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平面机构运动方案创新设计实验

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实验四 平面机构运动方案创新设计实验
一、 实验目的
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性;
2． 培养学生的工程实践动手能力;
3． 培养学生创新意识及综合设计能力。
二、 设备和工具
　　1．机构运动方案创新设计实验台;
2．工具箱一套; 　
　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．预习实验, 掌握实验原理, 初步了解机构创新模型; 　　
2．选择设计题目, 初步拟定机构系统运动方案。　　
四、 实验原理 　　
　任何平面机构均能够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。
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相等, 因此机构均由机架、 原动件和自由度为零的从动件经过运动副联结而成。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 - 2PL- PH =0 ( 4－1)
式中: 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。由于构件数和运动副数目均应为整数, 故当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, 称为低副杆组。由于有F = 3n - 2PL- PH =0, 故, 则n应当是2的倍数, 而PL应当是3的倍数, 即n: 2、 4、 6……, PL=3、 6、 9……。当n=2, PL=3时, 基本杆组称为II级组。II级组是应用最多的基本杆组, 绝大多数的机构均由II级杆组组成, II级杆组能够有下图所示的五种不同类型:

图4－1 平面低副Ⅱ级杆组

n=4, PL =6的杆组形式很多, 如图6－2所示为常见的Ⅲ级杆组。

图4－2 平面低副Ⅲ级杆组

　　2、 正确拆分杆组
从机构中拆出杆组具有三个步骤:
　　1) 先去掉机构中的局部自由度和虚约束;
　　2) 计算机构的自由度, 确定原动件;
　　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Ⅱ级组, 没有Ⅱ组时, 再拆分Ⅲ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4－3所示机构, 可先除去K处的局部自由度, 然后, 按步骤2) 计算机构的自由度( F=1) , 并确定凸轮为原动件; 最后根据步骤3) , 先拆分出构件4和5组成的Ⅱ级组, 再拆分出构件6和7及构件3和2组成的两个Ⅱ级组以及由构件8组成的单构件高副杆组, 最后剩下原动件1和机架9。

图4－3　杆组拆分
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, 一般先从原动件开始, 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: 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)实验台机架:

图4-4 实验台机架图
实验台机架中有5根铅垂立柱, 均可沿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、 Y平面内确定固定铰链的位置。
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)

图4-5 主、 从动轴与机架的连接
按上图方法将轴联接好后, 主(或从)动轴相对机架不能转动, 与机架成为刚性联接;
若件22不装配, 则主(或从)动轴能够相对机架作旋转运动。
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19联接端连杆与件9无相对运动, 采用件20联接端连杆与件9可相对转动, 从而形成两连杆的相对旋转运动。
4)移动副的连接

图4－7 移动副连接图
5)活动铰链座I的安装

图4－8 活动铰链座I连接图
如图联接, 可在连杆任意位置形成铰链, 且件9如图装配, 就可在铰链座I上形成回转副或形成回转－移动副。
6)活动铰链座II的安装

图4－9 活动铰链座II的连接图
如图连接, 可在连杆任意位置形成铰链, 从而形成回转副。
7)复合铰链I的安装: (或转一移动副)

图4－10 复合铰链I的连接图
将复合铰链I铣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。
8)复合铰链II的安装

图4－11 复合铰链II的连接图

复合铰链I联接好后, 可构成三构件组成的复合铰链, 也可构成复合铰链+移动副。
复合铰链II联接好后, 可构成四构件组成的复合铰链。
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

10)凸轮与主( 从) 动轴的连接

图4－13　凸轮与主( 从) 动轴的连接图
11) 凸轮副连接

　　　　　　　　图4－14　凸轮副连接图
12) 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, 使拨盘与主动轴无相对运动; 同时槽轮装入主( 从) 动轴后, 也应拧入紧定螺钉37, 使槽轮与主( 从) 动轴无相对运动。
13) 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; 旋松滑块上的内六角螺钉, 滑块可在立柱上沿Y方向相对移动( 齿条护板保证齿轮工作位置) 。

　　　　　图4－16　齿条相对机架的连接
14)主动滑块与直线电机轴的连接:

　　　图4－17　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, 并完成如图示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。
实验能够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; 也可从下列运用于工程机械中的各种机构中选择拼接方案, 完成实验。
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作连续转动时, 滑块6作往复直线移动, 同时摇杆3作往复摆动带动滑块5作往复直线移动。
　 该机构用于内燃机中, 滑块6在压力气体作用下作往复直线运动(故滑块6是实际的主动件), 带动曲柄1回转并使滑块5往复运动使压力气体经过不同路径进入滑块6的左、 右端并实现排气。

图4－19 精压机机构
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—5—6—7和杆件8—9—10一7两部分组成, 其中一部分为虚约束。
　工作特点: 当曲柄1连续转动时, 滑块3上、 下移动, 经过杆4—5—6使滑块7作上下移动, 完成物料的压紧。对称部分8—9—10—7的作用是使构件7平稳下压, 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、 牛头刨床机构

图4－20 牛头刨床机构
图b)为将图a)中的构件3由导杆变为滑块, 而将构件4由滑块变为导杆形成。
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)中, 构件2、 3、 4组成两个同方位的移动副, 且构件3与其它构件组成移动副两次; 而图b)则是将图a)中D点滑块移至A点, 使A点移动副在箱底处, 易于润滑, 使移动副摩擦损失减少, 机构工作性能得到改进。图a)和图b)所示机构的运动特性完全相同。
　工作特点: 当曲柄1回转时, 导杆3绕点A摆动并具有急回性质, 使杆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、 两齿轮－曲柄摇杆机构

图4－21 齿轮一曲柄摇杆机构

　图4－22 齿轮－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与摇杆2形成刚性联接。
　工作特点: 当曲柄1回转时, 连杆2驱动摇杆3摆动, 从而经过齿轮5与齿轮4的啮合驱动齿轮4回转。由于摆杆3往复摆动, 从而实现齿轮4的往复回转。

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与杆2可相对转动, 而齿轮4则装在铰链B点并与导杆3固联。
　工作特点: 杆2作圆周运动, 为曲柄经过连杆使摆块摆动从而改变连杆的姿态使齿轮4带动齿轮1作相对曲柄的同向回转与逆向回转。

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BC固联, 摇杆DD’与齿轮G固联。
工作特点: 曲柄AB以等角速度回转, 带动导杆BC随摆块摆动的同时与摆块作相对移动, 在导杆BC上固装的齿条E与活套在轴上的齿轮G相啮合, 从而使齿轮G作大角度摆动, 与齿轮G固联在一起的杆DD’随之运动, 经过连杆DF(D’F’)使滑块作上、 下往复运动。组合机构中, 齿条E的运动是由移动和转动合成的复合运动, 而齿轮G的运动就取决于这两种运动的合成。

图4－24 冲压机构
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, AD杆与齿轮1固联, BC杆与齿轮2固联。
组成要求: z1=z2; AD=BC; α＝β
工作特点: 齿轮1匀速转动, 带动齿轮2回转, 从而经过连杆3、 4驱动杆5上下直线运动完成预定功能。
该机构可拆去杆件5, 而E点运动轨迹不变, 故该机构可用于因受空间限制无法安置滑槽但又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: 此机构可用于冲压机、 充气泵、 自动送料机中。

8、 插床机构

图4－25 插床机构
　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匀速转动, 经过滑块2带动从动杆3绕B点回转, 经过连杆4驱动滑块5作直线移动。由于导杆机构驱动滑块5往复运动时对应的曲柄1转角不同, 故滑块5具有急回特性。
应用: 此机构可用于刨床和插床等机械中。
9、 筛料机构

图4－26 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: 曲柄1匀速转动, 经过摇杆3和连杆4带动滑块5作往复直线运动, 由于曲柄摇杆机构的急回性质, 使得滑块5速度、 加速度变化较大, 从而更好地完成筛料工作。

10、 凸轮－连杆组合机构

图4－27 凸轮－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EF与齿轮为固联构件。
工作特点: 凸轮为主动件匀速转动, 经过摇杆2、 连杆3使齿轮4回转, 经过齿轮4与齿条5的啮合使齿条5作直线运动, 由于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只能作往复转动, 从而使齿条5作往复直线移动。
应用: 此机构用于粗梳毛纺细纱机钢领板运动的传动机构。
11、 凸轮－五连杆机构

图4－28 凸轮－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固联, 又与摆杆4构成高副。

图4—29 行程放大机构

工作特点: 凸轮1匀速回转, 经过杆1和杆3将运动传递给杆2, 从而杆2的运动是两种运动的合成运动, 因此连杆2上的C点能够实现给定的运动轨迹。
12、 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固定为机架, 齿轮4为移动件。
工作特点: 曲柄1匀速转动, 连杆上C点作直线运动, 经过齿轮3带动齿条4作直线移动, 齿条4的移动行程是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具有急回性质。
13、 冲压机构

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与齿轮2固联。
工作特点: 齿轮1匀速转动, 齿轮2带动与其固联的凸轮3。起转动, 经过连杆机构使滑块7和滑块10作往复直线移动, 其中滑块7完成冲压运动, 滑块10完成送料运动。
该机构可用于连续自动冲压机床或剪床(剪床则由滑块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．设计题目: 　　
　如图4－31示,该机构具有将钢板翻转180°的功能。钢板由辊道送至左翻板,并顺时针方向转动, 当转至铅垂位置偏左10°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10°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。

图4－31 钢板翻转机构工作原理图
　　2．已知条件:
　　1) 原动件由电动机驱动;
　　2) 每分钟翻钢板10次;
　　3．设计任务:
　　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) 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．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于油墨印到纸张上。平台印刷机一般由输纸、 着墨( 即将油墨均匀涂抹在嵌于版台的铅版上) 、 压印、 收纸等四部分组成。如图6－32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, 运动由电机经过减速装置后分成两路: 一路经传动机构Ⅰ带动滚筒作回转运动, 另一路经过传动机构Ⅱ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和版台的传动机构Ⅱ。

2． 已知条件
　　1) 印刷速度为180张/小时;
　　2) 版台行程长度500mm;
　　3) 压印区段长度300mm;
　　4) 滚筒直径116mm;
　　5) 电机转速6r/min。
　　3． 设计任务
　　1) 设计能实现平台印刷机的主运动: 版台作往复直线运动, 滚筒作连续或间歇转动的机构运动方案。要求在压印过程中, 滚筒与版台之间无相对滑动, 即在压印区段, 滚筒表面点的线速度与版台移动速度相等。为保证整个印刷幅面上的印痕浓淡一致, 要求版台在压印区内的速度变化限制在一定的范围内( 应尽可能小) , 并用机构创新模型加以实现。
　　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。
( 三) ．设计玻璃窗的开闭机构
　　1．已知条件
　　1) 窗框开闭的相对角度为90°;
　　2) 操作构件必须是单一构件, 要求操作省力;
　　3) 在开启位置时, 人在室内能擦洗玻璃的正反两面;
　　4) 在关闭位置时, 机构在室内的构件必须尽量靠近窗槛;
　　5) 机构应支承起整个窗户的重量。
　　2．设计任务
　　1) 用图解法或解析法完成机构的运动方案设计, 并用机构创新新模型加以实现;
　　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。
( 四) ．坐躺两用摇动椅
　　1．已知条件:
　　1) 坐躺角度为90°～150°;
　　2) 摇动角度为25°;
　　3) 操作动力源为手动和重力;
　　4) 安全舒适。
　　2．设计任务:
　　1) 用图解法或解析法完成机构系统的运动方案设计, 并用机构创新模型加以实现;
　　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。
六、 实验步骤
1、 掌握实验原理;
2、 熟悉机构创新设计实验台的使用方法;
3、 选择提供的机构运动方案或课前自拟的机构运动方案作为实验内容;
　　4、 将拟定的机构运动方案根据机构的组成原理按杆组进行正确拆分, 并用机构运动简图表示出来;
　　5、 正确拼装机构运动方案;
　　6、 完成实验报告。