平面机构运动方案创新设计试验

1、实验四平面机构运动方案创新设计实验 一、实验目的 1.1. 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性； 2.2. 培养学生的工程实践动手能力； 3.3. 培养学生创新意识及综合设计能力。 二、 设备和工具 1.1. 机构运动方案创新设计实验台； 2.2. 工具箱一套； 3.3. 自备三角板、圆规和草稿纸等文具。 三、 实验前的准备工作 1.1. 预习实验，掌握实验原理，初步了解机构创新模型； 2.2. 选择设计题目，初步拟定机构系统运动方案。 四、 实验原理 任何平面机构均可以用零自由度的杆组依次连接到原动件和机架上的方 法来组成，这是机构的组成原理，也是本实验的基本原理。

2、 1.1. 杆组的概念 由丁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 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结而成。 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 F = 3n - - 2PL- PH =0=0 (4(4- - 1)1) 式中：n n 为杆组中的构件数；PL为杆组中的低副数；PH为杆组中的高副数 c c 由丁构件数和运动副数目均应为整数，故当 n n、PL、PH取不同数值时，可得各 类基本杆组。 当PH=0时，杆组中的运动副全部为低副，称为低副

3、杆组。由丁有 F = 3n F = 3n - - 2PL- 2PL n PH =0,=0,故 3，则 n n 应当是 2 2 的倍数，而PL应当是 3 3 的倍数，即 n n： 2 2、4 4、66， PL=3、6 6、99。当 n=2, n=2, PL=3时，基本杆组称为 IIII 级组。IIII 级组是应用最多的 基本杆组，绝大多数的机构均由 IIII 级杆组组成,IIII 级杆组可以有下图所示的五1 种不同类型: n=4, n=4, PL =6=6 的杆组形式很多，如图 6 6- -2 2 所示为常见的 m m 级杆组 图4 2平面低副m级杆组 2 2、正确拆分杆组 从机构中拆出杆组具有

4、三个步骤： 1 1） 先去掉机构中的局部自由度和虚约束； 2 2） 计算机构的自由度，确定原动件； 3 3） 从远离原动件的一端开始拆分杆组，每次拆分时，要求先试着拆分 U U 级组，没有皿组时，再拆分用级组等高一级杆组，最后剩下原动件和机架。 拆 分杆组是否正确的判定方法是：拆去一个杆组或一系列杆组后，剩余的必须为 一个完整的机构或若干个与机架相联的原动件，而不能有不成组的零散构件或 运动副存在，全部杆组拆完后，应当只剩下与机架相联的原动件。 如图 4 4- -3 3 所示机构，可先除去 K K 处的局部自由度，然后，按步骤 2 2）计算机 构的自由度（F=F=1 1），并确定凸轮为原动件；

5、最后根据步骤 3 3）, ,先拆分出构件 4 4 和 5 5 组成的皿级组，再拆分出构件 6 6 和 7 7 及构件 3 3 和 2 2 组成的两个 IIII 级组以及由构 件 8 8 组成的单构件高副杆组，最后剩下原动件 1 1 和机架 9 9。2 3 3、杆组的正确拼装 根据事先拟定的机构运动简图，利用机构运动创新设计方案实验台提供的 零件按机构运动的传递顺序进行拼装。拼装时，通常先从原动件开始，按运动 传递规律进行拼装。拼装时，应保证各构件均在相互平行的平面内运动，这样 可避免各运动构件之间的干涉，同时保证各构件运动平面与轴的轴线垂直。拼 装应以机架铅垂面为参考平面，由里向外拼装。 注意

6、：为避免连杆之间运动平面相互紧贴而摩擦力过大或发生运动干涉， 在装配时应相应装入层面限位套。 机构运动创新设计实验台提供的运动副拼接方法参见以下各图所示。 1 1）实验台机架： ? V 3 :旨决 f啧* 眼快国嫌4 T 咀机 屋切土 图4-4 实验台机架图 实验台机架中有 5 5 根铅垂立柱，均可沿 X X 方向移动。移动前应旋松在电机侧 安装在上、下横梁上的立柱紧固螺钉，并用双手移动立柱到需要的位置后，应 将立柱与上（或下）横梁靠紧再旋紧立柱紧固螺钉（立柱与横梁不靠紧旋紧螺钉 时会使立柱在 X X 方向发生偏移）。 注：立柱紧固螺钉只需旋松既可，不允许将其旋下。 立柱上的滑块可在立柱上沿

7、Y Y 方向移动，要移动立柱上的滑块，只需将滑 块上的内六角平头紧定螺钉旋松即可（该紧定螺钉在靠近电机侧）。 按上述方法移动立柱和滑块，就可在机架的 X X、Y Y 平面内确定固定皎链的 位置。 2 2）主、从动轴与机架的连接（下图各零件编号与“机构运动创新设计方案实 验台组件”序号相同，后述各图均相同） 按上图方法将轴联接好后，主（或从）动轴相对机架不能转动，与机架成为4 若件 2222 不装配，则主（或从）动轴可以相对机架作旋转运动 3 3）转动副的连接 图4-6转动副连接图 按图示联接好后，采用件 1919 联接端连杆与件 9 9 无相对运动，采用件 2020 联接 端连杆与件 9 9

8、可相对转动，从而形成两连杆的相对旋转运动。 4 4）移动副的连接 带衅顺 5 5）活动皎链座 I I 的安装 /十 士 19 或 30 图4 7移动副连接图 5 如图联接，可在连杆任意位置形成皎链，且件 9 9 如图装配，就可在皎链座 I I 上形成回转副或形成回转一移动副。 6 6）活动皎链座 IIII 的安装 如图连接，可在连杆任意位置形成皎链，从而形成回转副 7 7）复合皎链 I I 的安装：（或转一移动副） 将复合皎链 I I 铢平端插入连杆长槽中时构成移动副，而联接螺栓均应用带垫片 螺栓。图4 8活动皎链座I连接图 6 8 8）复合皎链 IIII 的安装 图4 11复合皎链II的连接

9、图 复合皎链 I I 联接好后，可构成三构件组成的复合皎链，也可构成复合皎链 + + 移动副。 复合皎链 IIII 联接好后，可构成四构件组成的复合皎链。 9 9）齿轮与主（从）动轴的连接 图4 12齿轮与主（从）动轴的连接图 1010）凸轮与主（从）动轴的连接 图4 13凸轮与主（从）动轴的连接图7 1111）凸轮副连接 1212）槽轮机构连接 图4- 15槽轮机构连接图 注：拨盘装入主动轴后，应在拨盘上拧入紧定螺钉 37, 37, 相对运动；同时槽轮装入主（从）动轴后，也应拧入紧定螺钉 （从）动轴无相对运动。 1313）齿条相对机架的连接 如图连接后，齿条可相对机架作直线移动；旋松滑块上的

10、内六角螺钉，滑 块可在立柱上沿 Y Y 方向相对移动（齿条护板保证齿轮工作位置）使拨盘与主动轴无 37,37,使槽轮与主 图4 14凸轮副连接图 S 7 g 8 图4 16齿条相对机架的连接 1414）主动滑块与直线电机轴的连接： 当由滑块作为主动件时，将主动滑块座与直线电机轴 （齿条）固连即可，并 完成如图小连接就可形成主动滑块。 五、实验内容 机构运动创新设计实验，其运动方案由学生根据设计要求构思平面机构运 动简图进行创新构思并完成方案的拼接，达到开发学生创造性思维的目的。 实验可以选用工程机械中应用的各种平面机构，根据机构运动简图，进行 拼接实验；也可从下列运用丁工程机械中的各种机构中选

11、择拼接方案，完成实 验。9 1 1、内燃机机构 图4- 18 内燃机机构 机构组成：曲柄滑块与摇杆滑块组合而成的机构。 工作特点：当曲柄 1 1 作连续转动时，滑块 6 6 作往复直线移动，同时摇杆 3 3 作 往复摆动带动滑块 5 5 作往复直线移动。 该机构用丁内燃机中，滑块 66压力气体作用下作往复直线运动（故滑块 6 6 是实际的主动件），带动曲柄 1 1 回转并使滑块 5 5 往复运动使压力气体通过不同路 径进入滑块 6 6 的左、右端并实现排气。 图4 - 19精压机机构 2 2、精压机机构 机构组成：该机构由曲柄滑块机构和两个对称的摇杆滑块机构所组成。对 称部分由杆件 4 4-

12、-5 5- -6 6- -7 7 和杆件 8 8 9 9- -10107 7 两部分组成，其中一部分为虚约 束。 工作特点：当曲柄 1 1 连续转动时，滑块 3 3 上、下移动，通过杆 4 4- -5 5- -6 6 使滑 块 7 7 作上下移动，完成物料的压紧。对称部分 8 8- -9 9- -1010- -7 7 的作用是使构件 7 7 平10 稳下压，使物料受载均衡。 用途：如钢板打包机，纸板打包机，棉花打捆机、剪板机等均可采用此机 构完成预期工作。 3 3、牛头刨床机构 图4-20牛头刨床机构 图 b b）为将图 a a）中的构件 3 3 由导杆变为滑块，而将构件 4 4 由滑块变为导

13、杆形成。 机构组成：牛头刨床机构由摆动导杆机构与双滑块机构组成。只是在图 a a） 中，构件 2 2、3 3、4 4 组成两个同方位的移动副，且构件 3 3 与其它构件组成移动副两 次；而图 b b）则是将图 a a）中 D D 点滑块移至 A A 点，使 A A 点移动副在箱底处，易丁润滑， 使移动副摩擦损失减少，机构工作性能得到改善。图 a a）和图 b b）所示机构的运动 特性完全相同。 工作特点：当曲柄 1 1 回转时，导杆 3 3 绕点 A A 摆动并具有急回性质，使杆 5 5 完成 往复直线运动，并具有工作行程慢，非工作行程快回的特点。 4 4、两齿轮一曲柄摇杆机构 图4 21齿轮

14、一曲柄摇杆机构 11 图4 22齿轮一曲柄摆块机构 机构组成：该机构由曲柄摇杆机构和齿轮机构组成，其中齿轮 5 5 与摇杆 2 2 形 成刚性联接。 工作特点：当曲柄 1 1 回转时，连杆 2 2 驱动摇杆 3 3 摆动，从而通过齿轮 5 5 与齿轮 4 4 的啮合驱动齿轮 4 4 回转。由丁摆杆 3 3 往复摆动，从而实现齿轮 4 4 的往复回转。 5 5、两齿轮-曲柄摆块机构： 机构组成：该机构由齿轮机构和曲柄摆块机构组成。其中齿轮 1 1 与杆 2 2 可相 对转动，而齿轮 4 4 则装在皎链 B B 点并与导杆 3 3 固联。 工作特点：杆 2 2 作圆周运动，为曲柄通过连杆使摆块摆动

15、从而改变连杆的 姿态使齿轮 4 4 带动齿轮 1 1 作相对曲柄的同向回转与逆向回转。 6 6、喷气织机开口机构 图4-23喷气织机开口机构 机构组成：该机构由曲柄摆块机构，齿轮一齿条机构和摇杆滑块机构组合 而成，其中齿条与导杆 BCBC 固联，摇杆 DDDD与齿轮 G G 固联。 工作特点：曲柄 ABAB 以等角速度回转，带动导杆 BCBC 随摆块摆动的同时与摆 块作相对移动，在导杆 BCBC 上固装的齿条 E E 与活套在轴上的齿轮 G G 相啮合，从而12 使齿轮 G G 作大角度摆动，与齿轮 G G 固联在一起的杆 DD DD 随之运动，通过连杆 DF(D F)DF(D F)使滑块作上

16、、下往复运动。组合机构中，齿条 E E 的运动是由移动和转 动合成的复合运动，而齿轮 G G 的运动就取决丁这两种运动的合成。 图4 24冲压机构 7 7、冲压机构 机构组成：该机构由齿轮机构与对称配置的两套曲柄滑块机构组合而成， ADAD 杆与齿轮 1 1 固联，BCBC 杆与齿轮 2 2 固联。 组成要求：zi=z2zi=z2； AD=BC ; AD=BC ; 厂 6 6 工作特点：齿轮 1 1 匀速转动，带动齿轮 2 2 回转，从而通过连杆 3 3、4 4 驱动杆 5 5 上下直线运动完成预定功能。 该机构可拆去杆件5,5,而E E 点运动轨迹不变，故该机构可用丁因受空间限制 无法安置滑

17、槽但乂须获得直线进给的自动机械中。 而且对称布置的曲柄滑块机 构可使滑块运动受力状态好。 应用：此机构可用丁冲压机、充气泵、自动送料机中。 8 8、插床机构 图4 25插床机构13 机构组成：该机构由转动导杆机构与正置曲柄滑块机构构成。 工作特点：曲柄 1 1 匀速转动，通过滑块 2 2 带动从动杆 3 3 绕 B B 点回转，通过连杆 4 4 驱 动滑块 5 5 作直线移动。由丁导杆机构驱动滑块 5 5 往复运动时对应的曲柄 1 1 转角不 同，故滑块5 5 具有急回特性。 应用：此机构可用丁刨床和插床等机械中。 9 9、筛料机构 机构组成：该机构由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构构成。 工作特点

18、：曲柄 1 1 匀速转动，通过摇杆 3 3 和连杆 4 4 带动滑块 5 5 作往复直线运动, 由丁曲柄摇杆机构的急回性质，使得滑块 5 5 速度、加速度变化较大，从而更好 地完成筛料工作。 1010、凸轮一连杆组合机构 凸轮一连杆组合机构 机构组成：该机构由凸轮机构和曲柄连杆机构以及齿轮齿条机构组成，且 曲柄 EFEF与齿轮为固联构件。 图4 26筛料机构 机疏 图4 14 工作特点：凸轮为主动件匀速转动，通过摇杆 2 2、连杆 3 3 使齿轮 4 4 回转，通 过齿轮4 4 与齿条 5 5 的啮合使齿条 5 5 乍直线运动，由丁凸轮轮廓曲线和行程限制以 及各杆件的尺寸制约关系，齿轮 4 4

19、 只能作往复转动，从而使齿条 5 5 作往复直线移 动。 应用：此机构用丁粗梳毛纺细纱机钢领板运动的传动机构。 1111、凸轮一五连杆机构 图4 - 28凸轮一五连杆机构 机构组成：该机构由凸轮机构和连杆机构构成，其中凸轮与主动曲柄 1 1 固 联，乂与摆杆 4 4 构成高副。 6什缨 图4 29 行程放大机构 工作特点：凸轮 1 1 匀速回转，通过杆 1 1 和杆 3 3 将运动传递给杆 2,2,从而杆 2 2 的 运动是两种运动的合成运动，因此连杆 2 2 上的 C C 点可以实现给定的运动轨迹。 1212、行程放大机构： 机构组成：该机构由曲柄滑块机构和齿轮齿条机构组成，其中齿条 5 5

20、 固定 为机架，齿轮 4 4 为移动件。 工作特点：曲柄 1 1 匀速转动，连杆上 C C 点作直线运动，通过齿轮 3 3 带动齿条 4 4 作直线移动，齿条 4 4 的移动行程是 C C 点行程的两倍，故为行程放大机构。 注：若为偏置曲柄滑块，则齿条 4 4 具有急回性质。 1313、冲压机构 15 图4 30 冲压机构 机构组成：该机构由齿轮机构、凸轮机构、连杆机构组成，其中凸轮 3 3 与 齿轮 2 2 固联。 工作特点：齿轮 1 1 匀速转动，齿轮 2 2 带动与其固联的凸轮 3 3。起转动，通过 连杆机构使滑块 7 7 和滑块 1010 作往复直线移动，其中滑块 7 7 完成冲压运动

21、，滑块 10 10 完成送料运动。 该机构可用丁连续自动冲压机床或剪床（剪床则由滑块 7 7 为剪切工具）。 实验内容也可按下面的题目要求设计一个机构。 任选一题，进行 机构系统运动方案的设计。 （一）.钢板翻转机 1.1. 设计题目： 如图 4 4- -3131 示，该机构具有将钢板翻转 180180的功能。钢板由辗道送至左翻板， 并顺时针方向转动，当转至铅垂位置偏左 1010左右时，与逆时针方向转动的右 翻板会合，接着左翻板与右翻板一同转至铅垂位置偏右 1010左右，左翻板折回 到水平位置，与此同时，右翻板顺时针方向转到水平位置，从而完成钢板翻转 任务。16 2.2. 已知条件： 1 1）

22、 原动件由电动机驱动； 2 2） 每分钟翻钢板 1010 次； 3.3. 设计任务： 1 1） 用图解法或解析法完成机构运动方案的设计，并用机构创新模型加以 实现； 2 2） 绘制出机构运动简图，计算自由度，并分析机构的基本杆组。 （二）.设计平台印刷机主传动机构 1.1.设计题目 平台印刷机的工作原理是复印原理，即将铅版上凸出的痕迹借助丁油墨印 到纸张上。平台印刷机一般由输纸、着墨（即将油墨均匀涂抹在嵌丁版台的铅 版上）、压印、收纸等四部分组成。如图 6 6- -3232 所示，平台印刷机的压印动作 是在卷有纸张的滚筒与嵌有铅版的版台之间进行。 整部机器中各机构的运动均 由同一电机驱动，运动

23、由电机经过减速装置后分成两路：一路经传动机构 I I 带 动滚筒作回转运动，另一路经过传动机构IIII带动版台作往复直线运动，当版台 与滚筒接触时，就可在纸上压印出字迹或图形。 _ 图4-32平台印刷机工作原理图 版台工作行程分三个区段：在第一区段中，送纸和着墨机构相继完成输纸、 着墨作业；第二区段，滚筒和版台完成压印动作；在第三区段，收纸机构进行 收纸作业。 本题目所要设计的主传动机构就是指滚筒的传动机构 I I 和版台的传动机 构 U U。 2.2. 已知条件 1 1） 印刷速度为 180180 张/ /小时； 图4 31钢板翻转机构工作原理图 17 2 2） 版台行程长度 500mm500mm； 3 3） 压印区段长度 300mm300mm； 4 4） 滚筒直径 116mm116mm； 5 5） 电机转速 6r/min6r/min。 3.3. 设计任