(创新管理)平面机构运动方案创新设计实验

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

任何平面机构均可以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通过运动副联结而成。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 - 2P L - P H =0 （4－1）

式中： n 为杆组中的构件数；P L 为杆组中的低副数；P H 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 、P L 、P H 取不同数值时，可得各类基本杆组。

当P H =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 - 2P L -

P H =0，故32L

P n ，则n 应当是2的倍数，而P L 应当是3的倍数，即n ：2、4、6……，P L =3、6、9……。当n=2，P L =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 级杆组可以有下图所示的五

种不同类型：

图4－1 平面低副Ⅱ级杆组

n=4，P L =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，通常先从原动件开始，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)动轴可以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