7.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1) 加深對平面機(jī)構(gòu)的組成原理及其運(yùn)動特性的理解和感性認(rèn)識，為機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。

(2) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用若干桿組拼接各種不同的平面機(jī)構(gòu)，以培養(yǎng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識及綜合設(shè)計(jì)的能力。

(3) 訓(xùn)練工程實(shí)踐動手能力。

7.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和工具

1) 機(jī)構(gòu)運(yùn)動創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案實(shí)驗(yàn)臺

(1) 機(jī)架。如圖7- 1所示的實(shí)驗(yàn)臺機(jī)架有5根鉛垂立柱，它們均可沿x方向移動。 移動時(shí)必須用雙手推動，并盡可能使立柱在移動過程中保持鉛垂?fàn)顟B(tài)。立柱移動到預(yù)定的位置后，應(yīng)將立柱與上(或下)橫梁靠緊，再旋緊立柱緊固螺釘(立柱與橫梁不靠緊，旋緊螺釘時(shí)會使立柱在x方向發(fā)生偏移)。立柱上的滑塊可沿y方向移動。將滑塊移動到預(yù)定的位置后，只需將滑塊上的內(nèi)六角平頭緊定螺釘旋緊即可。按上述方法移動立柱和滑塊，就可在機(jī)架的xy平面內(nèi)確定固定鉸鏈的位置。

(2) 齒輪。 模數(shù)為2mm，壓力角為20°，齒數(shù)分別為28、35、42、56，中心距組合分別為63mm、70mm、77mm、84mm、91mm和98mm，各3件共12件。

圖7- 1 實(shí)驗(yàn)臺機(jī)架

1—立柱;2—滑塊;3—上橫梁;4—下橫梁

(3) 凸輪。 基圓半徑為20mm，升回型，從動件行程為30mm，為3件。

(4) 齒條。 模數(shù)為2mm，壓力角為20°，單根齒條全長為400mm，為3件。

(5) 槽輪。4槽槽輪，為1件。

(6) 撥盤。 可形成兩銷撥盤或單銷撥盤，銷的回轉(zhuǎn)半徑R=49.5mm，為1件。

(7) 主動軸。 軸端帶有一平鍵，有圓頭和扁頭兩種結(jié)構(gòu)形式(可構(gòu)成回轉(zhuǎn)副或移動副)。 L=15mm、30mm，各為4件;L=45mm，為3件;L=60mm、75mm，各為4件。

(8) 從動軸。 軸端無平鍵，有圓頭和扁頭兩種結(jié)構(gòu)形式(可構(gòu)成回轉(zhuǎn)副或移動副)。 L=15mm，為8件;L=30mm、45mm，各為6件;L=60mm、75mm，各為4件。

(9) 移動副。 軸端帶扁頭結(jié)構(gòu)形式。 L=15mm，為8件;L=30mm、45mm，各為6件;L=60mm、75mm，各為4件。

(10) 轉(zhuǎn)動副軸(或滑塊)。 用于兩構(gòu)件形成轉(zhuǎn)動副或移動副，L=5mm，為32件。

(11) 復(fù)合鉸鏈Ⅰ(或滑塊)。 用于三構(gòu)件形成復(fù)合轉(zhuǎn)動副或形成轉(zhuǎn)動副+移動副，L=20mm，為8件。

(12) 復(fù)合鉸鏈Ⅱ。 用于四構(gòu)件形成復(fù)合轉(zhuǎn)動副，L=20mm，為8件。

(13) 主動滑塊插件。 插入主動滑塊座孔中，使主動運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)直線運(yùn)動，L=40mm、55mm，各為1件。

(14) 主動滑塊座。 裝入直線電機(jī)齒條軸上形成往復(fù)直線運(yùn)動，為1件。

(15) 活動鉸鏈座Ⅰ。 用于在滑塊導(dǎo)向桿(或連桿)以及連桿的任意位置形成轉(zhuǎn)動-移動副，螺孔M8，為16件。

(16) 活動鉸鏈座Ⅱ。 用于在滑塊導(dǎo)向桿(或連桿)以及連桿的任意位置形成轉(zhuǎn)動副或移動副，螺孔M5，為16件。

(17) 滑塊導(dǎo)向桿(或連桿)。 其長槽與滑塊形成移動副，其圓孔與軸形成轉(zhuǎn)動副，L=330mm，為4件。

(18) 連桿Ⅰ(滑塊導(dǎo)向桿)。 其長槽與滑塊形成移動副，其圓孔與軸形成轉(zhuǎn)動副，L=100mm、110mm，各為12件;L=150mm、160mm、240mm、300mm，各為8件。

(19) 連桿Ⅱ。 其長槽與滑塊形成移動副，其圓孔與軸形成轉(zhuǎn)動副，這種連桿可形成三個(gè)回轉(zhuǎn)副，L1=22mm并且L2=138mm，為8件。

(20) 壓緊螺栓。 使連桿與轉(zhuǎn)動副軸固緊，無相對轉(zhuǎn)動且無軸向竄動，M5為40件。

(21) 帶墊片螺栓。防止連桿與轉(zhuǎn)動副軸的軸向分離，連桿與轉(zhuǎn)動副軸能相對轉(zhuǎn)動，M5為40件。

(22) 層面限位套。 限定不同層面間的平面運(yùn)動構(gòu)件距離，防止運(yùn)動構(gòu)件之間的干涉，L=4mm、7mm，各為6件;L=10mm，為20件;L=15mm，為40件;L=30mm、45mm，各為20件;L=60mm，為10件。

(23) 緊固墊片。 限制軸的回轉(zhuǎn)，φ16，為20件。

(24) 高副鎖緊彈簧。 保證凸輪與從動件間的高副接觸，為3件。

(25) 齒條護(hù)板。 保證齒輪與齒條間的正確嚙合，為6件。

(26) T型螺母。 用于電機(jī)座與行程開關(guān)座的固定，為20件。

(27) 行程開關(guān)碰塊。 為1件。

(28) 帶輪。 用于機(jī)構(gòu)主動件為轉(zhuǎn)動時(shí)的運(yùn)動傳遞，為6件。

(29) 張緊輪。 用于V帶的張緊，為3件。

(30) 張緊輪支承桿。 調(diào)整張緊輪位置，使其張緊或放松V帶，為3件。

(31) 張緊輪軸銷。 安緊張緊輪，為3件。

(32) 螺栓。 特制，用于在連桿任意位置固緊活動鉸鏈座Ⅰ，M10×15、M10×20、M8×15，各為6件。

(33) 直線電機(jī)。 速度為10mm/s，配直線電機(jī)控制器，根據(jù)主動滑塊移動的距離，調(diào)節(jié)兩行程開關(guān)的相對位置來調(diào)節(jié)齒條或滑塊往復(fù)運(yùn)動距離，但調(diào)節(jié)距離不得大于400mm。 注意:機(jī)構(gòu)拼接未運(yùn)動前，應(yīng)先檢查行程開關(guān)與裝在主動滑塊座上的行程開關(guān)碰塊的相對位置，以保證換向運(yùn)動能正確實(shí)施，防止機(jī)件損壞。

(34) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)。 轉(zhuǎn)速為10r/min，可沿機(jī)架上的長形孔改變電機(jī)的安裝位置。

(35) 平頭緊定螺釘。 標(biāo)準(zhǔn)件M6×6，為21件。

(36) 六角螺母。 標(biāo)準(zhǔn)件M10為12件，M12為30件。

(37) 六角薄螺母。 標(biāo)準(zhǔn)件M8，為12件。

(38) 平鍵。 標(biāo)準(zhǔn)件A型3×20，為15件。

(39) V帶。 標(biāo)準(zhǔn)件，O形，L=710mm、900mm、1120mm，各為1根。

(40) 螺栓。 標(biāo)準(zhǔn)件M4×16，為12件。

(41) 螺母。 標(biāo)準(zhǔn)件M4，為12，件。

2) 工具

(1) 一字起子、十字起子、呆扳手、內(nèi)六角扳手、鋼直尺、卷尺。

(2) 自備鉛筆、橡皮和報(bào)告紙。

7.1.3 實(shí)驗(yàn)原理

任何平面機(jī)構(gòu)均可以用零自由度的桿組(阿蘇爾桿組)依次連接到原動件和機(jī)架上去的方法來組成，這是機(jī)構(gòu)的組成原理，也是本實(shí)驗(yàn)的基本原理。

1) 桿組的概念

由于平面機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件是機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)目與機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目相等，因此，機(jī)構(gòu)均由機(jī)架、原動件和自由度為零的從動件系統(tǒng)通過運(yùn)動副連接而成。 將從動件系統(tǒng)拆分成若干個(gè)不可再分的自由度為零的運(yùn)動鏈稱為基本桿組(阿蘇爾桿組)，簡稱桿組。

根據(jù)桿組的定義，組成平面機(jī)構(gòu)桿組的條件是:F=3n-2pl-ph=0。 式中n為基本桿組中的構(gòu)件數(shù)，而pl和ph分別為基本桿組中的低副和高副的數(shù)目。 根據(jù)上式可以獲得各種類型的桿組。最簡單的基本桿組是由兩個(gè)構(gòu)件和三個(gè)低副(n=2，pl=3)構(gòu)成的，把這種基本桿組稱為Ⅱ級桿組。Ⅱ級桿組是應(yīng)用最多的基本桿組，絕大多數(shù)的機(jī)構(gòu)是由Ⅱ級桿組構(gòu)成的。 Ⅱ級桿組可以有五種不同的類型，如圖7- 2所示。

圖7- 2 平面低副Ⅱ級桿組的類型

在少數(shù)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的機(jī)構(gòu)中，除Ⅱ級桿組外，還有Ⅲ級桿組。 如圖7- 3所示為三種常見的Ⅲ級桿組結(jié)構(gòu)形式，均由四個(gè)構(gòu)件和六個(gè)低副(n=4，pl=6)所組成，而且都有一個(gè)包含三個(gè)低副的構(gòu)件。

圖7- 3 平面低副Ⅲ級桿組的常見類型

2) 桿組的正確拆分

桿組的正確拆分應(yīng)按如下步驟:

(1) 先去掉機(jī)構(gòu)中的局部自由度和虛約束，若機(jī)構(gòu)中含有高副，可根據(jù)一定條件將機(jī)構(gòu)的高副以低副代替。

(2) 計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，確定原動件。

(3) 從遠(yuǎn)離原動件的一端(即執(zhí)行機(jī)構(gòu))先試拆分Ⅱ級桿組，若拆不出Ⅱ級桿組時(shí)，再試拆Ⅲ級桿組，即由最低級別桿組向高一級桿組依次拆分，最后剩下原動機(jī)和機(jī)架。

正確拆分桿組的判別標(biāo)準(zhǔn)是:拆去一個(gè)桿組或一系列桿組后，剩余的必須仍為一個(gè)完整的機(jī)構(gòu)或若干個(gè)與機(jī)架相連的原動件，不允許有不成組的零散構(gòu)件或運(yùn)動副存在，否則這個(gè)桿組拆得不對。 每當(dāng)拆出一個(gè)桿組后，再對剩余機(jī)構(gòu)拆桿組，并按步驟(3)進(jìn)行，直到全部桿組拆完，只應(yīng)剩下與機(jī)架相連的原動件為止。

如圖7- 4a所示的鋸木機(jī)機(jī)構(gòu)，先除去K處的局部自由度，高副低代后得圖7- 4b，按步驟(2)計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度:F=3n-2pl-ph=3×9-2×13=1，并確定凸輪為原動件。 然后按步驟(3)，從遠(yuǎn)離原動件的一端先拆分出由構(gòu)件4和5組成的Ⅱ級桿組，再拆分出由構(gòu)件6和7及構(gòu)件3和2、構(gòu)件8和10組成的三個(gè)Ⅱ級桿組，最后剩下原動件1和機(jī)架9，如圖7- 4c所示。

圖7- 4 鋸木機(jī)機(jī)構(gòu)桿組拆分

3) 正確拼裝桿組

根據(jù)擬定的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)尺寸，利用機(jī)構(gòu)運(yùn)動創(chuàng)新方案實(shí)驗(yàn)臺提供的零件按機(jī)構(gòu)運(yùn)動傳遞順序進(jìn)行拼裝。 拼裝時(shí)，首先要分清機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件所占據(jù)的運(yùn)動平面，并且使各構(gòu)件的運(yùn)動在相互平行的平面內(nèi)進(jìn)行，其目的是避免各運(yùn)動構(gòu)件發(fā)生干涉。 然后，以實(shí)驗(yàn)臺機(jī)架鉛垂面為拼裝的起始參考面，所拼裝的構(gòu)件以原動件起始，依運(yùn)動傳遞順序?qū)⒏鳁U組由里(參考面)向外進(jìn)行拼裝。

注意:為避免連桿之間運(yùn)動平面相互緊貼而摩擦力過大或發(fā)生運(yùn)動干涉，在裝配時(shí)應(yīng)相應(yīng)裝入層面限位套。

7.1.4 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

(1) 掌握平面機(jī)構(gòu)組成原理。

(2) 熟悉機(jī)構(gòu)運(yùn)動創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案實(shí)驗(yàn)臺、各零部件功用和安裝、拆卸工具。

(3) 自擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案(要求在實(shí)驗(yàn)前將機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案設(shè)計(jì)出來)或選擇實(shí)驗(yàn)參考題目中提供的機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案作為拼裝實(shí)驗(yàn)方案。

(4) 將機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案根據(jù)機(jī)構(gòu)組成原理按桿組進(jìn)行正確拆分，并用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖表示。

(5) 正確拼接各基本桿組。

(6) 將基本桿組按運(yùn)動傳遞規(guī)律順序連接到原動件和機(jī)架上。

7.1.5 實(shí)驗(yàn)參考題目

參考題目一:設(shè)計(jì)一內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)，參考方案如圖7- 5所示。 滑塊7在壓力氣體作用下做往復(fù)直線運(yùn)動，帶動曲柄1回轉(zhuǎn)并使滑塊6也做往復(fù)直線運(yùn)動，并使壓力氣體通過不同路徑進(jìn)入滑塊7的左、右端并實(shí)現(xiàn)排氣。

參考題目二:設(shè)計(jì)一精壓機(jī)機(jī)構(gòu)，參考方案如圖7- 6所示。 當(dāng)曲柄1連續(xù)轉(zhuǎn)動時(shí)，滑塊3上、下移動，通過桿4、5和6使滑塊7做上下移動，完成物料的壓緊。 對稱部分桿8、9和10的作用是使滑塊7平穩(wěn)下壓，使物料受載均衡。

圖7-5 參考題目一——內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)

圖7-6 參考題目二——精壓機(jī)機(jī)構(gòu)

參考題目三:設(shè)計(jì)一牛頭刨床機(jī)構(gòu)，參考方案如圖7- 7所示。 當(dāng)曲柄1回轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)桿3繞點(diǎn)A擺動并具有急回性質(zhì)，使桿5完成往復(fù)直線運(yùn)動，并具有工作行程慢、非工作行程快回的特點(diǎn)。

參考題目四:設(shè)計(jì)一兩齒輪 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，參考方案如圖7- 8所示。 當(dāng)曲柄1回轉(zhuǎn)時(shí)，連桿2驅(qū)動搖桿3擺動，從而通過齒輪5與齒輪4的嚙合驅(qū)動齒輪4回轉(zhuǎn)。 由于搖桿3往復(fù)擺動，從而實(shí)現(xiàn)齒輪4的往復(fù)回轉(zhuǎn)。

圖7-7 參考題目三——牛頭刨床機(jī)構(gòu)

圖7-8 參考題目四——齒輪 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

參考題目五:設(shè)計(jì)一兩齒輪 曲柄擺塊機(jī)構(gòu)，參考方案如圖7- 9所示。 當(dāng)曲柄2回轉(zhuǎn)時(shí)，通過連桿3使擺塊5擺動，從而改變連桿的姿態(tài)，使齒輪4帶動齒輪1做相對曲柄的同向回轉(zhuǎn)與逆向回轉(zhuǎn)。

參考題目六:設(shè)計(jì)一噴氣織機(jī)開口機(jī)構(gòu)，參考方案如圖7- 10所示。 曲柄AB以等角速度回轉(zhuǎn)，帶動導(dǎo)桿BC隨擺塊擺動的同時(shí)與擺塊做相對移動，在導(dǎo)桿BC上固裝的齒條E與活套在軸上的齒輪G相嚙合，從而使齒輪G做大角度擺動，與齒輪G固連在一起的桿DD′隨之運(yùn)動，通過連桿DF (D′F′)使滑塊做上下往復(fù)運(yùn)動。

圖7-9 參考題目五——齒輪 曲柄擺塊機(jī)構(gòu)

圖7-10 參考題目六——噴氣織機(jī)開口機(jī)構(gòu)

參考題目七:設(shè)計(jì)一橢圓畫器機(jī)構(gòu)，參考方案如圖7- 11所示。 當(dāng)曲柄1做勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，滑塊3、4均做直線運(yùn)動，同時(shí)，桿件2上任一點(diǎn)的軌跡為一橢圓。

參考題目八:設(shè)計(jì)一沖壓機(jī)構(gòu)，參考方案如圖7- 12所示。 該機(jī)構(gòu)中，AD桿與齒輪1固連，BC桿與齒輪2固連。 當(dāng)齒輪1勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，帶動齒輪2回轉(zhuǎn)，從而通過連桿3、4驅(qū)動桿5上下直線運(yùn)動以完成預(yù)定沖壓功能。

圖7-11 參考題目七——橢圓畫器機(jī)構(gòu)

圖7-12 參考題目八——沖壓機(jī)構(gòu)

參考題目九:設(shè)計(jì)一插床機(jī)構(gòu)，參考方案如圖7- 13所示。 當(dāng)曲柄1勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，通過滑塊2帶動桿件3繞B點(diǎn)回轉(zhuǎn)，通過連桿4驅(qū)動滑塊5做直線移動。 由于導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動滑塊5往復(fù)直線運(yùn)動時(shí)對應(yīng)的曲柄1轉(zhuǎn)角不同，故滑塊5具有急回特性。

參考題目十:設(shè)計(jì)一篩料機(jī)構(gòu)，參考方案如圖7- 14所示。 當(dāng)曲柄1勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，通過搖桿3和連桿4帶動滑塊5做往復(fù)直線運(yùn)動，由于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性，使得滑塊5速度和加速度變化較大，從而達(dá)到篩料的目的。

圖7-13 參考題目九——插床機(jī)構(gòu)

圖7-14 參考題目十——篩料機(jī)構(gòu)

參考題目十一:設(shè)計(jì)一粗梳毛紡細(xì)紗機(jī)鋼領(lǐng)板運(yùn)動的傳動機(jī)構(gòu)，參考方案如圖7- 15所示。 凸輪1為主動件，做勻速轉(zhuǎn)動，通過搖桿2和連桿3使齒輪4回轉(zhuǎn)，通過齒輪4與齒條5的嚙合，使齒條5做直線運(yùn)動。 由于凸輪輪廓曲線和行程限制以及各桿件的尺寸制約關(guān)系，齒輪4只能做往復(fù)轉(zhuǎn)動，從而使齒條5做往復(fù)直線移動。

參考題目十二:設(shè)計(jì)一凸輪 五連桿機(jī)構(gòu)，參考方案如圖7- 16所示。 凸輪1為主動件，做勻速轉(zhuǎn)動，通過桿1和桿4、桿3將運(yùn)動傳遞給桿2，從而使桿2的運(yùn)動是兩種運(yùn)動的合成運(yùn)動，因此桿2上的C點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動軌跡。

圖7-15 參考題目十一——粗梳毛紡細(xì)紗機(jī)傳動機(jī)構(gòu)

圖7-16 參考題目十二——凸輪 五連桿機(jī)構(gòu)

參考題目十三:設(shè)計(jì)一行程放大機(jī)構(gòu)，參考方案如圖7- 17所示。 當(dāng)曲柄1勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，連桿上C點(diǎn)做直線運(yùn)動，通過齒輪3帶動齒條4做直線移動，齒條4的移動行程是C點(diǎn)行程的兩倍。

參考題目十四:設(shè)計(jì)一沖壓機(jī)構(gòu)，參考方案如圖7- 18所示。 當(dāng)齒輪1勻速轉(zhuǎn)動時(shí)，齒輪2帶動與其同軸的凸輪3一起轉(zhuǎn)動，通過連桿機(jī)構(gòu)使滑塊7和滑塊10做往復(fù)直線移動，其中滑塊7完成沖壓運(yùn)動，滑塊10完成送料運(yùn)動。

圖7-17 參考題目十三——行程放大機(jī)構(gòu)

圖7-18 參考題目十四——沖壓機(jī)構(gòu)

7.1.6 思考題

(1) 機(jī)構(gòu)的組成原理是什么？ 何為基本桿組？

(2) 為何要對平面高副機(jī)構(gòu)進(jìn)行“高副低代”？ 如何進(jìn)行“高副低代”？

(3) 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，連桿上的點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)已知的軌跡，哪些是設(shè)計(jì)中可調(diào)整的參數(shù)？

(4) 擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，以曲柄為主動件，具有最好的傳力性能。 若以導(dǎo)桿為主動件，其傳力性能如何？ 是否會出現(xiàn)機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)？ 如何克服？

(5) 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要求最小傳動角γmin≥[γ]。對于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，哪些機(jī)構(gòu)位置將可能出現(xiàn)最小傳動角？ 調(diào)整該機(jī)構(gòu)的哪些參數(shù)可使最小傳動角增大？