武汉科技大学机械自动化学院
机械实验示范中心
2007-5
机构组合创新设计与仿真
实验指导书
一、 实验预习
(1) 机构型综合的连杆组合创新技法是什么？如何进行？ (2) 机构组合设计实验台的基本组成及搭接原理。
(3) 熟悉基于杆组法的机构运动分析与仿真软件界面及基本操作。
二、 实验目的
机构的创新是机械设计中永恒的主题，人们要设计出新颖、合理、实用的机构，不仅要有丰富的经验，而且要掌握一定的机构创新设计方法。连杆组合法是一种以数字综合形式表示的机构型综合创造技法，其最大特点是具有强烈的发散性思维成分，可以启发设计者创造新机构，进而培养设计者的创新意识和创新能力。
机构组合创新设计实验，其实验原理是用各种零件、构件等组合搭接出机构。一般在实验指导书中给出若干种示例机构及其组合方法，学生在实验时按照流程搭接，在此基础上也可自行设计机构进行搭接，但大都是已有机构的变形，缺乏明确的理论指导，并且搭接出的机构性能无法验证，如执行机构的轨迹曲线是否满足要求，位移、速度和加速度性能是否满足要求等无法得到验证，更进一步的机构优化及改进设计也就无从谈起。
采用机构型综合的连杆组合创新技法对现有机构组合设计实验进行改进，开设基于型综合创造技法的机构组合创新设计与仿真实验，可以激发学生的创造激情，培养学生的创新设计能力、科学计算能力以及工程实践能力。
因此，实验目的可概括为：
(1) 掌握机构型综合的连杆组合创新技法的基本原理及设计流程； (2) 根据设计结果在机构组合设计实验台上能搭接机构；
(3) 能运用机构运动分析与仿真软件进行机构的虚拟设计与运动仿真，并对实物机构进
行优化设计。
(4) 培养学生综合应用所知识对机构的结构和运动性能加以评价的分析能力，以及创新
设计能力和实践动手能力。
三、 实验软、硬件
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(1) 实验用硬件设备
实验设备硬件为机构组合设计实验台。如图1所示，五根立柱2可在上下横梁中沿x方向（双手上下均匀用力）调整其位置，然后用上下横梁上的螺栓固定。在实验台机架上配有旋转电动机和直线电动机，以输出直线运动和旋转运动；配有齿轮、凸轮、带轮、槽轮等零件，通过搭接可完成直线、旋转、往复、间歇等运动传递；配有连杆、滑块座及连接零件，可搭接成各种执行机构。机构搭接完成后可通电运转以检验其创造结果。
机架后侧 2立柱 y 1机架 5皮带传动 3滑块 x 4电动机 图1机构组合设计实验台简图 1 机架 (2) 实验用软件
实验所采用的机构运动分析与仿真软件是由多届本科生和研究生在教师的指导下开发并逐步完善的，其基于杆组法的设计思想与理论教学和实验环节相吻合，能够分析常用的Ⅱ级和Ⅲ级机构的机构组成与运动性能，满足实验教学的同时，也培养了学生的科学计算能力与软件开发能力。
随着计算机技术的飞跃发展，机构的计算机辅助设计与仿真得到了越来越广泛的研究和探讨。但基于杆组理论的机构分析软件多局限在Ⅱ级杆组的基础上，Ⅲ级杆组或更高级别的杆组很少涉及。同时，多数软件的自动化程度不高，交互能力和通用性不强。
针对这种现状，在借鉴国内外研究成果的基础上，对Ⅱ级杆组和Ⅲ级杆组的构成及运动作了深入的研究，同时利用Visual C++作为编程平台，在Windows环境下设计了一套基于解析和数值方法的机构仿真分析软件。这套软件可以任意搭建、修改和分析Ⅱ、Ⅲ级机构，对机构的研究和创新具有一定的推动作用。
软件的特点和主要功能包括：(1) 研究了Ⅱ级杆组和Ⅲ级杆组的组成机理，并将这两类杆组进一步细化为八种构件模型；提出了这八种构件模型的组成形式和命名规则，同时用矢量法和约束法建立了两种运动模型。(2) 探讨了Ⅲ级杆组的类型，并最终确定了16种可行的Ⅲ级杆组构成，同时也提出了相应的命名规则。(3) 在对构件运动分析的基础上，讨论了五种Ⅱ级杆组和三种Ⅲ级杆组的运动模型，提出了用构件分析法来研究杆组运动的理念，对研究更高级别的杆组具有一定的借鉴作用。(4) 设计了一套基于Ⅱ级杆组和Ⅲ级杆组的Ⅲ级机构运动分析与仿真软件，提出了三层类结构的软件设计思想，建立了各类的相应模块。软件
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主界面如图2、图3所示所示。
图2 机构运动分析与仿真软件主界面
图3 机构运动分析与仿真软件－飞剪机构
四、 实验内容
(1) 根据需要实现的机构运动方案目标，运用型综合创新方法设计多种机构运动方案； (2) 根据设计结果在机构组合设计实验台上搭接机构；
(3) 运用机构分析与仿真软件对所设计的机构进行虚拟设计与运动仿真，并对机构的结构参
数进行优化。
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(4) 根据优化以后的参数调整实验台上机构的尺寸参数，并验证其实际运动性能。
五、 实验步骤
(1) 介绍实验目的、实验进程和实验的开展形式，实验过程强调对学生的系统设计能力、知
识的综合应用能力、创新设计能力以及工程实践能力的培养；
(2) 实验预习阶段学生通过从网上下载预习报告、实验指导书、CAI课件了解实验目的、实
验内容和实验的主要仪器设备，在此基础上完成实验报告；
(3) 根据需要实现的机构运动方案目标，将机构的运动分解细化，针对不同的运动模块运用
型综合创新方法设计多种机构运动方案，并对机构工艺性能作出初步评价；
(4) 学生在实验台上搭接自主设计的机构方案，检验理论分析与计算的合理性，并进行方案
的自评、互评和老师点评；
(5) 在机构虚拟设计阶段，学生针对自主设计的实用机构，提出工艺要求，借助分析软件进
行机构的运动仿真与机构参数优化；
(6) 最后整理实验报告，总结整个实验的设计思想和特色。
六、 实验报告
包括实验目的、实验内容、运用型综合创新方法设计的机构运动方案、运用仿真软件设计机构的过程及其运动仿真结果，最后总结整个实验的设计思想和特色。字数在1000字左右。
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附录 机构组合设计实验台介绍
一. 实验原理
任何机构都是将基本组依次连接到机架和原动件上而构成的。
二．实验方法
本搭接实验是在具有六根立柱的机架上完成的。配有旋转电动机和直线电动
机，以输出直线运动和旋转运动；配有齿轮、凸轮、带轮、槽轮等零件，通过搭接可完成直线、旋转、往复、间歇等运动传递；配有连杆、滑块座及连接零件，可搭接成各种执行机构。机构搭接完成后可通电运转以检验其创造结果。
一般情况下，学生在实验前应完成机构方案的创造与选型，并仔细阅读本实验指导书后方可进行本实验。
三. 主要零部件功能
本搭接实验在如图1所示的专用实验台的机架1上完成的。五根立柱2可在上下横梁中沿x方向（双手上下均匀用力）调整其位置,然后用上下横梁上的螺栓固定。滑块3可在立柱2上沿y方向调整其位置，然后用其上的内六角螺钉固定。滑块上的圆孔用于安装销轴。电动机以10r/min的速度转动，它安装在机架的后侧的底盘上，其上的主动带轮通过皮带驱动从动带轮。从动带轮的轴安装在滑块3的圆孔中。搭接机构是在机架前侧平面上完成的。
本实验配有各种工具、连接用的螺钉、螺帽、垫圈、键等。其它主要零部件及其功能请
机架后侧 2立柱 y 1机架 5皮带传动 3滑块 x 4电动机 图1 机架
仔细阅读表1。
表1 主要零件及其功能表
标号 名称 1 固定支座销轴 2 销轴 3 端螺栓 图形 功能 与机架相连，带键槽的为主动销轴。不带键槽的为从动销轴。 用于构成转动副或移动副的连接轴 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。 4 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 7
成转动副或移动副。 5 铰链座 将其凸台坎在连杆4的槽中用3固定，则连杆4的构件长度可任意调整。 6 主动滑块座 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。 7 8 齿条 齿条 护板 9 齿轮 与齿轮啮合，构成齿轮齿条传动。 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。 模数m=2¸z=28，35，42，56的各3个 10 凸轮 基圆半径20mm，升回型，行程30mm 11 槽轮 4槽 12 拨盘 双销，销回转半径49.5mm 8
四、主要零部件的拼接（以下图中标号与表中相同）
1、 固定支座销轴与机座拼接
如图2所示，将表1的中固定支座销轴1插于在机架滑块的圆孔中，套上垫片固紧螺母即完成安装 。销轴装于机架滑块的圆孔中的长度稍大于滑块的宽度。图2a) 中的销轴无键槽其上套有垫片，螺母通过垫片压紧立柱上的滑块，所以销轴与立柱滑块间无相对运动，构成机架上的固定销轴。
图2b) 中的销轴有键槽，螺母在销轴上旋紧后与立柱上的滑块间有一定间隙，所以销轴与立柱滑块间可有相对运动，构成机架上的活动销轴。在轴上键槽处装上键并套上带轮，由电机的带轮带动即构成主动销轴。
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螺母 立柱 垫片 滑块 固定支座销轴a) b) 图2 固定支座销轴安装
销轴2 L固定长度 端螺栓3 销轴2 铰链座5 连杆4 固紧螺栓 L可变长度 连杆4 a)
2、转动副的拼接
图3 转动幅的连接
b) 如图3所示，连杆4的两个圆孔间的距离即该连杆的长度，备有L=22mm,100mm~330mm共八种规格的连杆。如图3a)所示，将销轴2穿入两连杆的孔中，销轴的两端面用带有凸台的端螺栓3固定，则两连杆构成一个转动副。
销轴2圆柱段的长度有几种规格，较长的销轴配以套筒用图3a)的方法可拼接成由三连杆构成的复合铰。如所需杆长不在八种规格之列，按图3b)所示安装可得到任意杆长的连杆。将
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销轴2插入铰链座5的孔中，然后用带有凸台的端螺栓3固定，即得到可与其它连杆相连的销轴。将铰链座的凸台坎入连杆槽中的任意位置旋紧固紧螺栓，则可得到任意杆长的连杆。
3、移动副的拼接
如图4所示，将带有扁头的销轴2的扁头坎入连杆的槽中，另一端圆柱插入另一连杆的孔中，销轴2的两端头均用带有凸台的端螺栓固定。该销轴可在连杆的槽中滑动相当于滑块。
连杆4 连杆4 端螺栓3 销轴2 连杆4
端螺栓3
图4 移动幅的连接
直线电机的输出齿条 主动滑块座6
销轴2 行程开关碰块 图5 主动滑块与电机轴的拼接
4、主动滑块与电机轴的拼接
如图5所示，直线电动机的圆形齿条以10mm/s的速度输出直线运动。并配有控制器及两个行程开关。当由滑块作为原动件时，将主动滑块座6用两个六角螺栓连接在圆形齿条上，
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把销轴2插入主动滑块座的孔中用埋头螺钉上紧，销轴2即可作为主动滑块使用。为产生往复运动，在销轴2上装有控制行程开关的碰块。注意，圆形齿条的往复行程的距离不应大于400mm，应首先调整两个行程开关控制方向及位置，切不可使圆形齿条从电机中滑出，防止机件损坏。
5、凸轮与销轴的安装
如图6所示，将凸轮10的孔套在装于机架滑块上的固定支座销轴1上然后用埋头螺钉固紧。
埋头螺钉 凸轮10 装于机架滑块上的
图6 凸轮与销轴的安装
6、齿轮与销轴的安装
如图7所示，将齿轮9的孔套在装于机架滑块上的固定支座销轴1上然后用埋头螺钉固紧。
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埋头螺钉 齿轮9 装于机架滑块上的
图7 齿轮与销轴的安装
7、齿条与固定支座销轴的安装
如图8a)所示，将齿条7与两块（或单块）齿条护板8用四个螺钉固紧，使可保持与之啮合的齿轮在同一平面运动。图8b)为齿条及其护板的的组装图。如图8c)所示，将齿条组件的槽套在装于机架滑块上的销轴的扁头上，并在销轴的端头用带台肩的螺栓固紧。则齿条组件可沿销轴的扁头移动。
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齿条7 齿条组装
齿条护板8 a)
b)
滑块座 固定支座销轴1
图8 齿条的组装
8、槽轮机构的安装
c) 齿条组件
如图9所示，拨盘12上有两个拨销，将拨盘套入装于机架滑块上的固定支座销轴1，其
拨销 固定支座销轴1拨盘12 装于机架滑块的孔中 端螺栓3（不带台肩）
固定支座 槽轮11
图9 槽轮机构的组装
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端螺栓3 轴端用端螺栓3固定，使其与固定支座轴销1一起转动。将槽轮11的槽对准拨盘的拨销将其套入固定支座销轴1中，销轴1的轴端用端螺栓3固定。
9、凸轮机构的安装
如图10所示，将凸轮10套在装于机架滑块上的固定支座销轴1，用埋头螺钉将其与固定支座轴销1固定，使凸轮可与固定支座轴销1一起转动。将连杆的槽套入两固定支座轴销1上，其轴端用带台肩的端螺栓3固定，使连杆可在轴销1的扁头上自由滑动。弹簧的一端固定于连杆的孔中，另一端套在固定支座销轴1上，使连杆紧压在凸轮上，保持凸轮与连杆紧密接触。
凸轮10 埋头螺钉 端螺栓3 固定支座轴销1 连杆4 固定支座轴销1
图10 凸轮机构的组装
五、示例机构搭接方案
为达到开发学生创造性思维和实践动手能力之目的，拼接的机构方案原则上应在实验前由学生自行完成。该实验在8学时内完成。每4人一组完成不少于1个机构方案的搭接。
1. 实验前，根据提供的工艺要求应用连杆组合法或其它创造技法，创造出满足工艺要求的新机构，作为机构搭接的对象；
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