1、“机械方案创意设计模拟实施 ”实验教程西南交通大学 卢存光 著西南交通大学国家级机械基础实验教学示范中心2006 年 3 月机械方案创意设计模拟实施实验教程 1第五章 机构创新设计实验 15 机械方案创意设计模拟实施实验一、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）培养学生运用实验方法，研究、分析机械的初步能力。（3）培养学生运用实验方法，自行构思创新、试凑选型机械运动方案，调整、优化机构参数，进而验证、确定机械运动方案和参数。（4）使学生了解（教材未涉及的）构件干涉问题及其解决方法。（5）培养学生用电机、控制盒等电气元件和气缸、电磁阀、调速阀、空气压缩
2、机等气动元件组装出动力源，对机械进行动力驱动和控制的初步能力。（6）培养学生动脑创新设计，进而动手付诸工程实践的综合能力。二、实验内容成 功 的 设 计 往 往 始 于 方 案 的 创 新 ， 而 机 械 运 动 方 案 的 选 择 至 今 缺 乏 实 用 化 的 理 论 导 向 。 本实 验 的 核 心 是 以 西 南 交 通 大 学 研 制 的 “机 械 方 案 创 意 设 计 模 拟 实 施 实 验 仪 ”为 设 计 手 段 ， 针对 有 工 程 背 景 和 一 定 难 度 的 设 计 题 目 ， 指 导 学 生 使 用 该 实 验 仪 的 多 功 能 零 件 ， 进 行 积 木 式 组
3、 合调 整 ， 从 而 让 学 生 自 己 构 思 创 新 、 试 凑 选 型 机 械 设 计 方 案 ， 亲 手 按 比 例 组 装 实 物 机 构 模 型 ， 亲手 安 装 电 机 并 连 接 电 路 ， 亲 手 安 装 气 缸 并 组 装 气 动 系 统 ； 模 拟 真 实 工 况 ， 动 态 操 纵 、 演 示 、 观察 机 构 的 运 动 情 况 和 传 动 性 能 ； 通 过 直 观 调 整 机 械 方 案 、 构 件 布 局 、 连 接 方 式 及 尺 寸 以 及 更 改动 力 和 控 制 系 统 ， 来 验 证 和 改 进 设 计 ， 使 该 模 型 机 构 能 够 灵 活 、
4、 可 靠 地 按 照 设 计 要 求 运 动 到 位 。也 就 是 通 过 创 意 实 验 模 拟 实 施 环 节 来 实 现 培 养 学 生 创 新 动 手 能 力 的 教 学 改 革 目 标 。三、实验设备及材料（1）机械方案创意设计模拟实施实验仪。（2）系列转速微型电动机、四路电气控制盒、负载线和其他电气辅件。（3）系列行程微型气缸、过滤减压器、电磁换向阀、调速阀、气管和空气压缩机等气动元件及辅件。（4）螺丝、螺母、垫圈等紧固件。（5）钢板尺、量角器等量具和扳手、钳子、螺丝刀等工具。2 机械方案创意设计模拟实施实验教程 （6）吹塑纸。四、实验原理（1）机构的组成和运动学原理。（2）直流电
5、机、双作用式气缸的驱动和控制的原理。五、实验步骤（1）针对设计题目，学生初步构思选型机械系统运动方案和电气或气动驱动控制方案，绘出草图。（2）教师指导学生使用“机械方案创意设计模拟实施实验仪”的多功能零件，按照学生自己的草图，先在桌面上进行机构的初步试验摆放，这一步的目的是进行构件的总体布局和合理分层。总体布局以机械原理课程知识为导向。而课程尚未涉及的合理分层，一方面为了使各个构件在相互平行的平面内运动，另一方面为了避免各个构件、各个运动副之间发生运动干涉。（3）教师指导学生按照上一步骤试验的布局和分层方案，使用实验仪的多功能零件，从最里层开始，依次将各个构件组装连接到机架上。其中选取、调整各
6、种零部件，组装连接为各种机构的方法，详见“六、实验方法指导” 。（4）教师指导学生根据输入运动的形式选择原动件。若输入运动为转动（工程实际中以柴油机、电动机等为动力的情况） ，可选用主动定铰链轴或蜗杆为原动件；若输入运动为移动（工程实际中以油缸、气缸等为动力的情况） ，可选用适当行程的气缸为原动件。具体的组装连接方法详见“六、实验方法指导” 。（5）教师指导学生试用手动的方式摇动或推动原动件，观察整个机构各个杆、副的运动，在原动件的整个行程内都没有发生杆、副干涉和“憋劲”现象，全都畅通无阻之后，才可以安装电机通过软轴联轴器与主动定铰链轴或蜗杆相连，或安装气动组件与气缸相连，进而连接电气电路和空
7、气压缩机。电机和气动组件、空气压缩机以及配套的电气控制系统的组装连接方法详见“六、实验方法指导” 。（6）教师指导学生检查无误后，打开电源，用电气控制盒操纵驱动机构的运动。（7）教师指导学生通过动态观察机构系统的运动，对机构系统的运动到位情况、运动及受力特性作出定性的分析和评价。一般包括如下几个方面： 各个杆、副是否发生干涉； 有无“憋劲”现象； 输入转动的原动件是否曲柄； 运动输出杆件是否具有急回特性； 机构的运动是否连续； 在工作行程中，最小传动角（或最大压力角）是否超过其许用值； 机构运动过程中是否产生刚性冲击或柔性冲击； 机构是否灵活、可靠地按照设计要求运动到位； 自 由 度 大 于
8、1的 机 构 ， 其 几 个 原 动 件 能 否 使 整 个 机 构 的 各 个 局 部 实 现 良 好 的 协 调 动 作 ； 动力元件（电机或气缸）的选用及安装是否合理，是否按预定的要求正常工作。（8）若观察机构系统运动发现问题，则学生必须按照前述步骤进行调整，直到该模型机构机械方案创意设计模拟实施实验教程 3灵活、可靠地完全按照设计要求运动。（9）至此学生已经用实验方法自行确定了机构的设计方案和参数，再测绘自己组装的模型，换算出实际尺寸，填写实验报告，制做影像资料，包括： 粘贴机构照片； 按比例绘制正规的机构运动简图，标注全部参数； 计算机构自由度； 必要时高副低代、划分杆组； 简述步骤
9、（7）所列的各项评价情况； 指出自己有所创新之处； 指出不足之处并简述改进的设想； 将实验报告和机构运动录像交给教师留存备查。（10）教师验收合格，鉴定总体演示效果，作为创新及动手环节的评分依据。六、实验方法本 实 验 仪 为 组 合 可 调 式 ， 它 能 够 组 装 低 副 多 杆 机 构 ， 也 能 够 组 装 凸 轮 机 构 、 齿 轮 齿 条 机 构 、 蜗杆 蜗 轮 机 构 、 带 传 动 机 构 和 槽 轮 机 构 这 五 类 高 副 机 构 ； 还 能 够 组 装 高 、 低 副 组 合 机 构 。 转 动 副 的 铰链 和 移 动 副 的 滑 块 内 部 采 用 了 滚 动
10、轴 承 ， 使 机 构 运 动 的 摩 擦 阻 力 明 显 减 小 ； 采 用 薄 板 型 导 轨 和 夹 板定 位 减 轻 了 自 重 ； 采 用 了 具 有 误 差 补 偿 功 能 的 软 轴 联 轴 器 ， 即 使 电 机 的 安 装 误 差 很 大 ， 仍 可 正 常 传动 ； 采 用 了 便 于 收 存 、 取 用 零 件 的 三 层 联 动 启 闭 式 零 件 箱 ； 它 可 以 用 手 动 ， 电 动 和 气 动 三 种 方 式 来驱 动 ， 因 而 可 以 组 装 、 演 示 和 调 整 多 自 由 度 转 动 型 和 移 动 型 原 动 件 的 组 合 机 构 。本实验仪包含
11、一套具有特定的形状结构和连接关系的非标准零部件。所述非标准零部件包括二自由度导轨基板组件，主动铰链组件，构件杆、杆接头组件，从动铰链组件，滑块组件，齿条齿轮组件，蜗杆蜗轮组件，电机和软轴联轴器安装组件，支承组件和气缸安装的两种组件。1. 机架组件和零件箱（1）机架组件和零件箱的收存和展开待用。机架组件和三层联动启闭式零件箱由教师做好准备。机架组件和零件箱的收存状态如图5.1所示。图 5.1 机架组件和零件箱的收存状态4 机械方案创意设计模拟实施实验教程 机架组件展开时，可按照图5.1文字提示进行操作，然后成为如图5.2所示待用状态；再按该图文字提示进行操作，可以在090 范围内调整并固定机架框
12、的倾角。当机架框转动到与水平面之间的倾角为0时，就是收存状态。图 5.2 机架组件和零件箱的待用状态三层联动启闭式零件箱可以如图5.3所示关闭收存，如图5.4所示展开待用（可以如图 5.1和图5.2所示将其放在机架组件的底架中部，但收存时，不得将零件箱放在纵向导轨上面，以免后者被压弯变形） 。图 5.3 零件箱的收存状态 图 5.4 零件箱的待用状态（2）二自由度调整定位基板。图 5.5所示为机架与活动构件相连接的基板。基板可以在机架框内在横竖两个自由度上调整到合适位置。图5.6为安装在机架框内的二自由度导轨基板组件。在纵向导轨两端各装有两个滚轮，这些滚轮均可在横向导轨的空腔内滚动；旋松六角螺
13、钉则可拨动纵向导轨，带着基板左右移动到所需要的位置；拧紧六角螺钉则纵向导轨被固定成为机架导轨（注意：不可误拧固定滚轮的六角螺母） 。图 5.5 基板机械方案创意设计模拟实施实验教程 5图 5.6 二自由度导轨基板组件旋松基板上的四个沉头螺钉中的上面两个，可以灵活拨动基板上下移动到所需位置；拧紧这两颗沉头螺钉，基板则被固定成为机架的一部分（注意：四个沉头螺钉中的下面两个起连接作用，一般情况下不要旋松） 。基板上的两个 M121 螺孔用于安装主动定铰链，6个 M7 螺孔可以安装支承基座（用来安装连架杆、副） ，也可以直接安装从动铰链或蜗杆组件。如果需要将一块基板换位安装，可以将这4个沉头螺钉全部旋
14、下，拆下基板和其后面的两个条形小板，如图5.6所示将基板在新位置重新安装。（3）机架上的基准平面。本实验仪的基板平面与机架框平面为同一个平面，称为基准平面。2. 与机架相连的运动副（1）机架上的支承基座。 机架与连架杆、副之间的连接件 支承。支承在机架与连架杆、副之间起连接和支承的作用。平面机构的各个杆件在相互平行的平面内运动，为了避免在运动中相互交错的构件发生相互干涉和碰撞，必须合理安排各个构件所在的层面。本实验仪设计的单位层面间距为S7.5mm，设计高副构件齿轮、蜗轮和凸轮的相邻层面间距为S7.5mm，设计低副杆件的相邻层面间距为2S15mm 。针对使用中构件层面布置的各种情况，在图5.7
15、所示的4种支承中选用12种，组装成机架上的支承基座（4种支承的共同之处在于它们的外螺纹都是 M7） 。1#支承和 2#支承的大端内螺孔为 M5；3#支承和 4#支承的大端内螺孔为 M7。1#支承和 3#支承的大端轴向长度为 S；2#支承和 4#支承的大端轴向长度为 2S。6 机械方案创意设计模拟实施实验教程 图 5.7 四种支承 从动固定铰链的支承点 M7 支承基座。M7 支承基座的螺孔 M7 对外，适用于从动固定铰链的安装。将支承基座最外侧端面至基准平面的距离称为支承基座的高度 H。用几个 4#支承在基板或机架框上组装成支承基座，其高度 H 为单位层面间距 S 的偶数倍，该端面螺孔 M7 对
16、外，称为偶数层 M7 支承基座。用一个 3#支承在最外侧，则该支承基座的高度 H 为单位层面间距 S 的奇数倍，端面也是螺孔 M7 对外，称为奇数层 M7 支承基座。 固定导路杆或导路孔的支承点 M5 支承基座。M5 支承基座的螺孔 M5 对外，适用于导路杆或导路孔的安装。将 奇 数 层 M7 支 承 基 座 上 的 唯 一 的 3#支 承 换 为 1#或 2#支 承 ， 则 该 支 承 基 座 的 高 度 H为标 准 层 面 间 距 S的 奇 数 或 偶 数 倍 ， 该 端 面 螺 孔 M5 对 外 ， 称 为 奇 数 层 或 偶 数 层 M5 支 承 基 座 。（2）组成低副和低副构件的零
17、部件。 构件杆和垫块。图5.8所示为低副构件的主体 构件杆。构件杆外端最短的长度为33mm，最长的长度为423mm，长度增量为10mm ，共有系列化的40种长度。本书所说构件杆外端长度L指的是其两头端面之间的距离，用33、43、413 、423表示，加注方括号“ ”以区别于通常所说的“杆长” （两铰链中心之间的距离） 。这 40种 长 度 不 同 的 构 件 杆 具 有 相 同 的 10mm5mm矩 形 横 截 面 ， 便 于 用 作 移 动 副 的 导路 杆 或 组 装 复 杂 杆 件 ； 还 具 有 若 干 个 宽 度 5mm的 长 孔 ， 便 于 活 动 铰 链 或 杆 接 头 在 其
18、上 的 安装 固 定 和 位 置 调 整 。 构 件 杆 可 以 用 来 组 装 二 铰 链 杆 、 多 铰 链 杆 ， 也 可 以 用 作 固 定 导 路 杆 和 活 动的 导 杆 。机械方案创意设计模拟实施实验教程 7图 5.8 40种系列长度的构件杆图 5.9所示为垫块，具有与构件杆相同的10mm5mm 的矩形横截面和一个宽度 5mm 的长孔，组装复杂构件或安排杆件层面时用作辅助零件。 偏心滑块和带铰滑块（见图5.10） 。图 5.9 垫块 图 5.10 带铰滑块偏心滑块的滑块体内部四角装有可转动的4个滚子，构成滚动接触式导路孔；将要穿过滑块体的构件杆与4个滚子接触，使移动副内部的摩擦为
19、滚动摩擦。两个M5内螺纹用于锁定构件杆或固连齿条组件。带铰滑块的滑块体内部四角装有可以转动的4个滚子，构成滚动接触式导路孔；带铰滑块的滑块体内装有滚动轴承，轴承内圈装有铰链轴，两个M5内螺纹用于锁定构件杆或固连齿条组件。（a）偏心滑块 （b）带铰滑块8 机械方案创意设计模拟实施实验教程 主动定铰链（部件） 。如图5.11所示。主动定铰链内有两个滚动轴承，其输出端带有平键，备有长度为1S、2S和 3S 的3种规格的带健轴头，轴头端面有 M4 螺孔可用于轴上零件的轴向固定。将 3种长度的轴头的主动定铰链分别称为主动定铰链 1、2 和 3。图 5.11 主动定铰链 从动定铰链（部件） 。图5.12所
20、示的从动定铰链内有两个滚动轴承，其输出端带有平键，备有长度为2S和3S 的两种规格的带健轴头，轴头端面有M4螺孔可用于轴上零件的轴向固定。将两种长度的轴头的从动定铰链分别称为从动定铰链 2 和 3。图 5.12 从动定铰链 活动铰链、铰链螺母、铰链螺钉和小帽铰链螺钉。用 5.13 所 示 分 别 为 活 动 铰 链 、 铰 链 螺 母 、 铰 链 螺 钉 和 小 帽 铰 链 螺 钉 。活动铰链是由铰链轴和铰链套及其内部的滚动轴承组装而成的不拆部件。铰链轴、铰链螺钉和小帽铰链螺钉具有相同形状参数的扁形截面M7外螺纹；当铰链螺钉的钉帽会与其他零件相碰时，可用小帽铰链螺钉代替。图 5.13 活动铰链
21、、铰链螺母、铰链螺钉和小帽铰链螺钉 套筒轴组件。图5.14所示的套筒轴组件是由长度为2S和3S的两种规格的带键套筒和与之相配的从动轴以及挡片和 M4 螺钉组成的可拆部件。分别称为套筒轴组件 2 和 3。（b）主动定铰链 2（a）主动定铰链 1 （c）主动定铰链 3机械方案创意设计模拟实施实验教程 9图 5.14 套筒轴组件（3）轴线固定的导路杆。如图5.15所示，在一块基板的一个M7螺孔上安装一个M5支承基座，又在机架框上的一个8通孔上安装另一个M5支承基座。注意这两个 M5支承基座的高度必须相等，才能保证固定导路杆与基准平面平行。图 5.15 轴线固定的导路杆也可以将导路杆支承安装在两块基板
22、上，还可以将导路杆两端都支承安装在机架框上。可以采取以下措施调整导路杆的位置和倾角并满足不同长度导路杆的安装需要: 选择位置合适的基板，用前文所述步骤两自由度调整基板的位置，在基板上选择位置合适的 M7 螺孔用以安装 M5 支承基座。 在机架框上选择位置合适的 8光孔用以安装 M5 支承基座。 选择长度合适的构件杆作导路杆，当两个M510 螺栓尚未旋紧时，导路杆可以绕支承基座转动，调整后再将该两个螺栓旋紧。在导路杆上安装滑块(必须事先套好)则构成轴线固定的移动副。（4）轴线固定的导路孔（直接安装在 M5 支承基座上并调整） 。导 杆 受 力 不 大 时 ， 如 图 5.16（ a） 所 示 ，
23、 可 以 只 用 一 个 偏 心 滑 块 构 成 单 滑 块 固 定 导 路 孔 。 在 滑板 或 机 架 框 上 旋 紧 安 装 一 个 高 度 合 适 的 M5 支 承 基 座 ， 将 一 个 M510 螺 栓 套 上 5 垫 圈 穿 过 滑 块柄 的 长 孔 ， 再 旋 进 支 承 基 座 的 M5螺 孔 ， 调 整 后 旋 紧 固 定 。 构 件 杆 穿 过 滑 块 孔 形 成 移 动 副 。导杆受力较大时，如图 5.16（b）所示，可以用两个偏心滑块构成一个双滑块固定导路孔。在基板或机架框上安装两个相同高度的M5支承基座；然后在该两个支承基座上分别安装偏心滑块，用一根构件杆同时穿过这两个偏心滑块，保证导路孔的两段同轴，调整后拧紧两个 M510螺栓固定。
