机构运动方案创新设计的实验报告.docx

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1、机构运动方案创新设计的实验报告 机构运动方案创新设计的试验报告 一、 概述 机构运动方案创新设计是各类简单机械设计中打算性的一步，机构的设计选型一般先通过作图和计算来进行，一般比较简单的机构都有多个方案，需要制作模型来试验和验证，多次改进后才能得到最佳的方案和参数。本试验所用搭接试验台能够任意选择平面机构类型，组装调整机构尺寸等功能，能够比较直观、便利的搭接、验证、调试、改进、确定设计方案，较好地改善了在校同学对平面机构的学习和设计一般只停留在理论设计“纸上谈兵”的状况。 二、试验目的 把握机构创新模型的使用方法及试验原理。 （1）训练同学的工程实践动手力量，培育同学创新意识及综合设计的力量。

2、 （2）加深对平面机构的组成原理及其运动特性的理解和感性熟悉。 三、试验原理 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去的方法来组成，这是机构的组成原理，也是本试验的基本原理。 杆组的概念、正确拆分杆组及拼装杆组。 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联接而成。将从动件系统拆成若干个不行再分的自由度为零的运动链，称为基本杆组，简称杆组。 依据杆组的定义，组成平面机构杆级的条件是：F=3n2PL-PH=0。其中构件数n，高副数PL和低副数PH都必需是整数。由此可以获得各种

3、类型的杆组。 最简洁的杆组为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级杆组共有五种形式如图2-22所示。 III级杆组形式较多，其中n=4，PL=6，图2-23所示为机构创新模型已有的几种常见的III级杆组。 2 正确拆分杆组 正确拆分杆组的三个步骤： （1）先去掉机构中的局部自由度和虚约束，有时还要将高副加以低代。 （2）计算机构的自由度，确定原动件。 （3）从远离原动件的一端（即执行构件）先试拆分II级杆组，若拆不出II级组 时，再试拆III极杆组，即由最低级别杆组向高一级杆组依次拆分，最终剩下原动件和机架。正确拆组的判定标准是：拆去一个杆组或一系列杆组后，

4、剩余的必需仍为一个完整的机构或若干个与机架相联的原动件，不许有不成组的零散构件或运动副存在，否则这个杆组拆得不对。每当拆出一个杆组后，再对剩余机构拆杆组，并按第（3）步骤进行，直到全部杆组拆完，只应剩下与机架相联的原动件为止。 如图2-24所示机构，先除去K处的局部自由度，高副低带，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：最终依据步骤（3）的要领，先拆分出由构件4和5组成的II级杆组，再拆分出由构件6和7及构件3和2，构件8和10组成的三个II级 杆组，最终剩下原动件1和机架9。 3正确拼装杆组 依据拟定的机构运动学尺寸，利用机构运动创新方案试验台供应的零件按机构运动传

5、递挨次进行拼接。拼接时，首先要分清机构中各构件所占据的运动平面，并且使各构件的运动在相互平行的平面内进行，其目的是避开各运动构件发生干涉。然后，以试验台机架铅垂面为拼接的起始参考面，所拼接的构件以原动构件起始，依运动传递挨次将各杆组由里（参考面）向外进行拼接。 四、试验设备及功用 机构运动方案创新设计试验台设备包括机架及其组件，分别详述如下。 1机架 试验台机架如图右所示机架中有5根铅 垂立柱，它们可沿方向移动。移动时请用 双手推动、并尽可能使立柱在移动过程中保 持铅垂状态。立柱移动到预定的位置后，用 螺栓将立柱上、下两端锁紧（*平安留意事项： 不允许将立柱上、下两端的螺栓卸下，在移 动立柱前

6、只需将螺栓拧松即可）。立柱上的滑 块可沿y方向移动。将滑块移动到预定的位 置后，用螺栓将滑块紧定在立柱上。按图示 方法即可在x、y平面内确定一个固定点，这样活动构件相对机将滑块紧定在立柱上。按图示方法即可在x、y平面内确定一个固定点，这样活动构件相对机架的连接位置就确定了。 2其他组件 （1）凸轮和高副锁紧弹簧 凸轮基圆半径为18mm，从动推杆的行程为30mm。从动件为正弦加速度运动规律；凸轮与从动件的高副形成是依靠弹簧力的锁合，各4件。 （2）齿轮 模数2，压力角20，齿数分别为34和42，两齿轮中心距为76mm。各4件。 （3）齿条 模数2，压力角20，单根齿条全长为422mm，为4件。

7、（4）槽轮拨盘 两个主动销，为4件。 （5）槽轮 四槽，为1件。 （6）主动轴 动力输入用轴，轴上有平键槽。L为5mm、20mm、35mm、50mm各4件，L为65mm，为2件。 （7）转动副轴（或滑动） 主要用于跨层面（即非相邻平面）的转动副或动副的形成。L为5mm、30mm分别为6件、4件、3件。 （8）扁头轴 又称从动轴，轴上无键槽，主要起支撑及传递运动的作用。L为5mm、20mm、35mm、50mm、65mm，分别为16件、12件、12件、10件和8件。 （9）主动滑块插件 与主动滑块座固联，可组成做直线运动的主动滑块。L为40mm、55mm，各一件。 （10）主动滑块座 与直线电机齿

8、条固连形成主动件，且随直线电机齿条作往复直线运 动，为1件。 （11）连杆（或滑块异向杆） 其长槽与滑块形成移动副，其圆孔与轴形成转动副。L为50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm，各8件。 （12）压紧连杆用特制垫片 将连杆固定在主动轴或固定轴上时用。6.5为16件。 （13）转动副轴（或滑块） 与固定转轴块配用时间可在连杆长槽的某一选定位置形成转动副或做滑块。L为5mm、20mm，各8件。 （14）转动副轴（或滑块） 用于两构件形成转动副或作滑块用，为16件。 （15）带垫片螺栓 转动副轴与连杆之间构成转动副或移动副时用带垫片螺栓连接，用于加长转动

9、副轴或固定轴的轴长，规格M6，为48件。 （16）压紧螺栓 转动副轴或固定轴与连杆形成同一构件时用该压紧螺栓连接，规格M6，为48件。 （17）运动构件层面限位套 用于不同构件运动平面之间的距离限定，避开发生运动构件间的运输干涉。L为5mm、15mm、30mm、45mm、60mm，分别35件、40件、20件、20件、10件。 （18） 带轮 大孔轴，用于旋转电机，为3件。 （19） 主动轴带轮 小孔轴，用于主动轴，为3件。 （20）盘杆转动轴 盘类零件或与其他构件（如连杆）构成转动副时用。L为20mm、35mm、45mm，分别为6件、6件、4件。 （21）固定转轴块 用螺栓将固定转轴块锁紧在连

10、杆长槽上，构件可与该连杆在选定位置形成转动副，为8件。 （22）加长连杆和固定凸轮弹簧用螺栓、螺母 用于两杆加长时锁紧的连接件，固定弹簧，M10，各为18件。 （23）曲柄双连杆部件 偏心轮与活动圆环形成转动副，且已制作成一组合件，为4件。 （24）齿条导向板 将齿条夹紧在两块齿条导向板之间，可保证齿轮与齿条的正常啮合，为8件。 （25）转动副轴（或滑块） 轴的扁头主要用于两构件形成转动副；轴的圆头主要用于两构件形成移动副，或做滑块时用，为16件。 （26）安装电机座行程开关座用内六角螺栓、平垫 标准件M825，8，各32件。 （27）内六角螺钉 标准件M615，为2件，用于将主动滑块固定在直

11、线电机齿条上。 （28）内六角紧定螺钉 标准件M66，为18件。 （29）滑块 已与机架相连支撑轴，并在机架平面内沿铅垂方向上下移动，为64件。 （30）压紧立柱特制平垫 已与机架相连，用于固定立柱。9，为40件。 （31）固定立柱上滑块用特制螺母 已与机架相连，M6，为64件。 （32）固定电机用特制螺母 卡在机架的长槽内，可轻松柠紧螺栓固定电机座，为18件。 （33）行程开关支座 2件，并配内六角头螺栓平垫，M515，5，各4件。用于行程开关与其座的连接，行程开关的安装高度可在长孔内进行调整。 （34）平垫片 使轴相对机架不转动时用，17，为20件。 （35）防脱螺母 防止轴从机架上脱出，

12、M12，为76件。 （36）转速电机座 已与电机相连，为3件。 （37）直线电机座 已与电机相连，为1件。 （38）平键 主动轴与带轮的连接，315，为20件。 （39）直线电机掌握器 与行程开关配用，可掌握直线电机的往复运动行程。前面板为LED显示方式，当掌握器的前面板与操是面对面的位置关系时，掌握器上的发光管指示直线电机齿条的位移方向。掌握器的后面板上置有电源引出线及开关，与直线电机相连的4芯插座、与行程开关相连的5芯插座和2A保险管，为1件。 （40）带 标准件，O型，为3件。 （41）直线电机 120mm/s，10r/min。直线电机安装在试验台机架底部，并可沿机架底部的长形槽移动电机

13、。直线电机的长齿条为机构输入直线运动的主动件。在试验中，允许齿条单方向的最大直线位移为300mm，可依据主动滑块的位移量确定直线电机两行程开关的相对间方向的最大直线位移为300mm，可依据主动滑块的位移确定直线电机两行程开关的相对间距，并且将两行程开关的最大安装间距限制在300mm范围内。 直线电机掌握器使用留意事项：依据主动滑块移动的距离，通过转变离直线电机较远的行程开关，来调整齿条（相当于滑块）往复运动行程，其可调整的最大行程不得大于400mm。 故障排解 当接通电源开关，电机不运行，可能是前面板上爱护电机的熔断器（2.5A）烧断。准时告知指导老师更换新的2.5A熔断器。 *留意：未拼接机

14、构运动前、预设直线电机的工作行程后，请务必调整直线电机行程开关的高度，以确保电机行程开关的敏捷动作，从而防止直线电机齿条脱离电机主体，防止组装零件的损坏及人身平安。 3、工具 供应M5、M6、M8内六角扳手各2件、150mm-200mm活动扳手各1件、1m卷尺。铅笔、纸张自带。 五、试验步骤 （1）把握试验原理。 （2）熟识机构组合创新试验台使用方法。 （3）选择试验老师供应的机构运动方案或课前自拟机构运动方案作为机构组合试验内容。 （4）将拟定的机构运动方案依据机构组成原理按杆组进行正确拆分，并用机构简图表示出来。 （5）正确拼装杆组机构运动方案。 （6）完成试验报告。 4 其次篇：机械创新

15、设计试验指导书 5500字 试验一 基于机构组成原理的拼接设计 一、试验目的 1、加深同学对机构组成原理的熟悉，进一步了解机构组成及其运动特性； 2、培育同学的工程实践动手力量； 3、培育同学创新意识及综合设计的力量。 二、设备和工具 1、创新组合模型一套： 2、平口起子和活动扳手各一把。 三、试验前的预备工作 1、要求预习试验，把握试验原理，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、试验原理 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

16、若干个不行再分的自由度为零的运动链，称为基本杆组，简称杆组。 依据杆组的定义，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： 1 图1 单构件高副杆组 当PH=0时，称之为低副杆组，即 F=3n-2PL=0 因此满意上式的构件数和运动副数的组合为：n=2,4,6，PL=3，6，9。 最简洁的杆组为n=2，PL=3，称为级组，由于杆组中转动副和移动副的配置不同，级组共有如下五种形式。 n=4,PL=6的杆组形式许多，机构创新模型已有图3所

17、示的几种常见的级杆组。 图2 平面低副级组 图3 平面低副级组 2、机构的组成原理 依据如上所述，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。这是本试验的基本原理。 五、试验方法与步骤 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； 2 3）从远离原动件的一端开头分杆组，每次拆分时，要求先试着拆分级组，没有级组时，再拆分级组等高一级组，最终剩下原动件和机架。 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，

18、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。 2、正确拼装杆组 将机构创新模型中的杆组，依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，另一方面是为了避开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供应，而杆组之间的连接可参见下述的方法。 1）移动副的联接 图5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表示构件1与带有转动副的构件2的联接方法。 图5 移动副的联接 3 图6 转动

19、副的联接 3）齿条与构件以转动副的形式相联接方法。 图7表示齿条与构件以转动副的形式相联接方法。 图7 齿条与构件以转动副相联 4）齿条与其他部分的固联 图8表示齿条与其他部分固联的方法。 图8 齿条与其他部分固联 4 5）构件以转动副的形式与机架相连 图9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。假如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。留意：为确保机构中各构件的运动都必需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，假如不进行调整，机构的运动就可能不顺畅。 图9 构件与机架以转

20、动副相联 6）构件以移动副的形式与机架相联 图10表示移动副作为原动件与机架的联接方法。 图10 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，观看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 5 通过观看机构系统的运动，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。 六、试验内容 任选一题，进行一个机构系统

21、运动方案的设计。 1、钢板翻转机 设计题目：该机具有将钢板翻转180的功能。如图11所示，钢板翻转机的工作过程如下。当钢板T由辊道送至左翻板W1后，W1开头顺时针方向转动。转至铅垂位置偏左10左右时，与逆时针方向转动的右翻板W2会合。接着，W1与W2一同转至铅垂位置偏右10左右，W1折回到水平位置，与此同时，W2顺时针方向转动到水平位置，从而完成钢板翻转任务。 已知条件： 1）原动件由旋转式电机驱动； 2）每分钟翻钢板10次； 3）其他尺寸如图11所示； 4）许用传动角=50； 图11 钢板翻转机构工作原理图 设计任务： 1）用图解法或解析法完成机构系统的运动方案设计，并用机构创新模型加以实现

22、； 2）绘制出机构系统运动简图，并对所设计的机构系统进行简 6 要的说明。 2、设计平台印刷机主传动机构 平台印刷机的工作原理是复印原理，即将铅版上凸出的痕迹借助于油墨压印到纸张上。平台印刷机一般由输纸、着墨（即将油墨匀称涂抹在嵌于版台的铅版上）、压印、收纸等四部分组成。如图12所示，平台印刷机的压印动作是在卷有纸张的滚筒与嵌有铅版的版台之间进行。整部机器中各机构的运动均由同一电机驱动。运动由电机经过减速装置后分成两路，一路经传动机构带动版台作往复直线运动，另一路经传动机构带动滚筒作回转运动。当版台与滚筒接触时，在纸上压印出字迹或图形。 版台工作行程中有三个区段（如图13所示）。在第一区中，送

23、纸、着墨机构相继完成输纸、着墨作业；在其次区段，滚筒和版台完成压印动作：在第三区段中，收纸机构进行收纸作业。 本题目所要设计的主传动机构就是指版台的传动机构和滚筒的传动机构。 已知条件： 1）印刷生产率180张/小时； 2）版台行程长度500mm； 3）压印区段长度300mm； 4）滚筒直径116mm； 5）电机转速6r/min； 图12 平台印刷机工作原理 图 13 版台工作行程三区段 设计任务： 1）设计能实现平台印刷机的主运动：版台往复直线运动，滚筒作连续或间歇转动的机构运动方案，要求在压印过程中，滚筒 7 与版台之间无相对滑动，即在压印区段，滚筒表面点的线速度相等；为保证整个印刷幅面上

24、印痕浓淡全都，要求版台在压印区内的速度变化限制在肯定的范围内（应尽可能小）。并用机构创新模型加以实现。 2）绘制出机构系统的运动简图，并对所设计的机构系统进行简要的说明。 3、设计玻璃窗的开闭机构 已知条件： 1）窗框开闭的相对角度为90； 2）操作构件必需是单一构件，要求操作省力； 3）在开启位置时，人在室内能擦洗玻璃的正反两面； 4）在关闭位置时，机构在室内的构件必需尽量靠近窗槛； 5）机构应支承起整个窗户的重量。 设计任务： 1）用图解法或解析法完成机构的运动方案设计，并用机构创新模型加以实现； 2）绘制出机构系统的运动简图，并对所设计的机构系统进行简要的说明。 4、设计坐躺两用摇动椅

25、已知条件： 1）坐躺角度为90150； 2）摇动角度为25； 3）操作动力源为手动与重力； 4）平安舒适。 设计任务： 1）用图解法或解析法完成机构系统的运动方案设计，并用机构创新模型加以实现； 2）绘制出机构系统的运动简图，并对所设计的机构系统进行简要说明。 七、心得与体会 8 9 试验二 创新思维与设计 一、试验目的 1.培育同学的创新思维及创新设计力量 2.培育同学的机构及结构设计力量 3.培育同学的工艺设计及加工力量 二、设备及工具 1.各种机床(车床、刨床、铣床、钻床、冲床) 2.各种常用工具(每组一套工具箱，已配备各种常用工具)。 三、产品(作品)的创新设计程序 作品的创新设计步骤

26、可分为3个阶段：方案阶段、设计阶段、 加工制作阶段。 方案阶段主要进行需求分析、市场猜测、可行性分析、确定设计参数及约束条件。在深化全面了解所要设计的问题后，列出具体的要求明细表，作为设计、评价决策的依据，并提出合理的设计任务书。 在设计阶段中，原理方案设计占有重要位置。原理方案设计是在功能分析的基础上，利用各种物理原理，通过创新构思、搜寻探求、优化得出设计方案。设计方案(原理解)直接影响产品功能、性能指标、成本、质量，设计时应尽量运用所学的学问、阅历、创新力量，并对方案阶段的资料信息进行分析、整理、构想出满意功能要求的合理方案。 10 结构设计即确定零部件外形、材料和尺寸，并进行必要的强度、

27、刚度、牢靠性设计。 结构设计后即可进行制作、加工、完成作品。 四、总功能分解 为了更好地寻求解法，可把设计产品(对象)的总功能分解为比较简洁的分功能(或称一级分功能、二级分功能、)，使输入量和输出量的关系更为明确、转换所需的物理原理比较单一、结构化后零件数量较少、因而较易求解，一般分解到能直接找到解法的分功能为止。通常根据解决问题的因果关系，或手段目的关系来分析分功能。如对于平口虎钳，为了夹紧工件，必需施加压力，前者是目的，后者是手段，沿着这个思路逐步进行分解。、 也可根据生产的空间挨次或时间挨次来分解、如汽水灌装自动机的分功能包括：瓶、盖、汽水的贮存与输送、灌装、加盖、封口、贴商标、成品输送

28、。 五、查找实现分功能作用原理的求解方法 1. 直觉法 直觉法是设计者凭借个人的才智、阅历和制造力量，采纳制造性思维方法来寻求实现各种分功能的原理解。 2. 调查分析法 设计者通过查阅文献资料，包括专业书刊、专利资料、学术报告、讨论生论文等，把握多种专业门类最新讨论成果，这是解决设计问题的重要源泉。设计者通过讨论大自然的外形、结构变化过程，对动植物生态特点深化讨论，必将得到更多的启示，诱发出更多新的、可应用的原理解或技术方案，利用自然现象解决工程技术问题。调查分析已有的产品，如对同类型的样机进行功能和结构分析，哪些是先进牢靠的，哪些是陈旧落后、需要更新改进的，这对开发新产品、构思新方案，查找功

29、能原理解法大有 11 12 13 3. 设计名目法 设计名目是设计工作的一种有效工具，是设计信息的存储器、学问库，它以清楚的表格形式把设计过程中所需的大量解决方案规律加以分类、排列、存储，便于设计者查找和调用。设计名目不同于传统的设计手册和标准手册，它不是供应零件的设计计算方法，而是供应分功能或功能元的原理解、给设计者详细启发，关心设计者详细构思。图1为机械一次增力功能元解法名目，图2为部份常用物理基本功能元的解法名目。 设计时可通过各种解法名目找出实现分功能的原理解。 在查找实现分功能作用原理解时，要留意几点： (1)留意设计要求明细表上的要求。例如，要求采纳机械传动时，就不必考虑液压、电磁

30、等方面的工作原理。 (2)在查找原理解时，除考虑能实现该分功能外，还要兼顾到设计的全局，充分考虑到该分功能在总功能中的作用及分功能之间的关系。在可能的状况下，应考虑将几种分功能用同一工作原理来实现，从而简化设计方案。 (3)对于一种分功能可以相应地提出几种工作原理，以便在方案的构思和评价筛选时有较大的选择余地。 (4)通常可以满意所要求的功能原理方案是许多的。有些可以凭借设计师本身的学问、阅历得出，但其中一部份并不为设计人员所熟识。为了开阔思路，以便选择出最佳原理方案、借鉴汇合前人阅历的设计原理方案名目是有益的。 六、原理解组合为设计方案 由前所述，对于每个分功能能找到多个原理解法，把他们组合

31、起来，可形成实现系统总功能的原理解法，总功能的原理解法，叫做机械系统的原理设计方案。 进行原理解法组合的依据是已制定的系统功能结构，由于它规定了组成总功能时各分功能的排列挨次。当分功能原理解法找到后，凭设计师的阅历来组合原理解，只能得到有限数量的方案，而且只相宜于简洁机械系统，而系统组合法适合于找出简单系统的原理设计方案。系统组合法是利用形态矩阵查找实现总功能的原理解。它实际上就是一种表格，如图3所示，把系统分功能填在功能栏内，把每个分功能的原理解填在横行里，然后组合形成多个原理方案。把全部设计方案经过筛选比较后，最终选出最优的设计方案。 14 图3 系统组合法 15 七、结构设计 如前所述，经过原理方案构思仅能提出实施各分功能的原理方案图，为了制出作品，必需进行结构设计，结构设计包括选择材料、外形、尺寸、加工等。材料可选用金属和非金属材料，甚至有机玻璃、石膏、木头、蜡、塑料、橡皮泥等。 八、加工及装配作品 利用试验室的车床、刨床、铣床、钻床等机床及各种工具，加工出设计作品。 九、留意事项 1. 平安，包括人身平安、用电平安、设备平安。 2. 根据各设备的操作规程进行操作。 3. 爱惜国家财产、留意节省材料。 4. 不得在试验室内进行与制作作品无关的工作。 16