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机械运动方案创新设计


发布者: 来源:本站 更新日期:2019-05-14 04:44:10 人气:0

 

  机械运动方案创新设计_机械/仪表_工程科技_专业资料。机构运动方案创新设计 机电工程学院 1 一、概述 ? 机构运动方案创新设计是一个具有创新性的活动过程, 旨在培养学生的创新意识和创新设计的能力。 ? 本实验是基于杆组的迭加原理而设计的,主要应

  机构运动方案创新设计 机电工程学院 1 一、概述 ? 机构运动方案创新设计是一个具有创新性的活动过程, 旨在培养学生的创新意识和创新设计的能力。 ? 本实验是基于杆组的迭加原理而设计的,主要应用于 机构组成原理的拼接设计实验、课程设计和毕业设计 中的机构运动方案的设计实验、课外科技活动(如机 械设计大赛)中的机构运动方案创新设计实验。 2 二、实验目的 加深对平面机构组成原理、结构组成的认识, 熟悉杆组概念,了解机构运动特点 1 2 利用若干不同的杆组,拼接各种不同的平面机 构,以培养机构创新设计能力及综合设计能力 3 通过对实际机械结构的拼接,增强工程实践动 手能力。 3 三、实验原理 ? ? 任何机构都是由若干个基本杆组依次联接到原动件和机架 上而构成的。 机构具有确定运动的条件是其原动件数等于机构的自由度 数。因此,机构可以拆分成机架、原动件和自由度为零的 构件组。而自由度为零的构件组还可以拆分成更简单的自 由度为零的构件组,将最后不能再拆的最简单的自由度为 零的构件组称为组成机构的基本杆组,简称杆组。 由杆组定义知,组成平面机构的基本杆组应满足条件: ? F ? 3n ? 2PL ? PH ? 0 4 1.高副杆组 ? 若n = PL = PH = 1,即可获得单构件高副杆组,常见形式下图所 示。 5 低副杆组 ? 若PH =0,杆组中运动副均为低副,称为低副杆组。即 ? 满足上式的构件数和运动副数的组合为: n = 2, 4, 6……, PL = 3, 6, 9……。 ? 其中最简单的组合为n = 2, PL = 3,称为Ⅱ级组。Ⅱ级组是应 用最多的基本杆组,由于杆组中转动副和移动副的配置不同, Ⅱ级杆组共有如图所示五种形式: 6 四、实验设备 ? 本实验需要设备为湖南长庆科教仪器有限公司生产的 ZBS-C 机械运动创新设计方案实验台,下面对此类设 备的组成和操作方法作一简介。 设备简介: 组成实验台的主要零部件以及详细规格如表所示。 ? ? 7 机构运动方案创新设计实验台零部件 8 9 ? 直线电机控制器:如图本控制器采用电子组合设计方式,控制电路采 用低压电子集成电路和微型密封功率继电器,并采用光槽作为行程开 关,极具使用安全。控制器的前面板为LED显示方式,当控制器的前 面板与操作者是面对面的位置关系时,控制器上的发光管指示直线电 机齿条的位移方向。控制器的后面板上置有电源引出线及开关、与直 线 芯插座、与光槽行程开关相连的 5 芯插座和1A 保险管。 直线A OFF IEP直线电机控制器 发光 管 a)前面 板图 4 芯 插 座 5 芯 插 座 电源 开关 源引 出线 保 险 管 座 电 源 开 关 10 操作说明 ? 1、实验台机架的固定 实验台机架图 11 ? 如图所示实验台机架中有5根铅垂立柱,它们可沿X方向移动。 移动时请用双手扶稳立柱、并尽可能使立柱在移动过程中保持 铅垂状态,这样便可以轻松推动立柱。立柱移动到预定的位置 后,将立柱上、下两端的螺栓锁紧(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。按上述方法即可在X、Y平面内确 定活动构件相对机架的连接位置。面对操作者的机架铅垂面称 为拼接起始参考面或操作面。 12 2、各另部件之间的拼接 ? (1)轴相对机架的拼接 ? 有螺纹端的轴颈可以插入滑块 28#上的 铜套孔内,通过平垫片、防脱螺母34# 的连接与机架形成转动副或与机架固 定。若按图 6 拼接后, 6 或 8# 轴相对机 架固定;若不使用平垫片34# ,则6或 8# 轴相对机架作旋转运动。拼接者可 根据需要确定是否使用平垫片34#。 ? 扁头轴 6# 为主动轴、 8# 为从动轴。该 轴主要用于与其它构件形成移动副或 转动副、也可将连杆或盘类零件等固 定在扁头轴颈上,使之成为一个构件。 13 (2)转动副的拼接 ? 若两连杆间形成转动副,可按图所示方式拼接。其中,14#件的 扁平轴颈可分别插入两连杆 11#的圆孔内,再用压紧螺栓16#和 带垫片螺栓15#分别与转动副轴14#两端面上的螺孔连接。这样, 有一根连杆被压紧螺栓16#固定在14#件的轴颈处,而与带垫片 螺栓15#相连接的14#件相对另一连杆转动。 14 移动副的拼接 ? 移动副的拼接如图所示。转滑副轴24#的圆轴端插入连杆11#的 长槽中,通过带垫片的螺栓15#的连接,转滑副轴24#可与连杆 11#形成移动副。 ? 提示:转滑副轴24#的另一端扁平轴可与其它构件形成转动副或移动副。根据拼接的实 际需要,也可选用7#或14#件替代24#件作为滑块。 15 ? 另外一种形成移动副的拼接方式如图所示。选用两根轴 (6#或8#),将轴固定在机架上,仍后再将连杆11#的长 槽插入两轴的扁平轴颈上,旋入带垫片螺栓 15#,则连杆 在两轴的支撑下相对机架作往复移动。 ? 提示:根据实际拼接的需要,若选用的轴颈较长,此时需选用相应的运动构 件层面限位套17#对构件的运动层面进行限位。 16 滑块与连杆组成转动副和移动副的拼接 ? 如图所示的拼接效果是滑块 13# 的扁平轴颈处与连杆 11# 形成移动副; 在20#、21#的帮助下,滑块13#的圆轴颈处与另一连杆在连杆长槽的 某一位置形成转动副。首先用螺栓、螺母 21# 将固定转轴块 20# 锁定 在连杆11#上,再将转动副轴13#的圆轴端穿插 20#的圆孔及连杆11# 的长槽中,用带垫片的螺栓 15# 旋入13# 的圆轴颈端面的螺孔中,这 样13#与11#形成转动副。将13#扁头轴颈插入另一连杆的长槽中,将 15#旋入13#的扁平轴端面螺孔中,这样13#与另一连杆11#形成移动 副。 17 齿轮与轴的拼接 ? 如图所示,齿轮2#装入轴6#或轴8#时,应紧靠轴(或运动构件 层面限位套 17# )的根部,以防止造成构件的运动层面距离的 累积误差。按图示连接好后,用内六角紧定螺钉 27# 将齿轮固 定在轴的上(注意:螺钉应压紧在轴的平面上)。这样,齿轮 与轴形成一个构件。 18 齿轮与连杆形成转动副的拼接 ? 如图所示拼接,连杆 11# 与齿轮 2# 形成转动副。视所选用盘杆 转动轴 19# 的轴颈长度不同,决定是否需用运动构件层面限位 套17#。 19 ? 若选用轴颈长度 L=35mm 的盘杆转动轴 19# ,则可组成双联齿 轮,并与连杆形成转动副,参见图所示;若选用 L=45mm 的盘 杆转动轴 19# ,同样可以组成双联齿轮,与前者不同的是要在 盘杆转动轴19#上加装一个运动构件层面限位套17#。 20 齿条护板与齿条、齿条与齿轮的拼接 ? 如图所示,当齿轮相对齿条啮合时,若不使用齿条导向板,则 齿轮在运动时会脱离齿条。为避免此种情况发生,在拼接齿轮 与齿条啮合运动方案时,需选用两根齿条导向板 23# 和螺栓螺 母21#按图示方法进行拼接。 21 凸轮与轴的拼接 ? 按图所示拼接好后,凸轮1#与轴6或8#形成为一个构件。 ? 若不用内六角紧定螺钉 27#将凸轮固定在轴的上,而选用带垫片螺栓 15#旋入轴端面的螺孔内,则凸轮相对轴转动。 22 凸轮高副的拼接 ? 如图所示,首先将轴 6# 或 8# 与机架相连。然后分别将凸轮 1# 、从动 件连杆11# 拼接到相应的轴上去。用内六角螺钉 27# 将凸轮紧定在 6# 轴上,凸轮1#与6#轴形成一个运动构件;将带垫片螺栓15#旋入8#轴 端面的螺孔中,连杆11#相对8#轴作往复移动。高副锁紧弹簧的小耳 环用螺栓21#固定在从动杆连杆上,大耳环的安装方式可根据拼接情 况自定,必须注意弹簧的大耳环安装好后,弹簧不能随运动构件转动, 否则弹簧会被缠绕在转轴上而不能工作。 23 槽轮副的拼接 ? 图为槽轮副的拼接示意图。通过调整两轴6#或轴8#的间距使槽 轮的运动传递灵活。 ? 提示:为使盘类零件相对轴更牢靠地固定,除使用内六角螺钉 27#紧固外,还可加用压紧螺栓16#。 24 滑块导向杆相对机架的拼接 ? 如图所示,将轴6#或轴 8#插入滑块 28#的轴孔中,用平垫片、 防脱螺母34#将轴6#或轴8#固定在机架29#上,并使轴颈平面平 行于直线电机齿条的运动平面,以保证主动滑块插件9#的中心 轴线与直线电机齿条的中心轴线相互垂直且在一个运动平面内; 将滑块导向杆11#通过压紧螺栓16#固定在6#或8#轴颈上。这样, 滑块导向杆11#与机架29#成为一个构件。 25 主动滑块与直线电机齿条的拼接 ? 当滑块为原动件且接受的输入运动为直线 运动时,其与直线电机的安装如图所示。 首先将主动滑块座10#套在直线电机的齿条 上再将主动滑块插件 9# 上只有一个平面的 轴颈端插入主动滑块座10#的内孔中,有两 平面的轴颈端插入起支撑作用的连杆 11#的 长槽中,然后,将主动滑块座调整至水平 状态,直至主动滑块插件9#相对连杆11#的 长槽能作灵活的往复直线运动为止,此时 用螺栓26#将主动滑块座固定。起支撑作用 的连杆 11#固定在机架 29#上的拼接方法, 最后,根据外接构件的运动层面需要调节 主动滑插件 9# 的外伸长度(必要的情况下, 沿主动滑块插件 9# 的轴线方向调整直线电 机的位置),以满足与主动滑块插件( 9# ) 形成运动副的构件的运动层面的需要,用 内六角紧定螺钉27#将主动滑块插件9#固定 在主动滑块座10#上。 26 图8-19 主动滑块与直线电机齿条的拼接 光槽行程开关的安装 ? 如图所示,首先用螺钉将光槽片固定在主动滑块座上;再将主动滑块 座水平地固定在直线电机齿条的端头;然后用内六角螺钉将光槽行程 开关固定在实验台机架底部的长槽上,且使光槽片能顺利通过光槽行 程开关,也即光槽片处在光槽间隙之间,这样可保证光槽行程开关有 效工作而不被光槽片撞坏。 27 五、实验内容 ? 实验前首先要以平面机构运动简图的形式拟定机构运动方案, 然后在实验台上进行运动方案的拼接,并验证其相对运动情况 是否与设计要求相符。 ? 实验时每3~4名学生一组,至少完成一种运动方案的拼接设计 实验。 ? 机构运动方案可由学生根据原始设计数据要求进行构思和设计, 也可从下列工程机械的各种实际机构中进行选择,并完成其方 案的拼接和运动关系验证。 ? 下列实例的机构运动简图中所标注的数字编号的意义为:横杠 前面的数字代表构件编号,横杠后面的数字为建议该构件所占 据的运动层面。运动层面数的第1层是指机架的拼接起始参考面, 层面数越大距离第1层越远。 28 1、蒸汽机机构 ? 结构说明:如图所示, 1-2-3-8 组成曲柄滑块机构, 8-1-4-5 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 串联组合。 ? 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。 ? 应用举例:蒸汽机的活塞运动及阀门启闭机构。 29 2、自动车床送料机构 ? 结构说明:如图所示,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往复移动,通过连杆4与摆杆3及滑块2带 动从动件1(推料杆)作周期性往复直线运动。 ? 工作特点:一般凸轮为主动件,能够实现较复杂的运动规律。 ? 应用举例:自动车床送料及进刀机构。 30 3、六杆机构 ? 结构说明:如图所示,由曲 柄 摇 杆 机 构 6-1-2-3 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。 ? 工作特点:当曲柄 1 连续转 动时,通过杆2使摆杆3作一 定角度的摆动,再通过导杆 机构使摆杆5的摆角增大。 ? 应用举例:缝纫机摆梭机构。 4(滑块) 31 4、双摆杆摆角放大机构 ? 结构说明:如图a)所示,主动摆杆1与从动摆杆3的中心距L应小于摆 杆1的半径l。 ? 工作特点:当主动摆杆1摆动?角时,从动杆3的摆角?大于?,实现摆 角增大,各参数之间的关系为: l ? tg ? ? 2 Llctg L 2 l ? ? sec L 2 ? 注:由于主动杆1的运动为摆动,所以不能用电机带动,只能用手动 方式观察其运动。若要电机带动,则可按图b)所示方式串联一个曲柄 摇杆机构。 32 a) b) 双摆杆摆角放大机构 33 5、转动导杆与凸轮放大升程机构 ? 结构说明:如图所示,曲柄1为主动件,凸轮3和导杆固联。 ? 工作特点:当曲柄1由图示位置顺时针转过900时,导杆和凸轮 一起转过1800。图示的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。 34 6、铰链四杆机构 ? 结构说明:图 a) 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。为主 动摇杆。 ? 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,其中有一段为近似直线。 ? 应用举例:固定式港口用起重机,E点处安装吊钩。利用E点轨 迹的近似直线段吊装货物,能符合吊装设备的平稳性要求。 ? 注:由于原动件为摇杆,所以不能用电机带动,只能用手动方 式观察其运动。若要电机带动,则可按图b)所示方式串联一个 曲柄摇杆机构。 35 a) 铰链四杆机构 36 b) 7、冲压送料机构 ? 结构说明:如图所示,1-2-3-4-5-9组成导杆摇杆滑块机构,完成冲压动作; 由1-8-7-6-9组成齿轮凸轮机构,完成送料动作。 ? 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?较 小。在工程设计中,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。 ? 应用举例:冲压机械冲压及送料设备。 37 38 8、铸锭送料机构 ? 结构说明:如图所示,滑块为主动件,通过连杆2驱动双摇杆ABCD,将从加 热炉出来的铸锭(工件)送到下一工序。 ? 工作特点:图中粗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 把铸锭 卸放到下一工序的位置。主动滑块的位移量应控制在避免出现该机构运动死 点(摇杆与连杆共线时)的范围内。 ? 应用举例:加热炉出料设备、加工机械的上料设备等。 39 9、插床的插削机构 ? 结构说明:如图所示,在ABC摆动导杆机构的摆杆BC反向延长线组成的二级杆组,成为六杆机构。 ? 工作特点:主动曲柄AB匀速转动,滑块5在垂直AC的导路上往复移动, 具有急回特性。改变ED连杆的长度,滑块5可获得不同的规律。 ? 应用举例:在滑块5处固接插刀,可作为插床的插削机构。 40 10、插齿机主传动机构 ? 结构说明:如图所示,1-2-3-6组成曲柄摇杆机构, 3-4-5-6组成摇杆 滑块机构,两机构串联组合成六杆机构。 ? 工作特点:既具有空回行程的急回特性,又具有工作行程的等速性。 ? 应用举例:插齿机的主传动机构。 41 11、刨床导杆机构 ? 结构说明:如图所示,由1-2-3-6 组成摆动导杆机构,由3-4-5-6组 成摇杆滑块机构。两机构串联组 合,其动力是由电机经皮带、齿 轮传动使曲柄1绕轴A回转,再经 滑块2、导杆3、连杆4带动滑块5 沿机架 6 的导轨槽作往复直线运 动。 ? 工作特点:工作行程接近匀速运 动,空回行程可实现急回。 42 43 13、曲柄滑块机构与齿轮齿条机构的组合 ? 结构说明:图 a)所示为齿轮齿条行程倍增传动,由固定齿条5、移动 齿条4和动轴齿轮3组成。传动原理:当动轴齿轮3的轴线向右移动时, 通过与齿条5的啮合,使动轴齿轮3在向右移动的同时,又作顺时针方 向转动。因此动轴齿轮3 作转动和移动的复合运动。与此同时,通过 与移动齿条4的啮合,带动移动齿条4向右移动。设动轴齿轮3的行程 为S1,移动齿条4的行程为S,则有:S=2S1 。图b)所示机构由齿轮 齿条倍增传动与对心曲柄滑块机构串联组成,当曲柄转动带动C点移 动时,在移动齿条4上可得到较大行程。 ? 工作特点:上齿条作往复直线运动且具有急回特性。当主动件曲柄 1 转动时,齿轮3沿固定齿条5往复滚动,同时带动齿条4作往复移动, 齿条4的行程与曲柄长R之间的关系为S=2S1 =4R 。 ? 应用举例:印刷机送纸机构。 ? 若曲柄回转中心相对齿轮3的中心偏置如图所示,此时齿条4的行程S 与R应是怎样的关系,由实验者自选推证。 44 45 14、曲柄滑块机构 ? 结构说明:如图所示为曲柄滑块机构。当机构尺寸满足下列条 件时:,构件1绕A点转动,构件2上F点沿Ay轴运动,D点和E 点轨迹为椭圆,其方程为: x 2 x2 y2 y2 ? ?1 ? ?1 2 2 2 2 FE CE ? 应用举例:画椭圆仪器。 FD CD 46 47 七、实验注意事项 ? ? ? ? ? 1 、拼装时应保证各构件均在相互平行的平面内运动,以避免运 动构件之间的干涉,同时保证各构件运动平面与轴线的垂直。 注意分清机构中各构件所占据的运动平面,机构的外伸运动层面 数愈少,机构运动愈平稳,为此,建议机构中各构件的运动层面 以交错层的排列方式进行拼接。一般以实验台机架铅垂面为拼接 的起始参考面,由里向外进行拼装。 注意避免相互运动的两构件之间运动平面紧贴而摩擦力过大的情 况,适时装入层面限位套。 保证每一步所拼装的构件间运动相对灵活,装然后才可以进行下 一步的拼装。 整个运动系统拼装完成后,首先通过手动原动件进行运动情况检 验,转动灵活,无运动干涉时才可以启动电动机带动系统工作。 48 八、实验报告 ? (一)预习作业 ? 1. 何谓杆组?何谓Ⅱ级杆组?画图表示Ⅱ级杆组所有的类型。 ? 2. 何谓Ⅲ级杆组?画图表示Ⅲ级杆组的1~2种形式。 ? 3. 进行机构结构分析时,按什么步骤和原则来拆杆组? ? (二)实验方案设计 ? 根据实验内容,选择和构思机构运动方案。要求画出其运动简 图,说明其运动传递情况,并就该机构的应用作简要说明。 49 机构名称 运动简图 运动特点及 应用 50 ? (三)实验结果及分析 ? 按比例尺寸绘制实际拼装的机构运动方案简图,并在简图中标 识实测所得的机构运动学尺寸。 ? 简要说明机构杆组的拆组过程,并画出所拆机构的杆组简图, 并判断机构的级别。 ? 观察分析拼装机构的运动情况,简要说明从动件的运动规律, 分析拼装机构的实际运动情况是否符合设计要求。 ? 通过实验分析原设计构思的机构运动方案是否还有缺陷,应如 何进行修正和弥补。若利用不同的杆组进行机构拼装,还可得 到哪一些有创意的机构运动方案?用机构运动简图示意创新机 构运动方案。 ? (四)心得和体会 51


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