實驗四：機構運動方案創新設計實驗
一、實驗目的
1、加深學生對機構組成理論的認識，熟悉杆組概念，為機構創新設計奠定良好的基礎；
2、利用若干不同的杆組，拼接各種不同的平面機構，以培養學生機構運動創新設計意識及綜合設計的能力；
3、訓練學生的工程實踐動手能力。
二、實驗裝置及工具
1、機構運動方案創新設計實驗台零件及主要功用（參看「機構運動方案創新設計實驗台零部件清單」）
2、工具
m5、m6 、m8內六角搬手、6或8英吋活動搬手、1公尺捲尺、筆和紙。
三、實驗原理
任何機構都是由自由度為零的若干杆組，依次連線到原動件（或已經形成的簡單的機構）和機架上的方法所組成。
四、實驗方法與步驟
1、掌握實驗原理。
2、根據上述「二、實驗裝置及工具」的內容介紹熟悉實驗裝置的零件組成及零件功用。
3、自擬機構運動方案或選擇實驗指導書中提供的機構運動方案作為拼接實驗內容。
4、將擬定的機構運動方案根據機構組成原理按杆組進行正確拆分，並用機構運動簡圖表示之。
5、拼裝機構運動方案，並記錄由實驗得到的機構運動學尺寸。
五、杆組的概念、正確拆分杆組及拼裝機構
1、杆組的概念
任何機構都是由機架、原動件和從動件系統，通過運動副聯接而成。機構的自由度數應等於原動件數，因此封閉環機構從動件系統的自由度必等於零。而整個從動件系統又往往可以分解為若干個不可再分的、自由度為零的構件組，稱為組成機構的基本杆組，簡稱杆組。
根據三族平面機構的數綜合和結構公式，基本杆組應滿足的條件：
其中活動構件數n，低副數p5和高副數p4都必須是整數。由此可以獲得各種型別的杆組。當n = 1, p5 = 1, p4 = 1時即可獲得單構件高副杆組，常見的有如下幾種：
圖１ 單構件高副杆組
當 p4 = 0時，稱之為低副杆組，即
因此滿足上式的構件數和運動副數的組合為： n = 2, 4, 6……, p5 = 3, 6, 9……。
最簡單的杆組為n = 2, p5 = 3，稱為ⅱ級組，由於杆組中轉動副和移動副的配置不同，ⅱ級杆組共有如下五種形式：
圖2 平面低副ⅱ級組
n = 4, p5 = 6的杆組稱為ⅲ級杆組，其形式較多，圖3所示的是幾種常見的ⅲ級杆組：
圖3 平面低副ⅲ級組
2、機構的組成原理
根據如上所述，可將機構的組成原理概述為：任何平面機構均可以用零自由度的杆組依次連線到原動件和機架上去的方法來組成。這是本實驗的基本原理。
3、正確拆分杆組
正確拆分杆組的三個步驟：
1) 先去掉機構中的區域性自由度和虛約束，有時還要將高副加以低代；
2) 計算機構的自由度，確定原動件；
3）從遠離原動件的一端（即執行構件）先試拆分ⅱ級杆組，若拆不出ⅱ級組時，再試拆ⅲ級組，即由最低級別杆組向高一級杆組依次拆分，最後剩下原動件和機架。
正確拆組的判定標準是：拆去乙個杆組或一系列杆組後，剩餘的必須仍為乙個完整的機構或若干個與機架相聯的原動件，不許有不成杆組的零散構件或運動副存在，否則這個杆組拆得不對。每當拆出乙個杆組後，再對剩餘機構拆組，並按第3）步驟進行，直到剩下與機架相聯的原動件為止。
圖4 杆組拆分例圖
如圖4所示機構，可先除去k處的區域性自由度；然後，按步驟2）計算機構的自由度f = 1,並確定凸輪為原動件；最後根據步驟3）的要領，先拆分出由構件4和5組成的ⅱ級組，再拆分出由構件3和2及構件6和7組成的兩個ⅱ級組及由構件8組成的單構件高副杆組，最後剩下原動件1和機架9。
4、正確拼裝運動副及機構運動方案
根據擬定或由實驗中獲得的機構運動學尺寸，利用機構運動方案創新設計實驗台提供的零件按機構運動的傳遞順序進行拼接。拼接時，首先要分清機構中各構件所佔據的運動
平面，其目的是避免各運動構件發生運動干涉。然後，以實驗台機架鉛垂面為拼接的起始參考面，按預定拼接計畫進行拼接。拼接中應注意各構件的運動平面是平行的，所拼接機構的外伸運動層面數愈少，機構運動愈平穩，為此，建議機構中各構件的運動層面以交錯層的排列方式進行拼接。
機構運動方案創新設計實驗台提供的運動副的拼接方法請參見以下介紹。
1）實驗台機架
圖5 實驗台機架圖
實驗台機架中有5根鉛垂立柱，它們可沿x方向移動。移動時請用雙手扶穩立柱、並盡可能使立柱在移動過程中保持鉛垂狀態，這樣便可以輕鬆推動立柱。立柱移動到預定的位置後，將立柱上、下兩端的螺栓鎖緊（安全注意事項：
不允許將立柱上、下兩端的螺栓卸下，在移動立柱前只需將螺栓擰松即可）。立柱上的滑塊可沿y方向移動。將滑塊移動到預定的位置後，用螺栓將滑塊緊定在立柱上。
按上述方法即可在x、y平面內確定活動構件相對機架的連線位置。面對操作者的機架鉛垂面稱為拼接起始參考面或操作面。
2）軸相對機架的拼接（圖示中的編號與「機構運動方案創新設計實驗台零部件清單」序號相同）
有螺紋端的軸頸可以插入滑塊28#上的銅套孔內，通過平墊片、防脫螺母34#的連線與機架形成轉動副或與機架固定。若按圖6拼接後，6或8#軸相對機架固定；若不使用平墊片34# ，則6或8#軸相對機架作旋轉運動。拼接者可根據需要確定是否使用平墊片34#。
扁頭軸6#為主動軸、8#為從動軸。該軸主要用於與其它構件形成移動副或轉動副、也可將連桿或盤類零件等固定在扁頭軸頸上，使之成為乙個構件。
圖6 軸相對機架的拼接圖
3）轉動副的拼接（圖示中的編號與「機構運動方案創新設計實驗台零部件清單」序號相同）
若兩連桿間形成轉動副，可按圖7所示方式拼接。其中，14#件的扁平軸頸可分別插入兩連桿11#的圓孔內，再用壓緊螺栓16#和帶墊片螺栓15#分別與轉動副軸14#兩端面上的螺孔連線。這樣，有一根連桿被壓緊螺栓16#固定在14#件的軸頸處，而與帶墊片螺栓15#相連線的14#件相對另一連桿轉動。
圖7 轉動副拼接圖
提示：根據實際拼接層面的需要，14#件可用7#件「轉動副軸-3」替代，由於7#件的軸頸較長，此時需選用相應的運動構件層面限位套17#對構件的運動層面進行限位。
4）移動副的拼接
如圖8-1所示，轉滑副軸24#的圓軸端插入連桿11#的長槽中，通過帶墊片的螺栓15#的連線，轉滑副軸24#可與連桿11#形成移動副。
圖8-1 移動副的拼接
提示：轉滑副軸24#的另一端扁平軸可與其它構件形成轉動副或移動副。根據拼接的實際需要，也可選用7#或14#件替代24#件作為滑塊。
另外一種形成移動副的拼接方式如圖8-2所示。選用兩根軸（6#或8#），將軸固定在機架上，仍後再將連桿11#的長槽插入兩軸的扁平軸頸上，旋入帶墊片螺栓15#，則連桿在兩軸的支撐下相對機架作往復移動支。
圖8-2 移動副的拼接
提示：根據實際拼接的需要，若選用的軸頸較長，此時需選用相應的運動構件層面限位套17#對構件的運動層面進行限位。
5）滑塊與連桿組成轉動副和移動副的拼接（圖示中的編號與「機構運動方案創新設計實驗台零部件清單」序號相同）
如圖9所示的拼接效果是滑塊13#的扁平軸頸處與連桿11#形成移動副；在20#、21#的幫助下，滑塊13#的圓軸頸處與另一連桿在連桿長槽的某一位置形成轉動副。首先用螺栓、螺母21#將固定轉軸塊20#鎖定在連桿11#上，再將轉動副軸13#的圓軸端穿插20#的圓孔及連桿11#的長槽中，用帶墊片的螺栓15#旋入13#的圓軸頸端麵的螺孔中，這樣13#與11#形成轉動副。將13#扁頭軸頸插入另一連桿的長槽中，將15#旋入13#的扁平軸端麵螺孔中，這樣13#與另一連桿11#形成移動副。
圖9 滑塊與連桿組成轉動副、移動副的拼接
6）齒輪與軸的拼接（圖示中的編號與「機構運動方案創新設計實驗台零部件清單」序號相同）
如圖10所示，齒輪2#裝入軸6#或軸8#時，應緊靠軸（或運動構件層面限位套17#）的根部，以防止造成構件的運動層面距離的累積誤差。按圖示連線好後，用內六角緊定螺釘27#將齒輪固定在軸的上（注意：螺釘應壓緊在軸的平面上）。
這樣，齒輪與軸形成乙個構件。
圖10 齒輪與軸的拼接圖
若不用內六角緊定螺釘27#將齒輪固定在軸上，欲使齒輪相對軸轉動，則選用帶墊片螺栓15#旋入軸端麵的螺孔內即可。
7）齒輪與連桿形成轉動副的拼接（圖示中的編號與「機構運動方案創新設計實驗台零部件清單」序號相同）
如圖11-1所示拼接，連桿11#與齒輪2#形成轉動副。視所選用盤杆轉動軸19#的軸頸長度不同，決定是否需用運動構件層面限位套17#。
圖11-1 齒輪與連桿形成轉動副的拼接
若選用軸頸長度l=35mm的盤杆轉動軸19#，則可組成雙聯齒輪，並與連桿形成轉動副，參見圖11-2所示；若選用l=45mm的盤杆轉動軸19#，同樣可以組成雙聯齒輪，與前者不同是要在盤杆轉動軸19#上加裝乙個運動構件層面限位套17#。
圖11-2 齒輪與連桿形成轉動副的拼接
8）齒條護板與齒條、齒條與齒輪的的拼接（圖示中的編號與「機構運動方案創新設計實驗台零部件清單」序號相同）
如圖12所示，當齒輪相對齒條嚙合時，若不使用齒條導向板，則齒輪在運動時會脫離齒條。為避免此種情況發生，在拼接齒輪與齒條嚙合運動方案時，需選用兩根齒條導向板23#和螺栓螺母21#按圖示方法進行拼接。
圖12 齒輪護板與齒條、齒條與齒輪的拼接
9）凸輪與軸的拼接（圖示中的編號與「機構運動方案創新設計實驗台零部件清單」序號相同）
按圖13所示拼接好後，凸輪1#與軸6或8#形成為乙個構件。
圖13 凸輪與軸的拼接
若不用內六角緊定螺釘27#將凸輪固定在軸的上，而選用帶墊片螺栓15#旋入軸端麵的螺孔內，則凸輪相對軸轉動。
10）凸輪高副的拼接（圖示中的編號與「機構運動方案創新設計實驗台零部件清單」序號相同）
首先將軸6#或8#與機架相連。然後分別將凸輪1#、從動件連桿11#拼接到相應的軸上去。用內六角螺釘27#將凸輪緊定在6#軸上，凸輪1#與6#軸形成乙個運動構件；將帶墊片螺栓15#旋入8#軸端麵的螺孔中，連桿11#相對8#軸作往復移動。
高副鎖緊彈簧的小耳環用21#件固定在從動杆連桿上，大耳環的安裝方式可根據拼接情況自定，必須注意彈簧的大耳環安裝好後，彈簧不能隨運動構件轉動，否則彈簧會被纏繞在轉軸上而不能工作。
圖14 凸輪高副的拼接
提示：用於支撐連桿的兩軸間的距離應與連桿的移動距離（凸輪的最大公升程為30mm）相匹配。欲使凸輪相對軸的安裝更牢固，還可在軸端麵的內螺孔中加裝壓緊螺栓15#。
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