机构运动创新设计方案实验指导

7.1.1 实验目的

(1) 加深对平面机构的组成原理及其运动特性的理解和感性认识，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，以培养机构运动创新设计意识及综合设计的能力。

(3) 训练工程实践动手能力。

7.1.2 实验设备和工具

1) 机构运动创新设计方案实验台

(1) 机架。如图7- 1所示的实验台机架有5根铅垂立柱，它们均可沿x方向移动。 移动时必须用双手推动，并尽可能使立柱在移动过程中保持铅垂状态。立柱移动到预定的位置后，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)。立柱上的滑块可沿y方向移动。将滑块移动到预定的位置后，只需将滑块上的内六角平头紧定螺钉旋紧即可。按上述方法移动立柱和滑块，就可在机架的xy平面内确定固定铰链的位置。

(2) 齿轮。 模数为2mm，压力角为20°，齿数分别为28、35、42、56，中心距组合分别为63mm、70mm、77mm、84mm、91mm和98mm，各3件共12件。

图7- 1 实验台机架

1—立柱;2—滑块;3—上横梁;4—下横梁

(3) 凸轮。 基圆半径为20mm，升回型，从动件行程为30mm，为3件。

(4) 齿条。 模数为2mm，压力角为20°，单根齿条全长为400mm，为3件。

(5) 槽轮。4槽槽轮，为1件。

(6) 拨盘。 可形成两销拨盘或单销拨盘，销的回转半径R=49.5mm，为1件。

(7) 主动轴。 轴端带有一平键，有圆头和扁头两种结构形式(可构成回转副或移动副)。 L=15mm、30mm，各为4件;L=45mm，为3件;L=60mm、75mm，各为4件。

(8) 从动轴。 轴端无平键，有圆头和扁头两种结构形式(可构成回转副或移动副)。 L=15mm，为8件;L=30mm、45mm，各为6件;L=60mm、75mm，各为4件。

(9) 移动副。 轴端带扁头结构形式。 L=15mm，为8件;L=30mm、45mm，各为6件;L=60mm、75mm，各为4件。

(10) 转动副轴(或滑块)。 用于两构件形成转动副或移动副，L=5mm，为32件。

(11) 复合铰链Ⅰ(或滑块)。 用于三构件形成复合转动副或形成转动副+移动副，L=20mm，为8件。

(12) 复合铰链Ⅱ。 用于四构件形成复合转动副，L=20mm，为8件。

(13) 主动滑块插件。 插入主动滑块座孔中，使主动运动转变为往复直线运动，L=40mm、55mm，各为1件。

(14) 主动滑块座。 装入直线电机齿条轴上形成往复直线运动，为1件。

(15) 活动铰链座Ⅰ。 用于在滑块导向杆(或连杆)以及连杆的任意位置形成转动-移动副，螺孔M8，为16件。

(16) 活动铰链座Ⅱ。 用于在滑块导向杆(或连杆)以及连杆的任意位置形成转动副或移动副，螺孔M5，为16件。

(17) 滑块导向杆(或连杆)。 其长槽与滑块形成移动副，其圆孔与轴形成转动副，L=330mm，为4件。

(18) 连杆Ⅰ(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，L=100mm、110mm，各为12件;L=150mm、160mm、240mm、300mm，各为8件。

(19) 连杆Ⅱ。 其长槽与滑块形成移动副，其圆孔与轴形成转动副，这种连杆可形成三个回转副，L1=22mm并且L2=138mm，为8件。

(20) 压紧螺栓。 使连杆与转动副轴固紧，无相对转动且无轴向窜动，M5为40件。

(21) 带垫片螺栓。防止连杆与转动副轴的轴向分离，连杆与转动副轴能相对转动，M5为40件。

(22) 层面限位套。 限定不同层面间的平面运动构件距离，防止运动构件之间的干涉，L=4mm、7mm，各为6件;L=10mm，为20件;L=15mm，为40件;L=30mm、45mm，各为20件;L=60mm，为10件。

(23) 紧固垫片。 限制轴的回转，φ16，为20件。

(24) 高副锁紧弹簧。 保证凸轮与从动件间的高副接触，为3件。

(25) 齿条护板。 保证齿轮与齿条间的正确啮合，为6件。

(26) T型螺母。 用于电机座与行程开关座的固定，为20件。

(27) 行程开关碰块。 为1件。

(28) 带轮。 用于机构主动件为转动时的运动传递，为6件。

(29) 张紧轮。 用于V带的张紧，为3件。

(30) 张紧轮支承杆。 调整张紧轮位置，使其张紧或放松V带，为3件。

(31) 张紧轮轴销。 安紧张紧轮，为3件。

(32) 螺栓。 特制，用于在连杆任意位置固紧活动铰链座Ⅰ，M10×15、M10×20、M8×15，各为6件。

(33) 直线电机。 速度为10mm/s，配直线电机控制器，根据主动滑块移动的距离，调节两行程开关的相对位置来调节齿条或滑块往复运动距离，但调节距离不得大于400mm。 注意:机构拼接未运动前，应先检查行程开关与装在主动滑块座上的行程开关碰块的相对位置，以保证换向运动能正确实施，防止机件损坏。

(34) 旋转电机。 转速为10r/min，可沿机架上的长形孔改变电机的安装位置。

(35) 平头紧定螺钉。 标准件M6×6，为21件。

(36) 六角螺母。 标准件M10为12件，M12为30件。

(37) 六角薄螺母。 标准件M8，为12件。

(38) 平键。 标准件A型3×20，为15件。

(39) V带。 标准件，O形，L=710mm、900mm、1120mm，各为1根。

(40) 螺栓。 标准件M4×16，为12件。

(41) 螺母。 标准件M4，为12，件。

2) 工具

(1) 一字起子、十字起子、呆扳手、内六角扳手、钢直尺、卷尺。

(2) 自备铅笔、橡皮和报告纸。

7.1.3 实验原理

任何平面机构均可以用零自由度的杆组(阿苏尔杆组)依次连接到原动件和机架上去的方法来组成，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数目相等，因此，机构均由机架、原动件和自由度为零的从动件系统通过运动副连接而成。 将从动件系统拆分成若干个不可再分的自由度为零的运动链称为基本杆组(阿苏尔杆组)，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。 式中n为基本杆组中的构件数，而pl和ph分别为基本杆组中的低副和高副的数目。 根据上式可以获得各种类型的杆组。最简单的基本杆组是由两个构件和三个低副(n=2，pl=3)构成的，把这种基本杆组称为Ⅱ级杆组。Ⅱ级杆组是应用最多的基本杆组，绝大多数的机构是由Ⅱ级杆组构成的。 Ⅱ级杆组可以有五种不同的类型，如图7- 2所示。

图7- 2 平面低副Ⅱ级杆组的类型

在少数结构比较复杂的机构中，除Ⅱ级杆组外，还有Ⅲ级杆组。 如图7- 3所示为三种常见的Ⅲ级杆组结构形式，均由四个构件和六个低副(n=4，pl=6)所组成，而且都有一个包含三个低副的构件。

图7- 3 平面低副Ⅲ级杆组的常见类型

2) 杆组的正确拆分

杆组的正确拆分应按如下步骤:

(1) 先去掉机构中的局部自由度和虚约束，若机构中含有高副，可根据一定条件将机构的高副以低副代替。

(2) 计算机构的自由度，确定原动件。

(3) 从远离原动件的一端(即执行机构)先试拆分Ⅱ级杆组，若拆不出Ⅱ级杆组时，再试拆Ⅲ级杆组，即由最低级别杆组向高一级杆组依次拆分，最后剩下原动机和机架。

正确拆分杆组的判别标准是:拆去一个杆组或一系列杆组后，剩余的必须仍为一个完整的机构或若干个与机架相连的原动件，不允许有不成组的零散构件或运动副存在，否则这个杆组拆得不对。 每当拆出一个杆组后，再对剩余机构拆杆组，并按步骤(3)进行，直到全部杆组拆完，只应剩下与机架相连的原动件为止。

如图7- 4a所示的锯木机机构，先除去K处的局部自由度，高副低代后得图7- 4b，按步骤(2)计算机构的自由度:F=3n-2pl-ph=3×9-2×13=1，并确定凸轮为原动件。 然后按步骤(3)，从远离原动件的一端先拆分出由构件4和5组成的Ⅱ级杆组，再拆分出由构件6和7及构件3和2、构件8和10组成的三个Ⅱ级杆组，最后剩下原动件1和机架9，如图7- 4c所示。

图7- 4 锯木机机构杆组拆分

3) 正确拼装杆组

根据拟定的机构运动学尺寸，利用机构运动创新方案实验台提供的零件按机构运动传递顺序进行拼装。 拼装时，首先要分清机构中各构件所占据的运动平面，并且使各构件的运动在相互平行的平面内进行，其目的是避免各运动构件发生干涉。 然后，以实验台机架铅垂面为拼装的起始参考面，所拼装的构件以原动件起始，依运动传递顺序将各杆组由里(参考面)向外进行拼装。

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。

7.1.4 实验方法和步骤

(1) 掌握平面机构组成原理。

(2) 熟悉机构运动创新设计方案实验台、各零部件功用和安装、拆卸工具。

(3) 自拟机构运动方案(要求在实验前将机构运动方案设计出来)或选择实验参考题目中提供的机构运动方案作为拼装实验方案。

(4) 将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。

(5) 正确拼接各基本杆组。

(6) 将基本杆组按运动传递规律顺序连接到原动件和机架上。

7.1.5 实验参考题目

参考题目一:设计一内燃机机构，参考方案如图7- 5所示。 滑块7在压力气体作用下做往复直线运动，带动曲柄1回转并使滑块6也做往复直线运动，并使压力气体通过不同路径进入滑块7的左、右端并实现排气。

参考题目二:设计一精压机机构，参考方案如图7- 6所示。 当曲柄1连续转动时，滑块3上、下移动，通过杆4、5和6使滑块7做上下移动，完成物料的压紧。 对称部分杆8、9和10的作用是使滑块7平稳下压，使物料受载均衡。

图7-5 参考题目一——内燃机机构

图7-6 参考题目二——精压机机构

参考题目三:设计一牛头刨床机构，参考方案如图7- 7所示。 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。

参考题目四:设计一两齿轮 曲柄摇杆机构，参考方案如图7- 8所示。 当曲柄1回转时，连杆2驱动摇杆3摆动，从而通过齿轮5与齿轮4的啮合驱动齿轮4回转。 由于摇杆3往复摆动，从而实现齿轮4的往复回转。

图7-7 参考题目三——牛头刨床机构

图7-8 参考题目四——齿轮 曲柄摇杆机构

参考题目五:设计一两齿轮 曲柄摆块机构，参考方案如图7- 9所示。 当曲柄2回转时，通过连杆3使摆块5摆动，从而改变连杆的姿态，使齿轮4带动齿轮1做相对曲柄的同向回转与逆向回转。

参考题目六:设计一喷气织机开口机构，参考方案如图7- 10所示。 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做相对移动，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做大角度摆动，与齿轮G固连在一起的杆DD′随之运动，通过连杆DF (D′F′)使滑块做上下往复运动。

图7-9 参考题目五——齿轮 曲柄摆块机构

图7-10 参考题目六——喷气织机开口机构

参考题目七:设计一椭圆画器机构，参考方案如图7- 11所示。 当曲柄1做匀速转动时，滑块3、4均做直线运动，同时，杆件2上任一点的轨迹为一椭圆。

参考题目八:设计一冲压机构，参考方案如图7- 12所示。 该机构中，AD杆与齿轮1固连，BC杆与齿轮2固连。 当齿轮1匀速转动时，带动齿轮2回转，从而通过连杆3、4驱动杆5上下直线运动以完成预定冲压功能。

图7-11 参考题目七——椭圆画器机构

图7-12 参考题目八——冲压机构

参考题目九:设计一插床机构，参考方案如图7- 13所示。 当曲柄1匀速转动时，通过滑块2带动杆件3绕B点回转，通过连杆4驱动滑块5做直线移动。 由于导杆机构驱动滑块5往复直线运动时对应的曲柄1转角不同，故滑块5具有急回特性。

参考题目十:设计一筛料机构，参考方案如图7- 14所示。 当曲柄1匀速转动时，通过摇杆3和连杆4带动滑块5做往复直线运动，由于曲柄摇杆机构的急回特性，使得滑块5速度和加速度变化较大，从而达到筛料的目的。

图7-13 参考题目九——插床机构

图7-14 参考题目十——筛料机构

参考题目十一:设计一粗梳毛纺细纱机钢领板运动的传动机构，参考方案如图7- 15所示。 凸轮1为主动件，做匀速转动，通过摇杆2和连杆3使齿轮4回转，通过齿轮4与齿条5的啮合，使齿条5做直线运动。 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只能做往复转动，从而使齿条5做往复直线移动。

参考题目十二:设计一凸轮 五连杆机构，参考方案如图7- 16所示。 凸轮1为主动件，做匀速转动，通过杆1和杆4、杆3将运动传递给杆2，从而使杆2的运动是两种运动的合成运动，因此杆2上的C点可以实现给定的运动轨迹。

图7-15 参考题目十一——粗梳毛纺细纱机传动机构

图7-16 参考题目十二——凸轮 五连杆机构

参考题目十三:设计一行程放大机构，参考方案如图7- 17所示。 当曲柄1匀速转动时，连杆上C点做直线运动，通过齿轮3带动齿条4做直线移动，齿条4的移动行程是C点行程的两倍。

参考题目十四:设计一冲压机构，参考方案如图7- 18所示。 当齿轮1匀速转动时，齿轮2带动与其同轴的凸轮3一起转动，通过连杆机构使滑块7和滑块10做往复直线移动，其中滑块7完成冲压运动，滑块10完成送料运动。

图7-17 参考题目十三——行程放大机构

图7-18 参考题目十四——冲压机构

7.1.6 思考题

(1) 机构的组成原理是什么？ 何为基本杆组？

(2) 为何要对平面高副机构进行“高副低代”？ 如何进行“高副低代”？

(3) 铰链四杆机构中，连杆上的点要实现已知的轨迹，哪些是设计中可调整的参数？

(4) 摆动导杆机构，以曲柄为主动件，具有最好的传力性能。 若以导杆为主动件，其传力性能如何？ 是否会出现机构的死点？ 如何克服？

(5) 机构设计中，要求最小传动角γmin≥[γ]。对于曲柄摇杆机构，哪些机构位置将可能出现最小传动角？ 调整该机构的哪些参数可使最小传动角增大？