实验机械运动方案创新设计及运动参数测试与分析改

1、实验11 机械运动方案创新设计及运动参数测试与分析11.1 实验目的1培养创造性思维，加深对机构组成原理的理解，为机构运动方案创新设计奠定良好的基础；2根据设计要求，利用若干杆组，拼接各种不同的平面机构，以培养用实验方法构思、验证、确定机械运动方案的初步能力以及机构运动创新设计意识和综合设计能力；3. 了解FPC-I型机构运动参数采集分析系统的工作原理，掌握机构位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度测试数据的采集和处理方法；4. 通过比较机构理论运动线图和实际运动线图的差异、分析其原因，增加对速度、角速度，特别是加速度、角加速度的感性认识。5训练工程实践动手能力。11.2 实验设备及工具

2、1机构运动方案创新设计实验台零件及主要功用（参看表11-1“机构运动创新方案实验台组件”）1# 凸轮和高副锁紧弹簧：凸轮基圆半径为18mm，从动推杆的行程为30mm。从动件的位移曲线是升一回型，且为正弦加速度运动；凸轮与从动件的高副形成是依靠弹簧力的锁合。2# 齿轮：模数2，压力角200，齿数34或42，两齿轮中心距为76mm。3# 齿条：模数2，压力角200，单根齿条全长为422mm。4# 槽轮拔盘：两个主动销。5# 槽轮：四槽。6# 主动轴：动力输入用轴，轴上有平键槽。7# 转动副轴（或滑块）3：主要用于跨层面（即：非相邻平面）的转动副或移动副的形成。8# 扁头轴：又称从动轴，轴上无键槽，

3、主要起支撑及传递运动的作用。9# 主动滑块插件：与主动滑块座配用，形成主动滑块。10# 主动滑块座与直线电机齿条固连形成主动件，且随直线电机齿条作往复直线运动。11# 连杆（或滑块导向杆）：其长槽与滑块形成移动副，其圆孔与轴形成转动副。11# 压紧连杆用特制垫片：固定连杆时用。13# 转动副轴（或滑块）2：与固下转轴块（20#）配用时，可在连杆长槽的某一选定位置形成转动副。14# 转动副轴（或滑块）1：用于两构件形成转动副。15# 带垫片螺栓：规格M6，转动副轴与连杆之间构成转动副或移动副时用带垫片螺栓连接。16# 压紧螺栓：规格M6，转动副轴与连杆形成同一构件时用该压紧螺栓连接。17# 运动

4、构件层面限位套：用于不同构件运动平面之间的距闻限定，避免发生运动构件间的运动干涉。18# 皮带轮 主动皮带轮：传递旋转主动运动。19# 盘杆转动轴：盘类零件（如1#、2#）与其它构件（如连杆）构成转动副时用。20# 固定转轴块：用螺栓（21#）将固定转轴块锁紧在连杆长槽上，13#件可与该连杆在选定位置形成转动副。21# 加长连杆和固定凸轮弹簧用螺栓、螺母，用于锁紧连接件。22# 曲柄双连杆部件：偏心轮与活动圆环形成转动副，且已制作成一组合件。23# 齿条导向板：将齿条夹紧在两块齿条导向板之间，可保证齿轮与齿条的正常啮合。24# 转动副轴（或滑快）4：轴的偏头主要用于两构件形成转动副，轴的圆头主

5、要用于两构件形成移动副。25#39# 参看“机构运动方案创新设计实验台组件清单”中的说明。40# 直线电机、旋转电机 直线电机：10mm/s，直线电机安装在实验台机架底部，并可沿机架底部的长形槽移动电机。直线电机的长齿条即为输入直线运动的主动件。实验中，允许齿条单方向的最大直线位移为300mm，实验者可根据主滑快的位移量确定直线电机两行程开关的相对间距，并且将两行程开关的最大安装距离限制在300mm范围内。直线电机控制器：参见控制器面板图所示。本控制器采用机械与电子组合设计方式，控制电路采用低压、微型、密封功率继电器与机械行程开关构成，极具安全与方便。控制器的前面板为LED显示方式，当控制器的

6、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移动方向。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蕊插座、与行程开关相连的5蕊插座和2A保险管。图111a IEP直线电机控制器控制器前面板 图111b 控制器后面板旋转电机：10转/min，旋转电机安装在实验台机架底部，并可沿机架底部的长形槽移动电机。电机上连有220V、50HZ的电源线及插头，连线上串接有连线盒及电源开关。图11-2a 数据采集箱前面板开关图11-2b数据采集箱后面板转速1位移1转速2位移2通讯口电源液晶显示2. FPC-I型机构运动参数采集分析系统参数电源：220V 50Hz；通道：2个

7、数字信号通道（转速1、转速2），2个模拟信号通道（直线位移1、直线位移2），1个RS232串口通信通道；外接光栅角位移传感器参数：主动件测试用PIB-1000-G05E（1000栅/转）、从动件测试用PIB-360-G05E（360栅/转）；外接直线位移传感器参数：行程L=200mm；采集箱工作环境：0°C +75°C； 空气相对湿度：25%70%RH。11.3 实验原理1. 机构组成原理任何机构都是由自由度为零的若干杆组，依次连接到原动件（或已经形成的简单的机构）和机架上所组成。2. 机械运动方案创新设计常用方法机械运动方案创新设计的核心是执行机构的型式设计，其设计方法有

8、机构的选型和机构的构型。机构的选型是将前人创造发明出的各种机构按照运动特性或实现的功能进行分类，然后根据执行构件所需要的运动特性或实现的功能进行搜索、选择和比较，选出合适的机构型式的过程。当用选型的方法选出的机构型式不能完全实现预期的要求，或虽能实现功能要求但存在着或结构较复杂、运动精度较差，或动力性能欠佳，或占据空间较大等缺点时设计者就需要进行机构构型设计，其设计步骤通常为：先从常用机构中选择一种功能和原理与工作要求相近的机构，然后在此基础上重新构造机构型式。机构构型设计比机构的选型更具有创造性。机构构型的常用方法有：（1）变异法以现有机构为基础，通过对构成机构的结构元素进行变化或改造，生成

9、新的机构型式。常用的方法有运动倒置法、运动副变换法、局部变异法等。（2）扩展法扩展法是根据机构组成原理，在选择的基本机构上连接若干基本杆组构造出新机构的方法。该方法的优点是在不改变机构自由度的情况下，能增加或改善机构的功能。（3）组合法基本机构由于其固有的局限性只能实现有限的运动功能和要求，对于更复杂的功能和运动要求，则常采用将几种基本机构用适当的方式组合起来，构成一个较复杂的机构，来实现基本机构很难实现的运动或动力特性。机构的组合是发明创造新机构的重要途径之一。常用的组合方式有串联组合、并联组合、反馈组合和运载组合等。3. FPC-I型机构运动参数采集分析系统图11-3 FPC-I型机构运动

10、参数采集分析系统数据采集箱原理图PC机数据分析处理显示、打印数据采集箱直线位移传感器电位器电机光栅角位移传感器调速器RS232通讯单元液晶显示AVR系列数据微处理器处理数据A/D数据转换处理单元脉冲规整处理单元11.4 实验方法与步骤1机械运动方案创新设计（1）掌握实验原理。（2）根据上述“实验设备及工具”的内容介绍熟悉实验设备的零件组成及零件功用。（3）自拟机构运动方案或选择实验指导中提供的机构运动方案作为拼接实验内容。（4）将拟定的机构运动方案根据机构组成原理按杆组进行正确拆分，并用机构运动简图表示之。（5）拼装机构运动方案。2. 机构运动参数测试与分析（1）检查测试机构与接线1）仔细检查

11、拼装好的机构。2）分别将连接在主动件转轴和从动件转轴上的光栅角位移传感器的信号线插头插入数据采集箱后面板上“转速1”和“转速2”插座；将直线位移传感器的信号线插头插入“位移1”或“位移2”插座；用专用通讯线连接计算机和数据采集箱的通讯口。所有插头插入插座后均要拧紧螺母。3）打开测试机构和数据采集箱的电源开关，当数据采集箱液晶屏幕出现欢迎界面并响起“滴”的一声，表明系统已进入工作状态。这时在液晶屏幕上可以看到当前主动件的转速（n= ）。（2）机构运动参数测试1）打开计算机电源，双击桌面上的图标，激活屏幕图像抓取程序；双击桌面上的图标，打开数据采集箱检测分析软件，如图11-4所示。图11-4 数据

12、采集箱检测分析软件界面2）在实验选项菜单中选择实验项目，如图11-5所示。图11-5 实验选项菜单图11-6 端口打开菜单当屏幕上出现图11-6所示的弹出菜单时，点击“确定”，进入测试程序界面，如图11-7所示。测试程序界面包含菜单栏、光栅角位移曲线显示区、直线位移显示区、坐标调整区、曲线调整区、功能按钮区等。菜单栏光栅角位移曲线显示区直线位移显示区坐标调整区曲线调整区功能按钮区图11-7 测试程序界面区域说明： 菜单栏：与前面提及的各项功能相对应。光栅角位移曲线显示区：以曲线方式实时显示光栅角位移传感器采集到的数据。直线位移显示区：以曲线的方式实时显示直线位移传感器采集到的数据。坐标调整区：

13、调整对应显示区域的横纵坐标。曲线调整区：P1曲线调整用于调整光栅角位移各数据的放大倍数，P2曲线调整用于调整直线位移各数据的放大倍数。功能按钮区：其中主动件速度显示机构中所测量的主动件的转速及速度1采集口采集到的数据。 点击“采集”按钮即可采集测试数据；点击“设置零点”可以设置从动件角位移参数测试零点；点击“清空”按钮可清空采集到的数据，并重新开始采集；点击“保存文件”，程序将以“.txt”文件格式保存采集到的数据。点击“打开文件”可以将保存的数据还原成图形曲线；点击“打印结果”，以A4纸打印当前显示区域的曲线图。3）采集机构运动参数。依次点击“采集”和“设置零点”，系统将开始采集机构运动参数

14、并绘制运动线图。在系统工作过程中，可以修改各数据的放大倍数，以便清楚地观察曲线。点击“暂停”，结束数据采集。图11-8所示为一测试机构的运动参数测试结果。图11-8 测试结果点击“打印结果”，屏幕将出现打印和保存曲线界面。此时，按住鼠标右键直至出现十字形光标，然后将光标移动到屏幕上的适当位置，再按住鼠标左键，拖出矩形框捕捉机构测试运动线图图形，如图11-9所示。释放左键，将图形保存到D盘“运动参数测试与分析”文件夹。图11-9 机构从动件运动线图4）关闭数据采集箱和测试机构电源。5）机构运动仿真。测量并记录测试机构的尺寸参数。打开D盘上“机构方案设计运动分析”文件夹中与测试机构名称一致的子文件

15、夹，运行.exe程序，输入相应参数（有些参数需要根据测试机构的尺寸参数计算。以牛头刨床为例，需要计算行程速比系数K、刨刀行程H、曲柄角速度w等参数），点击“计算确定”，如图11-10所示。图11-10 机构运动分析输入参数点击菜单栏的“运动仿真与运动线图”，进行运动仿真，得到机构运动分析结果和运动线图。按前述相同方法，保存机构运动线图，如图11-11所示。a)b)图11-11 机构运动线图打印所保存的机构测试运动线图和仿真分析运动线图，以用于撰写实验报告。6）关闭计算机电源。11.5 杆组的概念、正确拆分杆组及拼装杆组1杆组的概念任何机构都是由机架、原动件和从动件系统，通过运动副联接而成。机构

16、的自由度数应等于原动件数，因此封闭环机构从动件系统的自由度必等于零。而整个从动件系统又往往可以分解为若干个不可再分的、自由度为零的构件组，称为组成机构的基本杆组，简称杆组。基本杆组应满足的条件：其中活动构件数n，低副数P5和高副数P4都必须是整数。由此可以获得各种类型的杆组。示例：蒸汽机机构图1111 蒸汽机机构上图中，1-2-3-8组成曲柄滑块机构，1-4-5-8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。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。注：图“蒸汽机机构拼接实例”中数字编号的

17、说明意义为：横杠前面的数字代表构件编号，横杠后面的数字表示该构件所占据的运动层面。11.6 机构设计任务下列各种机构均选自于工程实践，根据机构运动简图及给定已知条件，进行机构设计，确定机构运动学尺寸后再进行机构杆组的拆分，完成机构拼接设计实验。（设计任务3的机构运动学尺寸由实验法求得）设计任务1: 牛头刨床机构（图1113） 图1113 牛头刨床机构已知：行程速比系数 K、刨刀行程H、曲柄长度LAB、连杆长度LDE，要求使刨刀在整个行程中有较小的压力角a。求导杆长度LCD、中心距LAC、导路至摆动中心距离y，确定连杆LDE后的amax，并给出机构的级别。 设计任务2: 插床机构（图1114）图

18、1114 插床机构已知：插刀行程H、机架长度LAC、行程速比系数K、长度比值 LDE/LDC。求：LAB、LDE、LBC、e，并保证在整个行程压力角a尽可能小。注：任务1、2中数字编号说明的意义为：减号前后小数字表示构件编号，乘号后面的数字为件数。图1115 导杆摇杆滑块机构设计任务3: 导杆摇杆滑块冲压机构（图1115）冲压机构是在摆动导杆机构的基础上，串联一个摇杆滑块机构组合而成。行程速比系数K1.5，调整构件长度，使冲头达到工作段近似匀速的要求，并选择导路适当位置，使工作段压力角a尽可能小。图1116 起重机机构设计任务4: 起重机机构（图1116）调整构件长度，使E点轨迹为直线。注：由

19、于是双摇杆，所以不能用电机带动，只能用手动方式观察其运动。设计任务5: 六杆机构（图1117）图1117 六杆机构增加电机后的铰链六杆机构，调整构件长度，使E点轨迹为直线。.设计任务6: 锻压机构（图1118）曲柄AB整周回转，锻压头往复移动。作机构的尺度综合，确定机构尺寸，使锻压头位移S与曲柄转角j的关系满足图1119运动线图，并要求工作行程过程中最大压力角amax尽可能小。图1118 锻压机构参考数据：，图1119锻压头运动线图计任务7: 冲压机构（图1120）冲压机构用于冲制、拉延薄壁零件。工作时，要求上模先以较大速度接近坯料，然后以匀速进行拉延成型工作，上模继续下行将成品推出型腔，最后

20、快速返回。作机构的尺度综合，确定机构尺寸，使上模位移S与曲柄转角j的关系满足图1121运动线图，并要求工作行程过程中最大压力角amax尽可能小。图1120 冲压机构提示：1曲柄AB与曲柄ED两者转速相等，转向相反，可由一对外啮合齿轮传动实现。图1121 上模运动线图2连杆LBC与LCD长度相等。图1122 对心曲柄滑块机构设计任务8: 行程放大机构方案设计（图1122）1）对心曲柄滑块机构如图1122所示。曲柄半径LAB=R，滑块行程H=2R。利用齿轮齿条机构与之组合，使滑块行程H=4R。构造该组合机构的设计方案。图1123带轮行程增大机构2）带轮行程增大机构如图1123所示。图中，曲柄1转动

21、，其半径为R，通过连杆2带动小车作往复移动。两车轮轴上各套有可在轴上自由旋转的轮3。两轮间用带4环绕并拉紧，带的下边固定于A点。小车作往复移动时，固连与带上方的B点也作往复移动，其行程H=4R。通过增加一对齿轮和一个铰接II级组，使行程H=8R。构造该组合机构的设计方案。表111 机构运动创新方案实验台组件序号名 称图示及图号规 格数量使用说明标号1凸 轮高副锁紧弹簧推程30回程各4凸轮推回程均为正弦加速度运动规律12齿 轮标准直齿轮Z=34Z=42442-12-23齿 条标准直齿条434槽轮拨盘145槽 轮四 槽156主动轴L=520355065444426-16-26-36-46-57转动

22、副轴(或滑块)-3L=515306437-17-27-38扁头轴L=5203550651611111088-18-28-38-48-59主动滑块插件L=405511与主动滑块座固连，可组成作直线运动的主动滑块9-19-210主动滑块座1与直线电机齿条固连10表112 机构运动创新方案实验台组件序号名 称图示及图号规 格数量使用说明标号11连 杆(或滑块导向杆)L=50100150200250300350888888811-111-211-311-411-511-611-711压紧连杆用特制垫片6.516将连杆固定在主动轴或固定轴上时使用1113转动副轴(或滑块)-2L=520各8与20号件配用

23、，可与连杆在固定位置形成转动副13-113-214转动副轴(或滑块)-116两构件形成转动副时用作滑块时用14或14-115带垫片螺栓M648用于加长转动副轴或固定轴的轴长1516压紧螺栓M648与转动副轴或固定轴配用1617运动构件层面限位套L=515304560354020201017-117-217-317-417-518电机带轮主动轴皮带轮大孔轴(用于旋转电机)小孔轴(用于主动轴)33大皮带轮已安装在旋转电机轴厂1819盘杆转动轴L=203545664盘类零件与连杆形成转动副时用19-119-219-320固定转轴块8与13号件配用20表113 机构运动创新方案实验台组件序号名 称图示

24、及图号规 格数量使用说明标号21加长连杆或固定凸轮弹簧用螺栓 螺母M10各18用于两连杆加长时的锁定 用于固定弹簧2122曲柄双连杆部件组合件42223齿条导向板82324转动副轴(或滑块)-416两构件形成转动副时用作滑块时用2425安装电机座行程开关座用内六角螺栓平垫标准件M8×258各2026内六角螺钉标准件M6×154用于将主动滑块座固定在直线电机齿条上27内六角紧定螺钉M6×618将盘类零件固定在轴上28滑 块64已与机架相联支撑轴，并在机架平面内沿铅垂方向上下移动29实验台机架4动力柱5根在机架平面沿水平方向移动30立柱垫圈940已与机架相联用于固定立柱31锁紧滑块方螺母M664已与滑块相连32T形螺母20卡在机架的长槽内，可轻松用螺栓固定电机座33行程开关支座配:内六角头螺栓平垫M5×155244用于行程开关与其座的连接行程开关的安装高度可在长孔内进行调节34平垫片17M112076使轴相对机架不转动时用防止