机构创新设计与搭接.docx

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机构创新设计与搭接

基于组合原理

机构创新设计与搭接指导

蔡书平

西安交通大学

机械教学实验中心

2012．3．1

一、实验目的,……………………………………………………………3

二、实验任务……………………………………………………….....…3

三、实验原理…………………………………………………….……..3

四、实验设备……………………………………..………………．…..4

五、实验内容……………………………………..………………．…..8

1、牛头刨床机构……………………………………….……………..5

2、内燃机机构..………………………………………………………….6

3、精压机机构……………………………………………………….……6

4、两齿轮-曲柄摇杆机构……………………………………………….….7

5两齿轮-曲柄摆块机构.……………………………………………….7

6、喷气织机开口机构构.…………………………………………………8

7、双滑块机...........………………………………………………….8

8、冲压机构...........………………………………………………….9

9、插床机构...........………………………………………………….9

10、筛料机构...........………………………………………..………..10

11、凸轮-连杆组合机构.…………………………………………………..10

12、凸轮-五连杆机构....………………………………………..………..14

13、行程放大机构....…………………………………………....………11

14、冲压机构....………………………………………………...…….…12

15、双摆杆摆角放大机构……………………………………..…...………12

六、实验方法与步骤…………………………………………………..13.

图6-15

七、实验报告

一、实验目的

1、机构创新设计与运动分析实验是综合性实验，在掌握机构组成原理、基本机构的类型、结构、设计知识的基础上，以ＺＢＳ－Ｃ机构创意设计实验台作为操作平台，进行机构创新设计实验；

2、培养学生运用创新思维方法，遵循机械设计的基本法则，对机构运动系统方案进行设计与研究。

以期通过实验使学生创新意识、综合设计能力得到加强，实验技能得到提高。

二、实验任务

1、选用工程机械中各种平面机构运动简图，在ＺＢＳ－Ｃ机构创新设计实验台搭接、运行，满足机构运动要求。

２、根据设计机构创新方案、画出机构运动简图，在ＺＢＳ－Ｃ机构创新设计实验台搭接、运行，满足机构设计要求。

三、实验原理

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相等，因此机构由机架、原动件和自由度为零的从动件系统通过运动副联接而成。

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其中构件数n，高副数PH和低副数PL都必需是整数。

由此可以获得各种类型的杆组。

当n=1,PL=1,PH=1时即可获得单构件高副杆组，常见的有如下几种：

图3-1单构件高副杆组

因此满足上式的构件数和运动副数的组合为：

n=2,4,6……，PL=3，6，9……。

最简单的杆组为n=2，PL=3，称为Ⅱ级组，由于杆组中转动副和移动副的配置不同，Ⅱ

级组共有如下五种形式。

n=4,PL=6的杆组形式很多，机构创新模型已有图3所示的几种常见的Ⅲ级杆组。

图3-22平面低副Ⅱ级组

图3-3平面低副Ⅲ级组

2、机构的组成原理

根据如上所述，可将机构的组成原理概述为：

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。

这是本实验的基本原理。

四、实验设备

ZBS-C机构运动创新设计方案实验台图4-1；

图4-1ZBS-C机构运动创新设计方案实验台

五、实验内容

机构运动创新设计搭接实验，第一部分可选用工程机械中各种平面机构，根据机构运动简图，搭接实验。

第二部分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的搭接，达到开发学生创新思维的目的。

该实验台提供的配件可完成不少于40种机构运动方案的拼接实验。

实验时每台架可有3名学生一组，完成不同机构运动方案的搭接设计实验。

工程机械中各种平面机构如下：

1、牛头刨床机构

图5－1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，且构建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善。

图a）和图b）所示机构的运动特性完全相同，如图5-1所示.

工作特点：

当曲柄Ⅰ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,并工作行程快回的特点。

2、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，如图5-2所示。

图5－2内燃机机构

工作特点：

当曲柄1座连续转动时，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实际的主动件），带动曲柄1回转并使滑块5往复运动是压力气体通过不同的路径进入滑块6的左、右端并实现排气。

3、精压机机构

机构构成：

该机构由曲柄滑块和两个对称的摇杆滑块机构所组成如图5-3所示。

图5－3精压机机构

　　工作特点：

当曲柄1连续转动时，杆3上、下移动，通过杆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作用是使构件7平稳下压，使物料

受载均衡。

4、两齿轮-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与摇杆2形成刚性联接，如图5-4所示。

工作特点：

当曲柄Ⅰ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和杆2可相对转动，齿轮4则装在铰链B点并与导杆3固联，如图5-5所示。

工作特点：

杆2作圆周运动，为曲柄通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座相对曲柄的同向回转与逆向回转。

6、喷气织机开口机构

机构组成：

该机构有曲柄摆块机构，齿轮-齿条机构和摇杆滑块机构组合而成，

其中齿条与导杆BC固联，摇杆DD

与齿轮G固联，如图5-6所示。

　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作大角度摆动，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往复运动，而齿轮G的运动就取决于这两种运动的合成。

7、双滑块机构

机构组成：

该机构有双滑块组成，可看成有曲柄滑块机构A-B-C构成，从而将滑块4视做虚约束，如图5-7所示。

工作特点：

当曲柄Ⅰ做匀速转动时，滑块3、4均作直线运动，同时，杆件2上任意点的轨迹为一椭圆。

8、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，如图5-8所示。

组成要求：

Z

=Z

；AD=BC；α=β

　工作特点：

齿轮1匀速转动，带动齿轮2回转，从而通过连杆3、4驱动杆5上下直线运动完成预定功能。

　该机构可拆去杆件5，而E点运动轨迹不便，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。

9、插床机构

5-9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组成，如图5-9所示。

工作特点：

曲柄1匀速转动，通过滑块2带动从动件3绕B点回转，通过连杆

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。

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构成，如图5-10所示。

工作特点：

曲柄1匀速转动，通过摇杆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。

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以及齿轮齿条机构组成，且曲柄EF与齿轮为固联构件，如图5-11所示。

工作特点：

凸轮为主动件匀速转动，通过摇杆2、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作直线运动，由于凸轮轮廓曲线和形成限制和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作往复直线移动。

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，其中凸轮与主动曲柄Ⅰ固联，又与摆杆4构成高副，如图5-12所示。

工作特点：

凸轮1匀速回转，通过杆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点可以实现给定的运动轨迹。

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，如图5-13所示。

工作特点：

曲柄1匀速转动，连杆上C点作直线运动，通过齿轮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。

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与齿轮2固联，如图5-14所示。

工作特点：

齿轮1匀速转动，齿轮2带动与其固联的凸轮3一起转动，通过连杆机构使滑块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

机构组成:

由摆动导杆机构组成，且有L

>L

（AC>AB），如图5-15所示。

工作特点：

当主动摆杆1摆动α角时，从动件3的摆角为β,且有β

α，实现了摆角放大。

六、实验方法与步骤

1、正确拆分杆组

从机构中拆出杆组有三个步骤：

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分杆组，每次拆分时，要求先试着拆分Ⅱ级组，没有Ⅱ级组时，再拆分Ⅲ级组等高一级组，最后剩下原动件和机架。

拆组是否正确的判定方法是：

拆去一个杆组或一系列杆组后，剩余的必需为一个完整的机构或若干个与机架相联的原动件，不能有不成组的零散构件或运动副存在，全部杆组拆完后，只应当剩下与机架相联的原动件。

如图6-1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）的要领，先拆分出由构件4和5组成的Ⅱ级组，再拆分出由构件6和7及构件3和2组成的两个Ⅱ级组及由构件8组成的单构件高副杆组，最后剩下原动件1和机架9。

图6-1例图

2、正确拼装杆组

将机构创新模型中的杆组，根据给定的运动学尺寸，在平板上试拼机构。

拼接时，首先要分层，一方面是为了使各构件的运动在相互平行的平面内进行，另一方面是为了避免各构件间的运动发生干涉，因此，这一点是至关重要的。

试拼之后，从最里层装起，依次将各杆组联接到机架上去。

杆组内各构件之间的联接已由机构创新模型提供，而杆组之间的连接可参见下述的方法。

1）移动副的联接

图6-2表示构件1与构件2用移动副相联的方法。

2）转动副的联接

图6-3表示构件1与带有转动副的构件2的联接方法。

图6-2移动副的联接

图6-3转动副的联接

3）齿条与构件以转动副的形式相联接方法。

图6-4表示齿条与构件以转动副的形式相联接方法。

图6-4齿条与构件以转动副相联

4）齿条与其他部分的固联

图6-5表示齿条与其他部分固联的方法。

图6-5齿条与其他部分固联

5）构件以转动副的形式与机架相连

图6-6表示连杆作为原动件与机架以转动副形式相联的方法。

用同样的方法可以将凸轮或齿轮作为原动件与机架的主动轴相连。

如果连杆或齿轮不是作为原动件与机架以转动副形式相连，则将主动轴换作螺栓即可。

注意：

为确保机构中各构件的运动都必须在相互平行的平面内进行，可以选择适当长度的主动轴、螺栓及垫柱，如果不进行调整，机构的运动就可能不顺畅。

图6-6构件与机架以转动副相联

6）构件以移动副的形式与机架相联

图6-7表示移动副作为原动件与机架的联接方法。

图6-7构件与机架以移动副的相联

3、实现确定运动

试用手动的方式驱动原动件，观察各部分的运动都畅通无阻之后，再与电机相联，检查无误后，方可接通电源。

4、分析机构的运动学及动力学特性

通过观察机构系统的运动，对机构系统的运动学及动力学特性作出定性的分析。

一般包括如下几个方面：

1）平面机构中是否存在曲柄；

2）输出件是否具有急回特性；

3）机构的运动是否连续；

4）最小传动角（或最大压力角）是否在非工作行程中；

5）机械运动过程中是否具有刚性冲击和柔性冲击。

实验报告

姓名：

学号：

班级：

成绩

同组者：

实验日期：

年月日

实验目的：

实验任务：

实验设备：

实验内容：

1、工程机械平面机构类

机构名称：

画出机构运动简图及拍摄搭接图片，分析机构的运动学及动力学特性。

2、机构创新设计类

机构名称：

机构运动简图及搭接图片：

画出机构运动简图及拍摄搭接图片，分析机构的运动学及动力学特性。

3、实验的收获与体会，发现的问题与解决办法。