实训二创新思维专项能力训练

1、实训二 创新思维专项能力训练 平面机构创意设计 一实训目的 1加深学生对机构组成原理的认识；进一步了解机构组成及其运动特征； 2训练学生的工程实践动手能力； 3培养学生创新意识和综合设计的能力 二实训设备、零部件及工具 1机械运动创新方案拼接实验台组件 1）凸轮：基圆半径为 18mm，从动推杆的行程为 30mm。 高副锁紧弹簧：用于凸轮与从动杆之间的高副形成。 2）齿轮：模数 2，压力角 20，齿数 34或 42，两齿轮中心距为 76mm。 3） 齿条：模数2，压力角20,单根齿条全长为 422mm，两齿条可拼接使用。 4）槽轮拔盘：两个主动销。 5）槽轮：四槽 6）主动轴；支承主动构件，传递

2、动力。 7）转动副轴（或滑块） 3：用于两构件或三构件形成转动副或两构件形成移动副时作 滑块用，也可以使它们相对固定。 8）从动轴：支承和固定从动构件。 9）主动滑块插件：与主动滑块座（ 10#）配用，可组成作直线运动的主动滑块。 10）主动滑块座：与直线电机齿条轴固定，支承并固定主动滑块插件。 11）连杆（或滑块导向杆） ：中间有 10mm 宽的长形孔，可调节连杆长度，或作为滑块 导向杆使用。 12）转动副轴（或滑块） 4：用于两构件形成转动副或两构件形成移动副时作滑块用。 13）转动副轴（或滑块） 2：与固定转轴块（ 20#）配用，可在连杆长形孔中的某一位 置固定并形成转动副。 14）转动

3、副轴（或滑块） 1 ：用于两构件形成转动副或两构件形成移动副时作滑块用。 15）带垫片螺栓：用于防止连杆与转动副轴的轴向窜动，二者能相对转动 1 6 ）压紧螺栓：与压紧连杆垫片（ 24#）配用，用于防止连杆与转动副轴的轴向窜动， 二者相对固定。 1 7 ）层面限位套：用于不同构件运动平面之间的距离限定，以免发生各构件之间 运动平面的干涉。 18）主动轴皮带轮：固定在主动轴上，使主动构件转动。 19）盘杆转动轴： 盘类零件与连杆形成转动副时使用， 也可以用于两连杆或三连杆形成 转动副。 20） 固定转轴块：与转动副轴（或滑块） 2（13#）配用，可在连杆长形孔中的某一固 定位置形成转动副。 21

4、 ）连杆加长螺栓：用于两连杆加长时的固定；与弹簧压紧垫片（25#）配用，固定弹 簧的位置；用于齿条导向板与齿条的固定。 22）曲柄双连杆部件：用于一个主动构件同时提供二个曲柄的机构运动方案。 23）齿条导向板：使齿轮与齿条处在同一平面内不脱开。 24 ）压紧连杆垫片：与压紧螺栓（ 16#）配用，使连杆与轴相对固定。 25）压紧弹簧垫片：与连杆加长螺栓（ 211#）配用，压紧弹簧端部的圆环。 26）内六角螺钉 M6 X 12:用于将主动滑块座固定（10#）在直线电机齿条轴上，和将 主动滑块插件（9# ）固定在主动滑块座上。 27）内六角紧定螺钉：用于盘类零件与轴的固定。 28）滑块：支承主动轴或

5、从动轴，在立柱上任意移动，调整并固定主动轴或从动轴的位 置。 29）实验台机架：机构运动方案的拼接平台。 30） 立柱垫圈：与内六角螺钉M8 X 35配用固定立柱。 31） 锁紧滑块方块：与内六角螺钉M6 X 25 （ 37#）配用锁紧滑块。 32） T型螺母：卡在机架的长形孔内，与内六角螺钉M8 X 25 （42#）配用固定电机座或 行程开关支座。 33） 行程开关支座：与内六角螺钉M5 X 20配用固定行程开关（41#） 34） 平垫片、防脱螺母：调整主动轴或从动轴的轴向间隙（轴能转动），防止轴从滑块 上脱出：也可以使轴相对机架固定不转动。 35）旋转电机座：支承并固定旋转电机。 36）直

6、线电机座：支承并固定直线电机。 37）内六角螺钉 M6 X 25:锁紧滑块。 38） 直线电机控制器：与行程开关（41#）配用，可控制直线电机往复运动的行程。 39）Z型V带：传递动力。 40） 直线电机：提供直线运动动力。10mm/s,不允许改变直线电机的安装位置。 旋转电机：提供旋转运动动力。10mm/s,沿机架的长形孔移动可改变旋转电机的位置。 电机上连有220V、50Hz的电源线和插头，电线上串接有手柄开关，能很方便地通、断电 机电源。 41） 行程开关：与直线电机控制器（38#）配用，控制直线电机往复运动的行程。 42）内六角螺钉 M8 X 25：与T型螺母（32#）配用，固定电机座

7、或行程开关支座。 43） 保险管2.5A :与直线电机控制器（38#）配用，起电路保护作用。 2工具： 内六角扳手、活动扳手、卷尺和纸 三、杆组的概念、正确拆分杆组及拼装杆组 1. 杆组的概念 由于平面机构具有确定运动的条件是机构的原动件数目与机构的自由度数目相等，因此 机构均由机架、原动件和自由度为零的从动件通过运动副联接而成。将从动件系统拆成若干 个不可再分的自由度为零的运动链，称为基本杆组，简称杆组。 根据杆组的定义，组成平面机构杆组的条件是： F = 3n 2Pl Ph 其中活动构件数n,低副数Pl和高副数Ph都必须是整数。由此可以获得各种类型的杆组。 当n= 1 , Pl = 1 ,

8、 Ph = 1时即可获得单构件高副杆组，常见的有如下几种： Hi 当Ph=0时，称之为低副杆组，即 图11-1单构件高副杆组 F = 3n 2Pl= 0 因此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。 最简单的杆组为 n = 2, Pl = 3,称为II级组，由于杆组中转动副和移动副的配置不同，II 级组共有如下五种形式。 图11-2平面低副II级组 III级杆组，n = 4, PL= 6的杆组形式很多，图11-3所示的是几种常见的III级杆组。 图11-3平面低副III级 2. 机构的组成原理 根据如上所述，可将机构的组成原理概述为：任何平面

9、机构均可用零自由度的杆组依次 联接到原动件和机架上去的方法来组成。这是本实验的基本原理。 3. 正确拆分杆组 正确拆分杆组的三个步骤： 1）先去掉机构中的局布自由度和虚约束，有时还要将高副加以低代。 2）计算机构的自由度，确定原动件； 3） 从远离原动件的一端（即执行构件）先试拆分II杆组，若拆不出II级组时，再试 拆III级组，即由最低级别杆组向高级杆组依次拆分，最后剩下原动件和机架。 正确拆组的判定标准是： 拆去一个杆组或一系列杆组后，剩余的必须仍为一个完整的机构或若干个与机架相联的 原动件，不允许有不成组的零散构件或运动副存在，否则这个杆组拆得不对。每当拆出一个 杆组后，再对剩余机构拆组

10、，并按第3）步骤进行，直到全部杆组拆完，只应剩下与机架相 联的原动件为止。 如图11-4所示机构，可先除去 K处的局部自由度；然后，按步骤2）计算机机构的自 由度；F=1，并确定凸轮为原动件；最后根据步骤3）的要领，先拆分出由构件 4和5组成 的II级组，再拆分出由构件 6和7及构件3和2组成的两个II级组及由构件8组成的单构 件高副杆组，最后剩下原动件1和机架9。 图11-4杆组拆分例图 4 正确拼装杆组 根据拟定的机构运动学尺寸，利用机械运动创新方案拼接实验台提供的零件按机构运动 的传递顺序进行拼接。 拼接时，首先要分清机构中各构件所占据的运动平面，并且使各构件 的运动在相互平行的平面内进

11、行，其目的是避免各运动构件发生干涉。然后，以机架铅垂面 为参考面，所拼接的构件以原动构件起始，依运动传递顺序将各杆组由里（参考面）向外进 行拼接。机械运动创新方案拼接实验台提供的运动副的拼接过程请参见以下图示方法，图中 的编号与“ JCP-5型机械运动创新拼接实验台组件清单”相同。 1）实验台机架 实验台机架中有 5根铅垂立柱，它们可沿 X方向移动。移动时请用手轻轻推动、并尽 可能使立柱在移动过程中保持铅垂状态。立柱移动到预定的位置后，用螺栓将立柱上、下两 端锁紧（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旋 松即可。）立柱上的滑块可沿 Y方向移动。将滑块移动到预

12、定的位置后，用螺栓将滑块紧定 在立柱上。按图11-5所示方法即可在 XY平面内确定一个固定点，这样活动构件相对机架的 联接位置就确定了。 Y 图11-5实验台机架 2）转轴相对机架的联接 图11-6转轴与机架的联接图 按图11-示联接好后，其中标号为“ 6或8”的转轴相对机架作旋转运动。 3）转动副的联接 图11-7转动副联接图 按图11-示联接好后，两连杆作相对旋转运动。 4）移动副的联接 图11-8移动副联接图 按图11-示联接好后，连杆与转动副轴作相对直线运动。 5）齿轮与主（从）动轴的联接 图11-9齿轮与主（从）动轴的联接图 11- 按图11-示联接好后，齿轮与转动轴固定，可固接为一

13、活动构件。 6）凸轮与主（从）动轴的联接 图11-10凸轮与主（从）动轴的联接图 按图11-示联接好后，凸轮与转动固定，可固接为一活动构件。 7）凸轮副的联接 图11-11凸轮副的联接图 8）滑块导向杆相对机架的联 图11-12滑块导向杆相对机架的联接图 9）槽轮副的联接 图11-13槽轮副联接图11- 10）主动滑块与直线电机齿条轴的联接 图11-14主动滑块与直线电机齿条轴的联接图 11）曲柄双连杆部件的使用方法: 21 6 17 !二65 耐 17 1S- MWL- 图11-15曲柄双连杆部件与连杆的联接图 12）齿轮和凸轮与主（从）动轴的并联联接 图11-16齿轮和凸轮与主（从）主动轴

14、的并联联接图 13）两齿轮与主（从）动轴的并联联接 图11-17两齿轮与主（从）动轴的并联联接图 14）齿条导向板的使用方法 图11-18齿条导向板与齿条的并联联接图 15）连杆加长螺栓的联接方法 管电_ 4 严L | 图11-19连杆加长螺栓与连杆的联接图 16）固定转轴块与转动副轴（或滑块）一 2的使用方法 ! 彌 图11-20固定转轴块与转动副轴（或滑块）一 2及连杆的联接图 17）盘杆转动轴的使用方法 三LF诃 图11-21盘杆转动轴与齿轮、连杆的联接图 18）转动副轴（或滑块）一 3的使用方法 图11-22转动副轴（或滑块）一3与连杆的联接图 四、实训步骤 1 熟悉实验设备的硬件组成

15、及零件功能； 2 自拟机构运动方案或选择提供的机构运动方案作为拼接实验内容； 3. 详细设计所确定的机构，按比例绘制出机构的运动简图； 4. 将所选定的机构运动方案根据机构组成原理按杆级进行正确拆分； 5. 在“机械运动创新方案拼接实验台”上拼接杆组； 6. 将杆组按运动的传递顺序依次接到原动件和机架上。 五、实训内容 1. 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。 2 .简要说明机构杆组的拆组过程，并画出所拆杆组简图。 3 .根据你所拆分的杆组， 按不同的顺序进行排列杆组，可能组合的机构运动方案有哪一 些？要求用简图表示出来，就运动传递情况作方案比较，并简要说

16、明理由。 六、实验总结 1. 对实验中出现的问题，解决方法进行总结 2. 撰写机构设计及实验组装说明书。 七、注意事项 1. 直线电机控制器使用注意事项 ：根据主动滑块移动的距离，通过改变离直线电机较 远的行程开关，来调节齿条（相当于滑块）往复运动行程，可调节的最大行程不得 大于400mm。 2. 所有螺纹类零件只需轻轻用力带紧即可，不能过度用力，以免损坏零件； 3. 机构拼接完成后，先用手动试验，确认运动正常后方可开电机。 4. 实验结束后，各类零件应分门别类放回原处，离开实验室前，应拔掉所有插头，关 好门窗。 附录：平面连杆机构创意设计实例 题目：牛头刨床主体机构设计 .工作原理及工艺动作

17、过程 牛头刨床是一种用于切削平面的加工机床，它是依靠刨刀的往复运动和支承并固定工件 的工作台的单向间歇移动来实现对平面的切削加工。刨刀向左运动时切削工件，向右运动时 为空回。 图11-23牛头刨床工作台示意图 .原始数据及设计要求 1.刨刀所切削的工件长度L=180mm，并要求刀具在切削工件前后各有一段约0.05L的空刀行程。每分钟刨削 30次。 2 为保证加工质量，要求刨刀在工作行程时速度比较均匀。 3 为提高生产 ，刨刀应有急回特性，要求行程速比系数K = 2。 三设计任务 1 构思刨削主体机构运动组成方案，画出机构示意图。 2 .对所构思出的机构方案进行论证及评价，选出较佳方案。 3 详

18、细设计所确定的机构，按比例绘制出机构的运动简图。 4 用“机械运动创新方案拼接实验台组件 ”进行组装试验。 5 对机构的设计方案提出改进意见。 6 撰写机构设计及实验组装说明书。 案例：牛头刨床主体机构设计方案 构思刨削主体机构运动组成方案，画出机构示意图。 由上设计要求可知，刨削主体机构系统的特点是，在运动方面，有曲柄的回转运动变 换成具有急回特性的往复直线运动，且要求执行件行程较大，速度变换平缓；在受力方面， 由于执行件（刨刀）受到较大的切削力，故要求机构具有较好的传力特性。根据对牛头刨床 主体刨削运动特性的要求，可以列出以下几个运动方案，如图 -. (a) 11-24所示。 (b) 图1

19、1-24刨削主体机构运动组成方案 .对所构思出的机构方案进行论证及评价，选出较佳方案。 方案（a）采用偏置曲柄滑块机构。结构最为简单，能承受较大载荷，但其存在有较大 的缺点。一是由于执行件行程较大， 则要求有较长的曲柄，从而带来机构所需活动空间较大； 二是机构随着行程速比系数 K的增大，压力角也增大，使传力特性变坏。 方案（b）由曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构串联而成。该方案在传力特性和执行件的速 度变化方面比方案（a）有所改进，但在曲柄摇杆机构 ABCD中，随着行程速比系数 K的增 大，机构的最大压力角仍然较大，而且整个机构系统所占空间比方案（a）更大。 方案（c）由摆动导杆机构和摇杆滑块机构串联而成。该方案克服了方案（b）的缺点， 传力特性好，机构系统所占空间小，执行件的速度在工作行程中变化也较缓慢。 方案（d）由摆动导杆机构和齿轮齿条机构组成。由于导杆作往复变速摆动，在空回形 成中导杆角速度变化剧烈， 虽然回程中载荷不大， 但齿轮机构会受到较大的惯性冲击，而且 在工作行程开始也会突然受到较大切削力的冲击，由此容易引起轮齿的疲劳折断，而且还会 引起噪音和振动。此外，扇形齿轮和齿条的加工也较为复杂，成本较高。 方案（e）由凸轮机构和摇杆滑块机构所组成。由于凸轮与摇杆滚子也为高副接触，在 工作行程开始也会突然受到较大切削力冲击，由此引起附加动载荷，致使凸轮接