机构运动创新实验指导书

实验四：机构运动创新设计实验指导书一、实验目的1、培养学生对机械系统运动方案的整体认识，加强学生的工程实践背景的训练，拓宽学生的知识面，培养学生的创新意识、综合设计及工程实践动手能力。

2、通过机构的拼接，在培养工程实践动手能力的同时，可以发现一些基本机构及机械设计中的典型问题，通过解决问题，可以对运动方案设计中的一些基本知识点融会贯通，对机构系统的运动特性有一个更全面的理解。

3、加深学生对平面机构的组成原理、结构组成的认识，了解平面机构组成及运动特性，进一步掌握机构运动方案构型的各种创新设计方法。

培养学生用实验方法构思、验证、确定机械运动方案的初步能力。

4、培养学生用电机、传感器、等控制测量元件组装动力源，对机械进行驱动和控制的能力。

二、实验的核心内容：使用“机构运动创新设计实验台”进行积木式组合调整，从而让学生自己构思创新、试凑选型机械设计方案，亲手按比例组装成实物模型，亲手安装电机及控制电路，模拟真实工况，动态演示观察机构的运动情况和传动性能，通过直观调整布局、连接方式及尺寸以及更改电路来验证和改进设计。

设计和组装融为一体，直到该模型机构灵活、可靠地按照设计要求运动到位，最终使学生用实验方法自行确定了切实可行，性能较优的机械设计方案和参数，即通过创意实验模拟实施环节来实现培养学生创新动手能力的教改目标。

三、实验设备、工具1、机构运动创新设计实验台，两人一套。

2、交流调速、直流电机等动力控制元件。

3、钢板尺、量角器、游标卡尺。

4、扳手、钳子、螺丝刀等常用工具一套。

四、实验选题1、刮雨器传动装置要求：（1）原动件整周旋转，输出摇杆大摆角摆动（相同的摆角）。

（2）九杆机构。

2、车门启闭机构要求：（1）气缸驱动。

（2）车门开启角度90度。

3、电风扇摇头机构要求：（1）电机驱动。

（2）电风扇左右摆动。

（3）有高副机构。

4、增大CAM升程角的转动导杆和凸轮机构要求：（1）曲柄为输入键。

（2）凸轮与导杆相连。

（3）当曲柄转过90度时，凸轮与导杆一起转过180度。

5、插床的双滑块急回机构6、手动冲床要求：使扳动手柄的力获得两次放大。

7、插床机构要求：（1）具有急回特性，Q=30度。

（2）插刀实现大行程往复运动。

（3）运动传递由电机→齿轮减速→原动件曲柄→……→输出件插刀。

8、自动手套机大行程往复运动机构要求：（1）输出件实现大行程往复运动。

（2）运动传递由电机→齿轮减速→原动件→…→输出件。

9、行程速比系数为1的平面连杆机构要求：（1）行程速比系数为1。

（2）运动传递由电机→齿轮减速→原动件曲柄→……→输出件。

10、牛头刨创主切削运动机构要求：（1）具有急回特性，Q=30度。

（2）运动传递由电机→齿轮减速→导杆→……→滑块11、料仓自动出料门要求：（1）门关闭后实现自锁。

（2）通过电机带动实现自动操作。

（3）可提供的机构有杆、凸轮、齿轮、蜗杆等。

12、鄂式破碎机偏心铰链连杆机构要求：（1）挤压力放大30倍。

（2）摆杆角度10±5度。

13、压力机要求：（1）设计一六杆机构。

（2）输出运动为往复直线运动。

14、插齿机主动机构要求：（1）设计一六杆机构。

（2）输入运动（3）输出运动为往复直线运动。

15、内燃机机构说明：本实验题目仅供参考，学生也可自拟题目，经实验老师检查同意后，亦可参加实验。

五、实验前的准备工作1、预习本实验，初步了解实验装置，熟悉各种运动副和杆件的组装方法，熟悉机构尺寸的调整方法，电机等控制元件的安装使用方法。

2、针对设计题目，初步拟定机械系统运动方案及控制方案，绘出草图。

六、实验方法与步骤1、教师指导学生使用“机构运动创新设计实验台”的多功能零件，按照自己设计的草图，现在桌面上进行机构的初步实验组装，这一步的目的是杆件分层。

一方面为了使各个杆件在相互平行的平面内运动，另一方面为了避免各个杆件、各个运动副之间发生运动干涉。

2、教师指导学生按照上一步骤实验好的分层方案，使用实验台的多功能零件，从最里层开始，依次将各个杆件组装连接待机架上。

其中构件杆的选取、转动副的联接、移动副的联接、移动副的联接、凸轮、齿轮、齿条与杆件用转动副联接、凸轮、齿轮、齿条与杆件用移动副联接，杆件以转动副的形式与机架联接，杆件以移动副的形式与机架联接，输入转动和输入移动的原动件的组装方式详见附图和说明。

3、教师指导学生根据输入运动的形式选择原动件。

若输入运动为转动（工程实际中以柴油机、电动机等为动力的情况），则选用双轴承式主动定铰链轴或蜗杆为原动件，并使用电机通过软轴联轴器进行驱动；若输入运动为移动（工程实际中以油缸、气缸等为动力的情况），可选用直线电机驱动。

4、教师指导学生试用手动方式摇动或推动原动件，观察整个机构各个杆、副的运动，全都畅通无阻后，安装电机，用柔性联轴器将电机与机构相连。

5、教师指导学生最后检查无误后，打开电源试机。

6、教师指导学生通过动态观察机构系统的运动，对机构系统的工作到位情况、运动血迹动力学特性作出定性的分析和评价。

一般包括如下几个方面⑴各个杆、副是否发生干涉；⑵有无“憋劲”现象；⑶输入转动原动件是否曲柄；⑷输出杆件是否具有急回特性；⑸机构的运动是否连续；⑹最小传动角（或最大压力角）是否超过其许用值，是否在非工作行程中；对机构运动过程中是否产生刚性或柔性冲击；⑺机构是否灵活、可靠的按照设计要求运动到位；⑻自由度大于1的机构，其几个原动件能否使整个机构的各个局部实现良好的协调动作；⑼控制元件的使用及安装是否合理，是否按预定的要求正常工作。

7、若观察机构系统运动发生问题，则学生必须按前述步骤进行组装调整，直至该模型机构灵活、可靠的完全按照设计要求运动。

8、至此学生已经用实验方法自行确定了设计方案和参数，再测绘自己组装的模型，换算出实际尺寸，填写实验报告，包括按比例绘制正规的机构运动简图，标注全部参数，计算自由度，划分杆组，兼述步骤7所列各项评价情况，指出自己有所创新之处，指出不足之处并简述改进的设想。

9、教师验收合格，签定总体演示效果，作为创新及动手环节的评分依据。

七、附：机构运动创新设计实验台使用说明机构组合创新设计实验报告班级姓名学号合作者指导教师时间20 至20 学年第周一、机构运动简图（要求符号规范并注参数）二、机构有个活动构件。

有个低副，其中转动副个，移动副个。

有个高副，其中齿轮副个，蜗轮蜗杆副个，凸轮副个。

有个复合铰链，在处。

有个局部自由度，在处。

有虚约束，在处。

三、机构自由度数目为F=3n-2P L-P H=3X-2X-0=四、机构个原动件。

在处用驱动，模拟的运动；在处用驱动，模拟的运动；在处用驱动，模拟的运动。

五、针对原设计要求，按照实验结果建树机构的有关杆、副是否运动到位、曲柄是否存在、是否实现急回、最小传动角数值、是否有“憋劲”现象。

八、指出在机构中自己有所创新之处。

九、指出机构的不足之处，简述进一步改进的设想。

附：机构运动创新设计实验台使用说明一、实验设备及工具：1、创新组合模型一套，包括组成机构的各种运动副、构件、动力源及一套实验工具。

设备名称：ZBS-C 机构运动创新设计方案实验台，实验台组件清单如下：ZBS-C机构运动创新方案设计实验台组件清单1）齿轮：模数2，压力角20°，齿数为28、35、42、56，单级齿轮传动可实现四种基本传动比，中心距组合为：63、70、77、84、91、98；2）凸轮：基圆半径20㎜，升回型，从动件行程为30㎜；从动件采用对心滚子从动件；为保证凸轮和从动件始终保持接触，还提供了弹簧使其产生力锁合。

3）齿条：模数2，压力角20°，单根齿条全长为400㎜；4）槽轮：4槽槽轮；4工位；5）拨盘：可形成两销拨盘或单销拨盘；6）主动轴：轴端带有一平键，有圆头和扁头两种结构型式（可构成回转或移动副）；7）从动轴：轴端无平键，有圆头和扁头两种结构型式（可构成回转副或移动副）；8）转动副轴（或滑块）：用于两构件形成转动副或移动副；9）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；10）复合铰链Ⅱ（或滑块）：用于四构件形成复合转动副；11）主动滑块插件：插入主动滑块座孔中，使主动运动为往复直线运动；12）主动滑块座：装入直线电机齿条轴上形成往复直线运动；13）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；14）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。

15）滑块导向杆（或连杆）；16）连杆Ⅰ：有六种长度不等的连杆；17）连杆Ⅱ：可形成三个回转副的连杆；18）压紧螺栓：规格M5，使连杆与转动副轴固紧，无相对转动且无轴向窜动；19）带垫片螺栓：规格M5，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；20）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；21）紧固垫片：限制轴的回转；22）高副锁紧弹簧：保证凸轮与从动件间的高副接触；23）齿条护板：保证齿轮与齿条间的正确啮合；24）皮带轮与皮带：用于机构主动件为转动时的运动传递；25）张紧轮：用于皮带的张紧；26）张紧轮支承杆：调整张紧轮位置，使其张紧或放松皮带；27）张紧轮销轴：安紧张紧轮；28）（螺栓M8）：特制，用于在连杆任意位置固紧活动铰链座Ⅰ；螺栓Ⅲ；29）直线电机：10㎜/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400㎜；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；30）旋转电机：10r/min，沿机架上的长形孔可改变电机的安装位置；31）标准件、紧固件若干（A型平键、螺栓、螺母、紧定螺钉等）；32）实验台机架。

2、组装、拆卸工具：一字起子、十字起子、呆搬手、内六角搬手、钢板尺、卷尺。

3、实验需自备笔和纸。

二、实验原理一个好的机械原理方案能否实现，机械设计是关键。

机构设计中最富有创造性、最关键的环节，是机构形式的设计。

常用机构形式的设计方法有两大类，即机构的选型和机构的构型。

1、机构形式设计的原则：1）机构尽可能简单：从四个方面加以考虑。

一是机构运动链尽量简短，完成同样的运动要求，应优先选用构件数和运动副数最少的机构，这样可以简化机器的构造，从而减轻重量、降低成本。

此外也可以减少由于零件的制造误差而形成的运动链的累积误差，从而提高零件加工工艺性和增强机构工作的可靠性。

二是适当选择运动副：在基本机构中，高副机构只有3个构件，低副机构则至少有4个构件和4个运动副。

因此，从减少构件数和运动副数，以及设计简便等方面考虑，应优先选用高副机构。

但从低副机构的运动副元素加工方便、容易保证配合精以及有较高的承载能力等方面考虑，应优先选用低副机构。