CQJPD机构运动创新设计方案实验台要点.docx
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CQJPD机构运动创新设计方案实验台要点
CQJP-D机构运动创
新设计方案实验台
实验指导书
编著：
苏天一谭益松
东北电力大学机械工程学院实验室
2014年6月
简介
CQJP-D实验台主要用于机械原理、机械设计和机械创新设计等课程开设的机构拼装及仿真、机构组合创新等实验，是构建开放型、创新型实验室的重要设备之一。
主要技术特点：
1、该实验台可以让学生应用零件存放柜中的零件，在机架上装配出自己所构思的机构，用带传动联接电机，使机构运动，并观察机构的运转特征。
有效地增强了学生对所学知识的理解；培养了学生的创新能力和动手能力。
2、该实验台主要由四个机架和一个零件存放柜组成，其中三个机架上配交流带减速器电机，一台配直线电机。
零件存放柜内配备有各种基本杆组、回转副、凸轮、槽轮、齿轮、齿条以及复合铰链等基本构件和联接件等共计70种700多个。
3、零件存放柜设计精巧，各种类各规格的构件分门别类地存放在柜内，品种数量一目了然，便于学生实验操作和教师的管理。
4、连杆等杆件可进行大范围尺寸调整，方便机构组合拼装；复合铰链接头构思新颖，可避免不同平面之间构件发生干涉；带传动的张紧装置，使传动更平稳。
安全规范
1、必须佩戴防护眼镜；
2、禁止穿着宽松衣服；
3、必须挽起长袖或者穿短袖；
4、禁止佩戴项链、手表、戒指等物品；
5、留有长发的，必须将长发置于帽子或衣服里面；
6、必须穿厚皮革鞋，禁止穿帆布鞋；
7、禁止戴手套在运行的机器附近；
8、安全开关由指导教师控制，其他任何人不得私自上电开机；
9、指导教师打开安全开关上电之前，必须检查每一个螺栓是否紧固；
10、开机前，指导教师应保证学生在机器1米以外；
11、实验结束，由指导教师检查组件完整，关闭电源后方可离开。
东北电力大学
机械工程学院实验室
机械动力传输创意组合实验平台
附录1实验报告………………………………………………………17
附录2典型机构………………………………………………………20
第一章
绪论
机械机构的用途很普遍，不同的机构有不同的用途，按组成的各构件间相对运动的不同，可分为平面机构（如平面连杆机构、圆柱齿轮机构等）和空间机构（如空间连杆机构、蜗轮蜗杆机构等）；按运动副类别可分为低副机构（如连杆机构等）和高副机构（如凸轮机构等）；按结构特征可分为连杆机构、齿轮机构、斜面机构、棘轮机构等；按所转换的运动或力的特征可分为匀速和非匀速转动机构、直线运动机构、换向机构、间歇运动机构等；按功用可分为安全保险机构、联锁机构、擒纵机构等。
各机构表现形式很多，广泛应用在纺织机械、起吊设备等工程机械上。
一、实验课目的
本实验课目的在于：
验证、巩固和加深课堂讲授的基本理论，加强理论联系实际及独立进行机构创新设计的能力；掌握一些最基本的机械实验方法、测量技能及用实验法来测定一些机械参数的能力；以及培养学生踏实细致、严肃认真的工作作风。
因此，机械拼装实验课是一个不可缺少的重要环节，每个学生必须认真对待，在课前进行预习，在课后分析试验结果，写成实验报告。
二、实验前的准备工作
为了保证实验顺利进行，要求在实验前做好准备工作，教师在实验前要进行检查和提问，如发现有不合格者，提出批评，甚至停止实验的进行，实验准备工作包括下列几方面内容：
1、预习好实验指导书：
明确实验的目的及要求；搞懂实验的原理；了解实验进行的步骤及主要事项，做到心中有底。
2、准备好实验指导书中规定自带的工具、纸张。
3、准备好实验数据记录表格。
表格应记录些什么数据自拟。
三、遵守实验室的规章制度
1、验前必须了解实验设备、仪器的使用性能、操作规程及安全规范，否则不得操作。
2、严格按照规定，精心操作设备、仪器。
如有损坏，按规定处理。
3、实验室内与本实验无关的设备与仪器，一律不得乱动。
4、在实验室严守纪律，不得高声谈笑，保持室内整洁。
5、实验完毕后，将用过设备、仪器整理清洁后放回原处，经指导教师同意后才可离开。
第二章
基础实验1
认识CQZP-D实验台与计算机仿真系统
一、实验目的
CQZP-D实验台的一个重要特性就是搭载了一套计算机仿真系统，在这套软件里，可以方便的学习机械机构的搭建方法，并且对设计好的机构进行模拟搭建和仿真运动。
你将通过应用CQZP-D实验台计算机仿真系统对机构运动的组织运动形式产生一个初步的概念。
二、实验设备
CQZP-D实验台（搭建架、零件柜）、计算机、加密狗等。
三、实验内容与步骤
1、观察搭建架的结构，如图2-1所示。
图2-1搭建架
实验台机架中有5根垂立柱，均可沿水平方向移动。
移动前应旋松在电机侧安装在上、下横梁上的立柱紧固螺钉，并用双手移动立柱到需要的位置后，将立柱与上（或下）横梁靠紧再旋紧立柱紧固螺钉（立柱与横梁不靠紧旋紧螺钉时会使立柱在水平方向发生偏移）。
立柱上的滑块可在立柱上沿垂直方向移动，要移动立柱上的滑块，只需将滑块上的内六角平头紧定螺钉旋松即可（该紧定螺钉在靠近电机侧）。
按上述方法移动立柱和滑块，就可在机架平面内固定铰链的位置。
注*：
立柱紧固螺钉只需旋松即可，不允许将其旋下。
2、观察认识零件柜与工具（如图2-2所示），了解实验柜中各零部件的功用和组装、拆卸工具。
图2-2零件柜
零件存放柜内配备有各种基本杆组、回转副、凸轮、槽轮、齿轮、齿条以及复合铰链等基本构件和联接件等共计70种700多个。
组装、拆卸工具有一字螺丝刀、十字螺丝刀、固定扳手、内六角扳手、钢板尺、卷尺。
3、开启实验配备计算机（两台），向指导教师借加密狗。
4、插入加密狗以后，运行桌面上的执行程序ZBS_C_.exe。
5、点击右上侧“后页”选项，阅读每页的说明文字，点击九次以后，进入零件介绍页面。
点击右侧零件，在主视图中观察零件结构情况。
在主视图中，点击鼠标右键，选择“旋转”，再按住鼠标左键，拖动鼠标即可以旋转零件，便于观察零件的各个面的情况（如图2-3所示）。
图2-3零件介绍页面
6、点击页面右上侧“进入运动演示>>>>>”，进入运动演示页面，双击右侧任意的基本零件组合件，可以在主视图中，看到该组合件的组装过程以及爆炸图。
如图2-4所示。
图2-4运动演示页面
注*：
在页面的最右下角有工程机械拼装方案，点击进入后可学习各工程机械运动机构。
7、点击屏幕右上角的“进入装配训练>>>>”。
这里你将学习各机构的装配及其所用的零件，同时可以通过机构运动的影像，提前了解机构中各部件的运动情况。
如图2-5所示。
图2-5装配训练页面
8、观察指导教师搭装的两组机构，如图2-6、图2-7所示。
图2-6槽轮搭装演示
图2-7凸轮机构
9、由指导教师开机，想学生演示机构运行情况。
第三章
基础实验2
连杆机构设计与性能分析
一、实验目的
1、培养学生对连杆机构的理解掌握与创新设计能力，加强学生的工程实践背景的训练，拓宽学生的知识面，培养学生的创新意识、综合设计及工程实践动手能力。
2、通过机构的拼接，在培养工程实践动手能力的同时，要求学生在拼装一个已有模型之外，自己通过对现实生产和生活中的连杆机构机械产品的观察和理解，通过试验台设备进行拼装和仿真。
通过解决实际问题，促进学生理论联系实际，学以致用；锻炼学生独立思考能力和动手能力。
3、加深学生对连杆机构组成原理的认识，进一步掌握连杆机构的创新设计方法。
4、学习机构运动简图的测绘与自由度的计算。
二、实验设备和工具
CQJP-D机构运动创新设计方案拼装及仿真实验台，包括组成机构的各种运动副、构件、动力源及一套实验工具（扳手、螺丝刀）。
其中构件包括机架、连杆、圆柱齿轮、齿条、凸轮及从动件、槽轮及拨盘和皮带轮等；运动副包括转动副、移动副、齿轮副、槽轮副等。
三、实验原理
平面机构是由各个杆组依次联结到机架和原动件上形成的。
机构具有确定运动的条件是机构的自由度大于零，且原动件数和机构的自由度相等。
所拼接的机构必须满足以上两个条件。
将主要由连杆构成的连杆机构（可加入一个其他类型构件如齿轮、凸轮、槽轮等）进行拼装，计算分析其自由度后，输入动力源进行机构运行。
四、实验内容与步骤
1、开启计算机，打开仿真软件，从“装配训练”的平面机构中的19种连杆机构任选其一。
2、观察其运动方式。
3、记录所需要的零件。
4、上实验台架进行搭装。
5、使用油壶给传动接触部分添加润滑油。
6、搭装结束后，以手动方式输入运动，确认机构拼接无误后，经指导教师许可后再用电机驱动，进行照相和录像。
7、拆卸零部件，擦拭后归于原位。
8、自己设计一个连杆机构，要求有功能分析。
9、自由度分析（填于附录1中表1）
（1）计算机构自由度
（式1）
式中：
n—活动构件数；PL—转动副和移动副总数（低副数）；PH—高副数。
（2）核对计算结果是否正确
即给予机构原动件一运动时，可如果观察到机构各构件运动均是确定的，即可推算出计算结果符合要求。
10、检查无误后进行拼装，并以手动方式输入运动，观察运转情况。
11、测量构件实际尺寸，并按比例尺绘出简图（填于附录1中表1）。
测量各构件尺寸，选择适当的比例尺（见式2）μL（m/mm），按比例尺画出机构简图。
其中：
（式2）
有时，只要了解机构运动特征，而且不需要进行定量分析时可不按比例绘制简图，只需大致绘制相对位置关系即可，称为示意图。
12、经指导教师许可后再用电机驱动，进行照相和录像。
五、思考题
1、请论述在创新设计中的设计思路。
例如你是怎样实现机构功能的增加或改进，设计方案的对比评价，机构分析与确定，机构拼装过程的问题与解决等。
2、在拼接机构时，为何需要确保各个构件的运动与设计时一致？
第四章
基础实验3
齿轮、凸轮、槽轮机构创新设计
一、实验目的
1、促进学生对齿轮、凸轮、槽轮机构的理解和掌握，加强学生的工程实践背景的训练，拓宽学生的知识面，培养学生的创新意识、综合设计及工程实践动手能力；
2、通过机构的拼接，在培养工程实践动手能力的同时，要求学生在拼装一个已有模型之外，通过对现实生产和生活中的齿轮、凸轮或槽轮机构机械产品的观察和理解，通过试验台设备进行拼装和运行。
通过解决实际问题，促进学生理论联系实际，学以致用；锻炼学生独立思考能力和动手能力。
3、加深学生对齿轮、凸轮和槽轮机构组成原理的认识，进一步掌握机构的创新设计方法。
二、实验设备和工具
CQJP-D机构运动创新设计方案拼装及仿真实验台，包括组成机构的各种运动副、构件、动力源及一套实验工具（扳手、螺丝刀）。
其中构件包括机架、连杆、圆柱齿轮、齿条、凸轮及从动件、槽轮及拨盘和皮带轮等；运动副包括转动副、移动副、齿轮副、槽轮副等。
三、实验原理
根据平面机构的组成原理，平面机构是由各个组件依次联结到机架和原动件上形成的。
机构具有确定运动的条件是机构的自由度大于零，且原动件数和机构的自由度相等，所拼接的机构必须满足以上两个条件。
将齿轮、凸轮、槽轮机构（可加入其他类型构件）进行综合拼装，计算分析其自由度后，输入动力源进行机构运行。
四、实验内容与步骤
1、开启计算机，打开仿真软件，从含有齿轮、凸轮、槽轮的机构中任选其一。
2、观察其运动方式。
3、记录所需要的零件。
4、上实验台进行搭装。
5、使用油壶给传动接触部分添加润滑油。
6、搭装结束后，以手动方式输入运动，确认机构拼接无误后，经指导教师许可后再用电机驱动，进行照相和录像。
7、拆卸零部件，擦拭后归与原位。
8、自己设计包含齿轮、凸轮、槽轮的机构，要求有测绘简图和自由度分析（方法见基础实验2，并填于附录1中表2）。
9、检查无误后进行拼装，并以手动方式输入运动，确认机构拼接无误后，经指导教师许可后再用电机驱动，进行照相和录像。
五、思考题
1、请论述在创新设计中的设计思路。
例如你是怎样实现机构功能的增加或改进，设计方案的对比评价，机构分析与确定，机构拼装过程的问题与解决等。
2、在拼接机构时，为何需要确保各个构件的运动与设计时一致？
附录1实验报告
一、实验数据
表1连杆机构
序号
机构名称
机构运动简图
自由度计算
1
μ=（m/mm）
2
μ=（m/mm）
表2齿轮、凸轮、槽轮机构
序号
机构名称
机构运动简图
自由度计算
3
μ=（m/mm）
4
μ=（m/mm）
二、实验结果分析
三、问答题：
1、一个正确的“机构简图”应能说明哪些内容？
2、什么情况下机构中存在“死点”？
上面机构中是否存在“死点”？
怎样避免？
成绩
附录2实验拼接典型方案示例：
机构运动创新设计实验，其运动方案可由学生构思平面机构运动简图进行创新构思并完成方案的拼接，达到开发学生创造性思维的目的。
实验也可选用工程机械中应用的各种平面机构，根据机构运动简图，进行拼接实验。
该实验台提供的配件可完成不少于40种机构运动方案的拼接实验。
实验时每台架可由3～4名学生一组，完成不少于1种/每人的不同机构运动方案的拼接设计实验。
下列工程机械中的各种机构中选择拼接方案典型示例，仅供参考。
1、内燃机机构：
图5-1内燃机机构
机构组成：
曲柄滑块与摇杆滑块组合而成的机构。
工作特点：
当曲柄1作连续转动时，滑块6作往复直线移动，同时摇杆3作往复摆动带动滑块5作往复直线移动。
该机构用于内燃机中，滑块6在压力气体作用下作往复直线运动（故滑块6是实际的主动件），带动曲柄1回转并使滑块5往复运动使压力气体通过不同路径进入滑块6的左、右端并实现排气。
2、精压机机构：
图5-2精压机机构
机构组成：
该机构由曲柄滑块机构和两个对称的摇杆滑块机构所组成。
对称部分由杆件4→5→6→7和杆件8→9→10→7两部分组成，其中一部分为虚约束。
工作特点：
当曲柄1连续转动时，滑块3上、下移动，通过杆4→5→6使滑块7作上下移动，完成物料的压紧。
对称部分8→9→10→7作用是使构件7平稳下压，使物料受载均衡。
用途：
如钢板打包机，纸板打包机，棉花打捆、剪板机等均可采用此机构完成预期工作。
3、牛头刨床机构：
（a）（b）
图5-3牛头刨床机构
图b）为将图a）中的构件3由导杆变为滑块，而将构件4由滑块变为导杆形成。
机构组成：
牛头刨床机构由摆动导杆机构与双滑块机构组成。
只是在图a）中，构件2、3、4组成两个同方位的移动副，且构件3与其它构件组成移动副两次；而图b）则是将图a）中D点滑块移至A点，使A点移动副在箱底处，易于润滑，使移动副摩擦损失减少。
机构工作性能得到改善。
图a）和图b）所示机构的运动特性完全相同。
工作特点：
当曲柄1回转时，导杆3绕点A摆动并具有急回性质，使杆5完成往复直线运动，并具有工作行程慢，非工作行程快回的特点。
4、两齿轮-曲柄摇杆机构：
图5-4齿轮-曲柄摇杆机构
机构组成：
该机构由曲柄摇杆机构和齿轮机构组成，其中齿轮5与摇杆2形成刚性联接。
工作特点：
当曲柄1回转时，连杆2驱动摇杆3摆动，从而通过齿轮5与齿轮4的啮合驱动齿轮4回转。
由于摆杆3往复摆动，从而实现齿轮4的往复回转。
5、两齿轮-曲柄摆块机构：
图5-5齿轮-曲柄摆块机构
机构组成：
该机构由齿轮机构和曲柄摆块机构组成。
其中齿轮1与杆2可相对转动，而齿轮4则装在铰链B点并与导杆3固联。
工作特点：
杆2作圆周运动，为曲柄通过连杆使摆块摆动从而改变连杆的姿态使齿轮4带动齿轮1作相对曲柄的同向回转与逆向回转。
6、喷气织机开口机构：
图5-6喷气织机开口机构
机构组成：
该机构由曲柄摆块机构，齿轮-齿条机构和摇杆滑块机构组合而成，其中齿条与导杆BC固联，摇杆DD′与齿轮G固联。
工作特点：
曲柄AB以等角速度回转，带动导杆BC随摆块摆动的同时与摆块作相对移动，在导杆BC上固装的齿条E与活套在轴上的齿轮G相啮合，从而使齿轮G作大角度摆动，与齿轮G固联在一起的杆DD′随之运动，通过连杆DF（D′F′）使滑块作上、下往复运动。
组合机构中，齿条E的运动是由移动和转动合成的复合运动，而齿轮G的运动就取决于这两种运动的合成。
7、双滑块机构：
图5-7双滑块机构
机构组成：
该机构由双滑块组成，可看成由曲柄滑块机构A-B-C构成，从而将滑块4视做虚约束。
工作特点：
当曲柄1作匀速转动时，滑块3、4均作直线运动，同时，杆件2上任一点的轨迹为一椭圆。
应用举例：
椭圆画器和剑杆织机引纬机构。
8、冲压机构：
图5-8冲压机构
机构组成：
该机构由齿轮机构与对称配置的两套曲柄滑块机构组合而成，AD杆与齿轮1固联，BC杆与齿轮2固联。
组成要求：
Z1=Z2；AD=BC；
工作特点：
齿轮1匀速转动，带动齿轮2回转，从而通过连杆3、4驱动杆5上下直线运动完成预定功能。
该机构可拆去杆件5，而E点运动轨迹不变，故该机构可用于因受空间限制无法安置滑槽但又须获得直线进给的自动机械中。
而且对称布置的曲柄滑块机构可使滑块运动受力状态好。
应用：
此机构可用于冲压机、充气泵、自动送料机中。
9、插床机构：
图5-9插床机构
机构组成：
该机构由转动导杆机构与正置曲柄滑块机构构成。
工作特点：
曲柄1匀速转动，通过滑块2带动从动杆3绕B点回转，通过连杆4驱动滑块5作直线移动。
由于导杆机构驱动滑块5往复运动时对应的曲柄1转角不同，故滑块5具有急回特性。
应用：
此机构可用于刨床和插床等机械中。
10、筛料机构：
图5-10筛料机构
机构组成：
该机构由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构构成。
工作特点：
曲柄1匀速转动，通过摇杆3和连杆4带动滑块5作往复直线运动，由于曲柄摇杆机构的急回性质，使得滑块5速度，加速度变化较大，从而更好地完成筛料工作。
11、凸轮-连杆组合机构：
图5-11凸轮-连杆组合机构
机构组成：
该机构由凸轮机构和曲柄连杆机构以及齿轮齿条机构组成，且曲柄EF与齿轮为固联构件。
工作特点：
凸轮为主动件匀速转动，通过摇杆2、连杆3使齿轮4回转，通过齿轮4与齿条5的啮合使齿条5作直线运动，由于凸轮轮廓曲线和行程限制和各杆件的尺寸制约关系，齿轮4只能作往复转动，从而使齿条5作往复直线移动。
应用：
此机构用于粗梳毛纺细纱机钢领板运动的传动机构。
12、凸轮-五连杆机构：
图5-12凸轮-五连杆机构
机构组成：
该机构由凸轮机构和连杆机构构成，其中凸轮与主动曲柄1固联，又与摆杆4构成高副。
工作特点：
凸轮1匀速回转，通过杆1和杆3将运动传递给杆2，从而杆2的运动是两种运动的合成运动，因此连杆2上的C点可以实现给定的运动轨迹。
13、行程放大机构：
图5-13行程放大机构
机构组成：
该机构由曲柄滑块机构和齿轮齿条机构组成，其中齿条5固定为机架，齿轮4为移动件。
工作特点：
曲柄1匀速转动，连杆上C点作直线运动，通过齿轮3带动齿条4作直线移动，齿条4的移动行程是C点行程的两倍，故为行程放大机构。
注：
若为偏置曲柄滑块，则齿条4带具有急回性质。
14、冲压机构：
图5-14冲压机构
机构的组成：
该机构由齿轮机构、凸轮机构、连杆机构组成，其中凸轮3与齿轮2固联。
工作特点：
齿轮1匀速转动，齿轮2带动与其固联的凸轮3一起转动，通过连杆机构使滑块7和滑块10作往复直线移动，其中滑块7完成冲压运动，滑块10完成送料运动。
该机构可用于连续自动冲压机床或剪床（剪床则由滑块7为剪切工具）。
15、双摆杆摆角放大机构：
图5-15双摆杆摆角放大机构
机构组成：
由摆动导杆机构组成，且有L1＞LAB（AC＞AB）。
工作特点：
当主动摆杆1摆动
角时，从动杆3的摆角为
，且有
＞
，实现了摆角放大。
各参数间关系为：
升级会员 