达到工作段近于匀速的要求。适当选择导路位置，可使工作段压力角较小。在工程设计中，按机构运动循环图确定凸轮工作角和从动件运动规律，则机构可在预定时间将工件送至待加工位置。v应用举例：冲压机械冲压及送料设备。373738388、铸锭送料机构、铸锭送料机构v结构说明：如图所示，滑块为主动件，通过连杆2驱动双摇杆ABCD，将从加热炉出来的铸锭（工件）送到下一工序。v工作特点：图中粗实线位置为炉铸锭进入装料器4中，装料器4即为双摇杆机构ABCD中的连杆BC，当机构运动到虚线位置时，装料器4翻转1800把铸锭卸放到下一工序的位置。主动滑块的位移量应控制在避免出现该机构运动死点（摇杆与连杆共线时）的范围内。v应用举例：加热炉出料设备、加工机械的上料设备等。39399、插床的插削机构、插床的插削机构v结构说明：如图所示，在ABC摆动导杆机构的摆杆BC反向延长线的D点上加由连杆4和滑块5组成的二级杆组，成为六杆机构。v工作特点：主动曲柄AB匀速转动，滑块5在垂直AC的导路上往复移动，具有急回特性。改变ED连杆的长度，滑块5可获得不同的规律。v应用举例：在滑块5处固接插刀，可作为插床的插削机构。40401010、插齿机主传动机构、插齿机主传动机构v结构说明：如图所示，1-2-3-6组成曲柄摇杆机构， 3-4-5-6组成摇杆滑块机构，两机构串联组合成六杆机构。v工作特点：既具有空回行程的急回特性，又具有工作行程的等速性。v应用举例：插齿机的主传动机构。 41411111、刨床导杆机构、刨床导杆机构v结构说明：如图所示，由1-2-3-6组成摆动导杆机构，由3-4-5-6组成摇杆滑块机构。两机构串联组合，其动力是由电机经皮带、齿轮传动使曲柄1绕轴A回转，再经滑块2、导杆3、连杆4带动滑块5沿机架6的导轨槽作往复直线运动。v工作特点：工作行程接近匀速运动，空回行程可实现急回。4242434313、曲柄滑块机构与齿轮齿条机构的组合、曲柄滑块机构与齿轮齿条机构的组合v结构说明：图a)所示为齿轮齿条行程倍增传动，由固定齿条5、移动齿条4和动轴齿轮3组成。传动原理：当动轴齿轮3的轴线向右移动时，通过与齿条5的啮合，使动轴齿轮3在向右移动的同时，又作顺时针方向转动。因此动轴齿轮3作转动和移动的复合运动。与此同时，通过与移动齿条4的啮合，带动移动齿条4向右移动。设动轴齿轮3的行程为S1，移动齿条4的行程为S，则有：S=2S1 。图b)所示机构由齿轮齿条倍增传动与对心曲柄滑块机构串联组成，当曲柄转动带动C点移动时，在移动齿条4上可得到较大行程。v工作特点：上齿条作往复直线运动且具有急回特性。当主动件曲柄1转动时，齿轮3沿固定齿条5往复滚动，同时带动齿条4作往复移动，齿条4的行程与曲柄长R之间的关系为S=2S1 =4R 。v应用举例：印刷机送纸机构。v若曲柄回转中心相对齿轮3的中心偏置如图所示，此时齿条4的行程S与R应是怎样的关系，由实验者自选推证。4444454514、曲柄滑块机构、曲柄滑块机构v结构说明：如图所示为曲柄滑块机构。当机构尺寸满足下列条件时：，构件1绕A点转动，构件2上F点沿Ay轴运动，D点和E点轨迹为椭圆，其方程为：v应用举例：画椭圆仪器。46464747七、七、实验实验注意事注意事项项v1、拼装时应保证各构件均在相互平行的平面内运动，以避免运动构件之间的干涉，同时保证各构件运动平面与轴线的垂直。v注意分清机构中各构件所占据的运动平面，机构的外伸运动层面数愈少，机构运动愈平稳，为此，建议机构中各构件的运动层面以交错层的排列方式进行拼接。一般以实验台机架铅垂面为拼接的起始参考面，由里向外进行拼装。v注意避免相互运动的两构件之间运动平面紧贴而摩擦力过大的情况，适时装入层面限位套。v保证每一步所拼装的构件间运动相对灵活，装然后才可以进行下一步的拼装。v整个运动系统拼装完成后，首先通过手动原动件进行运动情况检验，转动灵活，无运动干涉时才可以启动电动机带动系统工作。4848八、八、实验报实验报告告v（一）（一）预习作作业v1. 何谓杆组？何谓级杆组？画图表示级杆组所有的类型。v2. 何谓级杆组？画图表示级杆组的12种形式。v3. 进行机构结构分析时，按什么步骤和原则来拆杆组？v（二）（二）实验方案方案设计v根据实验内容，选择和构思机构运动方案。要求画出其运动简图，说明其运动传递情况，并就该机构的应用作简要说明。4949机构名称机构名称运动简图运动简图运动特点及运动特点及应用应用5050v（三）（三）实验结果及分析果及分析v按比例尺寸绘制实际拼装的机构运动方案简图，并在简图中标识实测所得的机构运动学尺寸。v简要说明机构杆组的拆组过程，并画出所拆机构的杆组简图，并判断机构的级别。v观察分析拼装机构的运动情况，简要说明从动件的运动规律，分析拼装机构的实际运动情况是否符合设计要求。v通过实验分析原设计构思的机构运动方案是否还有缺陷，应如何进行修正和弥补。若利用不同的杆组进行机构拼装，还可得到哪一些有创意的机构运动方案？用机构运动简图示意创新机构运动方案。v（四）心得和体会（四）心得和体会5151