实验三
实验名称：机构创新设计
实验简介：设计新机械或对现有机械设备进行改进设计的时候设计新机械或对现有机械设备进行改进设计的时候，需要根据功能要求，通过工程背景调查，生成设计要求，进而构思机械的运动方案。成功的设计往往始于机械运动方案的创新性构思，而本实验有助于训练学生构思机械的运动方案。现有的JYF-3型机构运动创新方案实验台为进行实验训练的同学提供逼近工程实际情境的机构组合与创新设计的实验平台。对该实试验台进行分析与研究，能够使在实验台上搭接的机构的直观地、形象地、准确地反映出来，从而提升实验教学的质量，提高学生学习的兴趣、实验研究能力、分析能力和动手能力，进一步培养学生的创新意识。
实验目的：A加深学生对机构组成原理及其运动特性的认识；B培养学生的机构运动创新意识；C培养学生的综合设计与实际动手能力。
实验项目性质：设计性实验（课内选做/课外开放）
计划学时：8学时
面向专业：机械类
实验要求：A预习《机械原理》等课程的相关知识点内容；B预习《机械原理实验指导书》中实验目的、原理、设备、操作步骤或说明，并写出预习报告，提出设计方案；实验前没有预习报告者不能够进行实验；C进行实验时衣着整齐，遵守实验室管理规定、学生实验守则、仪器设备操作规定等相关规定，服从实验技术人员或实验教师的指导与管理。
开放地点：教一楼——218室（机械系统创新实验室）
开放办法：先登陆网站进行网上预约或到实验室填写预约表进行预约，根据预约时间提前预习写出预习报告、进行实验。
开放时间：以网上公告或实验室时间安排为准
实验分组：4人/组
实验照片：
实验三机构创新设计
设计新机械或对现有机械设备进行改进设计的时候设计新机械或对现有机械设备进行改进设计的时候，需要根据功能要求，通过工程背景调查，生成设计要求，进而构思机械的运动方案。成功的设计往往始于机械运动方案的创新性构思，而本实验有助于训练学生构思机械的运动方案。现有的JYF-3型机构运动创新方案实验台为进行实验训练的同学提供逼近工程实际情境的机构组合与创新设计的实验平台。对该实试验台进行分析与研究，能够使在实验台上搭接的机构的直观地、形象地、准确地反映出来，从而提升实验教学的质量，提高学生学习的兴趣、实验研究能力、分析能力和动手能力，进一步培养学生的创新意识。
一、实验目的
1.加深学生对机构组成原理及其运动特性的认识；
2.培养学生的机构运动创新意识；
3.培养学生的综合设计与实际动手能力。
二、实验设备和工具
1.JYF-3型机构运动创新方案实验台及其组件；（参看附件“机构运动创新方案实验台组件清单”）
2.1）凸轮；基圆半径为18mm，从动推杆的行程为30mm。
2）齿轮：模数2，压力角20°，齿数28或42，两齿轮中心距为70mm。
3）齿条：模数2，压力角20°，单根齿条全长为200mm，两齿条可拼接使用。
4）槽轮拔盘：两个主动销或一个主动销。
5）槽轮四槽。
6）主动轴：轴上带有平键。
7、8）圆头轴或扁头轴：轴上未带平键，圆头轴的轴端为圆头或扁头轴的轴端为扁头。
9）主动滑块插件：专用于机构主动件运动为往复移动时的情况。
10）主动滑块座（与直线电机齿条固连）。
11）连杆（或滑块导向杆）：其圆孔与轴形成转动副，其长孔与滑块形成移动副。
12）压紧连杆用特制垫片：固定连杆时用。
13）转动副轴（或滑块）-2：与固定转轴块配用时，可分别与两连杆形成转动副和移动副。
14）转动副轴（或滑块）-1：用于两构件形成转动副或形成移动副。
15）带垫片螺栓：规格M6，用于连杆与转动副轴形成转动副或移动副。
16）压紧螺栓：规格M6，用于连杆与转动副轴形成转动副。
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，以免发生不同构件之间运动的干涉。
18）皮带轮（皮带）：传递主动运动。
19）盘杆转动轴：盘类零件与连杆形成转动副时用。
20）固定转动块：与连杆固连，13号件与该连杆形成转动副。
21）—39）参看附件“机构运动创新方案实验台组件清单”中的说明。
3.直线电机：10mm/s，沿机架底部的长形孔可改变直线电机的位置。
4.直线电机控制器：前面板上有电源开关和保护电机的熔断器（2.5A）。后面板上有～220V、50HZ的电源插座、行程开关插座（三芯插头、缺口朝上插入）和电机电源插座（四芯插头、缺口朝上插入）。
5.直线电机控制器使用注意事项：根据主动滑块移动的距离，通过改变离直线电机较远的行程开关，来调节齿条（相当于滑块）往复运动行程，其可调节的最大行程不得大于400mm。
6.故障排除：当接通电源开关，电机不运行，可能是前面板上保护电机的熔断器（2.5A）烧断。拔掉～220V、50HZ的电源插头后，再旋开熔断器保护盖，更换新的2.5A熔断器。
7.提示：未拼接机构运动前、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灵活动作，从而防止直线电机直齿条脱离电机主体，防止组装零件的损坏及人身安全。
8.提示：为满足拼接机构运动的需要，相同轴类零件中，存在两种结构型式，其不同点仅为：轴的最大直径处的长度不相同（分别为17mm和7mm）在选用较短的那种轴时，一般情况下，请首先装入与轴外圆相同的轴套（壁厚较其它轴套厚）后，再往下进行您所设想的拼接。
9.旋转电机：10转/min，沿机架上的长形孔可改变转动电机的位置。电机上连有～220V、50HZ的电源线及插头，连线上串接有手柄开关，可方便开、断电机电源。
10.2．工具：改锥、扳手、角尺、笔和纸扳手。
三、内容与要求
1.实验前预习本实验，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；
3.用图解法或解析法完成机构系统的运动方案设计，并用机构创新设计模型加以实现；
4.绘制出机构系统的运动简图，并对所设计的系统进行简要的说明。
四、实验原理与方法
1.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都必须是整数。由此可以获得各种类型的杆组。
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。
Ⅲ级杆组，n=4，PL=6的杆组形式很多，机构创新模型已有图3-2所示的几种常见的Ⅲ级杆组：
（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基架上去的方法来组成。这是本实验的基本原理。
（3）正确拆分杆组
正确拆分杆组的三个步骤：
l）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级组，即由最低级别秆组向高一级杆组依次拆分，最后剩下原动件和机架。
正确拆组的判定标准是：拆去一个杆组或一系列杆组后，剩余的必须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3-3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＝l，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。
（4）正确拼装杆组
根据拟定的机构运动学尺寸，利用机构运动创新方案实验台提供的零件按机构运动传递顺序进行拼接。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，其目的是避免各运动构件发生干涉。然后，以机架铅垂面为参考面，所拼接的构件以原动构件起始，依运动传递顺序将各杆组由里（参考面）向外进行拼接。机构运动创新方案实验台提供的运动副的拼接请参见以下图3-3所示。
① 实验台机架
实验台机架中有5根铅垂立柱，它们可沿X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（安全注意事项：不允许将立柱上、下两端的螺栓卸下，在移动立柱前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架的连接位置就确定了。
② 转轴相对机架的连接图3-5（图示中的编号与 “机构运动创新方案实验台组件清单”序号相同）按图示连接好后，其中标号为“6或7或8”的转轴相对机架作旋转运动。
③ 转动副的连接图3-6（图示中的编号与“机构运动创新方案实验台组件清单”序号相同）
按图示连接好后，两连杆作相对旋转运动。
④ 移动副的连接图3-7（图示中的编号与“机构运动创新方案实验台组件清单”序号相同）按图示连接好后，连杆与转动副轴作相对直线运动。
⑤ 齿轮与轴的连接图3-8（图示中的编号与“机构运动创新方案实验台组件清单”序号相同）按图示连接好后，齿轮与转动轴固定，可固接为一活动构件。
⑥ 凸轮与主（从）动轴的连接图3-9（图示中的编号与“机构运动创新方案实验台组件清单”序号相同）
⑦ 凸轮副的连接图3-10（图示中的编号与“机构运动创新方案实验台组件清单”序号相同）
⑧ 滑块导向杆相对机架的连接图3-11（图示中的编号与“机构运动创新方案实验台组件清单”序号相同）
按图示连接好后，滑块导向杆相对机架作直线运动。
图3-11滑块导向杆相对机架的连接图
⑨ 槽轮副连接图3-12（图示中的编号与“机构运动创新方案实验台组件清单”序号相同）
⑩ 主动滑块与直线电机轴的连接图3-13（图示中的编号与“机构运动创新方案实验台组件清单”序号相同）
滑块作为主动件时，将它与直线电机轴固连即可。
2． 实验内容
下列各种机构均选自于工程实践。根据机构运动简图，(或根据所给组件清单自行设计出机构简图)任选一个机构运动方案进行拼接设计实验，或自行根据所给组件清单设计出机构简图。
（1）自动车床送料机构（图3-14）
① 结构说明：如图3-14所示由凸轮与连杆组合成组合式机构。
图3-12槽轮副联接机构 
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② 工作特点：一般凸轮为主动件，能够实现较复杂的运动规律。
③ 应用举例：自动车床送料及进刀机构。如图3-14所示，由平底直动从动件盘状凸轮机构与连杆机构组成。当凸轮转动时，推动杆5作往复移动，通过连杆4与摆杆3及滑块2带动从动件（推料杆）作周期性往复直线运动。
（2）曲柄滑块机构与齿轮齿条机构的组合（图3-15）
① 结构说明：如图3-15所示机构由偏置曲柄滑块机构与齿轮齿条机构串联组合而成。其中下齿条为固定齿条，上齿条作往复移动。
② 工作特点：此组合机构最重要的特点是上齿条的行程比齿轮3的铰接中心点C的行程大一倍。此外，由于齿轮中心C的轨迹对于点A偏置，所以上齿条作往复运动有急回特性。
当主动件曲柄1转动时，通过连杆2推动齿轮3与上、下齿条啮合传动。下齿条5固定，上齿条4作往复移动，齿条移动行程H = 4R（R为齿轮3的半径）。若将齿轮改用双联齿轮3和3’，半径分别为r3和r3’。齿轮3与固定齿条啮合，齿轮3’与移动齿条哨合，其行程为：H = 2(1 + r3’/r3)R，由此可见，当r3’＞r3时，H＞4R，故采用此种机构可实现行程放大。
（3）多杆行程放大机构（图3-16）
① 结构说明：如图3-16所示，由曲柄摇杆机构1-2-3-6与导杆滑块机构3-4-5-6组成六杆机构。曲柄1为主动件，从动件6作往复移动。
② 工作特点：主动件1的回转运动转换为从动件6的往复移动。如果采用曲柄滑块机构来实现，则滑块的行程受到曲柄长度的限制。而该机构在同样曲柄长度条件下能实现滑块的大行程。
③ 应用举例：用于梳毛机堆毛板传动机构。
（4）六杆机构（图3-17）
① 结构说明：如图3-17所示，由曲柄摇杆机构1-2-3-6与摆动导杆机构3-4-5-6组成六杆机构。曲柄1为主动件，摆杆5为从动件
②工作特点：当曲柄1连续转动时，通过连杆2使摆杆3作一定角度的摆动，再通过导杆机构使从动摆杆5的摆角增大。该机构摆杆5的摆角可增大到200°左右。
应用举例：用于缝纫机摆梭机构。
（5）双摆杆摆角放大机构（图3-18）
① 结构说明：如图3-18所示，主动摆杆1与从动摇杆3的中心距D应小于摆杆1的半径r。
② 工作特点：当主动摆杆1摆动a角时，从动杆3的摆角β大于a，实现摆角增大，各参数之间的关系为：
（6）冲压送料机构（图3-19）
① 结构说明：如图3-19所示，1-2-3-4-5-9组成导杆摇杆滑块冲压机构，由1-8-7-6-9组成齿轮凸轮送料机构。冲压机构是在导杆机构的基础上，串联一个摇杆滑块机构组合而成的。
② 工作特点：导杆机构按给定的行程速度变化系数设计，它和摇杆滑块机构组合可达到工作段近于匀速的要求。适当选择导路位置，可使工作段压力角α较小。按机构运动循环图确定凸轮工作角和从动件运动规律，则机构可在预定时间将工件送至待加工位置。
（7）行星轮系放大行程机构（图3-20）
① 结构说明：如图3-20所示机构是由齿轮1、2、3和系杆H及连杆5、滑块4、机架6组合而成。齿轮2、3为行星轮，从动杆CD与行星轮3饺接于C点，机构中杆长AC＝CD＝R，且Z1＝2Z3。
② 工作特点：系杆H为主动件，绕A轴回转，通过行星轮2、3的啮合传动，使杆CD随之运动，D点的直线轨迹距离为4R。该机构相对于曲柄滑块机构的行程可增加两倍。
（8）转动导杆与凸轮放大升程机构（图3-21）
① 结构说明：如图3-21所示，曲柄1为主动件，凸轮3和导杆2固联。
② 工作特点：当曲柄1从图示位置顺时针转过90°时，导杆和凸轮一起转过去时180°。假设凸轮转轴与曲柄轴同心即为复合较链，当曲柄1从图示位置顺时针转过90°时，从动件4移动距离为S，在压力角许用值相同的条件下，后者凸轮的尺寸要增大一倍左右。图3-11所示机构常用
于凸轮升程较大，而升程角受到某些因素的限制不能太大的情况。该机构制造安装简单，工作性能可靠。
（9）铰链四杆机构（图3-22）
结构说明：如图3-22所示，双摇杆机构ABCD的各构件长度满足条件：机架
摇杆
，连杆
，E点为连杆
延长线上的点，且
。BC为主动摇杆。
② 工作特点：当主动摇杆BC绕B点摆动时，E点轨迹为图中点划线所示，其中E点轨迹有一段为近似直线。
③ 应用举例：可作固定式港口用起重机，E点处安装吊钩。利用E点的轨迹的近似直线段吊装货物，能符合吊装设备的平稳性要求。
（10）铸锭送料机构（图3-23）
① 结构说明:如图3-23所示，滑块为主动件，通过连杆2驱动双摇杆ABCD，将从加热炉出料的铸锭（工件）送到下一工序。
② 工作特点：图中实线位置为炉铸锭进入装料器4中，装料器4即为双摇杆机构ABCD中的连杆BC，当机构运动到虚线位置时，装料器4翻转180°把铸锭卸放到下一工序的位置。
③ 应用举例：加热炉出料设备、加工机械的上料设备等。
（11）插床的插削机构（图3-24）
① 结构说明：如图3-24所示，在ABC摆动导杆机构的摆杆BC反向延长线的D点加二级杆组连杆4和滑块6，成为六杆机构。在滑块6固接插刀，该机构可作为插床的插削机构。
② 工作特点：主动曲柄AB匀速转动，滑块6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6可获得不同的规律。
（12）蒸汽机机构（图3-25）
① 结构说明：如图3-25所示，1-2-3-8组成曲柄滑块机构，1-4-5-8组成曲柄摇杆机构，5-6-7-8组成摇杆滑块机构。曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构串连组合。
② 工作特点：滑块3、7作往复运动并有急回特性。适当选取机构运动学尺寸，可使两滑块之间的相对运动满足协调配合的工作要求。
③ 应用举例：蒸汽机的活塞运动及阀门启闭机构。
（13）插齿机主传动机构（图3-26）
①结构说明及工作特点：如图3-26所示为多杆机构，可使它既具有空回行程的急回特性．又具有工作行程的等时性。
②应用举例：应用于插齿机的主传动机构。该机构是一个六杆机构，利用此六杆机构可使插刀在工作行程中得到近于等速的运动。
（14）刨床导杆机构（图3-27）
①结构说明及工作特点：如图3-27所示，牛头创头的动力是由电机经皮带、齿轮传动使齿轮1绕轴A回转，再经滑块2、导杆3、连杆4带动装有刨刀的滑枕5沿床身6的导轨槽作往复直线运动，从而完成刨削工作。显然，导杆3为三副构件，其余为二副构件。
15．曲柄增力机构(图3-28)
结构说明及工作特点：如图3-28所示机构，当BC杆受力F，CD杆受力P，则滑块产生的压力：
由上式可知，减小a和S与增大L，均能增大增力倍数。因此设计时，可根据需要的增力倍数决定a和S与L，即决定滑块的加力位置，再根据加力位置决定A点位置和有关的构件长度。
五、实验要求
1.设计——打标机机构，其性能要求：
（1）执行构件作直线运动，但在极限位置有短暂停歇；
（2）有急回特性，且速比系数尽可能大；
（3）从动件行程尽可能大；
（4）此机构为8杆机构。
2.设计——打印机构，其性能要求：
（1）从动件（打印头）作直线运动；
（2）机构在打印时具有自锁功能（传动角900）；
（3）有急回特性，且速比系数尽可能大；
（4）从动件行程尽可能大。
3.设计——压模机构，其性能要求：
（1）从动件作直线运动，在压模时稍有停歇；
（2）压模时传动角为900；
（3）急回特性好；
（4）从动件行程尽可能大。
4.自拟题目设计——平面机构。
附件机构运动创新方案实验台零件清单（见个实验台）
实验三机构创新设计实验报告
班级：_________姓名：__________学号：__________日期：_________
一、实验目的
二、实验要求
三、设计题目
四、方案拟定
五、实验结果
1.机构方案示意图，拆分杆组
2.搭接机构，观察机构运动情况，测绘机构尺寸，按比例画出机构运动简图
3.计算机构自由度
4.设计方案评述（就其是否满足设计要求作必要的说明）
5.设计方案改进建议
六、感想与体会
