機械運動方案創(chuàng)新設計

1、機構(gòu)運動方案創(chuàng)新設計機構(gòu)運動方案創(chuàng)新設計1機電工程學院一、概述一、概述v機構(gòu)運動方案創(chuàng)新設計是一個具有創(chuàng)新性的活動過程，旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新設計的能力。v本實驗是基于桿組的迭加原理而設計的，主要應用于機構(gòu)組成原理的拼接設計實驗、課程設計和畢業(yè)設計中的機構(gòu)運動方案的設計實驗、課外科技活動（如機械設計大賽）中的機構(gòu)運動方案創(chuàng)新設計實驗。二、實驗目的二、實驗目的加深對平面機構(gòu)組成原理、結(jié)構(gòu)組成的認識，加深對平面機構(gòu)組成原理、結(jié)構(gòu)組成的認識，熟悉桿組概念，了解機構(gòu)運動特點熟悉桿組概念，了解機構(gòu)運動特點利用若干不同的桿組，拼接各種不同的平面機利用若干不同的桿組，拼接各種不同的平面機構(gòu)，以培養(yǎng)機構(gòu)

2、創(chuàng)新設計能力及綜合設計能力構(gòu)，以培養(yǎng)機構(gòu)創(chuàng)新設計能力及綜合設計能力通過對實際機械結(jié)構(gòu)的拼接，增強工程實踐動通過對實際機械結(jié)構(gòu)的拼接，增強工程實踐動手能力。手能力。三、實驗原理三、實驗原理v任何機構(gòu)都是由若干個基本桿組依次聯(lián)接到原動件和機架上而構(gòu)成的。v機構(gòu)具有確定運動的條件是其原動件數(shù)等于機構(gòu)的自由度數(shù)。因此，機構(gòu)可以拆分成機架、原動件和自由度為零的構(gòu)件組。而自由度為零的構(gòu)件組還可以拆分成更簡單的自由度為零的構(gòu)件組，將最后不能再拆的最簡單的自由度為零的構(gòu)件組稱為組成機構(gòu)的基本桿組，簡稱桿組。v由桿組定義知，組成平面機構(gòu)的基本桿組應滿足條件：023HLPPnF1.1.高副桿組高副桿組v 若n =

3、 PL = PH = 1，即可獲得單構(gòu)件高副桿組，常見形式下圖所示。低副桿組低副桿組v 若PH =0，桿組中運動副均為低副，稱為低副桿組。即v 滿足上式的構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)的組合為： n = 2, 4, 6, PL = 3, 6, 9。v 其中最簡單的組合為n = 2, PL = 3，稱為級組。級組是應用最多的基本桿組，由于桿組中轉(zhuǎn)動副和移動副的配置不同，級桿組共有如圖所示五種形式：四、實驗設備四、實驗設備v本實驗需要設備為湖南長慶科教儀器有限公司生產(chǎn)的ZBS-C機械運動創(chuàng)新設計方案實驗臺，下面對此類設備的組成和操作方法作一簡介。v設備簡介： v組成實驗臺的主要零部件以及詳細規(guī)格如表所示。機構(gòu)運

4、動方案創(chuàng)新設計實驗臺零部件機構(gòu)運動方案創(chuàng)新設計實驗臺零部件v 直線電機控制器：如圖本控制器采用電子組合設計方式，控制電路采用低壓電子集成電路和微型密封功率繼電器，并采用光槽作為行程開關，極具使用安全?？刂破鞯那懊姘鍨長ED顯示方式，當控制器的前面板與操作者是面對面的位置關系時，控制器上的發(fā)光管指示直線電機齒條的位移方向?？刂破鞯暮竺姘迳现糜须娫匆鼍€及開關、與直線電機相連的4芯插座、與光槽行程開關相連的5芯插座和1A保險管。IEPIEP直線電機控制器直線電機控制器發(fā)光管a)前面板圖直線電機 行程開關 220VAC 2A OFF4芯插座 5芯插座 電源開關源引出線保險管座 電源開關操作說明操作說

5、明v 1、實驗臺機架的固定 實驗臺機架圖v 如圖所示實驗臺機架中有5根鉛垂立柱，它們可沿X方向移動。移動時請用雙手扶穩(wěn)立柱、并盡可能使立柱在移動過程中保持鉛垂狀態(tài)，這樣便可以輕松推動立柱。立柱移動到預定的位置后，將立柱上、下兩端的螺栓鎖緊（安全注意事項：不允許將立柱上、下兩端的螺栓卸下，在移動立柱前只需將螺栓擰松即可）。v 立柱上的滑塊可沿Y方向移動。將滑塊移動到預定的位置后，用螺栓將滑塊緊定在立柱上。按上述方法即可在X、Y平面內(nèi)確定活動構(gòu)件相對機架的連接位置。面對操作者的機架鉛垂面稱為拼接起始參考面或操作面。2、各另部件之間的拼接、各另部件之間的拼接v （1）軸相對機架的拼接v 有螺紋端的軸

6、頸可以插入滑塊28#上的銅套孔內(nèi)，通過平墊片、防脫螺母34#的連接與機架形成轉(zhuǎn)動副或與機架固定。若按圖6拼接后，6或8#軸相對機架固定；若不使用平墊片34# ，則6或8#軸相對機架作旋轉(zhuǎn)運動。拼接者可根據(jù)需要確定是否使用平墊片34#。v 扁頭軸6#為主動軸、8#為從動軸。該軸主要用于與其它構(gòu)件形成移動副或轉(zhuǎn)動副、也可將連桿或盤類零件等固定在扁頭軸頸上，使之成為一個構(gòu)件。（2）轉(zhuǎn)動副的拼接）轉(zhuǎn)動副的拼接v 若兩連桿間形成轉(zhuǎn)動副，可按圖所示方式拼接。其中，14#件的扁平軸頸可分別插入兩連桿11#的圓孔內(nèi)，再用壓緊螺栓16#和帶墊片螺栓15#分別與轉(zhuǎn)動副軸14#兩端面上的螺孔連接。這樣，有一根連桿被

7、壓緊螺栓16#固定在14#件的軸頸處，而與帶墊片螺栓15#相連接的14#件相對另一連桿轉(zhuǎn)動。移動副的拼接移動副的拼接v 移動副的拼接如圖所示。轉(zhuǎn)滑副軸24#的圓軸端插入連桿11#的長槽中，通過帶墊片的螺栓15#的連接，轉(zhuǎn)滑副軸24#可與連桿11#形成移動副。v提示：轉(zhuǎn)滑副軸24#的另一端扁平軸可與其它構(gòu)件形成轉(zhuǎn)動副或移動副。根據(jù)拼接的實際需要，也可選用7#或14#件替代24#件作為滑塊。v 另外一種形成移動副的拼接方式如圖所示。選用兩根軸（6#或8#），將軸固定在機架上，仍后再將連桿11#的長槽插入兩軸的扁平軸頸上，旋入帶墊片螺栓15#，則連桿在兩軸的支撐下相對機架作往復移動。v 提示：根據(jù)實

8、際拼接的需要，若選用的軸頸較長，此時需選用相應的運動構(gòu)件層面限位套17#對構(gòu)件的運動層面進行限位。滑塊與連桿組成轉(zhuǎn)動副和移動副的拼接滑塊與連桿組成轉(zhuǎn)動副和移動副的拼接v 如圖所示的拼接效果是滑塊13#的扁平軸頸處與連桿11#形成移動副；在20#、21#的幫助下，滑塊13#的圓軸頸處與另一連桿在連桿長槽的某一位置形成轉(zhuǎn)動副。首先用螺栓、螺母21#將固定轉(zhuǎn)軸塊20#鎖定在連桿11#上，再將轉(zhuǎn)動副軸13#的圓軸端穿插20#的圓孔及連桿11#的長槽中，用帶墊片的螺栓15#旋入13#的圓軸頸端面的螺孔中，這樣13#與11#形成轉(zhuǎn)動副。將13#扁頭軸頸插入另一連桿的長槽中，將15#旋入13#的扁平軸端面螺

9、孔中，這樣13#與另一連桿11#形成移動副。齒輪與軸的拼接齒輪與軸的拼接v 如圖所示，齒輪2#裝入軸6#或軸8#時，應緊靠軸（或運動構(gòu)件層面限位套17#）的根部，以防止造成構(gòu)件的運動層面距離的累積誤差。按圖示連接好后，用內(nèi)六角緊定螺釘27#將齒輪固定在軸的上（注意：螺釘應壓緊在軸的平面上）。這樣，齒輪與軸形成一個構(gòu)件。齒輪與連桿形成轉(zhuǎn)動副的拼接齒輪與連桿形成轉(zhuǎn)動副的拼接v 如圖所示拼接，連桿11#與齒輪2#形成轉(zhuǎn)動副。視所選用盤桿轉(zhuǎn)動軸19#的軸頸長度不同，決定是否需用運動構(gòu)件層面限位套17#。v 若選用軸頸長度L=35mm的盤桿轉(zhuǎn)動軸19#，則可組成雙聯(lián)齒輪，并與連桿形成轉(zhuǎn)動副，參見圖所示；

10、若選用L=45mm的盤桿轉(zhuǎn)動軸19#，同樣可以組成雙聯(lián)齒輪，與前者不同的是要在盤桿轉(zhuǎn)動軸19#上加裝一個運動構(gòu)件層面限位套17#。齒條護板與齒條、齒條與齒輪的拼接齒條護板與齒條、齒條與齒輪的拼接 v 如圖所示，當齒輪相對齒條嚙合時，若不使用齒條導向板，則齒輪在運動時會脫離齒條。為避免此種情況發(fā)生，在拼接齒輪與齒條嚙合運動方案時，需選用兩根齒條導向板23#和螺栓螺母21#按圖示方法進行拼接。凸輪與軸的拼接凸輪與軸的拼接v 按圖所示拼接好后，凸輪1#與軸6或8#形成為一個構(gòu)件。v 若不用內(nèi)六角緊定螺釘27#將凸輪固定在軸的上，而選用帶墊片螺栓15#旋入軸端面的螺孔內(nèi)，則凸輪相對軸轉(zhuǎn)動。凸輪高副的拼

11、接凸輪高副的拼接v 如圖所示，首先將軸6#或8#與機架相連。然后分別將凸輪1#、從動件連桿11#拼接到相應的軸上去。用內(nèi)六角螺釘27#將凸輪緊定在6#軸上，凸輪1#與6#軸形成一個運動構(gòu)件；將帶墊片螺栓15#旋入8#軸端面的螺孔中，連桿11#相對8#軸作往復移動。高副鎖緊彈簧的小耳環(huán)用螺栓21#固定在從動桿連桿上，大耳環(huán)的安裝方式可根據(jù)拼接情況自定，必須注意彈簧的大耳環(huán)安裝好后，彈簧不能隨運動構(gòu)件轉(zhuǎn)動，否則彈簧會被纏繞在轉(zhuǎn)軸上而不能工作。槽輪副的拼接槽輪副的拼接v 圖為槽輪副的拼接示意圖。通過調(diào)整兩軸6#或軸8#的間距使槽輪的運動傳遞靈活。v 提示：為使盤類零件相對軸更牢靠地固定，除使用內(nèi)六角

12、螺釘27#緊固外，還可加用壓緊螺栓16#?；瑝K導向桿相對機架的拼接滑塊導向桿相對機架的拼接v 如圖所示，將軸6#或軸8#插入滑塊28#的軸孔中，用平墊片、防脫螺母34#將軸6#或軸8#固定在機架29#上，并使軸頸平面平行于直線電機齒條的運動平面，以保證主動滑塊插件9#的中心軸線與直線電機齒條的中心軸線相互垂直且在一個運動平面內(nèi)；將滑塊導向桿11#通過壓緊螺栓16#固定在6#或8#軸頸上。這樣，滑塊導向桿11#與機架29#成為一個構(gòu)件。主動滑塊與直線電機齒條的拼接主動滑塊與直線電機齒條的拼接v 當滑塊為原動件且接受的輸入運動為直線運動時，其與直線電機的安裝如圖所示。首先將主動滑塊座10#套在直線

13、電機的齒條上再將主動滑塊插件9#上只有一個平面的軸頸端插入主動滑塊座10#的內(nèi)孔中，有兩平面的軸頸端插入起支撐作用的連桿11#的長槽中，然后，將主動滑塊座調(diào)整至水平狀態(tài)，直至主動滑塊插件9#相對連桿11#的長槽能作靈活的往復直線運動為止，此時用螺栓26#將主動滑塊座固定。起支撐作用的連桿11#固定在機架29#上的拼接方法，最后，根據(jù)外接構(gòu)件的運動層面需要調(diào)節(jié)主動滑插件9#的外伸長度（必要的情況下，沿主動滑塊插件9#的軸線方向調(diào)整直線電機的位置），以滿足與主動滑塊插件（9#）形成運動副的構(gòu)件的運動層面的需要，用內(nèi)六角緊定螺釘27#將主動滑塊插件9#固定在主動滑塊座10#上。圖8-19 主動滑塊與

14、直線電機齒條的拼接光槽行程開關的安裝光槽行程開關的安裝v 如圖所示，首先用螺釘將光槽片固定在主動滑塊座上；再將主動滑塊座水平地固定在直線電機齒條的端頭；然后用內(nèi)六角螺釘將光槽行程開關固定在實驗臺機架底部的長槽上，且使光槽片能順利通過光槽行程開關，也即光槽片處在光槽間隙之間，這樣可保證光槽行程開關有效工作而不被光槽片撞壞。五、實驗內(nèi)容五、實驗內(nèi)容v 實驗前首先要以平面機構(gòu)運動簡圖的形式擬定機構(gòu)運動方案，然后在實驗臺上進行運動方案的拼接，并驗證其相對運動情況是否與設計要求相符。v 實驗時每34名學生一組，至少完成一種運動方案的拼接設計實驗。v 機構(gòu)運動方案可由學生根據(jù)原始設計數(shù)據(jù)要求進行構(gòu)思和設計

15、，也可從下列工程機械的各種實際機構(gòu)中進行選擇，并完成其方案的拼接和運動關系驗證。v 下列實例的機構(gòu)運動簡圖中所標注的數(shù)字編號的意義為：橫杠前面的數(shù)字代表構(gòu)件編號，橫杠后面的數(shù)字為建議該構(gòu)件所占據(jù)的運動層面。運動層面數(shù)的第1層是指機架的拼接起始參考面，層面數(shù)越大距離第1層越遠。1、蒸汽機機構(gòu)、蒸汽機機構(gòu)v 結(jié)構(gòu)說明：如圖所示，1-2-3-8組成曲柄滑塊機構(gòu)，8-1-4-5組成曲柄搖桿機構(gòu)，5-6-7-8組成搖桿滑塊機構(gòu)。曲柄搖桿機構(gòu)與搖桿滑塊機構(gòu)串聯(lián)組合。v 工作特點：滑塊3、7作往復運動并有急回特性。適當選取機構(gòu)運動學尺寸，可使兩滑塊之間的相對運動滿足協(xié)調(diào)配合的工作要求。v 應用舉例：蒸汽機的

16、活塞運動及閥門啟閉機構(gòu)。2 2、自動車床送料機構(gòu)、自動車床送料機構(gòu)v 結(jié)構(gòu)說明：如圖所示，由平底直動從動件盤狀凸輪機構(gòu)與連桿機構(gòu)組成。當凸輪轉(zhuǎn)動時，推動桿5往復移動，通過連桿4與擺桿3及滑塊2帶動從動件1（推料桿）作周期性往復直線運動。v 工作特點：一般凸輪為主動件，能夠?qū)崿F(xiàn)較復雜的運動規(guī)律。v 應用舉例：自動車床送料及進刀機構(gòu)。 3 3、六桿機構(gòu)、六桿機構(gòu)v 結(jié)構(gòu)說明：如圖所示，由曲柄搖桿機構(gòu)6-1-2-3與擺動導桿機構(gòu)3-4-5-6組成六桿機構(gòu)。曲柄1為主動件，擺桿5為從動件。v 工作特點：當曲柄1連續(xù)轉(zhuǎn)動時，通過桿2使擺桿3作一定角度的擺動，再通過導桿機構(gòu)使擺桿5的擺角增大。v 應用舉例

17、：縫紉機擺梭機構(gòu)。4（滑塊）4、雙擺桿擺角放大機構(gòu)、雙擺桿擺角放大機構(gòu)v 結(jié)構(gòu)說明：如圖a)所示，主動擺桿1與從動擺桿3的中心距L應小于擺桿1的半徑l。v 工作特點：當主動擺桿1擺動角時，從動桿3的擺角大于，實現(xiàn)擺角增大，各參數(shù)之間的關系為： v 注：由于主動桿1的運動為擺動，所以不能用電機帶動，只能用手動方式觀察其運動。若要電機帶動，則可按圖b)所示方式串聯(lián)一個曲柄搖桿機構(gòu)。2sec22LltgLlLlctg a) b) 雙擺桿擺角放大機構(gòu)5、轉(zhuǎn)動導桿與凸輪放大升程機構(gòu)、轉(zhuǎn)動導桿與凸輪放大升程機構(gòu)v 結(jié)構(gòu)說明：如圖所示，曲柄1為主動件，凸輪3和導桿固聯(lián)。v 工作特點：當曲柄1由圖示位置順時針

18、轉(zhuǎn)過900時，導桿和凸輪一起轉(zhuǎn)過1800。圖示的機構(gòu)常用于凸輪升程較大，而升程角受到某些因素的限制不能太大的情況。該機構(gòu)制造安裝簡單，工作性能可靠。6、鉸鏈四桿機構(gòu)、鉸鏈四桿機構(gòu)v 結(jié)構(gòu)說明：圖a)所示，雙搖桿機構(gòu)ABCD的各構(gòu)件長度滿足條件：機架，搖桿，連桿，E點為連桿延長線上的點，且。為主動搖桿。v 工作特點：當主動搖桿BC繞B點擺動時，E點軌跡為圖中點劃線所示，其中有一段為近似直線。v 應用舉例：固定式港口用起重機，E點處安裝吊鉤。利用E點軌跡的近似直線段吊裝貨物，能符合吊裝設備的平穩(wěn)性要求。v 注：由于原動件為搖桿，所以不能用電機帶動，只能用手動方式觀察其運動。若要電機帶動，則可按圖b

19、）所示方式串聯(lián)一個曲柄搖桿機構(gòu)。 a) b) 鉸鏈四桿機構(gòu)7、沖壓送料機構(gòu)、沖壓送料機構(gòu)v 結(jié)構(gòu)說明：如圖所示，1-2-3-4-5-9組成導桿搖桿滑塊機構(gòu)，完成沖壓動作；由1-8-7-6-9組成齒輪凸輪機構(gòu)，完成送料動作。v 工作特點：導桿機構(gòu)按給定的行程速度變化系數(shù)設計，它和搖桿滑塊機構(gòu)組合可達到工作段近于勻速的要求。適當選擇導路位置，可使工作段壓力角較小。在工程設計中，按機構(gòu)運動循環(huán)圖確定凸輪工作角和從動件運動規(guī)律，則機構(gòu)可在預定時間將工件送至待加工位置。v 應用舉例：沖壓機械沖壓及送料設備。8、鑄錠送料機構(gòu)、鑄錠送料機構(gòu)v 結(jié)構(gòu)說明：如圖所示，滑塊為主動件，通過連桿2驅(qū)動雙搖桿ABCD，

20、將從加熱爐出來的鑄錠（工件）送到下一工序。v 工作特點：圖中粗實線位置為爐鑄錠進入裝料器4中，裝料器4即為雙搖桿機構(gòu)ABCD中的連桿BC，當機構(gòu)運動到虛線位置時，裝料器4翻轉(zhuǎn)1800把鑄錠卸放到下一工序的位置。主動滑塊的位移量應控制在避免出現(xiàn)該機構(gòu)運動死點（搖桿與連桿共線時）的范圍內(nèi)。v 應用舉例：加熱爐出料設備、加工機械的上料設備等。9、插床的插削機構(gòu)、插床的插削機構(gòu)v 結(jié)構(gòu)說明：如圖所示，在ABC擺動導桿機構(gòu)的擺桿BC反向延長線的D點上加由連桿4和滑塊5組成的二級桿組，成為六桿機構(gòu)。v 工作特點：主動曲柄AB勻速轉(zhuǎn)動，滑塊5在垂直AC的導路上往復移動，具有急回特性。改變ED連桿的長度，滑塊

21、5可獲得不同的規(guī)律。v 應用舉例：在滑塊5處固接插刀，可作為插床的插削機構(gòu)。1010、插齒機主傳動機構(gòu)、插齒機主傳動機構(gòu)v 結(jié)構(gòu)說明：如圖所示，1-2-3-6組成曲柄搖桿機構(gòu)， 3-4-5-6組成搖桿滑塊機構(gòu)，兩機構(gòu)串聯(lián)組合成六桿機構(gòu)。v 工作特點：既具有空回行程的急回特性，又具有工作行程的等速性。v 應用舉例：插齒機的主傳動機構(gòu)。 1111、刨床導桿機構(gòu)、刨床導桿機構(gòu)v 結(jié)構(gòu)說明：如圖所示，由1-2-3-6組成擺動導桿機構(gòu)，由3-4-5-6組成搖桿滑塊機構(gòu)。兩機構(gòu)串聯(lián)組合，其動力是由電機經(jīng)皮帶、齒輪傳動使曲柄1繞軸A回轉(zhuǎn)，再經(jīng)滑塊2、導桿3、連桿4帶動滑塊5沿機架6的導軌槽作往復直線運動。v

22、 工作特點：工作行程接近勻速運動，空回行程可實現(xiàn)急回。13、曲柄滑塊機構(gòu)與齒輪齒條機構(gòu)的組合、曲柄滑塊機構(gòu)與齒輪齒條機構(gòu)的組合v 結(jié)構(gòu)說明：圖a)所示為齒輪齒條行程倍增傳動，由固定齒條5、移動齒條4和動軸齒輪3組成。傳動原理：當動軸齒輪3的軸線向右移動時，通過與齒條5的嚙合，使動軸齒輪3在向右移動的同時，又作順時針方向轉(zhuǎn)動。因此動軸齒輪3作轉(zhuǎn)動和移動的復合運動。與此同時，通過與移動齒條4的嚙合，帶動移動齒條4向右移動。設動軸齒輪3的行程為S1，移動齒條4的行程為S，則有：S=2S1 。圖b)所示機構(gòu)由齒輪齒條倍增傳動與對心曲柄滑塊機構(gòu)串聯(lián)組成，當曲柄轉(zhuǎn)動帶動C點移動時，在移動齒條4上可得到較大行程。v 工作特點：上齒條作往復直線運動且具有急回特性。當主動件曲柄1轉(zhuǎn)動時，齒輪3沿固定齒條5往復滾動，同時帶動齒條4作往復移動，齒條4的行程與曲柄長R之間的關系為S=2S1 =4R 。v 應用舉例：印刷機送紙機構(gòu)。v 若曲柄回轉(zhuǎn)中心相對齒輪3的中心偏置如圖所示，此時齒條4的行程S與R應是怎樣的關系，由實驗者自選推證。14、曲柄滑塊機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)v 結(jié)構(gòu)說明：如圖所示為曲柄滑塊機構(gòu)。當機構(gòu)尺寸滿足下列條件時：，構(gòu)件1繞A點轉(zhuǎn)動，構(gòu)件2上F點沿Ay軸運動，D點和E點軌跡為橢圓，其方程為：v 應用舉例：畫橢圓儀器。12222CDyFDx12222CEyFEx七、實驗注意事項七、實驗注意事項