机构实验

一、实验目的

1. 加强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，为机构创新设计奠定良好的基础。

2. 增强学生对机构的感性认识，培养学生的工程实践及动手能力；体会设计实际机构时应注意的事项；完成从运动简图设计到实际结构设计的过渡。

3. 培养学生创新意识及综合设计的能力。 二、设备和工具

一）设备：创新组合模型两组 一组机构系统创新组合模型（包括4个架）基本配置所含组件如下：

1．接头

接头分单接头和组合接头两种：单接头有5种形式，组合接头有4种形式。

（1） 单接头J1螺纹分左旋和右旋两种。方头的侧面上，为12×12

方通孔。

（2） 单接头J2螺纹分左旋和右旋两种。方头的侧面上，为φ12圆

通孔。

（3）单接头J3螺纹全部为右旋，方头的侧面上为12×12方通孔，且螺杆端有一段φ12的过渡杆，根据长度的不同分为6种，即：从短至长适应一到六层的分层需要，便于不同层次联接选择。

（4）单接头J4为L形状，两垂直面上，一面为方通孔，另一面为圆通孔。

（5）单接头J5有一方孔，其两垂直右旋螺杆上有一端带有φ12圆柱，根据圆柱长度不同分为6种，即：从短至长适应一到六层的分层需要，便于不同层次联接选择。

（6）组合接头J1/J7有两种，J1与J7之间可相对旋转。两种组合接头组合形状一样，但其中一种为一右旋和一左旋螺纹，另一种为两左旋螺纹。

（7）组合接头J6/J4，J6与J4之间可相对旋转。其中：J6为一带方孔的方块。

1

（8）组合接头J6/J7，J6与J7之间可相对旋转。其中：J6为一带方孔的方块。

接头J1

接头J2

接头J5

接头J3

接头J1/J7

接头J4

接头J6/J7

接头J6/J4

2．连杆

（1）连杆为正方形杆件，可套入接头的方孔内进行滑动和固定，共有7种不同长度，可用于各种拼接。杆长在60~300 mm内能分段无级调整，超过300 mm的杆可另行组装而成。小于60 mm的杆件可利用齿轮

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或凸轮上的偏心孔。 代号 L—60 L—100 L—140 L—180 L—220 L—260 L—300

图1 连杆

（2）连杆两端各有右旋及左旋M8螺孔，可通过ZLM齿条连接螺钉将连杆相互连接到所需长度，也可通过HM—1换向螺钉将左旋螺孔转为右旋螺孔，两端孔还可根据需要和其他接头零件相连。

HM—1换向螺钉

ZLM齿条连接螺钉

3．凸轮及凸轮副从动组件 有四种轮廓的凸轮构件。

凸轮上的φ8通孔可穿入接头螺杆，配合端螺母DAM及连杆使凸轮作曲柄使用。

端螺母DAM

凸轮

3

4．齿轮、齿条

齿轮

齿条

模数相等（m=2.5）齿数不同的6种直齿圆柱齿轮（其齿数分别为17，21，25，30，34，43）和一种齿条，可提供43种传动比。齿轮上分布的φ8通孔与凸轮上通孔作用相同。

与齿轮模数相等的齿条（ZL），可通过齿条连接螺钉将两齿条联接到一起，中间的φ12圆孔、20×20方孔可按需要作固定或插杆作用（φ12通孔可配入DAM端螺母和右旋螺杆接头）。

5．组合机架

组合机架是机构系统创新组合模型的主体，由多种零件组成。 （1） 外框架（ZJ1）

（2） 内框架（横梁ZJ2-1、竖梁ZJ2-2） （3） 横向滑杆（ZJ3） （4） 滑杆支板（ZJ4）

（5） 竖滑块（左ZJ5-1，右ZJ5-2）

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组合机架

（6） 横向滑块（ZJ6） （7） 轴套（ZJ7） （8） 锁紧手柄（ZJ9） （9） M20螺母（ZJ10） 6．旋转式电动机总成：

（1） 旋转减速电动机一台（YCJ）其转速为10r/min （2） 旋转电动机支座一件 （3） 电动机安装螺钉 7．减速直线式电动机总成：

（1） 直线减速电动机一台（YCJZ）其速度为10mm/s （2） 直线电动机支座一件（XH）

（3） 直线电动机电控盒（DKH）一套及限位器 （4） 移动副主动轴（YF）及移动轴端子 （5） 旋转副主动轴（XF）

移动副主动轴

旋转副主动轴

8．用于拼接各种机构形式的其他辅助零件： （1） 皮带轮（PN）配A型皮带L=1245 （2） 端螺母（DAM） （3） 垫柱（L4、L20） （4） 弹簧（TH）φ6×60

（5） 齿条连接螺钉（ZLM）及左右旋螺母（M8—1、M8—2）（6） 换向螺钉（HM—1）

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（7） 其它标准件（螺钉、平健等）

皮带轮

L4垫柱

L20垫柱

9．根据教学实践的创意及需要，在模型上增加的其他构件。 二）工具：平口起子和固定扳手及活动扳手若干套。 三、实验前的准备工作

1．要求预习本实验，掌握实验原理，初步了解机构创新模型； 2．熟悉教师给定的设计题目及机构系统运动方案；（亦可自己选择设计题目，初步拟定机构系统运动方案）

3．拆分杆组，画在纸上，实验前交由教师检查。 四、实验原理

任何平面机构都可用零自由度的杆组依次连接到原动件和机架上去的方法来组成，这就是本实验的基本原理。用本实验装置可搭接的杆组有：

1．单构件高副杆组(一个构件，一个低副和一个高副) y2O1 图1凸轮副 x 图2齿轮副 2．平面低副II级杆组共有五种形式，如图3所示： 图3 平面低副II级杆组 6

3．常见的平面低副III级杆组，如图4所示： 图4 平面低副III级杆组 五、实验方法与步骤 1．正确拆分杆组 从机构中拆出杆组具有三个步骤： 1）先去掉机构中的局部自由度和虚约束； 2）计算机构的自由度，确定原动件；

3）从远离原动件的一端开始拆分杆组，每次拆分时，先试着拆分出II级组，没有II级组时，再拆分III级组等高级组，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，剩余的必须为一个与原机构具有相同自由度的子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。 BADMKI图5例图 CABEFCEMDGFGHHIK 如图5所示机构，可先除去I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，先拆分出由滑块C和构件MC组成的II级RRP杆组，接着拆分出由构件AB和BD组成的II级RRR杆组，再拆分出由构件EF和FG组成的II

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级RRR杆组，最后拆分出由构件GHI组成的单构件高副杆组，最后剩下原动件KM和机架。

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。

1）移动副的联接

图6表示两构件以移动副相联接的方法。

图6 移动副的联接

2）转动副的联接

图7表示两构件以转动副相联接的方法。 3）齿条与构件以转动副相联

图8表示齿条与构件以转动副的形式相联接的方法。

4）齿条与其他部分的固联：图9表示齿条与其他部分固联的方法。

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图7 转动副的联接

图8 齿条与构件以转动副形式的联接

图9 齿条与其他部分的固联

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5）构件以转动副的形式与机架相连

图10表示连杆作为原动件与机架以转动副形式相联的方法。用同样的方法可以将凸轮或齿轮作为原动件与机架的主动轴相连。如果连杆或齿轮不是作为原动件与机架以转动副形式相连，则将主动轴换作螺栓即可。注意:为确保机构中各构件的运动都必须在相互平行的平面内进行，可以选择适当长度的主动轴、螺栓及垫柱，如果不进行调整，机构的运动就可能不顺畅。

图10 构件与机架以转动副的形式相连

6）构件以移动副的形式与机架相联

图11表示移动副作为原动件与机架的联接方法。

图11 构件与机架以移动副的形式相连

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，

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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）机构运动过程中是否具有刚性冲击、柔性冲击。

下列各种机构均选自于工程实践，要求用机构创新模型加以实现。 六、实验内容

1．组合机构

1）导杆摇杆滑块冲压机构和凸轮送料机构 如图12所示，曲柄为主动件。其杆长度为：

lAB=87mm,lCD=135mm,lAC=345mm lDE=140mm,lAO=90mm,lOH=95mm h=480mm

图12

2）凸轮连杆机构

结构说明：由凸轮与连杆组合成的组合式机构

工作原理和特点：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。如图13所示机构，由平底直

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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DE往复移动，通过连杆DB与摆杆AB及滑块C带动从动件CF（推料杆）作周期性往复直线运动。

3）齿轮连杆机构：如图14所示为用于打包机中的双向加压机构。摆杆1为主动件，通过滑块2带动齿条3往复移动，使齿轮4回转，与之啮合的齿条5、6的移动方向相反，以完成紧包的动作。 图13 图14 2．间歇运动机构 1）槽轮机构与导杆机构

结构说明：如图15所示为槽轮机构与转动导杆机构串联而成的机构

图15 系统。

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工作原理和特点：当杆1作匀速回转时，导杆和拨盘3作非匀速回转运动。

dd/da,从而改善了槽轮机构的动力特性。 dtda/dt应用说明：槽轮机构动力性能较差，但若将一个转动导杆机构串接

在槽轮机构之前，则可改善槽轮机构的动力性能。

2）单侧停歇的移动机构 结构说明：如图16示机构由六连杆机构ABCDEFG和曲柄滑块机构GFH串联组合而成。连杆上E点的轨迹在E1EE2段近似为圆弧，圆弧中心为F。六杆机构的从动杆FG为GFH机构的主动件。

工作原理和特点：主动曲柄AB作匀速转动，连杆上的E点作平面复杂运动，当运动到E1EE2近似圆弧段时，铰链F处于曲率中心，保持静止状态，摆杆GF近似停歇从而实现滑块H在右极限位置的近似停歇，这是利用连杆曲线上的近似圆弧段实现滑块具有单侧停歇的往复移动。

3．放大机构

图16 1）行程放大机构： a.导杆齿轮齿条机构

结构说明：如图17所示机构，由摆动导杆机构与双联齿轮齿条机构组成。导块4与滑板5铰链，在滑板的E、F两点分别铰接相同的齿轮6和9，它们分别与固定齿条8和移动齿条7啮合。

工作原理：通过摆动导杆机构使导杆1绕C轴摆动，由导块4、滑板5及齿轮6的运动，驱动齿条7往复移动，齿条的行程为滑板5行程的两倍。

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图17

b.多杆行程放大机构

结构说明：如图18所示机构，由曲柄摇杆机构1-2-3-6与导杆滑块机构3-5-6组成。曲柄1为主动件，从动件5往复移动。

工作原理和特点：主动件1的回转运动转换为从动件5的往复移动。如果采用曲柄滑块机构来实现，则滑块的行程受到曲柄长度的。而该机构在同样曲柄长度条件下能实现滑块的大行程。

图18

应用举例：用于梳毛机堆毛板传动机构。 2）摆角放大机构

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a.双摆杆摆角放大机构 结构说明：如图19所示，从动摆杆2插入主动摆杆4端部滑块3中，两杆中心距a应小于摆杆1的半径r。

工作原理：当摆杆1摆动α角时，杆2的摆角β大于α实现摆角增

rtg大，各参数之间的关系为：2arctga2

rseca2b.六杆机构摆角放大机构

结构说明：如图20所示机构，由曲柄摇杆机构1-2-3-6与摆动导杆要构3-4-5-6组成。曲柄1为主动件，摆杆5为从动件。

工作原理和特点：当曲柄1连续转动时，通过连杆2使摆杆3作一定角度的摆动，再通过导杆机构使从动摆杆5的摆角增大。该 机构摆杆5的摆角可增大到2000左右。

应用举例：用于缝纫机摆梭机构。

图19 图20

4.实现特殊点轨迹的机构

1）实现近似直线运动的铰链四杆机构 结构说明：如图21所示，双摇杆机构ABCD的各构件长度满足条件：机架AD0.DC,摇杆AB1.18DC，连杆BC0.27DC，E点为连杆BC延

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长线上一点，且BE0.83DC。DC为主动摇杆。

工作原理和特点：当主动件DC绕机架铰链点D摆动时，E点轨迹为近似直线。

应用举例：可用作固定式港口用起重机，E点处安装吊钩。利用E点的轨迹的近似直线段吊装货物，能符合吊装设备的工艺要求。

3．改变机构的运动特性 1）插床的插削机构

工作原理和特点：如图24所示，在ABC摆动导杆机构的摆杆BC反C'CEBB'E'DQQA 图21 图24 向延长线的D点上加二级RRP杆组（连杆DE和滑块E），成为六杆机构。主动曲柄AB匀速转动，滑块E在垂直于AC的导路上往复移动，具有较大急回特性。改变ED连杆的长度，滑块E可获不同规律。在滑块E上安装插刀，机构可作为插床的插削机构。

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七、拼接实例：铸锭送料机构

1．部件选用 名称 代号 数量 备注 L-300 连杆 L-220 L-180 L-100 旋转副 主动轴 移动副 主动轴 XF YF 2 1 1 2 2 1 6 左旋 名称 接头 组合 接头 垫柱 齿条连接螺钉 螺母 代号 J2-1 J2-2 J1/J7-2 J6/J7-1 L4 L20 ZLM M8-2 数量 1 2 2 1 1 3 2 6 备注 左旋 右旋 左旋 右旋 铜螺母 M8-1 2．装配示意图

注：①箭头表示装配方向。×表示要锁紧。

②装配时注意调整好间距，再把螺母锁紧。 ③ZJ3为横向滑杆，ZJ6为横向滑块。

④用手动试运杆后，再将YF套入电机杆上，并调整好行程开关，使其在左右运动时能起作用。

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