机械创新设计指导主编：玄冠涛福不不山东农业天学机械与电子工程学院
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目录实验一基于机构组成原理的拼接设计实验二基于机构创新原理的拼接设计15实验三轴系结构设计26实验四慧鱼技术创意设计：:31实验五HERO-1机器人功能开发设计35实验六创新思维与设计43-IPDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
1 目 录 实验一 基于机构组成原理的拼接设计.2 实验二 基于机构创新原理的拼接设计.15 实验三 轴系结构设计.26 实验四 慧鱼技术创意设计.31 实验五 HERO-1 机器人功能开发设计.35 实验六 创新思维与设计.43 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
实验一基于机构组成原理的拼接设计一、实验目的1、加深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2、培养学生的工程实践动手能力；3、培养学生创新意识及综合设计的能力。二、设备和工具1、创新组合模型一套：1）五种平面低副Il级组，四种平面低副I级组，各杆长可在80-340mm内无级调整，其他各种常见的杆组可根据需要自由装配；2）两种单构件高副杆组3）八种轮廓的凸轮构件，其从动件可实现八种运动规律：i）等加速等减速运动规律上升200mm，余弦规律回程，推程运动角180°，远休止角30°，近休止角30°，回程运动角120°，凸轮标号为1：ii）等加速等减速运动规律上升20mm，余弦规律回程，推程运动角180°，远休止角30°，回程运动角150°，凸轮标号为2；ii）等加速等减速运动规律上升20mm，余弦规律回程，推程运动角180°，回程运动角150°，近休止角30°，凸轮标号为3；iv）等加速等减速运动规律上升20mm，余弦规律回程，推程运动角180°，回程运动角180°，凸轮标号为4：V）等加速等减速运动规律上升35mm，余弦规律回程，推程运动角180°，远休止角30°，近休止角30°，回程运动角120°，凸轮标号为5：vi）等加速等减速运动规律上升35mm，余弦规律回程，推程运动角180°，远休止角30°，回程运动角150°，凸轮标号为6；vi）等加速等减速运动规律上升35mm，余弦规律回程，推程运动角180°，回程运动角150°，近休止角30°，凸轮标号为7：vi）等加速等减速运动规律上升35mm，余弦规律回程，推程运动角180°，回程运动角180°，凸轮标号为84）模数相等齿数不同的7种直齿圆柱齿轮，其齿数分别为17，25，34，43，51，59，68，可提供21种传动比：与齿轮模数相等的齿条一个。5）旋转式电机一台，其转速为10r/min。6）直线式电机一台，其速度为10m/s。2、平口起子和活动扳手各一把。2PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
2 实验一 基于机构组成原理的拼接设计 一、实验目的 1、加深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； 2、培养学生的工程实践动手能力； 3、培养学生创新意识及综合设计的能力。 二、设备和工具 1、创新组合模型一套： 1）五种平面低副Ⅱ级组，四种平面低副Ⅱ级组，各杆长可在 80-340mm 内无级调整，其 他各种常见的杆组可根据需要自由装配； 2）两种单构件高副杆组 3）八种轮廓的凸轮构件，其从动件可实现八种运动规律： ⅰ）等加速等减速运动规律上升 200mm，余弦规律回程，推程运动角 180°，远休止角 30°，近休止角 30°，回程运动角 120°，凸轮标号为 1； ⅱ）等加速等减速运动规律上升 20mm，余弦规律回程，推程运动角 180°，远休止角 30°，回程运动角 150°，凸轮标号为 2； ⅲ）等加速等减速运动规律上升 20mm，余弦规律回程，推程运动角 180°，回程运动角 150°，近休止角 30°，凸轮标号为 3； ⅳ）等加速等减速运动规律上升 20mm，余弦规律回程，推程运动角 180°，回程运动角 180°，凸轮标号为 4； ⅴ）等加速等减速运动规律上升 35mm，余弦规律回程，推程运动角 180°，远休止角 30°，近休止角 30°，回程运动角 120°，凸轮标号为 5； ⅵ）等加速等减速运动规律上升 35mm，余弦规律回程，推程运动角 180°，远休止角 30°，回程运动角 150°，凸轮标号为 6； ⅶ）等加速等减速运动规律上升 35mm，余弦规律回程，推程运动角 180°，回程运动角 150°，近休止角 30°，凸轮标号为 7； ⅷ）等加速等减速运动规律上升 35mm，余弦规律回程，推程运动角 180°，回程运动角 180°，凸轮标号为 8； 4）模数相等齿数不同的 7 种直齿圆柱齿轮，其齿数分别为 17，25，34，43，51，59， 68，可提供 21 种传动比：与齿轮模数相等的齿条一个。 5）旋转式电机一台，其转速为 10r/min。 6）直线式电机一台，其速度为 10m/s。 2、平口起子和活动扳手各一把。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
三、实验前的准备工作1、要求预习实验，掌握实验原理，初步了解机构创新模型，2、选择设计题目，初步拟定机构系统运动方案。四、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,PL=1,Pu-1时即可获得单构件高副杆组，常见的有如下几种：81B10A图1单构件高副杆组当PH=0时，称之为低副杆组，即F=3n-2PL=0因此满足上式的构件数和运动副数的组合为：n-2.4.6.，P=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，ⅡI级组共有如下五种形式。n=4,PL=6的杆组形式很多，机构创新模型已有图3所示的几种常见的IⅢI级杆组。PC?Bopd6A图2平面低副ⅡI级组3PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
3 三、实验前的准备工作 1、要求预习实验，掌握实验原理，初步了解机构创新模型； 2、选择设计题目，初步拟定机构系统运动方案。 四、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,PL=1,PH=1 时即可获得单构件高副杆组，常见的有如下几种： 图 1 单构件高副杆组 当 PH=0 时，称之为低副杆组，即 F=3n-2PL=0 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 级组共有如下五种形式。 n=4,PL=6 的杆组形式很多，机构创新模型已有图 3 所示的几种常见的Ⅲ级杆组。 图 2 平面低副Ⅱ级组 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
0F8OFYFLC.BEo图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。五、实验方法与步骤1、正确拆分杆组从机构中拆出杆组有三个步骤：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分杆组，每次拆分时，要求先试着拆分IⅡ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，剩余的必需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I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。4PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
4 图 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。 五、实验方法与步骤 1、正确拆分杆组 从机构中拆出杆组有三个步骤： 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，剩余的必需为一个完整的 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 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。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
EH+1图 4 例图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。1）移动副的联接图5表示构件1与构件2用移动副相联的方法。2）转动副的联接图6表示构件1与带有转动副的构件2的联接方法。2图5移动副的联接PDF文件使用"pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn
5 图 4 例图 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。 1）移动副的联接 图 5 表示构件 1 与构件 2 用移动副相联的方法。 2）转动副的联接 图 6 表示构件 1 与带有转动副的构件 2 的联接方法。 图 5 移动副的联接 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
O图6转动副的联接3）齿条与构件以转动副的形式相联接方法，图7表示齿条与构件以转动副的形式相联接方法图7齿条与构件以转动副相联4）齿条与其他部分的固联图8表示齿条与其他部分固联的方法。PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
6 图 6 转动副的联接 3）齿条与构件以转动副的形式相联接方法。 图 7 表示齿条与构件以转动副的形式相联接方法。 图 7 齿条与构件以转动副相联 4）齿条与其他部分的固联 图 8 表示齿条与其他部分固联的方法。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
图8齿条与其他部分固联5）构件以转动副的形式与机架相连图9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9构件与机架以转动副相联6）构件以移动副的形式与机架相联图10表示移动副作为原动件与机架的联接方法。图10构件与机架以移动副的相联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7PDF文件使用"pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn
7 图 8 齿条与其他部分固联 5）构件以转动副的形式与机架相连 图 9 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 9 构件与机架以转动副相联 6）构件以移动副的形式与机架相联 图 10 表示移动副作为原动件与机架的联接方法。 图 10 构件与机架以移动副的相联 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 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
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。一般股包括如下几个方面：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。六、实验内容任选一题，进行一个机构系统运动方案的设计。1、钢板翻转机设计题自：该机具有将钢板翻转180°的功能。如图11所示，钢板翻转机的工作过程如下当钢板T由辊道送至左翻板W1后，W1开始顺时针方向转动。转至铅垂位置偏左10°左右时，与逆时针方向转动的右翻板W2会合。接着，W1与W2一同转至铅垂位置偏右10°左右，W1折回到水平位置，与此同时，W2顺时针方向转动到水平位置，从而完成钢板翻转任务。已知条件：1）原动件由旋转式电机驱动：2）每分钟翻钢板10次；3）其他尺寸如图11所示；4】许用传动角【]=50°；8图 11钢板翻转机构工作原理图设计任务：1）用图解法或解析法完成机构系统的运动方案设计，并用机构创新模型加以实现；8PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
8 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。 六、实验内容 任选一题，进行一个机构系统运动方案的设计。 1、钢板翻转机 设计题目：该机具有将钢板翻转 180°的功能。如图 11 所示，钢板翻转机的工作过程如下。 当钢板 T 由辊道送至左翻板 W1 后，W1 开始顺时针方向转动。转至铅垂位置偏左 10°左右时， 与逆时针方向转动的右翻板 W2 会合。接着，W1 与 W2 一同转至铅垂位置偏右 10°左右，W1 折回到水平位置，与此同时，W2 顺时针方向转动到水平位置，从而完成钢板翻转任务。 已知条件： 1）原动件由旋转式电机驱动； 2）每分钟翻钢板 10 次； 3）其他尺寸如图 11 所示； 4）许用传动角[γ]=50°； 图 11 钢板翻转机构工作原理图 设计任务： 1）用图解法或解析法完成机构系统的运动方案设计，并用机构创新模型加以实现； PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
2）绘制出机构系统运动简图，并对所设计的机构系统进行简要的说明。2、设计平台印刷机主传动机构平台印刷机的工作原理是复印原理，即将铅版上凸出的痕迹借助于油墨压印到纸张上。平台印刷机一般由输纸、着墨（即将油墨均匀涂抹在嵌于版台的铅版上）、压印、收纸等四部分组成。如图12所示，平台印刷机的压印动作是在卷有纸张的滚筒与嵌有铅版的版台之间进行。整部机器中各机构的运动均由同一电机驱动。运动由电机经过减速装置I后分成两路，一路经传动机构I带动版台作往复直线运动，另一路经传动机构I带动滚筒作回转运动。当版台与滚筒接触时，在纸上压印出字迹或图形。版台工作行程中有三个区段（如图13所示）。在第一区中，送纸、着墨机构相继完成输纸、着墨作业：在第二区段，滚筒和版台完成压印动作：在第三区段中，收纸机构进行收纸作业。本题目所要设计的主传动机构就是指版台的传动机构I和滚筒的传动机构I。已知条件：1）印刷生产率180张/小时；2）版台行程长度500mm；3）压印区段长度300mm；4）滚筒直径116mm；5）电机转速6r/min；滚筒T纸张版台行程一版台传传动机构传动机构山1第三区段第二区段第一区段减速装置图12平台印刷机工作原理图13版台工作行程三区段设计任务：1）设计能实现平台印刷机的主运动：版台往复直线运动，滚筒作连续或间歇转动的机构运动方案，要求在压印过程中，滚筒与版台之间无相对滑动，即在压印区段，滚筒表面点的线速度相等；为保证整个印刷幅面上印痕浓淡一致，要求版台在压印区内的速度变化限制在9PDF文件使用”pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.cn
9 2）绘制出机构系统运动简图，并对所设计的机构系统进行简要的说明。 2、设计平台印刷机主传动机构 平台印刷机的工作原理是复印原理，即将铅版上凸出的痕迹借助于油墨压印到纸张上。 平台印刷机一般由输纸、着墨（即将油墨均匀涂抹在嵌于版台的铅版上）、压印、收纸等四部 分组成。如图 12 所示，平台印刷机的压印动作是在卷有纸张的滚筒与嵌有铅版的版台之间进 行。整部机器中各机构的运动均由同一电机驱动。运动由电机经过减速装置Ⅰ后分成两路， 一路经传动机构Ⅰ带动版台作往复直线运动，另一路经传动机构Ⅱ带动滚筒作回转运动。当 版台与滚筒接触时，在纸上压印出字迹或图形。 版台工作行程中有三个区段（如图 13 所示）。在第一区中，送纸、着墨机构相继完成输 纸、着墨作业；在第二区段，滚筒和版台完成压印动作：在第三区段中，收纸机构进行收纸 作业。 本题目所要设计的主传动机构就是指版台的传动机构Ⅰ和滚筒的传动机构Ⅱ。 已知条件： 1）印刷生产率 180 张/小时； 2）版台行程长度 500mm； 3）压印区段长度 300mm； 4）滚筒直径 116mm； 5）电机转速 6r/min； 图 12 平台印刷机工作原理 图 13 版台工作行程三区 段 设计任务： 1）设计能实现平台印刷机的主运动：版台往复直线运动，滚筒作连续或间歇转动的机构 运动方案，要求在压印过程中，滚筒与版台之间无相对滑动，即在压印区段，滚筒表面点的 线速度相等；为保证整个印刷幅面上印痕浓淡一致，要求版台在压印区内的速度变化限制在 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn