CQJPD机构运动创新设计专项方案实验台.doc

CQJP-D机构运动创
新设计方案试验台
试验指导书

编著：苏天一 谭益松

东北电力大学机械工程学院试验室
6月
简 介

CQJP-D试验台关键用于机械原理、机械设计和机械创新设计等课程开设机构拼装及仿真、机构组合创新等试验，是构建开放型、创新型试验室关键设备之一。
关键技术特点：
1、该试验台能够让学生应用零件存放柜中零件，在机架上装配出自己所构思机构，用带传动联接电机，使机构运动，并观察机构运转特征。有效地增强了学生对所学知识了解；培养了学生创新能力和动手能力。
2、该试验台关键由四个机架和一个零件存放柜组成，其中三个机架上配交流带减速器电机，一台配直线电机。零件存放柜内配置有多种基础杆组、回转副、凸轮、槽轮、齿轮、齿条和复合铰链等基础构件和联接件等累计70种700多个。
3、零件存放柜设计精巧，多种类各规格构件分门别类地存放在柜内，品种数量一目了然，便于学生试验操作和老师管理。
4、连杆等杆件可进行大范围尺寸调整，方便机构组合拼装；复合铰链接头构思新奇，可避免不一样平面之间构件发生干涉；带传动张紧装置，使传动更平稳。
安全规范

1、必需佩戴防护眼镜；
2、严禁穿着宽松衣服；
3、必需挽起长袖或穿短袖；
4、严禁佩戴项链、手表、戒指等物品；
5、留有长发，必需将长发置于帽子或衣服里面；
6、必需穿厚皮革鞋，严禁穿帆布鞋；
7、严禁戴手套在运行机器周围；
8、安全开关由指导老师控制，其它任何人不得私自上电开机；
9、指导老师打开安全开关上电之前，必需检验每一个螺栓是否紧固；
10、开机前，指导老师应确保学生在机器1米以外；
11、试验结束，由指导老师检验组件完整，关闭电源后方可离开。

东北电力大学
机械工程学院试验室
机械动力传输创意组合试验平台
目 录

第一章 绪 论 7
第二章 基础试验1 认识CQZP-D试验台和计算机仿真系统 8
第三章 基础试验2 连杆机构设计和性能分析 13
第四章 基础试验3 齿轮、凸轮、槽轮机构创新设计 15
附录1 试验汇报 ………………………………………………………17
附录2 经典机构 ………………………………………………………20

第一章 绪 论

机械机构用途很普遍不一样机构有不一样用途，按组成各构件间相对运动不一样 ，可分为平面机构（如平面连杆机构、圆柱齿轮机构等）和空间机构（如空间连杆机构、蜗轮蜗杆机构等）；按运动副类别可分为低副机构（如连杆机构等）和高副机构（如凸轮机构等）；按结构特征可分为连杆机构、齿轮机构、斜面机构、棘轮机构等；按所转换运动或力特征可分为匀速和非匀速转动机构、直线运动机构、换向机构、间歇运动机构等；按功用可分为安全保险机构、联锁机构、擒纵机构等。各机构表现形式很多，广泛应用在纺织机械、起吊设备等工程机械上。
一、试验课目标
本试验课目标在于：验证、巩固和加深课堂讲授基础理论，加强理论联络实际及独立进行机构创新设计能力；掌握部分最基础机械试验方法、测量技能及用试验法来测定部分机械参数能力；和培养学生扎实细致、严厉认真工作作风。所以，机械拼装试验课是一个不可缺乏关键步骤，每个学生必需认真对待，在课前进行预习，在课后分析试验结果，写成试验汇报。
二、试验前准备工作
为了确保试验顺利进行，要求在试验前做好准备工作，老师在试验前要进行检验和提问，如发觉有不合格者，提出批评，甚至停止试验进行，试验准备工作包含下列几方面内容：
1、预习好试验指导书：明确试验目标及要求；搞懂试验原理；了解试验进行步骤及关键事项，做到心中有底。
2、准备好试验指导书中要求自带工具、纸张。
3、准备好试验数据统计表格。表格应统计些什么数据自拟。
三、遵守试验室规章制度
1、验前必需了解试验设备、仪器使用性能、操作规程及安全规范，不然不得操作。
2、严格根据要求，精心操作设备、仪器。如有损坏，按要求处理。
3、试验室内和本试验无关设备和仪器，一律不得乱动。
4、在试验室严守纪律，不得高声谈笑，保持室内整齐。
5、试验完成后，将用过设备、仪器整理清洁后放回原处，经指导老师同意后才可离开。

第二章 基础试验1
认识CQZP-D试验台和计算机仿真系统

一、试验目标
CQZP-D试验台一个关键特征就是搭载了一套计算机仿真系统，在这套软件里，能够方便学习机械机构搭建方法，而且对设计好机构进行模拟搭建和仿真运动。你将经过应用CQZP-D试验台计算机仿真系统对机构运动组织运动形式产生一个初步概念。
二、试验设备
CQZP-D试验台（搭建架、零件柜）、计算机、加密狗等。
三、试验内容和步骤
1、观察搭建架结构，图2-1所表示。

图2-1 搭建架

试验台机架中有5根垂立柱，均可沿水平方向移动。移动前应旋松在电机侧安装在上、下横梁上立柱紧固螺钉，并用双手移动立柱到需要位置后，将立柱和上（或下）横梁靠紧再旋紧立柱紧固螺钉（立柱和横梁不靠紧旋紧螺钉时会使立柱在水平方向发生偏移）。
立柱上滑块可在立柱上沿垂直方向移动，要移动立柱上滑块，只需将滑块上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，就可在机架平面内固定铰链位置。
注*：立柱紧固螺钉只需旋松即可，不许可将其旋下。
2、观察认识零件柜和工具（图2-2所表示），了解试验柜中各零部件功用和组装、拆卸工具。

图2-2 零件柜

零件存放柜内配置有多种基础杆组、回转副、凸轮、槽轮、齿轮、齿条和复合铰链等基础构件和联接件等累计70种700多个。
组装、拆卸工含有一字螺丝刀、十字螺丝刀、固定扳手、内六角扳手、钢板尺、卷尺。
3、开启试验配置计算机（两台），向指导老师借加密狗。
4、插入加密狗以后，运行桌面上实施程序ZBS_C_.exe。
5、点击右上侧“后页”选项，阅读每页说明文字，点击九次以后，进入零件介绍页面。点击右侧零件，在主视图中观察零件结构情况。在主视图中，点击鼠标右键，选择“旋转”，再按住鼠标左键，拖动鼠标即能够旋转零件，便于观察零件各个面情况（图2-3所表示）。

图2-3 零件介绍页面

6、点击页面右上侧“进入运动演示>>>>>”，进入运动演示页面，双击右侧任意基础零件组合件，能够在主视图中，看到该组合件组装过程和爆炸图。图2-4所表示

图2-4 运动演示页面

注*：在页面最右下角有工程机械拼装方案，点击进入后可学习各工程机械运动机构。

7、点击屏幕右上角“进入装配训练>>>>”。这里你将学习各机构装配及其所用零件，同时能够经过机构运动影像，提前了解机构中各部件运动情况。图2-5所表示。

图2-5 装配训练页面

8、观察指导老师搭装两组机构，图2-6、图2-7所表示。

图2-6 槽轮搭装演示

图2-7 凸轮机构

9、由指导老师开机，想学生演示机构运行情况。

第三章 基础试验2
连杆机构设计和性能分析

一、试验目标
1、培养学生对连杆机构了解掌握和创新设计能力，加强学生工程实践背景训练，拓宽学生知识面，培养学生创新意识、综合设计及工程实践动手能力。
2、经过机构拼接，在培养工程实践动手能力同时，要求学生在拼装一个已经有模型之外，自己经过对现实生产和生活中连杆机构机械产品观察和了解，经过试验台设备进行拼装和仿真。经过处理实际问题，促进学生理论联络实际，学以致用；锻炼学生独立思索能力和动手能力。
3、加深学生对连杆机构组成原理认识，深入掌握连杆机构创新设计方法。
4、学习机构运动简图测绘和自由度计算。
二、试验设备和工具
CQJP-D机构运动创新设计方案拼装及仿真试验台，包含组成机构多种运动副、构件、动力源及一套试验工具（扳手、螺丝刀）。其中构件包含机架、连杆、圆柱齿轮、齿条、凸轮及从动件、槽轮及拨盘和皮带轮等；运动副包含转动副、移动副、齿轮副、槽轮副等。
三、试验原理
平面机构是由各个杆组依次联结到机架和原动件上形成。机构含有确定运动条件是机构自由度大于零，且原动件数和机构自由度相等。所拼接机构必需满足以上两个条件。将关键由连杆组成连杆机构（可加入一个其它类型构件如齿轮、凸轮、槽轮等）进行拼装，计算分析其自由度后，输入动力源进行机构运行。
四、试验内容和步骤
1、开启计算机，打开仿真软件，从“装配训练”平面机构中19种连杆机构任选其一。
2、观察其运动方法。
3、统计所需要零件。
4、上试验台架进行搭装。
5、使用油壶给传动接触部分添加润滑油。
6、搭装结束后，以手动方法输入运动，确定机构拼接无误后，经指导老师许可后再用电机驱动，进行摄影和录像。
7、拆卸零部件，擦拭后归于原位。
8、自己设计一个连杆机构，要求有功效分析。
9、自由度分析（填于附录1中表1）
（1）计算机构自由度
（式1）
式中：n—活动构件数；PL—转动副和移动副总数（低副数）；PH—高副数。
（2）查对计算结果是否正确
即给机构原动件一运动时，可假如观察到机构各构件运动均是确定，即可推算出计算结果符合要求。
10、检验无误后进行拼装，并以手动方法输入运动，观察运转情况。
11、测量构件实际尺寸，并按百分比尺绘出简图（填于附录1中表1）。
测量各构件尺寸，选择合适百分比尺（见式2）μL（m/mm），按百分比尺画出机构简图。其中：
（式2）
有时，只要了解机构运动特征，而且不需要进行定量分析时可不按百分比绘制简图，只需大致绘制相对位置关系即可，称为示意图。
12、经指导老师许可后再用电机驱动，进行摄影和录像。
五、思索题
1、请叙述在创新设计中设计思绪。比如你是怎样实现机构功效增加或改善，设计方案对比评价，机构分析和确定，机构拼装过程问题和处理等。
2、在拼接机构时，为何需要确保各个构件运动和设计时一致？

第四章 基础试验3
齿轮、凸轮、槽轮机构创新设计

一、试验目标
1、促进学生对齿轮、凸轮、槽轮机构了解和掌握，加强学生工程实践背景训练，拓宽学生知识面，培养学生创新意识、综合设计及工程实践动手能力；
2、经过机构拼接，在培养工程实践动手能力同时，要求学生在拼装一个已经有模型之外，经过对现实生产和生活中齿轮、凸轮或槽轮机构机械产品观察和了解，经过试验台设备进行拼装和运行。经过处理实际问题，促进学生理论联络实际，学以致用；锻炼学生独立思索能力和动手能力。
3、加深学生对齿轮、凸轮和槽轮机构组成原理认识，深入掌握机构创新设计方法。
二、试验设备和工具
CQJP-D机构运动创新设计方案拼装及仿真试验台，包含组成机构多种运动副、构件、动力源及一套试验工具（扳手、螺丝刀）。其中构件包含机架、连杆、圆柱齿轮、齿条、凸轮及从动件、槽轮及拨盘和皮带轮等；运动副包含转动副、移动副、齿轮副、槽轮副等。
三、试验原理
依据平面机构组成原理，平面机构是由各个组件依次联结到机架和原动件上形成。机构含有确定运动条件是机构自由度大于零，且原动件数和机构自由度相等，所拼接机构必需满足以上两个条件。将齿轮、凸轮、槽轮机构（可加入其它类型构件）进行综合拼装，计算分析其自由度后，输入动力源进行机构运行。
四、试验内容和步骤
1、开启计算机，打开仿真软件，从含有齿轮、凸轮、槽轮机构中任选其一。
2、观察其运动方法。
3、统计所需要零件。
4、上试验台进行搭装。
5、使用油壶给传动接触部分添加润滑油。
6、搭装结束后，以手动方法输入运动，确定机构拼接无误后，经指导老师许可后再用电机驱动，进行摄影和录像。
7、拆卸零部件，擦拭后归和原位。
8、自己设计包含齿轮、凸轮、槽轮机构，要求有测绘简图和自由度分析（方法见基础试验2，并填于附录1中表2）。
9、检验无误后进行拼装，并以手动方法输入运动，确定机构拼接无误后，经指导老师许可后再用电机驱动，进行摄影和录像。
五、思索题
1、请叙述在创新设计中设计思绪。比如你是怎样实现机构功效增加或改善，设计方案对比评价，机构分析和确定，机构拼装过程问题和处理等。
2、在拼接机构时，为何需要确保各个构件运动和设计时一致？

附录1 试验汇报
一试验数据
表1 连杆机构
序号
机构名称
机构运动简图
自由度计算

1

μ= ( m/mm)

2

μ= ( m/mm)

表2 齿轮、凸轮、槽轮机构
序号
机构名称
机构运动简图
自由度计算

3

μ= ( m/mm)

4

μ= ( m/mm)

二、试验结果分析

三、问答题：
1、一个正确“机构简图”应能说明哪些内容？

2、什么情况下机构中存在“死点”？上面机构中是否存在“死点”？怎样避免？

成绩

附录2 试验拼接经典方案示例：

机构运动创新设计试验，其运动方案可由学生构思平面机构运动简图进行创新构思并完成方案拼接，达成开发学生发明性思维目标。
试验也可选择工程机械中应用多种平面机构，依据机构运动简图，进行拼接试验
该试验台提供配件可完成不少于40种机构运动方案拼接试验。试验时每台架可由3～4名学生一组，完成不少于1种/每人不一样机构运动方案拼接设计试验。
下列工程机械中多种机构中选择拼接方案经典示例，仅供参考。
1、 内燃机机构：

图5-1 内燃机机构

机构组成：曲柄滑块和摇杆滑块组合而成机构。
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一样路径进入滑块6左、右端并实现排气。
2、 精压机机构：

图5-2 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→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，完成物料压紧。对称部分 8→9→10→7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、剪板机等均可采取此机构完成预期工作。
3、牛头刨床机构：

(a) (b)
图5-3 牛头刨床机构
图b)为将图a）中构件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和双滑块机构组成。只是在图a）中，构件2、3、4组成两个同方位移动副，且构件3和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，使移动副摩擦损失降低。机构工作性能得到改善。图a）和图b)所表示机构运动特征完全相同。
工作特点：当曲柄1回转时，导杆3绕点A摆动并含有急回性质，使杆5完成往复直线运动，并含有工作行程慢，非工作行程快回特点。
4、 两齿轮-曲柄摇杆机构

图5-4 齿轮-曲柄摇杆机构
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和摇杆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和齿轮4啮合驱动齿轮4回转。因为摆杆3往复摆动，从而实现齿轮4往复回转。
5、 两齿轮-曲柄摆块机构：

图5-5 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和杆2可相对转动，而齿轮4则装在铰链B点并和导杆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姿态使齿轮4带动齿轮1作相对曲柄同向回转和逆向回转。

6、 喷气织机开口机构：

图5-6 喷气织机开口机构
机构组成：该机构由曲柄摆块机构，齿轮-齿条机构和摇杆滑块机构组合而成，其中齿条和导杆BC固联，摇杆DD′和齿轮G固联。
工作特点：曲柄AB以等角速度回转，带动导杆BC随摆块摆动同时和摆块作相对移动，在导杆BC上固装齿条E和活套在轴上齿轮G相啮合，从而使齿轮G作大角度摆动，和齿轮G固联在一起杆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运动是由移动和转动合成复合运动，而齿轮G运动就取决于这两种运动合成。
7、 双滑块机构：

图5-7 双滑块机构
机构组成该机构由双滑块组成，可看成由曲柄滑块机构A-B-C组成，从而将滑块4视做虚约束。
工作特点：当曲柄1作匀速转动时，滑块3、4均作直线运动，同时，杆件2上任一点轨迹为一椭圆。
应用举例：椭圆画器和剑杆织机引纬机构。

8、 冲压机构：

图5-8 冲压机构
机构组成：该机构由齿轮机构和对称配置两套曲柄滑块机构组合而成，AD杆和齿轮1固联，BC杆和齿轮2固联。
组成要求：Z1=Z2 ； AD=BC；
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效。
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取得直线进给自动机械中。而且对称部署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。
9、 插床机构：

图5-9 插床机构
机构组成：该机构由转动导杆机构和正置曲柄滑块机构组成。
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。因为导杆机构驱动滑块5往复运动时对应曲柄1转角不一样，故滑块5含有急回特征。
应用：此机构可用于刨床和插床等机械中。
10、筛料机构：

图5-10 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组成。
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，因为曲柄摇杆机构急回性质，使得滑块5速度，加速度改变较大，从而愈加好地完成筛料工作。
11、凸轮-连杆组合机构：

图5-11 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和齿轮齿条机构组成，且曲柄EF和齿轮为固联构件。
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和齿条5啮合使齿条5作直线运动，因为凸轮轮廓曲线和行程限制和各杆件尺寸制约关系，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传动机构。
12、凸轮-五连杆机构：

图5-12 凸轮-五连杆机构
机构组成：该机构由凸轮机构和连杆机构组成，其中凸轮和主动曲柄1固联，又和摆杆4组成高副。
工作特点：凸轮1匀速回转，经过杆1和杆3将运动传输给杆2，从而杆2运动是两种运动合成运动，所以连杆2上C点能够实现给定运动轨迹。
13、行程放大机构：

图5-13 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移动行程是C点行程两倍，故为行程放大机构。
注：若为偏置曲柄滑块，则齿条4带含有急回性质。

14、冲压机构：

图5-14 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和齿轮2固联。
工作特点：齿轮1匀速转动，齿轮2带动和其固联凸轮3一起转动，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）。
15、双摆杆摆角放大机构：

图5-15 双摆杆摆角放大机构
机构组成：由摆动导杆机构组成，且有L1＞LAB（AC＞AB）。
工作特点：当主动摆杆1摆动角时，从动杆3摆角为，且有＞，实现了摆角放大。各参数间关系为：