机械创新设计实验指导书 高宏编 机电工程学院机械设计与CAD实验室
机械创新设计实验指导书 高宏 编 机电工程学院机械设计与 CAD 实验室
目录 实验任务书… .1 机构创意组合分析实验指导书 附录一实验台组成及使用简介 .6 附录二机构搭接参考机构.12 附录三实验任务书简表..16 附录四实验报告格式… 17 1
1 目 录 实验任务书...................................................................................................................... 1 机构创意组合分析实验指导书...................................................................................... 3 附录一 实验台组成及使用简介.................................................................................. 6 附录二 机构搭接参考机构........................................................................................ 12 附录三 实验任务书简表............................................................................................ 16 附录四 实验报告格式................................................................................................ 17
实验任务书 1课程目的 1)树立正确设计思想和工程意识，培养独立分析、解决问题的能力： 2)培养机构综合运用能力，进行工程设计的基本技能训练： 3)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： 4)培养学生的设计能力，创新能力，分析能力和实践动手能力。 2实验内容 1)机械创新设计实验室认知与典型创新案例分析 2)认识实验台，了解实验台功能，加入预习环节： 3)借助机械创新设计课程所学方法，发散思维，自拟题目，设计初步方案， 方案初步形成后与实验指导教师沟通实验可行性、实验开展意义，明确实 验进行需要运用的课程理论知识、实验任务、预期取得的实验效果；填写 实验任务书： 4)进一步细化方案，运用机械原理知识，绘制机构运动简图，做机构分析， 如自由度计算、杆组拆分等： 5)亲自动手进行机械搭接，搭接过程中重点注意各构件的结构特征，各构件 之间的运动关系、连接方法，加深对机械设计课程中连接和结构两部分内 容的理解： 6)搭接完成后，先手动后电动，使机构运动，初步验证自己的设计思想，找 出与设计目标之间的差距或问藤所在： 7)借助产品建模与仿真分析课程所学内容，通过CD软件建立机构三维模型， 完成虚拟装配，并进行相关机构定义，进行运动仿真上机实验，根据仿真 结果与实物机构作对比验证： 8)整理完成实验报告的书写： 3实验要求 实验任务需通过与指导教师沟通在满足实验工作量的条件下开展以保证实验 项目合格；实验过程包括设计、验证、分析、进一步验证几个环节：实验报告规 范，内容全面，结果正确。 4考核方式 实验设计，占10%，包括以下几个方面：设计机构的难易度、是否能够解决实 际问题，是否有现实意义、实验覆盖所学课程识面，综合性是否强： 实验过程及完成效果，占40%，包括以下几个方面：动手搭接机构成功所用时 间、机构运行情况是否良好、是否实现预期功能、机构分析完成情况、根据分析 结果改进后机构运行效果：
实验任务书 1 课程目的 1）树立正确设计思想和工程意识，培养独立分析、解决问题的能力； 2）培养机构综合运用能力，进行工程设计的基本技能训练； 3）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； 4）培养学生的设计能力，创新能力，分析能力和实践动手能力。 2 实验内容 1）机械创新设计实验室认知与典型创新案例分析； 2）认识实验台，了解实验台功能，加入预习环节； 3）借助机械创新设计课程所学方法，发散思维，自拟题目，设计初步方案， 方案初步形成后与实验指导教师沟通实验可行性、实验开展意义，明确实 验进行需要运用的课程理论知识、实验任务、预期取得的实验效果；填写 实验任务书； 4）进一步细化方案，运用机械原理知识，绘制机构运动简图，做机构分析， 如自由度计算、杆组拆分等； 5）亲自动手进行机械搭接，搭接过程中重点注意各构件的结构特征，各构件 之间的运动关系、连接方法，加深对机械设计课程中连接和结构两部分内 容的理解； 6）搭接完成后，先手动后电动，使机构运动，初步验证自己的设计思想，找 出与设计目标之间的差距或问题所在； 7）借助产品建模与仿真分析课程所学内容，通过 CAD 软件建立机构三维模型， 完成虚拟装配，并进行相关机构定义，进行运动仿真上机实验，根据仿真 结果与实物机构作对比验证； 8）整理完成实验报告的书写； 3 实验要求 实验任务需通过与指导教师沟通在满足实验工作量的条件下开展以保证实验 项目合格；实验过程包括设计、验证、分析、进一步验证几个环节；实验报告规 范，内容全面，结果正确。 4 考核方式 实验设计，占 10%，包括以下几个方面：设计机构的难易度、是否能够解决实 际问题，是否有现实意义、实验覆盖所学课程识面，综合性是否强； 实验过程及完成效果，占 40%，包括以下几个方面：动手搭接机构成功所用时 间、机构运行情况是否良好、是否实现预期功能、机构分析完成情况、根据分析 结果改进后机构运行效果；
实验报告，占50%，包括以下几个方面：报告书写是否规范、报告内容是否全 面、数据分析样本是否充分、结论是否正确。 5参考课程 机械创新设计、机械原理、机械设计、产品建模与仿真分析等 2
2 实验报告，占 50%，包括以下几个方面：报告书写是否规范、报告内容是否全 面、数据分析样本是否充分、结论是否正确。 5 参考课程 机械创新设计、机械原理、机械设计、产品建模与仿真分析等
机构创意组合分析实验指导书 一、实验目的 1)树立正确设计思想和工程意识，培养独立分析、解决问题的能力： 2)培养机构综合运用能力，进行工程设计的基本技能训练： 3)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： 4)培养学生的设计能力，创新能力，分析能力和实践动手能力。 二、设备和工具 1.机械方案创意设计模拟实施实验仪： 2.ZN-B平面机构创意组合分析测试实验台： 3.计算机： 4.钢板尺、量角器、游标卡尺、扳手、钳子、螺丝刀等。 三、实验原理 1、当机构自由度不为零，且机构的自由度等于原动机的数目时，机构具有确 定的运动： 2、多种机构创意搭接可以实现不同的运动规律和运动组合； 3、任何平面机构均可以用自由度为零的杆组，依次连接到原动件和机架上去 的方法组成： 4、机构各构件尺寸变化对机构运动有很大影响： 5、基于Pro/Engineer软件建立机构三维建模，完成连接定义，对装配好的 机构进行运动仿真，定义分析类型为运动，可以获得机构任意点的运动曲线：通 过改变机构构件尺寸，对执行机构运动特性作对比分析，得出定性结论，绘制关 系曲线。 四、实验步骤 1、实验预备阶段
3 机构创意组合分析实验指导书 一、实验目的 1）树立正确设计思想和工程意识，培养独立分析、解决问题的能力； 2）培养机构综合运用能力，进行工程设计的基本技能训练； 3）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； 4）培养学生的设计能力，创新能力，分析能力和实践动手能力。 二、设备和工具 1．机械方案创意设计模拟实施实验仪； 2． ZNH-B 平面机构创意组合分析测试实验台； 3．计算机； 4．钢板尺、量角器、游标卡尺、扳手、钳子、螺丝刀等。 三、实验原理 1、当机构自由度不为零，且机构的自由度等于原动机的数目时，机构具有确 定的运动； 2、多种机构创意搭接可以实现不同的运动规律和运动组合； 3、任何平面机构均可以用自由度为零的杆组，依次连接到原动件和机架上去 的方法组成； 4、机构各构件尺寸变化对机构运动有很大影响； 5、基于 Pro/Engineer 软件建立机构三维建模，完成连接定义，对装配好的 机构进行运动仿真，定义分析类型为运动，可以获得机构任意点的运动曲线；通 过改变机构构件尺寸，对执行机构运动特性作对比分析，得出定性结论，绘制关 系曲线。 四、实验步骤 1、实验预备阶段
1)学生首先认识实验台，了解实验台功能。并在教师所讲实验案例中，触发 创新灵感，准备题目。 2)学生借助机械创新设计课程所学方法，发散思维，自拟题目，设计初步方 案，方案初步形成后与实验指导教师沟通实验可行性、实验开展意义，明确实验 进行需要运用的课程理论知识、实验任务、预期取得的实验效果。 3)学生根据教师制定的实验任务书进一步细化方案，运用机械原理知识，绘 制机构运动简图，做机构分析，如计算机构的自由度，确定原动件数目及位置， 确定运动副的类型及数目件数目，初步确定机构的构件的尺寸，做杆组拆分等。 2、动手搭接阶段 1)学生亲自动手进行机械搭接，搭接过程中重点注意各构件的结构特征，各 构件之间的运动关系、连接方法，加深对机械设计课程中连接和结构两部分内容 的理解。 搭接时首先将机构创新模型中的杆组，根据所绘机构运动简图和所确定的机 构尺寸，在模型板上试拼机构。拼接时，首先要分层，一方面是为了使各构件的 运动在相互平行的的平面内运动，另一方面是为了避免各构件的运动发生干涉， 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。 2)搭接完成后，首先用手动的方式驱动原动件，检查各构件是否能够实现所 要求的运动，并在确定各构件的运动均灵活自如后，再与电机相连，经实验指导 教师检查无误后，方可接通电源。 使机构运动，初步验证自己的设计思想，找出与设计目标之间的差距或问题 所在，教师针对实验现象，设置思考题，学生回答问题并寻找解决方案。 3、仿真分析阶段 1)观察机构运动，对机构的运动学及动力学特性进行定性分析。 2)借助产品建模与仿真分析课程所学内容，通过Pro/Engineer软件建立机 构三维模型，完成虚拟装配，并进行相关机构定义，进行运动仿真上机实验，根 据仿真结果与实物机构作对比验证
4 1）学生首先认识实验台，了解实验台功能。并在教师所讲实验案例中，触发 创新灵感，准备题目。 2）学生借助机械创新设计课程所学方法，发散思维，自拟题目，设计初步方 案，方案初步形成后与实验指导教师沟通实验可行性、实验开展意义，明确实验 进行需要运用的课程理论知识、实验任务、预期取得的实验效果。 3）学生根据教师制定的实验任务书进一步细化方案，运用机械原理知识，绘 制机构运动简图，做机构分析，如计算机构的自由度，确定原动件数目及位置， 确定运动副的类型及数目件数目，初步确定机构的构件的尺寸，做杆组拆分等。 2、动手搭接阶段 1）学生亲自动手进行机械搭接，搭接过程中重点注意各构件的结构特征，各 构件之间的运动关系、连接方法，加深对机械设计课程中连接和结构两部分内容 的理解。 搭接时首先将机构创新模型中的杆组，根据所绘机构运动简图和所确定的机 构尺寸，在模型板上试拼机构。拼接时，首先要分层，一方面是为了使各构件的 运动在相互平行的的平面内运动，另一方面是为了避免各构件的运动发生干涉， 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。 2）搭接完成后，首先用手动的方式驱动原动件，检查各构件是否能够实现所 要求的运动，并在确定各构件的运动均灵活自如后，再与电机相连，经实验指导 教师检查无误后，方可接通电源。 使机构运动，初步验证自己的设计思想，找出与设计目标之间的差距或问题 所在，教师针对实验现象，设置思考题，学生回答问题并寻找解决方案。 3、仿真分析阶段 1）观察机构运动，对机构的运动学及动力学特性进行定性分析。 2）借助产品建模与仿真分析课程所学内容，通过 Pro/Engineer 软件建立机 构三维模型，完成虚拟装配，并进行相关机构定义，进行运动仿真上机实验，根 据仿真结果与实物机构作对比验证
3)针对设计方案，取执行构件的某一运动特性参数作为优化对象，运用优化 设计相关理论，借助计算机软件或通过手工调整的方法，改变机构某些构件尺寸 参数，针对分析结果进行对比分析，获得最佳运动特性，找出影响因素最大的参 数。 4、分析验证阶段 1)根据仿真分析结果，改变机构构件尺寸，重新搭接机构实物模型 2)观察改进后的机构运行效果，验证分析结果。 5、总结阶段 整理完成实验报告。 六、思考题 1.机构中是否存在曲柄？ 2。输出构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？ 5.机构在运动过程中是否具有刚性冲击和柔性冲击等？ 6。搭接的实验机构其运动特性及动力特性是否与课堂讲授内容一致？ 7.根据实验效果分析各种机构运动规律。 8.构件尺寸发生变化，对机构运动学及动力学性能的影响
5 3）针对设计方案，取执行构件的某一运动特性参数作为优化对象，运用优化 设计相关理论，借助计算机软件或通过手工调整的方法，改变机构某些构件尺寸 参数，针对分析结果进行对比分析，获得最佳运动特性，找出影响因素最大的参 数。 4、分析验证阶段 1）根据仿真分析结果，改变机构构件尺寸，重新搭接机构实物模型。 2）观察改进后的机构运行效果，验证分析结果。 5、总结阶段 整理完成实验报告。 六、思考题 1. 机构中是否存在曲柄？ 2. 输出构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？ 5. 机构在运动过程中是否具有刚性冲击和柔性冲击等？ 6. 搭接的实验机构其运动特性及动力特性是否与课堂讲授内容一致？ 7. 根据实验效果分析各种机构运动规律。 8. 构件尺寸发生变化，对机构运动学及动力学性能的影响
附录一实验台组成及使用简介 机械方案创意设计模拟实施实验仪与ZNB平面机构创意组合分析测试实 验台在组成、连接和使用方面有较大相似性，本文以ZNH-B平面机构创意组合分 析测试实验台为例进行介绍。 1)机架 机架后侧 2立柱 1机 5皮带传动 4电动机 图1机架 2)主要零件及功能表 表1 主要零件及其功能表 标号名称 图形 功能 与机架相连，带键槽的 固定支座 为主动销轴。不带键槽 销轴 6三m }m 的为从动销轴。 销轴 P护 用于构成转动副或移动 副的连接轴 装于轴端头，有台肩的 端螺检 可 ) 可压竖轴瑞头，无台启 的可压紧套在轴上的连 杆。 将1、2的圆柱或扁头装 连杆 0c) 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. 将其凸台坎在连杆4的 司腐 槽中用3固定，则连杆 铰链座 4的构件长度可任意调 整
附录一 实验台组成及使用简介 机械方案创意设计模拟实施实验仪与 ZNH-B平面机构创意组合分析测试实 验台在组成、连接和使用方面有较大相似性，本文以 ZNH-B 平面机构创意组合分 析测试实验台为例进行介绍。 1）机架 图 1 机架 1 机 x 2 立柱 3 滑 4 电动机 5 皮带传动 机架后侧 y 2）主要零件及功能表 表 1 主要零件及其功能表 6 标号 名称 图形 功能 1 固定支座 销轴 与机架相连，带键槽的 为主动销轴。不带键槽 的为从动销轴。 2 销轴 用于构成转动副或移动 副的连接轴 3 端螺栓 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。 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
大孔装于直线电机的圆 主动滑 块座 剂 形齿条上并周定，轴引 与销轴2连接。销轴2 或作主动滑块或与齿条 连接。 齿条 wyys 齿 通过4个螺孔与齿条连 护板 接，使齿轮与齿条在同 平面上啮合。 模数m=2,2=28,35, 齿轮 42,56的各3个 基圆半径20mm,升回 10 凸轮 型，行程30mm 4槽 11 槽轮 我 双销，销回转半径 哦 49.5mm 12 拨盘 3)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2)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。 2、转动副的拼接 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 =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，较长的销轴耐以套简用网3妇的方法可拼摇 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。将销轴2插入铰链座5的孔中，然后用带有凸台的端螺栓3 7
7 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 齿条 与齿轮啮合，构成齿轮 齿条传动。 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。 9 齿轮 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 3）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。 2、转动副的拼接 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 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 螺母 骨块 固定支座销 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 个铰链座5 固紧螺栓 可变长度 连杆4 6 图3转动副的连接 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 控制要及两个行程开关当由滑块作为原动件时，格主动滑块座6用两个六角银 栓连接在圆形齿条上，把销轴2插入主动滑块座的孔中用埋头螺钉上紧，销轴2 8
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。 8 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，把销轴 2 插入主动滑块座的孔中用埋头螺钉上紧，销轴 2 图 2 固定支座销轴安装 螺母 垫片 固定支座销 立柱 滑块 a) b) 销轴 2 L 可变长度 连杆 4 连杆 4 L 固定长度 端螺栓 3 铰链座 5 固紧螺栓 a) b) 图 3 转动副的连接 销轴