一、实验目的

加深学生对平面机构的组成原理、结构组成的认识，了解平面机构组成及运动特点；

培养学生的机构综合设计能力，创新能力和实践动手能力。

二、实验设备及工具

ZBS-C机构运动创新设计方案实验台（参看“ZBS-C机构运动创新设计方案实验台组件清单”）

1）齿轮：模数2，压力角20°，齿数为28、35、42、56，中心距组合为：63、70、77、84、91、98；

2）凸轮：基圆半径20㎜，升回型，从动件行程为30㎜；

3）齿条：模数2，压力角20°，单根齿条全长为㎜；

4）槽轮：4槽槽轮；

5）拨盘：可形成两销拨盘或单销拨盘；

6）主动轴：轴端带有一平键，有圆头和扁头两种结构型式（可构成回转或移动副）；

7）从动轴：轴端无平键，有圆头和扁头两种结构型式（可构成回转副或移动副）；

8）移动副：轴端带扁头结构形式（可构成移动副）；

9）转动副轴（或滑块）：用于两构件形成转动副或移动副；

10）复合铰链Ⅰ（或滑块）：用于三构件形成复合转动副或形成转动副+移动副；

11）复合铰链Ⅱ：用于四构件形成复合转动副；

12）主动滑块插件：插入主动滑块座孔中，使主动运动为往复直线运动；

13）主动滑块座：装入直线电机齿条轴上形成往复直线运动；

14）活动铰链座Ⅰ：用于在滑块导向杆(或连杆)以及连杆的任意位置形成转动-移动副；

15）活动铰链座Ⅱ：用于在滑块导向杆(或连杆)以及连杆的任意位置形成转动副或移动副；

16）滑块导向杆（或连杆）；

17）连杆Ⅰ：有六种长度不等的连杆；

18）连杆Ⅱ：可形成三个回转副的连杆；

19）压紧螺栓：规格M5，使连杆与转动副轴固紧，无相对转动且无轴向窜动；

20）带垫片螺栓：规格M5，防止连杆与转动副轴的轴向分离，连杆与转动副轴能相对转动；

21）层面限位套：限定不同层面间的平面运动构件距离，防止运动构件之间的干涉；

22）紧固垫片：限制轴的回转；

23）高副锁紧弹簧：保证凸轮与从动件间的高副接触；

24）齿条护板：保证齿轮与齿条间的正确啮合；

25）T型螺母

26）行程开关碰块

27）皮带轮：用于机构主动件为转动时的运动传递；

28）张紧轮：用于皮带的张紧；

29）张紧轮支承杆：调整张紧轮位置，使其张紧或放松皮带；

30）张紧轮轴销：安紧张紧轮；

31、32、33）螺栓：特制，用于在连杆任意位置固紧活动铰链座Ⅰ；

34）直线电机：10㎜/s，配直线电机控制器，根据主动滑块移动的距离，调节两行程开关的相对位置来调节齿条或滑块往复运动距离，但调节距离不得大于㎜；注意：机构拼接未运动前，应先检查行程开关与装在主动滑块座上的行程开关碰块的相对位置，以保证换向运动能正确实施，防止机件损坏；

35）旋转电机：10r/min，沿机架上的长形孔可改变电机的安装位置；

36）实验台机架

37）标准件、紧固件若干（A型平键、螺栓、螺母、紧定螺钉等）；

2.组装、拆卸工具：一字起子、十字起子、呆扳手、内六角扳手、钢板尺、卷尺。

3.实验需自备笔和纸。

三、实验原理、方法与步骤

实验原理

任何平面机构都是由若干个基本杆组（阿苏尔杆组）依次联接到原动件和机架上而构成的。

实验方法与步骤

1)掌握平面机构组成原理；

2)熟悉本实验中的实验设备，各零、部件功用和安装、拆卸工具；

3)自拟平面机构运动方案，形成拼接实验内容；

4)将自拟的平面机构运动方案正确拆分成基本杆组（即阿苏尔杆组）；

正确拼接各基本杆组；

5)将基本杆组按运动传递规律顺序联接到原动件和机架上。

四、杆组概念、基本杆组的拆分与拼装

杆组的概念

机构具有确定运动的条件是其原动件的数目应等于其所具有的自由度的数目。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，我们将最后不能再拆的最简单的自由度为零的构件组称为基本杆组（或阿苏尔杆组），简称为杆组。

由杆组定义，组成平面机构的基本杆组应满足条件：

式中：n为杆组中的构件数；PL为杆组中的低副数；PH为杆组中的高副数。由于构件数和运动副数目均应为整数，故当n、PL、PH取不同数值时，可得各类基本杆组。

1）高副杆组

2）低副杆组

当PH=0时，杆组中的运动副全部为低副，称为低副杆组。由于有

故

故n应当是2的倍数，而PL应当是3的倍数，即n=2、4、6…，PL=3、6、9…。当n=2，PL=3时，基本杆组称为Ⅱ级组。Ⅱ级组是应用最多的基本杆组，绝大多数的机构均由Ⅱ级杆组组成，Ⅱ级杆组可以有图6.2所示的五种不同类型：

图6.2平面低副Ⅱ级组

n=4，PL=6时的基本杆组特称为Ⅲ级组，常见的Ⅲ级组如图6.3所示：

图6.3平面低副Ⅲ级组

由上述分析可知：任何平面机构均可以用零自由度的杆组依次连接到机架和原动件上的方法而形成。因此，上述机构的组成原理是机构创新设计拼装的基本原理。

2.杆组的正确拆分

杆组正确拆分应参照如下步骤：

1）正确计算机构的自由度（注意去掉机构中的虚约束和局部自由度），并确定原动件。

2）从远离原动件的构件开始拆杆组。先试拆Ⅱ级组，若拆不出Ⅱ级组，再试拆Ⅲ级组。即杆组的拆分应从低级别杆组拆分开始，依次向高一级杆组拆分。

正确拆分的判别标准：每拆分出一个杆组后，留下的部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构，直至全部杆组拆出只剩下原动件和机架为止。

3）确定机构的级别（由拆分出的最高级别杆组而定，如最高级别为Ⅱ级组，则此机构为Ⅱ级机构）。

注：同一机构所取的原动件不同，有可能成为不同级别的机构。但当机构的原动件确定后，杆组的拆法是唯一的，即该机构的级别一定。

若机构中含有高副，为研究方便起见，可根据一定条件将机构的高副以低副来代替，然后再进行杆组拆分。

图6.4杆组拆分例图（锯木机机构）

如图所示机构，先去掉K处的局部自由度，计算机构的自由度：

并设凸轮（与杆件1固连）为原动件；按步骤2）的拆分原则，先拆分出由杆件4、5，2、3，6、7组成的三个Ⅱ级杆组，再拆分出由杆件8组成的单构件高副杆组，最后剩下的是原动件1和机架9。上图机构为Ⅱ级机构。

3.杆组的正确拼装

根据事先拟定的机构运动简图，利用机构运动创新设计方案实验台提供的零件按机构运动的传递顺序进行拼装。拼装时，通常先从原动件开始，按运动传递规律进行拼装。拼装时，应保证各构件均在相互平行的平面内运动，这样可避免各运动构件之间的干涉，同时保证各构件运动平面与轴的轴线垂直。拼装应以机架铅垂面为参考平面，由里向外拼装。

注意：为避免连杆之间运动平面相互紧贴而摩擦力过大或发生运动干涉，在装配时应相应装入层面限位套。

机构运动创新设计方案实验台提供的运动副拼接方法参见以下各图所示。

1）实验台机架

图6.5实验台机架图

实验台机架中有5根铅垂立柱，均可沿X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，应将立柱与上（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X方向发生偏移）。

注：立柱紧固螺钉只需旋松既可，不允许将其旋下。

立柱上的滑块可在立柱上沿Y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，就可在机架的X、Y平面内确定固定铰链的位置。

2）主、从动轴与机架的连接（下图各零件编号与“机构运动创新设计方案实验台组件清单”序号相同，后述各图均相同）

图6.6主、从动轴与机架的连接

按上图方法将轴联接好后，主（或从）动轴相对机架不能转动，与机架成为刚性联接；若件22不装配，则主（或从）动轴可以相对机架作旋转运动。

3）转动副的连接

图6.7转动副连接图

按图示联接好后，采用件19联接端连杆与件9无相对运动，采用件20联接端连杆与件9可相对转动，从而形成两连杆的相对旋转运动。

4）移动副的连接

图6.8移动副连接图

5）活动铰链座Ⅰ的安装

图6.9活动铰链座Ⅰ连接图

如图联接，可在连杆任意位置形成铰链，且件9如图装配，就可在铰链座Ⅰ上形成回转副或形成回转-移动副。

6）活动铰链座Ⅱ的安装

图6.10活动铰链座Ⅱ的连接图

如图连接，可在连杆任意位置形成铰链，从而形成回转副。

7）复合铰链Ⅰ的安装（或转-移动副）

图6.11复合铰链Ⅰ的连接图

将复合铰链Ⅰ铣平端插入连杆长槽中时构成移动副，而联接螺栓均应用带垫片螺栓。

8）复合铰链Ⅱ的安装

图6.12复合铰链Ⅱ的连接图

复合铰链Ⅰ联接好后，可构成三构件组成的复合铰链，也可构成复合铰链+移动副。

复合铰链Ⅱ联接好后，可构成四构件组成的复合铰链。

9）齿轮与主（从）动轴的连接图

图6.13齿轮与主（从）动轴的连接图

10）凸轮与主（从）动轴的连接图

图6.14凸轮与主（从）动轴的连接图

11）凸轮副连接图

图6.15凸轮副连接图

按图示连接后，连杆与主（从）动轴间可相对移动，并由弹簧23保持高副的接触。

12）槽轮机构连接

图6.16槽轮机构连接图

注：拨盘装入主动轴后，应在拨盘上拧入紧定螺钉37，使拨盘与主动轴无相对运动；同时槽轮装入主（从）动轴后，也应拧入紧定螺钉37，使槽轮与主（从）动轴无相对运动。

13）齿条相对机架的连接

图6.17齿条相对机架的连接图

如图连接后，齿条可相对机架作直线移动；旋松滑块上的内六角螺钉，滑块可在立柱上沿Y方向相对移动（齿条护板保证齿轮工作位置）。

14）主动滑块与直线电机轴的连接

图6.18主动滑块与直线电机轴的连接图

当由滑块作为主动件时，将主动滑块座与直线电机轴（齿条）固连即可，并完成如图示连接就可形成主动滑块。

五、实验内容

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

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。

实验内容也可从下列运用于工程机械中的各种机构中选择拼接方案，完成实验。

1.内燃机机构

图6.19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6.20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的作用是使构件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，棉花打捆机、剪板机等均可采用此机构完成预期工作。

3.牛头刨床机构

图6.21牛头刨床机构

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6.22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6.23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6.24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6.25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。

应用举例：椭圆画器和剑杆织机引纬机构。

8.冲压机构

图6.26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；α=β

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6.27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6.28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6.29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以及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6.30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6.31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具有急回性质。

14.冲压机构

图6.32冲压机构

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6.33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β，且有β＞α，实现了摆角放大。各参数间关系为：

六、机构运动创新设计方案实验报告

绘制实际拼装的机构的机构运动简图，并在简图中标注实测得到的机构运动学尺寸。

画出实际拼装机构的杆组拆分简图，并简要说明杆组拆分理由。

根据你所拆分的杆组，按不同方式拼装杆组，可能组合的机构运动方案有哪些？要求用机构运动简图表示出来，并简要说明各机构的运动传递情况，就运动学性能进行方案比较。