基于机构组成原理的创新设计实验指导手册

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）根据设计要求，利用若干杆组，拼接各种不同的平面机构。

（3）培养学生创新意识、工程实践动手能力及综合设计的能力。

二、实验设备及工具

1.机构系统创新组合模型的特点

该组合模型是基于机构组成原理，即杆组（包括高副杆组）叠加原理而设计的。学生通过实验可进一步掌握机构组成理论，熟悉杆组概念，为机构创新设计奠定良好的基础；该模型既包含有低副杆组，又包含有高副杆组，还有间歇运动机构及组成这些杆组、机构的各种原件、机架及其他辅助连接件等，故可利用该组合模型拼接成结构不同、性能各异的平面机构，有利于培养学生机构及机构系统方案设计能力；由于采取了一系列的设计策略，故使用该组合模型拼接机构或机构系统时，可保证不发生因层次不清而引起构件运动干涉；该组合模型提供的元件尺寸变化范围大，且可连续调整，加之巧妙的接头设计及以杆组为单元可提高机构方案拼接效率；组合模型的台架及所有元件的刚性好，外观简洁明快、美观；驱动方式可采用手动（通过手轮）、旋转减速电机驱动与直线减速电机驱动三种方式，故原动件的运动形式不受限制。

2.创新组合模型一套，其基本配置中所含组件为

（1）各种接头及80～340mm的杆件可用于各种拼接。如组成五种平面低副Ⅱ级杆组和四种平面低副Ⅲ级杆组，杆长在80～340mm内能分段无级调整（超过340mm的杆可另行组装而成），其他各种常见的杆组可根据需要自由装配；

（2）两种单构件高副（凸轮副、齿轮副）杆组；

（3）八种轮廓的凸轮构件，其从动件可实现八种运动规律；

①等加速等减速运动规律上升20mm，余弦规律回程，推程运动角180°，远休止角30°，近休止角30°，回程运动角120°，凸轮标号为1；

②等加速等减速运动规律上升20mm，余弦规律回程，推程运动角180°，远休止角30°，回程运动角150°，凸轮标号为2；

③等加速等减速运动规律上升20mm，余弦规律回程，推程运动角180°，回程运动角150°，近休止角30°，凸轮标号为3；

④等加速等减速运动规律上升20mm，余弦规律回程，推程运动角180°，回程运动角180°，凸轮标号为4；

⑤等加速等减速运动规律上升35mm，余弦规律回程，推程运动角180°，远休止角30°，近休止角30°，回程运动角120°，凸轮标号为5；

⑥等加速等减速运动规律上升35mm，余弦规律回程，推程运动角180°，远休止角30°，回程运动角150°，凸轮标号为6；

⑦等加速等减速运动规律上升35mm，余弦规律回程，推程运动角180°，回程运动角150°，近休止角30°，凸轮标号为7；

⑧等加速等减速运动规律上升20mm，余弦规律回程，推程运动角180°，回程运动角180°，凸轮标号为8；

（4）模数相等齿数不同的7种直齿圆柱齿轮，其齿数分别为17、25、34、43、51、59、68，可提供21种传动比；与齿轮模数相等的齿条一个。

（5）旋转式电机一台，其转速为10r/min。

（6）直线式电机一台，其速度为10m/s。

3.平口起子和活动扳手各一把

三、实验前的准备工作

（1）要求预习本实验，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

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：

图15-1　单构件高副杆组

式中，构件数n，高副数P5和低副数P4都必须是整数。由此可以获得各种类型的杆组。当n=1，P5=1，P4=1时即可获得单构件高副杆组，如图15-1所示，常见的有如下几种：

当P4=0时，称之为低副杆组，即

因此，满足上式的构件数和运动副数的组合为：n=2，4，6，…，P5=3，6，9，…。

最简单的杆组为n=2，P5=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，如图15-2所示。

图15-2　平面低副Ⅱ级组

n=4，P5=6的杆组形式很多，机构创新模型已有图15-3所示的几种常见的Ⅲ级杆组：

图15-3　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去的方法来组成。这就是本实验的基本原理。

五、实验方法与步骤

1.正确拆分杆组

从机构中拆出杆组具有三个步骤：(www.xing528.com)

（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，剩余的必须为一个完整的机构或若干个与机架相连的原动件，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连的原动件。

如图15-4所示的机构，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。

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。

图15-4　例图

试拼之后，从最里层装起，依次将各杆组连接到机架上去。杆组内各构件之间的连接已由机构创新模型提供，而杆组之间的连接可参见下述方法。

（1）移动副的连接。图15-5所示为构件1与构件2用移动副相连的方法。

图15-5　移动副的连接

（2）转动副的连接。图15-6所示为构件1与带有转动副的构件2的连接方法。

图15-6　转动副的连接

（3）齿条与构件以转动副相连。图15-7所示为齿条与构件以转动副的形式相连接的方法。

（4）齿条与其他部分的固连。图15-8所示为齿条与其他部分固连的方法。

（5）构件以转动副的形式与机架相连。图15-9所示为连架杆作为原动件与机架以转动副形式相连的方法。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。如果连架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15-7　齿条与构件以转动副相连

图15-8　齿条与其他部分的固连

图15-9　构件与机架以转动副相连

（6）构件以移动副的形式与机架相连。图15-10所示为移动副作为原动件与机架的连接方法。

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后，再与电动机相连，检查无误后，方可接通电源。

图15-10　构件与机架以移动副相连

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做出定性的分析。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）机构运动过程中是否具有刚性冲击和柔性冲击。

六、实验内容

下列各种机构均选自工程实践，任选一个机构，要求实验前将机构运动简图拆成杆组，然后在实验课中，用机构创新模型加以实现。

1.插床的插削机构

工作原理和特点：如图15-11所示，在ABC摆动导杆机构的摆杆BC反向延长线的D点上加二级杆组连杆4和滑块5，成为六杆机构。主动曲柄AB匀速转动，滑块5在垂直AC的导路上往复移动，具有较大急回特性。改变ED连杆的长度，滑块5可获得不同规律。在滑块5上安装插刀，机构可作为插床的插削机构。

图15-11　插床的插削机构

2.导杆摇杆滑块冲压机构和凸轮送料机构

如图15-12所示，曲柄为主动件，其杆长度为：lAB=87mm，lCD=135mm，lAC=345mm，lDE=140mm，lAO=90mm，lOH=95mm，h=480mm。

图15-12　导杆摇杆滑块冲压机构和凸轮送料机构