机械基础实验

机构运动简图的测绘

5.2.1 实验目的及实验原理

1．实验目的

（1）了解各种常用机构的构件与运动副的实际结构及其表示方法。 （2）初步掌握根据实际机器或机构模型绘制机构运动简图的技能。 （3）验证和巩固机构自由度的计算。 （4）初步掌握机构构件尺寸的测量方法。 2．实验原理

机构各部分的运动是由其原动件的运动规律、该机构中各运动副的类型（高副、低副、转动副、移动副等）和机构的运动尺寸来决定的，而与构件的外形、断面尺寸、组成构件的零件数目及固联方式等无关。所以，只要根据机构的运动尺寸，用简单的线条和规定的符号（参看附表1）来代表构件和运动副，并按一定的比例尺寸表示各运动副的相对位置，就可以画出能准确表达机构运动特性的机构运动简图。

正确的机构运动简图中各构件的尺寸、运动副的类型和相对位置以及机构组成形式应与原机构保持一致。即机构运动简图与原机构具有完全相同的运动特性，因而可以根据该图对机构进行运动分析和动力分析。

5.2.2 实验设备及工具

1．各类典型机械的实物（如：装订机、插齿机、缝纫机头等）；

2．各类典型机械的测绘模型（如：急回简易冲床、滗水器、曲柄摇块泵、剪床机构、抛光机、颚式破碎机、曲柄滑块泵、摆动导杆泵、曲柄摇杆泵等）；

3．钢板尺，游标卡尺，内外卡钳，量角器（根据需要选用）； 4．三角板，铅笔，橡皮，草稿纸（自备）。

5.2.3 实验内容与结果分析

1．实验内容

（1）了解机器的用途及工作原理（大致知道即可）。

（2）开动机器（最好用手缓慢搬动机器的原动件），从原动件开始仔细观察各构件的运动，从而认清组成机构的构件数目和运动副数目，根据相联的两构件间的接触情况及相对运动的性质，确定运动副的类型。

观察中须仔细，特别是在计算构件数目和运动副数目时，要注意哪些应该计算，哪些可以不算。 （3）选择合适的投影面（最能表示出机构组成和运动的那个投影面）。在草稿纸上从原动件开始，依照运动传递的顺序，按构件和运动副的规定表示方法，大致按比例（确切的比例有待尺寸的测定），徒手画出机构运动简图的草稿。

（4）从原动件起用数字1、2、3„„及字母A、B、C„„分别标注相应的构件和运动副。用箭头标出原动件的运动方向和运动形式。

（5）分析所绘制的机构运动简图，找出要确定该机构运动简图位置时（原动件的位置任意假定）所需测出的各个尺寸。

（6）分别测出所需测量尺寸的数值。在测量每个尺寸时，要先考虑好尺寸怎样测量，需用什么量具及辅助工具后再动手，切忌未经思考盲目测量。有些尺寸可直接测量得，有些尺寸要间接才能量得，如图5.1所示的连杆长度L要通过测出L1、d1、d2才能求得。

图5.1 连杆结构示意图

2．结果分析

（1）计算机构的自由度

确定机构的活动构件数目、低副数目、高副数目等，并对特殊点进行分析，然后代入公式计算机构的自由度。

（2）按比例绘制标准的机构运动简图

应注意各构件与运动副的表示方法要符合GB4460中规定的符号，且绘制机构运动简图时的比例尺应为：

μ=

（3）拆分杆组并确定该机构的级别：

机构中的实际尺寸(mm)

图上尺寸(mm)

除去原动件、去除虚约束、注意复合铰链中回转副的数目、高副低代后，观察经整理后的机构运动简图中有无IV级或III级基本杆组，若没有，则按II级基本杆线的5种形式将机构拆分。最后根据所含基本杆组的最高级别确定机构的级别。

5.2.4 实验结果分析（画出机构运动简图并进行机构自由度的计算）

表5.6 测绘结果及自由度计算统计表

编号 机构名称

自由度 计算 自由度 计算

机构运动简图

活动构件数＝ 低副数＝ 高副数＝ 自由度数＝ 原动件数＝ 活动构件数＝ 低副数＝ 高副数＝ 自由度数＝ 原动件数＝

编号 机构名称

机构运动简图

编号 机构名称

活动构件数＝ 低副数＝

自由度

机构运动简图 高副数＝

计算

自由度数＝ 原动件数＝

编号 机构名称

活动构件数＝ 低副数＝

自由度

机构运动简图 高副数＝

计算

自由度数＝ 原动件数＝

在上面机构运动简图中，如有复合铰链、局部自由度、虚约束应在图中指明。

5.2.5 思考题

1、一个正确的机构运动简图应能说明哪些内容？

2、绘制机构运动简图时，原动件的位置为什么可以任意选定？会不会影响到图的正确性？ 3、机构自由度的计算对机构分析和设计有何意义？ 4、怎样才能准确而又迅速地画出简图？

5、分析机构的级别有何意义？你对机构的组成原理有何认识？

附表1：常用运动副的表示法（选自GB4460）

运动副名

称

运动副符号

两构件之一为固定时的运动副

两运动构件构成的运动副

平面运移动动副 副

1

2

2

21

平面高副

2

1

21

空间运

动副

球面副及球销副

点接触高副与线接触高副

圆柱副

凸轮机构

外啮合

齿轮机构

212

2

21

21

内啮合

圆锥齿轮

蜗杆蜗轮

2

21

2

2

附表2：常用构件的表示法（选自GB4460）

2.4 刚性转子的动平衡试验（二）

2.4.1 实验目的及实验原理

1．实验目的

（1）了解DPH-I型智能动平衡机的工作原理和转子的动平衡过程。 （2）熟习用DPH-I型智能动平衡机及对回转构件进行动平衡的调节方法。 （3）培养操作、使用先进设备的动手能力和工程实践能力。

2. 实验原理

对于做定轴转动的构件，由于设计、制造、装配以及材质不均匀等原因，会使回转件结构不对称，也就使回转轴线与其中心主惯性轴线不重合，此时构件上各点所产生的惯性力可以合成为质心的惯性主矢和惯性主矩，这种现象称为不平衡现象。存在不平衡现象的回转构件运动过程中，会产生一种附加的动压力，该力会使整个机械产生周期性振动和噪声，此振动降低了工作精度和可靠性。因此，必须采用平衡配重的方法，以减少乃至消除动压力，保证回转件的正常工作。

根据宽径比b/D（刚性转子的宽度b和其直径D的比值）对不平衡现象进行分类：当刚性转子的宽径比b/D

2.4.2 实验设备及工具

1．实验设备：DPH-I型智能动平衡机 （1）系统组成及其工作原理

系统由计算机、数据采集器、高灵敏度有源压电力传感器和光电相位传感器等组成。如图2.16所示，当被测转子在部件上被拖动旋转后，由于转子的中心惯性主轴与其旋转轴线存在偏移而产生不平衡离心力，迫使支承做强迫震动，安装在左右两个硬支撑机架上的两个有源压电力传感器感受此力而发生机电换能，产生两路包含有不平衡信息的电信号输出到数据采集装置的两个信号输入端；与此同时，安装在转子上方的光电相位传感器产生与转子旋转同频同相的参考信号，通过数据采集器输入到计算机。

1、光电传感器 2、被试转子 3、硬支承摆架组件 4、压力传感器

5、减振底座 6、传动带 7、电动机 8、零位标志

图 2.16 系统组成情况示意图

计算机通过采集器采集此三路信号，由虚拟仪器进行前置处理，跟踪滤波，幅度调整，相关处理，FFT变换，校正面之间的分离解算，最小二乘加权处理等。最终算出左右两面的不平衡量（克），校正角（度），以

及实测转速（转/分）。

（2）性能与主要参数指标 主要技术性能：

a）虚拟智能化测试，仪器界面。

b）硬支承动平衡采用A、B、C尺寸解算，永久定标具有六种支承方式。 c）运行状态实时提示。

d）具有剩余不平衡量允差设置功能，自动提示合格。 主要参数指标：

a）平衡转速：约1200转/分，2500转/分两档。 b）最小可达残余不平衡量≤0.3g mm/kg。 c）一次减低率：≥90%。 d）动态范围：≥60dB。 e）测量时间：最长3s。

（3）软件运行环境及主要软件界面操作介绍 a）系统运行环境要求

586以上微机，32M内存，彩色显示器，Win98、Windows2000、WinNT操作系统。 b）系统软件界面介绍（如图2.17所示）

.17 系统软件主界面示意图

本软件的目的是用于检测和演示如何对转子进行动平衡的，可通过其找到偏心的位置和偏心量的大小，并能演示整个检测处理过程。下面将对软件界面作一个简单的介绍：

a）系统主界面介绍

点击桌面上快速启动图标即可进入启动界面，系统进入所需要的时间由计算机系统的配置而定，计算机系统的配置越好，软件的启动速度越快，启动进度由上面绿色滚动条指示。通过点击启动界面可进入程序主界面。程序主界面区域功能介绍如下：

①测试结果显示区域：包括左右不平衡量显示、转子转速显示、不平衡方位显示。

②转子结构显示区：用户可以通过双击当前显示的转子结构图，直接进入转子结构选择图，选择需要的转子结构。

③转子参数输入区域：在进行计算偏心位置和偏心量时，需要用户输入当前转子的各种尺寸，如图上所示的尺寸，在图上没有标出的尺寸是转子半径，输入数值均是以毫米（mm）为单位的。

④原始数据显示区：该区域是用来显示当前采集的数据或者调入的数据的原始曲线，在该曲线上用户可以看出机械振动的大概情况，在原始曲线上用户可以看出一些周期性的振动情况。

⑤数据分析曲线显示按钮：通过该按钮可以进入详细曲线显示窗口，从而看到整个分析过程。

⑥指示出检测后的转子的状态，兰色为没有达到平衡，红色为已经达到平衡状态。平衡状态的标准通过“允许不平衡质量”栏由用户设定。

⑦左右两面不平衡量角度指示图，指针指示的方位为偏重的位置角度。 ⑧自动采集按钮：为连续动态采集方式，直到停止按钮按下为止。 ⑨单次采集按钮。

⑩复位按钮：清除数据及曲线，重新进行测试。

11工件几何尺寸保存按钮开关：点击该开关可以保存设置数据（重新开机数据不变）○。

b）模式设置界面（如图2.18所示）

图2.18 模式选择界面

如上图所示，图上罗列了一般转子的结构图，用户可以通过鼠标来选择相应的转子结构来进行实验。每一种结构对应了一个计算模型，用户选择了转子结构同时也选择了该结构的计算方法。

（4）采集器标定窗口（如图2.19所示）

用户进行标定的前提是有一个已经平衡了的转子，在已经平衡了的转子上的A、B两面加上偏心重量，所加的重量（不平衡量）及偏角（方位角）用户从“标定数据输入窗口”输入，启动装置后，通过点击“开始标定采集”来开始标定的第一步，这里需要注意的是所有的这些操作是针对同一结构的转子进行标定的，以后进行转子动平衡时应该是同一结构的转子，如果转子的结构不同则需要重新标定。“测试次数”由用户自己设定，次数越多标定的时间越长，一般5～10次。“测试原始数据”栏只是用户观察数据栏，只要有数据表示正常，反之为不正常。“详细曲线显示”用户可观察标定过程中数据的动态变化过程，以此来判断标定数据的准确性。

图2.19 仪器标定窗口

在数据采集完成后，计算机采集并计算的结果位于第二行的显示区域，用户可以将手工添加的实际不平衡量和实际的不平衡位置填入第三行的输入框中，输入完成并按“保存标定结果”按钮，“退出标定”完成该次标定。

（5）数据分析窗口

按“数据分析曲线”键得如下窗口，可详细了解数据分析过程。

图2.20 采集数据分析窗口

①滤波器窗口：显示加窗滤波后的曲线，横坐标为离散点，纵坐标为幅值。

②频谱分析图：显示FFT变换左右支撑振动信号的幅值谱，横坐标为频率，纵坐标为幅值。

③实际偏心量分布图：自动检测时，动态显示每次测试的偏心量的变化情况。横坐标为测量点数，纵坐标为幅值。

④实际相位分布图：自动检测时，动态显示每次测试的偏相位角的变化情况。横坐标为测量点数，纵坐标为偏心角度。

最下端指示栏指示出每次测量时转速、偏心量、偏心角的数值。 2．主要工具

（1）天平及配套砝码。

（2）各种不同质量的小磁钢块（作为校验用配重）。 （3）待平衡的转子。

2.4.3 实验内容

1、实验准备工作

（1）根据转子支撑间距，调整好两硬支承摆架之间的相对位置，并加以紧固。

（2）做好清洗工作，特别是转子轴颈和支撑三角间清洗后，其表面可加少量清洁机油。在清洗过程中为方便可取下转子，清洗完成后，将转子复位并套上传送带，进行调整预紧。

（3）调节好限位支架，以防止转子运转过程中沿轴向的移动和径向的跳动。

（4）转子转速分为1200转/分和2500转/分两档，可通过选择电机的不同输出带轮来得到。

（5）打开电源开关，观察在转子外圆表面所做的黑色标记；调整光电传感器位置，使其光电头垂直于转子中心线并对准黑色标记（一般光电头到转子上标志的距离为3～5cm左右）采用手驱动转子使之缓慢转动，观察光电头上信号指示灯是否满足当其正对黑色标记区域指示灯灭，而在其它区域内指示灯亮的规律，如指示灯一直处于熄灭的状态，可通过顺时针旋转光电传感器上灵敏度旋钮从而增加光电头的感光度的方法进行解决。

2、确定转子类型并进行系统的标定

（1）点击桌面上快速启动按钮，进入主程序界面，选择转子类型，并在仪器上进行相应尺寸的测量，将数据输入主程序尺寸长度配置栏，单击保存按钮进行保存。

（2）在已经平衡的转子A、B两面加上偏心质量块（采用小磁钢，一般质量以0.5～1.5g为宜），将所加的不平衡质量值及偏角（方位角）从“标定数据输入窗口”输入，打开电源开关，待转动平稳后，点击“开始标定采集”，进入标定界面，设定测试次数（一般5～10次），并在测试原始数据栏中观察数据是否正常。“详细曲线显示”用户可观察标定过程中数据的动态变化过程，以此来判断标定数据的准确性。标定完毕后保存标定结果，然后关闭电机电源。

3、制作不平衡转子并进行动平衡校正 （1）通过在已平衡转子表面添加小磁钢的方法来制作不平衡转子，记录下不平衡质量块的大小及相位用于课后的理论计算。

（2）启动电机，待转子运转平稳后，点击自动采集按钮进行数据采集，采集分析过程自动进行，待分析数据结果数值稳定后，关闭电机开关。根据数据分析结果在测得相位的反相处添加与测得偏心质量相等的小磁钢块。再启动电机进行数据采集，观察所测数值是否在精度范围内，如满足则可认为此不平衡转子重新达到平衡，并将测得数据进行记录，如不满足在记录测得数据的同时继续根据测得结果进行动平衡处理直到满足动平衡的精度要求为止。

（3）改变不平衡转子，重新进行上面的实验内容。

2.4.4 实验数据记录及处理

1、转子类型（附示意图说明） ； mm； mm；

精度：∆m≤____g（默认状态下为0.3g） 2、实验数据记录

表2.3 实验数据记录表

试件编号 平衡平面

次序

不平衡质量（g） 测量值

左

1 2 3

右

1 2 3

校正值

不平衡量所在半径（mm）

相位差（º） 测量值

校正值

2.4.5 思考题

1. 刚性回转构件不平衡有什么危害？

2. 经过动平衡的刚性转子，是否会有残留的动不平衡问题？若有，根据工作需要应该怎样解决这个误差？ 3. 指出影响动平衡精度的因素有哪些？

4. 刚性转子经过动平衡后，是否满足静平衡要求？

2.4 渐开线直齿圆柱齿轮参数的测定

2.4.1 概述

*

渐开线齿轮的基本参数包括齿数z、模数m、压力角α、齿顶高系数ha、顶隙系数c*和变位系数x。其中*

模数m、压力角α、齿顶高系数ha、顶隙系数c*为国家标准中规定的标准值。在生产中，为修配齿轮，必须对

原有齿轮进行测绘，确定基本参数。这些基本参数可以通过游标卡尺、公法线千分尺测量得到的数据根据渐开线直齿圆柱齿轮几何尺寸的公式计算得出。

2.4.2 实验目的

1．了解与掌握用游标卡尺测定渐开线直齿圆柱齿轮基本参数的方法。 2．熟练掌握齿轮各参数之间的相互关系及其计算公式。

2.4.3 实验内容及要求

1．学会测量公法线长度并以此确定圆柱齿轮的模数及其他参数的方法； 2．计算齿轮的几何尺寸。

3．将测量结果及计算内容总结成表。 2.4.4 实验设备和工具

设备：渐开线直齿圆柱齿轮一对。 工具：游标卡尺一把。

2.4.5 实验原理

*

单个渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数包括：齿数z、模数m、压力角α、齿顶高系数ha、径向间隙系数c、

*

变位系数x等。本实验利用游标卡尺来测量齿轮，并通过计算得出一对直齿圆柱齿轮的基本参数。

1．齿顶圆直径da与齿根圆直径df:若齿数z为偶数，可直接用卡尺量出da及df，若齿数z为奇数，则不能直接量出，而要分段测量。

图2-10 奇数齿外径测定

测量具体计算方法如下：首先测和df值：

得d0、H1、H2，然后利用下式进行计算da

－1） －2）

示，可测量出跨K个齿的尺寸公法线长度WK

da=d0+2H1 （2df=d0+2H2 （8

2．基节Pb的测量

用卡尺量基节Pb 如图2-11所及跨K+1个齿的尺寸公法线长度

图8-11 公法线的测定

WK+1。在测量时，必须使卡尺之两脚与渐开

线齿廓相切，而不能使两脚触及齿根圆或与非渐开线齿廓相碰。根据渐开线的性质，在图2-11中测出的WK（图中K=3）为：

WK=(K-1)Pb+Sb （2-3）

式中：Sb为基圆的齿厚。

同理， WK+1=KPb+Sb （2-4）

则：

WK+1-WK=Pb （2-5）

为了能保证使卡尺的两脚与齿廓的渐开线部分相切，所需的跨齿数K按下式计算：

αK=z+0.5 （2-6）

180

所跨的齿数K值也可按齿轮的齿数Z由下表进行查取。

3．模数m与压力角α的确定

由周节公式： P=πm=Pb/coαs （2-7）

一般α=15或α=20

故可把15或20分别代入式（2-7）中试求m，看m是否为标准模数或极近似于标准模数，即可决定α及m。

4．变位系数x的确定

在基节的计算过程中，通过WK及WK+1可同时求得基圆齿厚Sb

Sb=WK-(K-1)Pb=WK+1-KPb （2-8）

rb

+2rbinVα r

式中：r、rb－分度圆、基圆的半径；

而 Sb=S

S－分度圆上的齿厚，且有：

S=m(π+2xtanα) （2-9）

2

将（2-9）式代入（2-8）式得：

Sbπ

-Zinvα-

2 x=mcosα

2tanα

式中：Sb、m、α、Z 各值均已求得，因而能够算出x值来。其中Sb与m的单位均为mm。 5．齿顶高系数ha与径向间隙系数C*的确定 对于变位齿轮来说，其齿根高的计算公式为：

hf=m(ha*+C*-X) （2-10）

根椐定义有：

hf=

*

*

*

d-df

2

*

=

(mZ-df)

2

（2-11）

常用的ha与C有正常齿制（ha=1，C=0.25）与短齿制（ha=0.8,C=0.3）两种标准。故可将此两种标准分别代（2-11）或来求值与（2-10）式之值相比较，就其相近者即能定出该齿轮是属于何种标准，从而确定其ha与C值。

2.4.6 实验步骤及注意事项

1． 分别数出各齿轮的齿数；

2． 由式（2－6）或表2－2求取跨齿数K值；

3． 用卡尺分别量出各齿轮的da、df（或H1、H2及d0）、WK及WK+1等量。每个尺寸值均测三次，取其平

*

*

*

*

*

均值。测量时取卡尺读数精确到0.02mm。

4． 逐个计算齿轮的参数，记入实验报告表格当中。 5．注意事项：

（1）测量前应检查卡尺是否精确，灵活，有无原始读数。

（2）测量公法线长度时，卡尺两脚必须与齿廓渐开线相切，使切点在齿轮分度圆附近（即齿廓曲线中点附近）为宜。

（3）在测量前应先搞清楚需要测哪些尺寸，即可求出所需的参数，切勿盲目进行。

2.4.7 思考题

1．测量齿轮公法线长度是根据渐开线的什么性质？ 2．决定渐开线齿廓形状的基本参数有哪些？

3．给你一对齿轮，你能从哪些方面来判断其属于标准齿轮，还是变位齿轮？ 4．齿厚的上下偏差均为负值，所以实际测到的公法线长度比理论值略小，会影响变位系数x测量的精确性，在生产实际中对此应如何加以处理？

9.1 机构运动方案创新设计实验

9.1.1 实验目的及实验原理

1．实验目的

（1）加深对平面机构的组成原理的认识，进一步了解机构的组成及其运动特性； （2）掌握机构创新模型的使用方法及实验原理；

（3）训练学生的工程实践动手能力，培养学生创新意识及综合设计的能力。 2．实验原理 （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相等，因此机构由机架、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都必需是整数。由此可以获得各种类型的杆组。当n=1，pH=1，

pL=1时即可获得单构件高副杆组，常见的有如下几种：

图9.1 单构件高副杆组

当时pH=0，称之为低副杆组，即：

F=3n-2pL=0 （9.1）

因此，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„„。

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级组共有如图9.2所示5种形式。

图9.2 平面低副Ⅱ级组

n=4，pL=6的杆组形式很多，机构创新模型已有图9.3所示的几种常见的Ⅲ级杆组。

图9.3 平面低副Ⅲ级组

（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机架上的方法来组成，这是本实验的基本原理。

9.1.2 实验设备及工具

1.实验设备：

机构运动方案创新设计实验台，两人一套。

机构运动方案创新设计实验台设备包括机架及其组件，如图9.4所示为实验台机架的结构示意图。

1.沿x方向移动的立柱 2.沿y方向移动的滑块

图9.4 实验台机架

1．实验台机架

实验台机架如图9.4所示：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．其他组件

（1）凸轮和高副锁紧弹簧 凸轮基圆半径为18mm，从动推杆的行程为30mm。从动件为正弦加速度运动规律；凸轮与从动件的高副形成是依靠弹簧力的锁合，各4件。

（2）齿轮 模数2，压力角200，齿数分别为34和42，两齿轮中心距为76mm，各4件。 （3）齿条 模数2，压力角200，单根齿条全长为422mm，为4件。 （4）槽轮拨盘 两个主动销，为4件。 （5）槽轮 4槽，为1件。

（6）主动轴 动力输入用轴，轴上有平键槽。L为5mm、20mm、35mm、50mm各4件，L为65mm，

为2件。

（7）转动副轴（或滑块） 主要用于跨层面（即非相邻平面）的转动副或移动副的形成。L为5mm、15mm、30mm分别为6件、4件、3件。

（8）扁头轴 又称从动轴，轴上无键槽，主要起支撑及传递运动的作用。L为5mm、20mm、35mm、50mm、65mm，分别为16件、12件、12件、10件和8件。

（9）主动滑块插件 与主动滑块座固联，可组成做直线运动的主动滑块。L为40mm、55mm，各一件。 （10）主动滑块座 与直线电机齿条固连形成主动件，且随直线电机齿条作往复直线运动。

（11）连杆（或滑块导向杆） 其长槽与滑块形成移动副，其圆孔与轴形成转动副。L为50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm，各8件。

（12）压紧连杆用特制垫片 将连杆固定在主动轴或固定轴上时用，φ6.5为16件。

（13）转动副轴（或滑块）与固定轴块配用时可在连杆长槽的某一选定位置形成转动副或做滑块。L为5mm、20mm，各8件。

（14）转动副轴（或滑块） 用于两构件形成转动副或作滑块用，为16件。

（15）带垫片螺栓 转动副轴与连杆之间构成转动副或移动副时用带垫片螺栓连接，用于加长转动副轴或固定轴的轴长，规格M6，为48件。

（16）压紧螺栓 转动副轴或固定轴与连杆形成同一构件时用该压紧螺栓连接，规格M6,为48件。 （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，避免发生运动构件间的运动干涉。L为5mm、15mm、30mm、45mm、60mm，分别为35件、40件、20件、20件、10件。

（18）带轮 大轴孔，用于旋转电机，为3件。 （19）主动轴带轮 小轴孔，用于主动轴，为3件。

（20）盘杆转动轴 盘类零件或与其他构件（如连杆）构成转动副时用。L为20mm、35mm、45mm，分别为6件、6件、4件。

（21）固定转轴块 用螺栓将固定转轴块锁紧在连杆长槽上，构件可与该连杆在选定位置形成转动副，为8件。

（22）加长连杆和固定凸轮弹簧用螺栓、螺母 用于两杆加长时锁紧的连接件，固定弹簧，M10，各为18件。

（23）曲柄双连杆部件 偏心轮与活动圆环形成转动副，且已制作成一组合件，为4件。 （24）齿条导向板 将齿条夹紧在两块齿条导向板之间，可保证齿轮与齿条的正常啮合，为8件。 （25）转动副轴（或滑块） 轴的扁头主要用于两构件形成转动副；轴的圆头主要用于两构件形成移动副，或做滑块时用，为16件。

（26）安装电机座行程开关座用内六角螺栓、平垫 标准件M8×25，φ8，各32件。 （27）内六角螺钉 标准件M6×15，为2件，用于将主动滑块固定在直线电机齿条上。 （28）内六角螺钉 标准件M6×6，为18件。

（29）滑块 已与机架连接，用于支撑轴类零件，并在机架平面内沿铅垂方向上下移动，为64件。 （30）压紧立柱特制平垫 已与机架相连，用于固定立柱。φ9，为40件。 （31）固定立柱上滑块用特制螺母 已与机架相连，M6，为64件。

（32）固定电机用特制螺母 卡在机架的长槽内，可轻松拧紧螺栓固定电机座，为18件。

（33）行程开关支座 2件，并配内六角头螺栓平垫，M5×15，φ5，各4件。用于行程开关与其座的连

接，行程开关的安装高度可在长孔内进行调节。

（34）平垫片 使轴相对机架不转动时用，φ17，为20件。 （35）防脱螺母 防止轴从机架上脱出，M12，为76件。 （36）转速电机座 已与电机相连，为3件。 （37）直线电机座 已与电机相连，为1件。 （38）平键 主动轴与带轮的连接，3×15，为20件。

（39）直线电机控制器 与行程开关配用，可控制直线电机的往复运动行程。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，与直线电机相连的4芯插座、与行程开关相连的5芯插座和2A保险管，为1件。

（40）带 标准件，O型，为3件。

（41）直线电机 10mm／s，10r／min。直线电机安装在实验台机架底部，并可沿机架底部的长形槽移动电机。直线电机的长齿条为机构输入直线运动的主动件。在实验中，允许齿条单方向的最大直线位移为300mm，可根据主动滑块的位移量确定直线电机两行程开关的相对间距，并且将两行程开关的最大安装间距限制在300mm范围内。

表9.1 部分组件的结构示意图

标号

1

名称

主动轴及扁头轴

结构示意图

2

转动副轴

规 格及功能

与机架相连，带键槽的为主动轴。不带键槽的为扁头轴。

外伸端长度：L=5mm、20mm、 35mm、50mm、65mm

用于构成转动副或移动副的连接轴

移动副轴：L=5mm、15mm、30mm 转动副轴：L=5mm、20mm、 35mm、50mm、65mm

3

带垫片螺栓及压紧螺栓

装于轴端头，有台肩的可压紧轴端头，无台肩的可压紧套在轴上的连杆。

将1、2的圆柱或扁头装于其上的圆孔或槽中，用端螺栓压紧轴端头，构成转动副或移动副。

4

连杆

5

主动滑块座

6

齿条

大孔装于直线电机的圆形齿条上并固定，轴孔与销轴2连接。销轴2或作主动滑块或与齿条连接。 与齿轮啮合，构成齿轮齿条传动。

7 8

齿条

护板

通过4个螺孔与齿条连接，使齿轮与齿条在同一平面上啮合。 标准直齿轮，z1=34、z2=42

齿轮

9

凸轮

基圆半径18mm，推程30mm，回程30mm

4槽

双销，销回转半径49.5mm

10

槽轮

11

拨盘

2．工具

提供M5、M6、M8内六角扳手各2件、150mm～200mm活动扳手各1件、1m卷尺、铅笔、纸张自带。

9.1.3 实验方法与步骤

1．正确拆分杆组

正确拆分杆组的三个步骤：

（1）先去掉机构中的局部自由度和虚约束，必要时可将高副加以低代。 （2）计算机构的自由度，确定原动件。

（3）从远离原动件的一端（一般为执行构件）开始拆分杆组，每次拆分时，要求先试着拆分Ⅱ级组，没有Ⅱ级组时，再拆分Ⅲ级组等高一级组，最后剩下原动件和机架。

拆组是否正确的判定方法是：拆去一个杆组或一系列杆组后，剩余的必须为一个完整的机构或若干个与机架相联的原动件，不能有不成组的零散构件或运动副存在，全部杆组拆完后，只应当剩下与机架相联的原动件。

如图9.4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=1，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。

2．正确拼装杆组

将机构创新模型中的杆组，根据给定的运动学尺寸，在平板上试拼机构。拼接时，首先要分层，一方面是为了使各构件的运动在相互平行的平面内进行，另一方面是为了避免各构件间的运动发生干涉，因此，这一点是至关重要的。

试拼之后，从最里层装起，依次将各杆组联接到机架上去。杆组内各构件之间的联接已由机构创新模型提供，而杆组之间的连接可参见下述的方法。

图9.5 例图

（1）转动副的联接

图9.6（a）表示构件1与带有转动副的构件2的联接方法。

（2）移动副的联接图9.6（b）表示构件1与构件2用移动副相联的方法。

1

1

（3）滑块与连杆组成转动副和移动副的拼接

如图9.7所示的拼接效果是滑块的扁平轴颈处与连杆之间形成移动副，且滑块1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的组装形式。

图9.7 滑块与连杆组成转动副和移动副的拼接示意图 图9.8 齿轮与轴的拼接示意图

（4）齿轮与轴的拼接

如图9.8所示，齿轮装入轴上时，应紧靠轴的根部，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，用内六角紧固螺钉将齿轮固定在轴上（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。

（5）齿轮与连杆形成转动副的拼接

如图9.9所示，拼接为连杆与齿轮形成转动副。视所选用盘杆转动轴的轴颈长度不同，决定是否需用运动构件层面限位套。

若选用轴颈长度L=35mm的盘杆转动轴，则可组成双联齿轮机构，并与连杆形成转动副；若选用L=45mm的盘杆转动轴，同样可以组成双联齿轮机构，与前者不同的是要在盘杆转动轴上加装一运动构件层面限位套。

图9.9 齿轮与连杆形成转动副的拼接

（6）凸轮与轴的拼接

按图9.10所示拼接好后，凸轮与轴形成为一个构件。

图9.10 凸轮与轴的拼接示意图

（7）滑块导向杆相对机架的拼接

如图9.11所示，将轴插入滑块的轴孔中，用平垫片、防脱螺母将轴固定在机架上，并使轴颈平面平行于直线电机齿条的运动平面；将滑块导向杆通过压紧螺栓固定在轴颈上。这样，滑块导向杆与机架成为一个构件。

图9.11 主动滑块与直线电机齿条的拼接

3．实现确定运动

试用手动的方式驱动原动件，观察各部分的运动都畅通无阻之后，再与电机相联，检查无误后，方可接通电源。

4．分析机构的运动学及动力学特性

通过观察机构系统的运动，对机构系统的运动学及动力学特性作出定性的分析。一般包括如下几个方面： （1）平面机构中是否存在曲柄。 （2）输出件是否具有急回特性。 （3）机构的运动是否连续。

（4）最小传动角（或最大压力角）是否在非工作行程中。 （5）机械运动过程中是否具有刚性冲击和柔性冲击。

9.1.4 实验任务书

1．课前自拟机构运动方案作为机构组合实验内容；

2．将所拟定的机构运动方案按杆组进行正确拆分，并用机构简图表示出来；

3．正确拼装杆组完成机构运动方案的搭接。并根据所学知识修正使其满足机构运动的各项要求，并将分析调整过程进行详细的记录；

4．列出所用零部件清单；

5．完成实验报告一份，相关内容在实验报告中有具体体现。

9.1.5 思考题

1．根据你所拆分的杆组，按不同的顺序排列杆组，可能组合的机构运动方案有哪些？要求用机构运动简图方式表示出来，根据运动传递情况作方案比较，并简要说明之。

2．利用不同的杆组进行机构拼接，得到了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。