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机械创新设计与制作综合实验指导书2(创新实践篇)编著者 陈照强 王毅 曹芳 范维华 李林 等机械工程学院 2007年2月16日前言创新是技术和经济发展的原动力。人才的竞争，关键是人才创造力的竞争。为了适应21世纪人才培养的要求，根据创造学和设计方法学的基本理论，研究讨论创造性思维、创造原理和创造技法。针对开发型创新、变异性创新、反求形创新等各种类型设计。利用机械原理、机构设计、结构设计以及光电、化学、材料等相关知识，从各个角度广泛探讨创新设计的规律。本书引入6个综合性机械创新设计的案例，供同学们进行观察分析，培养兴趣。本书还给出了4个创新设计的课题，供同学们进行思考并亲手进行创新设计实践，以及达到提到创新能力的目的。创新能力的培养提高是一个长期实践的过程，要勤于思考，广泛吸收各门类的知识，不断地进行创造性设计实践，综合运用所学知识开拓思路，创新能力一定会逐步得到提高。要进行创新设计的实践活动，首先要打破创新设计高不可测的思想禁锢，勇于实践、大胆创新。在日常生产生活中，随时都会出要解决的问题，解决这些问题的过程就是创新设计的过程，所以要留心身边比较麻烦的事，在脑子里对这个问题有个印象，最好做个记录，要多善于思考，要想办法解决你记下的问题，能解决的方式采用机、光、电、化学等都要想到，方案制定的思维方式是发散性的，要培养自身的发散性思维模式。对于想到的方案或办法进行经济上的考核，也就是要看它有没有价值。下一步就是要做模拟或原理上的试验，也就是可行性研究，并作进一步改进，最后就是要推销出去你的创新设计，再好的创新设计得不到应用也等于零。创新设计的范围是很广泛的，大致有这几个方面：1. 对原有产品进行再创造使之更为完美（延伸法）2. 对原有产品进行改造使之适用其它用途（移植法）3. 利用现有的技术，解决生产生活中的问题（扩展法）4. 模拟生物的动作、能力解决问题（仿生法）5. 对现有技术通过结合变化构思出新的机构类型（变异法）现有创新设计的书很多，创新设计技法也很很杂，同学们可多参阅基本创新设计的资料，从中得到有益的启示。一、机构创新设计一、实验目的1培养学生运用创造性思维方法，遵循创造性基本原理、法则，运用机构构型的创新设计方法，设计拼装满足预定运动要求的机构或机构系统；2要求学生灵活应用以下几种机构构型的创新设计方法；，创造性地设计、拼接机构及机构系统。1）机构构型的变异创新设计；2）利用机构运动特点创新设计；3）基于组成原理的机构创新设计；4）基于组合原理的机构创新设计；5）加深对执行构件的基本运动和机构基本功能的了解与掌握；6）培养学生工程实践动手能力。二、设备和工具（与机构拼接实验所用的设备相同）1 组合机架一台；2 创新组合模型一套。三、实验前的准备工作 1要求预习本实验，要求对执行构件的基本运动和机构的基本功能有一全面的了解；并熟悉机构构型的创新设计方法；2了解机构创新模型；3选择设计题目，初步拟定机构系统运动方案。四、实验原理1机构运动简图设计的内容、方法和步骤 机械产品的设计是为了满足产品的某种功能要求，机构运动简图设计是机械产品设计的第一步，其设计内容包括选定或开发机构构型并加以巧妙组合，同时进行各个组成机构的尺度综合，使此机械系统完成某种功能要求。机构运动简图设计的好坏使决定机械产品的质量、水平的高低、性能的优劣和经济性效益好坏的第一步。机构运动简图的设计主要包括以下内容：1）功能原理方案的设计和构思 根据机械所要实现的功能，采用有关的工作原理，并由此出发设计和构思出工艺动作过程，这就是功能原理方案设计。灵巧的功能原理是创造新机械的出发点和归宿。2）机械运动方案的设计根据功能原理方案中提出的工艺动作及各个动作的运动规律要求，选择相应的若干个执行机构，并按一定的顺序把它们组成机械运动示意图。机械运动方案的设计是机构运动简图设计中的型综合。3）机构运动简图的尺度综合根据机械运动方案中各执行机构工艺动作的运动规律和机械运动循环图的要求，通过分析、计算，确定机构运动简图中各机构的运动学尺寸。在进行尺度综合时，应同时考虑其运动条件和动力条件，否则不利于设计性能良好的新机械。机械运动简图设计的一般程序：1）机械总功能的分解将机械所需要的工艺动作过程进行分解，即将总功能分解成多个功能元，找出各功能元的运动规律和动作过程；2)功能原理方案确定将总功能分解成多个功能元后，对功能元进行求解，即将所需的执行动作，用合适的执行机构来实现。将功能元的解进行组合、评价、选优，从而确定其功能原理方案，即机构系统简图。为了得到能实现功能元的机构，在设计中，需要对执行构件的基本运动和机构的基本功能有全面的了解。）执行机构的基本运动常用机构的执行构件的运动形式有回转运动、直线运动和曲线运动三种，回转运动和直线运动是最简单的机械运动形式。按运动有无往复性和间歇性，基本的运动形式如表所示。表1 执行构件的基本运动形式序号运动形式举 例单向转动曲柄摇杆机构中的曲柄、转动导杆机构中的转动导杆、齿轮机构中的齿轮往复摆动曲柄摇杆机构中的摇杆、摆动导杆机构中的摆动导杆、摇块机构中的摇块单向移动带传动机构或链传动机构中的输送带（链）移动往复移动曲柄滑块机构中的滑块、牛头刨机构中的刨头间歇运动槽轮机构中的槽轮、棘轮机构中的棘轮、凸轮机构、连杆机构也可以构成间歇运动实现轨迹平面连杆机构中连杆曲线、行星轮系中行星轮上任意点的轨迹等）机构的基本运动机构的功能是指机构实现运动变换和完成某种功用的能力。利用机构的功能可以组合成完成总功能的新机械。表表示常用机构的一些基本功能。表2 机构的基本功能序号基本功能举 例1变换运动形式）转动转动）转动摆动）转动移动）转动单向间歇转动）摆动摆动）摆动移动）移动移动）摆动单向间歇转动双曲柄机构、齿轮机构、带传动机构、链传动机构曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构曲柄滑块机构、齿轮齿条机构、挠性输送机构、螺旋机构、正弦机构、移动推杆凸轮机构槽轮机构、不完全齿轮机构、空间凸轮间歇运动机构双摇杆机构、正切机构双滑块机构、移动推杆移动凸轮机构齿式棘轮机构、摩擦式棘轮机构2变换运动速度齿轮机构（用于增速或减速）、双曲柄机构3变换运动方向齿轮机构、蜗杆机构、锥齿轮机构等4进行运动和成或分解差动轮系、各种自由度机构5对运动进行操纵或控制离合器、凸轮机构、连杆机构、杠杆机构6实现给定的运动位置或轨迹平面连杆机构、连杆-齿轮机构、凸轮-连杆机构、联动凸轮机构7实现某些特殊功能增力机构、增程机构、微动机构、急回特性机构、夹紧机构、定位机构）机构的分类为了使所选用得机构能实现某种动作或有关功能，还可以将各种机构按运动转换的种类和实现的功能进行分类。表介绍了按功能进行机构分类的情况。表3 机构的分类序号执行构件实现的运动或功能机构形式1匀速转动机构（包括定传动比机构、变传动比机构）摩擦轮机构）齿轮机构、轮系）平行四边形机构）转动导杆机构）各种有级或无级变速机构2非匀速转动机构）非圆齿轮机构）双曲柄四杆机构）转动导杆机构）组合机构）挠性件机构3往复运动机构（包括往复移动和往复摆动）曲柄-摇杆往复运动机构）双摇杆往复运动机构）滑块往复运动机构）凸轮式往复运动机构）齿轮式往复运动机构）组合运动4间歇运动机构（包括间歇转动、间歇摆动、间歇移动）间歇转动机构（棘轮、槽轮、凸轮、不完全齿轮机构）间歇摆动机构（一般利用连杆上近似圆弧或直线段实现）间歇移动机构（由连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、组合机构等来实现单侧停歇、双单侧停歇、步进移动）5差动机构） 差动螺旋机构） 差动棘轮机构） 差动连杆机构） 差动齿轮机构） 差动滑轮机构6实现预期轨迹机构） 直线机构（连杆机构、行星齿轮机构等） 特殊曲线（椭圆、抛物线、双曲线等）绘制机构） 工艺轨迹机构（连杆机构、凸轮机构、凸轮-连杆机构等）7增力及夹持机构） 斜面杠杆机构） 铰链杠杆机构） 肘杆式机构8行程可调机构） 棘轮调节机构） 偏心调节机构） 螺旋调节机构） 摇杆调节机构） 可调式导杆机构）按各功能元的运动规律、动作过程、动力性能等要求进行机构运动简图的尺度综合。应当指出的是，选择执行机构并不仅仅是简单的挑选，而是包含着创新。因为要得到好的运动方案，必须构思出新颖、灵巧的机构系统。这一系统的各执行机构不一定是现有的机构，为此，应根据创造性基本原理和法则，积极进行创造性思维，灵活使用创造技法来进行机构型的创新设计。一般常用的创新设计的方法如下所述。机构构型的创新设计方法1）机构构型的变异的创新设计方法为了满足一定的工艺动作要求，或为了使机构具有某些性能与特点，改变已知机构的结构，在原有机构的基础上，演变发展出新的机构，称此种新机构为变异机构。常用的变异方法有以下几类。）机构的倒置机构内运动构件与机架的转换，成为机构的倒置。按照运动的相对性原理，机构倒置后各构件件间的相对运动关系不变，但可以得到不同的机构。）机构的扩展以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个扩大的新机构，成为机构的扩展。机构扩展后，原有机构各构件件的相对运动关系不变，但所构成的新机构的某些性能与原机构差别很大。）机构局部结构的改变改变机构局部结构（包括构件运动结构和机构组成结构），可以获得有特殊运动性能的机构）机构结构的移植与模仿将一机构中的某种结构应用另一种机构中的设计方法，成为结构的移植。利用某一结构特点设计新的机构，称为结构的模仿。）机构运动副类型的变换改变机构中的某个或多个运动副的型式，可设计创新出不同运动性能的机构。通常的变换方式有两种：转动副和移动副之间的变换；高副和低副之间的变换。2）用机构运动特点创新机构利用现有机构的工作原理，充分考虑机构运动特点、各构件相对运动关系及特殊的构件形状等，创新设计出新得机构。）利用连架杆或连杆运动特点设计新机构；）利用两构件相对运动关系设计新机构；）用成型固定构件实现复杂动作过程。） 基于机构组成原理的机构创新设计根据机构组成原理，将零自由度的杆组依次连接到原动件和机架上去，或者在原有机构的基础上，搭接不同级别的杆组，均可设计出新机构。）杆组依次连接到原动件和机架上去设计新机构；）将杆组连接到机构上设计新机构；）根据机构组成原理优选出合适的机构构型。4）基于组合原理得机构创新设计把一些基本机构按照某种方式组合起来，创新设计出一种与原机构特点不同的新的复合机构。机构的组合方式很多，常见的有：串联组合、并联组合、混接式组合等。）机构的串联组合：将两个或两个以上的单一机构按顺序联接，每一个前置机构的输出运动是后续机构的输入运动，这样得组合方式，称之为机构的串联组合，三个子机构、串联组合框图如图所示。)构件固接式串联：若将前一个机构的输出构件和后一个机构得输入构件固接，串联组成一个新的复合机构。不同类型机构的串联组合有各种不同的效果。a)将匀速运动机构作为前置机构与另一个机构串联，可以改变机输出运动的速度和周期；b)将一个非匀速运动机构作为前置机构与工作机构串联，则可改变机构的速度特性；C)由若干个子机构串联组合可得到传力性能较好的机构系统。)轨迹点串联假若前一个基本机构的输出为平面运动构件上某一点M的轨迹，通过轨迹点M与后一个机构串联，这种联接方式称轨迹点串联。）机构的并联组合以一个多自由度机构作为基础机构，将一个或几个自由度为的机构（可称为附加机构）的输出构件接入基础机构，这种组合方式称为并联组合。图所示为并联组合的几种常见的联接方式的框图。最见的由并联组合而成的机构有共同的输入（如图（b）、(c)、(d)所示）；有的并联组合系统也有两个或多个不同输入（如图（a）所示）；还有一种并联组合系统的输入运动是通过本组合系统的输出构件回授的（如图(e)所示）。）机构的混接式组合综合运用串联-并联组合方式可组成更为复杂的机构，此种组合方式称之为机构的混联式组合。基于组合原理的机构设计可按下述步骤进行：)工作确定执行构件所要完成的运动；)将执行构件的运动分解成机构易于实现的基本运动或动作，分别拟定能完成这些基本运动或动作的机构构型方案； ）将上述各机构构型按某种组合方式组合成一个新的复合机构。五、实验内容 任选一题，综合运用机构的创新设计方法，进行一个机构系统的方案设计1小型地下车库栏杆启闭机构设计1）栏杆启闭机构的用途和动作过程：栏杆启闭机构用于居住小区的收费地下停车库，地下停车库用于停放家庭轿车和小型车辆。栏杆启闭机构有开启和关闭两个工作位置。栏杆开启时家庭轿车和小型车辆可以顺利出入车库，栏杆关闭时阻止车辆驶出驶入车库。如图3所示。2）原始数据及设计要求：停车场的进出通道净高约为2.52.8米，宽约为4米。家庭轿车和小型车辆高约为1.52米，宽约为1.82.5米；栏杆启闭机构开启或关闭的时间不大于5秒，开启和关闭的速度相等；动力源：三相（或单相）交流电。原动机应靠近地面安装；设计要求必须考虑狭小空间的实际情况，结构紧凑，动作灵活可靠，造型美观。3）设计任务：)设计能实现上述位置要求和运动要求的机构运动方案，并用机构创新模型加以实现；)绘制出机构运动简图，并对所设计的机构系统进行简要的说明。2设计冲置薄壁零件的冲压机构及其相配合的送料机构1）工作原理及工艺动作过程：如图4所示，上模先以较小的速度接近坯料，然后以近似匀速进行拉延成形工作，以后，上模继续下行将成品推出型腔，最后快速返回，上模退出下模以后，送料机构从侧面将坯料送至待加工位置，完成一个工作循环。2）原始数据及设计要求：）动力源是作转动或作往复直线运动的电机；）许用传动角；）生产率每分钟10件； ）上模的工作段长度，对应曲柄转角；）上模行程长度必须大于工作段长度两倍以上；）行程速度变化系数；）送料距离。3）设计任务：)设计能使上模按照上述运动要求加工零件的冲压机构和从侧面将坯料送至下模上方的送料机构的运动方案，并用机构创新模型加以实现；)绘制出机构运动简图，并对所设计的机构系统进行简要的说明。(本题可参考师忠秀主编机械原理课程设计P246P259)3糕点切片机1）工作原理及工艺动作过程：糕点先成形（如长方形、圆柱体等），经切片后再烘干。糕点切片机要求实现两个执行动作：糕点的直线间歇移动和切刀的往复运动。通过两者的动作配合进行切片。改变直线间歇移动的速度或每次间隔的输送距离，以满足糕点不同切片厚度的需要。2）原始数据及设计要求： ）糕点厚度：；）糕点切片长度（亦即切片的高）范围：；）切刀切片时最大作用距离（亦即切刀的宽度方向）：； ）切刀工作节拍：10次/min；）生产阻力很小，要求选用的机构简单、轻便、运动灵活可靠；）电机，。3）设计任务：）设计能实现这一运动要求的机构运动方案，并用机构创新模型加以实现；）绘制出机构系统的运动简图，并对所设计的机构系统进行简要的说明。4）设计方案提示：）切削速度较大时，切片刀口会整齐平滑，因此，切刀运动方案的选择很关键；切口机构应力求简单适用、动作灵活、运动空间尺寸紧凑等。）直线间歇运动机构如何满足切片长度尺寸的变化要求，需认真考虑，调整机构必须简单可靠，操作方便。是采用调速方案还是采用调距方案，或者采用其他调整方案，均应对方案进行定性的分析比较。）间歇运动机构必须与切刀运动机构工作协调，即全部送进运动应在切刀返回过程中完成。需要注意的是，切口有一定长度（即高度），输送运动必须在切刀完全脱离切口后方能开始进行，但输送机构的返回运动则可与切刀的工作行程运动在时间上有一段重迭，以利提高生产率，在设计机器工作循环图时，就应按上述要求来选取间歇运动机构的设计参数。4洗瓶机1）工作原理及工艺动作过程：为了清洗圆瓶子外面，需将瓶子推入同向转动的导辊上，导辊带动瓶子旋转，推动瓶子沿导轨前进，转动的刷子就将瓶子洗净。它的主要动作：将到位的瓶子沿着导轨推动，瓶子推动过程利用导辊转动将瓶子旋转以及将刷子转动。2）原始数据及设计要求：）瓶子尺寸：大端直径，长；）推进距离，推瓶机构应使推头以接近均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子，然后推头快速返回原位，准备进入进入第二个工作循环；）按生产率的要求，返回的平均速度为工作行程速度的3倍；）提供的旋转式电机转速为；）机构传动性能良好，结构紧凑，制造方便。3）设计任务：）设计推瓶机构和洗瓶机构的运动方案，并用机构创新模型加以实现；）绘制出机构系统的运动简图，并对所设计的机构系统进行简要的说明。4）设计方案提示：）推瓶机构一般要求近似直线轨迹，回程时轨迹形状不限，但不能反方向拨动瓶子。由于上述运动要求，一般采用组合机构来实现；）洗瓶机构由一对同向转动的导辊和带三只刷子转动的转子所组成，可以通过机械传动系统来完成。(本题可参考师忠秀主编机械原理课程设计P227P230)51）已知条件）主动件等速转动，其转速；）从动件作往复移动，行程长度为；）从动件工作行程为近似等速运动，回程为急回运动，行程速比系数。）设计任务：）设计能实现这一运动要求的机构运动方案，并用机构创新模型加以实现；）绘制出机构系统的运动简图，并对所设计的机构系统进行简要的说明。1）已知条件）从动件作单向间歇转动；）每转停歇一次；）停歇时间约周期。）设计任务：）设计能实现这一运动要求的机构运动方案，并用机构创新模型加以实现；）绘制出机构系统的运动简图，并对所设计的机构系统进行简要的说明。六、实验完成后，要按照所列各项内容和要求作出实验报告。 实验报告要求以论文和实际搭接机构与照片、或用计算机动态模拟的形式提交，内容包含以下几方面： 1分析说明及图示机构运动方案的设计； 2用机构创新模型搭接新设计的机构，说明及分析机构的运动学及动力学特性； 3 实际搭接机构的教师审核及照片。4创新设计心得与建议。 5你为什么选择这样的创新设计题目？你喜欢什么创新内容？注：报告应写明学生姓名、学号、同组学生、指导教师等。二、机 械 创 新 设 计 一、案例分析案例一 柔性抓取机构的原理方案创新设计抓取机构是用来抓取物体的装置，它从自动化生产线设计到机器人设计都会得到应用。一般的抓取机构都是根据所要抓取的物体特征，来设计制造的。一台抓取机构只能抓取一种外形、尺寸相同的物体，而且抓取时对物体冲击较大。柔性抓取机构的设计就是要解决它抓取物体有较宽的适应性问题。本案例从设计方法学和创造性的角度出发，通过对抓取机构的功能分析，组合出多种抓取机构的原理方案，再作优化综合，从而得到一个比较好的原理方案。本案例只提供抓取机构的原理方案设计的思路，没有进行机械结构的设计。制定柔性抓取机构的开发设计任务书 见下表要求内容1.功能1）抓取性能好，有较大的抓取力2）对外形尺寸有较大的适用范围3）工作可靠、动作灵活4）抓取时无刚性冲击2.结构1）结构新颖2）简单紧凑3.材料1）刚性好，不易损坏2）价格便宜4.人机工程操作方便，造型美观5.经济、使用安全1）维护、安装方便2）工作可靠、使用安全3）总成本低廉 刚性抓取机构的原理方案对以上抓取机构进行分析比较，在现有方案的基础上，根据开发任务书提出的要求来进行设计，虽然也可完全放弃现有方案，创作性开发出更加好的抓取机构。（1） 在现有抓取机构的基础上进行改进，使之能够满足开发任务书中提出的要求。在现有抓取机构上安装弹性板来扩展适用范围和解决抓取冲击问题。如图a 在抓取物体时，弹性板变形可保持与物体的有效接触。（2） 放弃现有抓取机构方案，采用多关节柔性体结构来满足抓取要求。案例二 分拣机出货机构改进设计分拣机上的出货机构是最常用的块状物料送料装置，在很多自动化设备上得到应用，但在香烟物流自动分拣机上采用该机构原理使用效果不好。主要原因是：储料槽比较长，槽内条烟比较多，在推块回程时，物料靠自由落体，冲击比较大。因为条烟为纸板盒，使得槽内下层条烟变形比较大，要解决这一问题，就要对出料装置进行改进设计。送料机构改进设计要求：1. 送料平稳、动作可靠2. 槽内物体下落平稳，不得有较大冲击 根据设计要求将出料机构的直线往复运动改为拨轮的旋转运动。如图所示： 拨轮在推出物品的同时，将上面的条烟托住，随着旋轮的运动，上面的条烟随拨轮的弧面下降，从而解决了冲击问题。案例三 绕管机绕辊盘的改进设计 在铝塑复合管生产线上，绕管机是最后一道工序。它的作用是将拉出的铝塑复合管绕成盘。绕辊盘（如图所示）的绕辊直径是固定的铝塑管，在绕成盘后很难从绕辊上取下来。工人在操作时要使用撬杠将铝塑管取下来，这样劳动强度大，对产品质量也有很大影响。根据生产实践所出现的这一问题，设计一可变径绕辊，在绕管时辊径增大，取管时辊径减小。案例四 铝板标牌填写打字机设计 现在有些大批量生产产品和设备上的标牌，如图。都要求打上产品型号、生产日期、保质期、产品编号等内容，一般都采用英文字母、数字以及部分特定的符号。每一种产品都有不同的填写要求和填写内容，要设计该设备要利用电脑进行排版。把要打的内容在电脑上排出来，再启动打字机把标牌打出来。这个题目要解决两个问题：（1）打什么字（字库、形式、输出形式）； （2）打在什么位置（平面坐标问题、解决误差问题、每次回零）案例五 运动场动感广告牌翻转机构设计运动场四周的广告牌如果用平面静止的广告，对人们的视觉无冲击效果，如果采用翻转式广告牌，大大扩大了广告资源。由于广告内容的翻转变化，加上不同广告在色彩上的变化，会大大吸引人们的注意力，从而增强广告效果。翻转广告牌平面要分割成若干平面，每一平面制成等边三角形。如图采用链传动将每条相连，采用电机驱动，每次旋转120延时40秒动作。这样一个广告位可承接三个广告，提高了效益也提高了广告效果。如果能做到渐变翻转效果会更好，值得研究设计。（从上到下或从下到上一块一块的翻）同学们可做出一个方案方案六 组合机构设计 齿轮连杆不等传动在机械设计中有时会经常遇到，要解决它也并非易事。这里我们采用圆柱齿轮与连杆结合得到一种运动形式不等速运动。如图从图上看，有三个圆柱齿轮传动，还有一个曲柄摇杆机构，这里造成机构的输出为不等速运动，关键是四杆机构在起作用。研究曲柄摇杆的运动规律是解决该机构运动规律的关键。1、机构的运动分析圆柱齿轮的不等速传动机构，实际上是齿轮与杆件的组合运动形式，如图1所示，有三个齿轮和两根杆件组成。齿轮1偏心绕O1转动并与齿轮3啮合。杆2联在齿轮1与齿轮3的圆心，以保证两啮合齿轮的中心距；同样，齿轮3和齿轮5啮合，并有杆4相连保持其中心距。定轴O1为输入轴。齿轮1通过齿轮3传递给齿轮5，而齿轮5上定轴O2将动力输出。偏心距AB可以看为绕O1转动的杆件，故杆2、杆4和O1O2组成了四杆机构。当机构运动时就构成了齿轮机构和四杆机构的复合运动形式。输入轴O1和输出轴O2是定轴，而B点和C点的两个轴随机构的运动而变化。这种复合运动所产生的效果是，O1系输入一匀速转动，O2是输出一不等速运动，其运动规律按正弦规律变化。机构运动规律的分析： 计算活动度：由图1中知构件n=5；运动副P低=6、P高=2。 W=35-26-2=1 由此式可见机构有一定的运动规律。 由图1中齿轮3与齿轮5的传动比i53应减去杆4的运动： (1) 同理： （2）式中：5、3、1分别为齿轮5、齿轮3、齿轮1的角速度；4、2分别为杆4和杆2的角速度；Z1、Z3、Z5分别为三个齿轮的齿数。 由式1： （3） 由式2： （4） 把式4代入式3得： （5） 由式（5）可以看出输出角速度5不仅与1和Z1、Z5有关，而且与两杆件和齿轮3的齿数Z3也有关系。输入角速度1位匀速转动。如转动一周所用时间T，则：。而杆2和杆4在T时间里恰好摆回原位。 所以：；。也就是说主动轮转一周时，输出轴相应的转过一个角度，而与2、4无关。根据式5则：故只与主动、从动齿轮的齿数有关。（注意：这里是从转一整周考虑的，而瞬时传动比与式5中所有的数都有关系。） 把式5简化一下，令Z1=Z5(下面可以看到这样的简化更有实用价值。)则式5可以改写成： （6）图1的四杆机构可简化成图2则得出： -=180- 两边求导得： 杆2的角速度为； 杆4的角速度为；则 ； 代入式6： （7） 四杆机构所组成的任意四边，加一条辅助线F就构成了两个任意三角形（如图3）如设 Z1=Z5,所以b=C. 由余弦定理得： 即： （8） 两边微分得：已知：，其为输入匀速运动。代入式7得： （9） 由式9可以看出：此机构（完成设计后，a、d、b,以及Z3、Z5都是确定值）给瞬时传动比是随角的变化而变化的；影响传动比的角也是随角而变化，而且角一定要限制在一个范围以内变化。如使图4两极端位置的压力角保持相等时，则为理想的情况。即： 由图4知，=0时，最小；=180时，最大。由式8得：=0时，=180时，根据式10： 则：，满足这个等式只有使2b2-a2-d2=0由式8： 代入式9得： （11）有式11可以大致描绘出这一机构的瞬时传动比是按正弦规律连续变化的。虽然输入轴是匀速转动的，输出的角速度5是以正弦规律变化来运动的。在不等速传动中，正弦规律是一种比较理想的运动形式。图5是此机构的传动比曲线，也就5的运动规律。图6为输出轴的角位移图。图5、图6也就是Z1=Z5时的运动曲线。由图5我们可以看出瞬时传动比5/1是以i=1为轴线，按正弦规律上、下变化的，其变化的振幅h是可以改变的，只要合理的选择a、d、Z3就可以得到所需要的运动规律。2、复合机构的实际设计问题（各构件尺寸的确定）在设计机构时，往往是由机械设备的具体情况提出机构的运动规律，根据运动规律，也就是根据5来进行设计。在上面的机构分析中已经明确了5的运动规律与a、d、z3有关，所以Z1、Z5两个齿轮的齿数的确定应与其机械设备所传递的动力及结构尺寸相关，所以应先看作已知条件。根据式11可以先确定处在特殊角度时的传动比值： 当=0时： 当=90时：（最大值） 当=180时： 当=270时：（最小值）由此看出，当=90时、=270时 分别为最大值和最小值。在确定三个未知量时必须先假定出一个数值，进行试算，这样计算出的结果与实际结构往往不符，反复太多。所以通过大量统计计算，列出了一个系数表（见表1），供设计时使用。利用表1进行设计计算会大大减小工作量。 表一11.21.41.61.822.20.80.60.40.20-0.200.130.270.420.570.730.89（注：表中的两个值分别为最大值和最小值） 按照只在表1中查出值，在计算出偏心距a的长度，则： 式中r1和r5分别为齿轮1和齿轮5的分度圆半径。两定轴中心矩d的计算（如图7所示）：当=0时，齿轮1和齿轮5的间距最近。D值如取得过小，齿轮1与齿轮5会发生干扰；如d值过大，为保证当=180时正常啮合，齿轮3必须加大，从而影响了结构尺寸。因此d值尽量取小，且必须满足下式， 式中：。m是齿轮模数；是两齿轮在当=0时的间隙，其值应根据机构的具体尺寸和运动精度确定，一般取为2-20mm.在机构运动分析中，提到为保证两极端位置处于理想状态，必须满足 。根据此式改写为： 式中r3为齿轮3的分度圆半径。 这样机构的主要数据已经计算出来了，但是，众所周知，齿轮传动必须保证齿数为一整数。在计算中我们对某些数进行了修正，故当各主要结构计算完成以后，必须对a值进行精确计算，以保证传动比的变化规律。 根据式11以及设计要求的最大传动比和最小传动比进行计算。 在=90时，为最大值。 在=270时，为最小值。以上为不等速传动机构的全部计算过程，构件的具体尺寸可根据圆柱齿轮和曲柄摆杆机构设计的方法进行。3、设计实例试设计一按正弦规律运动的不等速传动，其所传递的功率为已知，最大传动比imax=1.7,最小传动比imin=0.3。（1）根据机构所传递的功率和设备的具体结构确定：r1=r5=90毫米，模数m=2毫米，则：（2）根据最大传动比和最小传动比，值由表1中取1.6/0.41.8/0.2的中间值，即=0.495。 则：a=r1=44.55毫米。（）确定d值：齿轮与齿轮之间的间隙毫米。毫米 毫米（）确定齿轮：毫米 取r3=82毫米； （）精确计算a值：b=r1+r3=172毫米； 毫米如与选取的值相差不大，则不等速传动机构的主要尺寸就设计完毕。根据以上计算结果并按齿轮传动的公差以及精度要求可进行结构设计，这里就不作介绍了。二、创新设计题目1设计一抓取机构、方案要求： 1.抓取物篮球； 2.结构要简单、成本低。2设计圆管道内爬行机构、方案要求：1.行进平稳； 2.可携带一定重量的物体 3.爬行距离100m； 4.进退自如。3设计一轿车用雪地轮胎防滑器、方案要求： 1.装拆方便、重量轻； 2.坚固耐用； 3.对车胎无损伤。4恐龙模型动作设计、方案要求：恐龙摇头、摆尾、张嘴、站立、挥臂；摇头 3次/分 、摆尾 5次/分、张嘴 3次/分、站立 2次/分、 挥臂 4次/分拟定出每种运动的运动方案，并作出机构简图。三、创新实验报告要求1分析说明及图示机构机构运动方案的设计；2说明及分析机构的运动学及动力学特性； 3用机构创新模型搭接新设计的机构，或用计算机动态模拟； 4 实际搭接机构的教师审核及照片或计算机动态模拟效果。5创新设计心得与建议。6你为什么选择这样的创新设计题目？你喜欢什么创新内容？注：报告应写明学生姓名、学号、同组学生、指导教师等。三、依据机器人的创新设计一、创新题目：1、设计机器人的运动与动作，熟悉机器人的基本控制命令、编程技术和操作方式。学会基于 C语言编程方法的编程、下载与调试，以实现对机器人的运动与动作控制。 2、在原有机器人的基础上，开展机器人的功能扩展创新设计。要求：在机器人的基础上，扩展其功能；根据设计的运动与动作，构思其扩展功能部分的机构运动方案，并分析其动作与控制原理，设计出扩展功能的结构。3在原有机器人结构基础上，组装成三自由度机器人，用C语言编写出机构的运动程序，以控制机构的运动。4 设计一个简单的机器人及其运动与动作，利用计算机技术进行运动与动作的模拟。5三自由度机械手的设计、运动分析与制作。二、创新设计报告要求这一部分的创新设计报告除了满足题目中的要求之外，还要包含以下内容：1 创新设计心得与建议；2 你为什么选择这样的创新设计题目？你喜欢什么创新内容？3 报告应写明学生姓名、学号、同组学生、指导教师等。四、“挑战杯” 中国大学生创业计划竞赛模块指导书一、基本情况介绍中青联发200016号文件指出：“为鼓励和培养青年学生的创业精神，锻炼和提高青年学生面向现代化建设需要，把科学技术转化为生产力的能力和素质，激励他们勤奋学习，奋发成才，共青团中央、中国科协、全国学联于1999年联合举办了“挑战杯”和讯网中国大学生创业计划竞赛”。 此竞赛与“挑战杯”中国大学生课外学术科技作品竞赛隔年举办，每两年一届，至2006年已成功举办五届，被公认为中国大学生的“科技奥林匹克盛会”。我国创业计划大赛的历史届次时间承办高校一1999年清华大学二2000年上海交通大学三2002年浙江大学四2004年厦门大学五2006年山东大学表1 创业计划大赛承办单位及组织时间创业计划竞赛定位w 目的是培养中国的企业家和百万富翁 w 研究如何把科学技