实验11-机械运动方案创新设计及运动参数测试与分析(改).doc

147 实验 11 机械运动方案创新设计 及运动参数测试与分析 11 1 实验目的 1 培养创造性思维 加深对机构组成原理的理解 为机构运动方案创新设计奠 定良好的基础 2 根据设计要求 利用若干杆组 拼接各种不同的平面机构 以培养用实验方 法构思 验证 确定机械运动方案的初步能力以及机构运动创新设计意识和综合设 计能力 3 了解 FPC I 型机构运动参数采集分析系统的工作原理 掌握机构位移 速度 加速度 角位移 角速度 角加速度测试数据的采集和处理方法 4 通过比较机构理论运动线图和实际运动线图的差异 分析其原因 增加对速 度 角速度 特别是加速度 角加速度的感性认识 5 训练工程实践动手能力 11 2 实验设备及工具 1 机构运动方案创新设计实验台零件及主要功用 参看表 11 1 机构运动创新 方案实验台组件 1 凸轮和高副锁紧弹簧 凸轮基圆半径为 18mm 从动推杆的行程为 30mm 从动件的位移曲线是升一回型 且为正弦加速度运动 凸轮与从动件的高副形成是 依靠弹簧力的锁合 2 齿轮 模数 2 压力角 200 齿数 34 或 42 两齿轮中心距为 76mm 3 齿条 模数 2 压力角 200 单根齿条全长为 422mm 4 槽轮拔盘 两个主动销 5 槽轮 四槽 6 主动轴 动力输入用轴 轴上有平键槽 7 转动副轴 或滑块 3 主要用于跨层面 即 非相邻平面 的转动副或 移动副的形成 148 8 扁头轴 又称从动轴 轴上无键槽 主要起支撑及传递运动的作用 9 主动滑块插件 与主动滑块座配用 形成主动滑块 10 主动滑块座与直线电机齿条固连形成主动件 且随直线电机齿条作往复直 线运动 11 连杆 或滑块导向杆 其长槽与滑块形成移动副 其圆孔与轴形成转动 副 11 压紧连杆用特制垫片 固定连杆时用 13 转动副轴 或滑块 2 与固下转轴块 20 配用时 可在连杆长槽的 某一选定位置形成转动副 14 转动副轴 或滑块 1 用于两构件形成转动副 15 带垫片螺栓 规格 M6 转动副轴与连杆之间构成转动副或移动副时用带 垫片螺栓连接 16 压紧螺栓 规格 M6 转动副轴与连杆形成同一构件时用该压紧螺栓连接 17 运动构件层面限位套 用于不同构件运动平面之间的距闻限定 避免发生 运动构件间的运动干涉 18 皮带轮 主动皮带轮 传递旋转主动运动 19 盘杆转动轴 盘类零件 如 1 2 与其它构件 如连杆 构成转动副 时用 20 固定转轴块 用螺栓 21 将固定转轴块锁紧在连杆长槽上 13 件可与 该连杆在选定位置形成转动副 21 加长连杆和固定凸轮弹簧用螺栓 螺母 用于锁紧连接件 22 曲柄双连杆部件 偏心轮与活动圆环形成转动副 且已制作成一组合件 23 齿条导向板 将齿条夹紧在两块齿条导向板之间 可保证齿轮与齿条的正 常啮合 24 转动副轴 或滑快 4 轴的偏头主要用于两构件形成转动副 轴的圆 头主要用于两构件形成移动副 25 39 参看 机构运动方案创新设计实验台组件清单 中的说明 40 直线电机 旋转电机 149 直线电机 直线电机 10mm s 直线电机安装在实验台机架底部 并可沿机架底部 的长形槽移动电机 直线电机的长齿条即为输入直线运动的主动件 实验中 允许 齿条单方向的最大直线位移为 300mm 实验者可根据主滑快的位移量确定直线电机 两行程开关的相对间距 并且将两行程开关的最大安装距离限制在 300mm 范围内 直线电机控制器 直线电机控制器 参见控制器面板图所示 本控制器采用机械与电子组合 设计方式 控制电路采用低压 微型 密封功率继电器与机械行程开关构成 极具 安全与方便 控制器的前面板为 LED 显示方式 当控制器的前面板与操作者是面对 面的位置关系时 控制器上的发光管指示直线电机齿条的移动方向 控制器的后面 板上置有电源引出线及开关 与直线电机相连的 4 蕊插座 与行程开关相连的 5 蕊 插座和 2A 保险管 图 11 1a 控制器前面板 图 11 1b 控制器后面板 旋转电机 旋转电机 10 转 min 旋转电机安装在实验台机架底部 并可沿机架底部 的长形槽移动电机 电机上连有 220V 50HZ 的电源线及插头 连线上串接有连 线盒及电源开关 2 FPC I 型机构运动参数采集分析系统 参数参数 电源 220V 50Hz 通道 2 个数字信号通道 转速 1 转速 2 2 个模拟信号通道 直线位移 1 直线位移 2 1 个 RS232 串口通信通道 外接光栅角位移传感器参数 主动件测试用 PIB 1000 G05E 1000 栅 转 从 IEPIEP 直线电机控制器直线电机控制器 图 11 2a 数据采集箱前面板 开关 图 11 2b 数据采集箱后面板 转速 1 位移 1 转速 2 位移 2 通讯口 电源 液晶显示 150 动件测试用 PIB 360 G05E 360 栅 转 外接直线位移传感器参数 行程 L 200mm 采集箱工作环境 0 C 75 C 空气相对湿度 25 70 RH 11 3 实验原理 1 机构组成原理 任何机构都是由自由度为零的若干杆组 依次连接到原动件 或已经形成的简 单的机构 和机架上所组成 2 机械运动方案创新设计常用方法 机械运动方案创新设计的核心是执行机构的型式设计 其设计方法有机构的选 型和机构的构型 机构的选型是将前人创造发明出的各种机构按照运动特性或实现 的功能进行分类 然后根据执行构件所需要的运动特性或实现的功能进行搜索 选 择和比较 选出合适的机构型式的过程 当用选型的方法选出的机构型式不能完全实现预期的要求 或虽能实现功能要 求但存在着或结构较复杂 运动精度较差 或动力性能欠佳 或占据空间较大等缺 点时设计者就需要进行机构构型设计 其设计步骤通常为 先从常用机构中选择一 种功能和原理与工作要求相近的机构 然后在此基础上重新构造机构型式 机构构 型设计比机构的选型更具有创造性 机构构型的常用方法有 1 变异法 以现有机构为基础 通过对构成机构的结构元素进行变化或改造 生成新的机构型式 常用的方法有运动倒置法 运动副变换法 局部变异法等 2 扩展法 扩展法是根据机构组成原理 在选择的基本机构上连接若干基本 杆组构造出新机构的方法 该方法的优点是在不改变机构自由度的情况下 能增加 或改善机构的功能 3 组合法 基本机构由于其固有的局限性只能实现有限的运动功能和要求 对于更复杂的功能和运动要求 则常采用将几种基本机构用适当的方式组合起来 构成一个较复杂的机构 来实现基本机构很难实现的运动或动力特性 机构的组合 是发明创造新机构的重要途径之一 常用的组合方式有串联组合 并联组合 反馈 151 组合和运载组合等 3 FPC I 型机构运动参数采集分析系统 11 4 实验方法与步骤 1 机械运动方案创新设计 机械运动方案创新设计 1 掌握实验原理 2 根据上述 实验设备及工具 的内容介绍熟悉实验设备的零件组成及零件 功用 3 自拟机构运动方案或选择实验指导中提供的机构运动方案作为拼接实验内 容 4 将拟定的机构运动方案根据机构组成原理按杆组进行正确拆分 并用机构 运动简图表示之 5 拼装机构运动方案 2 机构运动参数测试与分析机构运动参数测试与分析 1 检查测试机构与接线 1 仔细检查拼装好的机构 图 11 3 FPC I 型机构运动参数采集分析系统 数据采集箱原理图 PC 机数据分析 处理显示 打印 数据采集箱数据采集箱 直线位移 传感器 电位器 电机 光栅角位移 传感器 调速器 RS232 通讯单元 液晶显示 AVR 系列数据 微处理器处理数据 A D 数据转换 处理单元 脉冲规整 处理单元 152 2 分别将连接在主动件转轴和从动件转轴上的光栅角位移传感器的信号线插头 插入数据采集箱后面板上 转速 1 和 转速 2 插座 将直线位移传感器的信号线 插头插入 位移 1 或 位移 2 插座 用专用通讯线连接计算机和数据采集箱的通 讯口 所有插头插入插座后均要拧紧螺母 3 打开测试机构和数据采集箱的电源开关 当数据采集箱液晶屏幕出现欢迎界 面并响起 滴 的一声 表明系统已进入工作状态 这时在液晶屏幕上可以看到当 前主动件的转速 n 2 机构运动参数测试 1 打开计算机电源 双击桌面上的图标 激活屏幕图像抓取程序 双击 桌面上的图标 打开数据采集箱检测分析软件 如图 11 4 所示 图 11 4 数据采集箱检测分析软件界面 2 在实验选项菜单中选择实验项目 如图 11 5 所示 153 图 11 5 实验选项菜单 当屏幕上出现图 11 6 所示的弹出菜单时 点 击 确定 进入测试程序界面 如图 11 7 所示 测试程序界面包含菜单栏 光栅角位移曲线显 示区 直线位移显示区 坐标调整区 曲线调整区 功能按钮区等 图 11 7 测试程序界面 区域说明 菜单栏 与前面提及的各项功能相对应 光栅角位移曲线显示区 以曲线方式实时显示光栅角位移传感器采集到的数据 图 11 6 端口打开菜单 菜单栏菜单栏 光栅角位移曲线显示区光栅角位移曲线显示区 直线位移显示区直线位移显示区 坐标调整区坐标调整区 曲线调整区曲线调整区 功能按钮区功能按钮区 154 直线位移显示区 以曲线的方式实时显示直线位移传感器采集到的数据 坐标调整区 调整对应显示区域的横纵坐标 曲线调整区 P1曲线调整用于调整光栅角位移各数据的放大倍数 P2曲线调整 用于调整直线位移各数据的放大倍数 功能按钮区 其中主动件速度显示机构中所测量的主动件的转速及速度1采集口 采集到的数据 点击 采集 按钮即可采集测试数据 点击 设置零点 可以设置 从动件角位移参数测试零点 点击 清空 按钮可清空采集到的数据 并重新开始 采集 点击 保存文件 程序将以 txt 文件格式保存采集到的数据 点击 打 开文件 可以将保存的数据还原成图形曲线 点击 打印结果 以A4纸打印当前 显示区域的曲线图 3 采集机构运动参数 依次点击 采集 和 设置零点 系统将开始采集机 构运动参数并绘制运动线图 在系统工作过程中 可以修改各数据的放大倍数 以 便清楚地观察曲线 点击 暂停 结束数据采集 图 11 8 所示为一测试机构的运 动参数测试结果 图 11 8 测试结果 155 点击 打印结果 屏幕将出现打印和保存曲线界面 此时 按住鼠标右键直至 出现十字形光标 然后将光标移动到屏幕上的适当位置 再按住鼠标左键 拖出矩 形框捕捉机构测试运动线图图形 如图 11 9 所示 释放左键 将图形保存到 D 盘 运动参数测试与分析 文件夹 4 关闭数据采集箱和测试机构电源 5 机构运动仿真 测量并记录测试机构的尺寸参数 打开 D 盘上 机构方案 图 11 9 机构从动件运动线图 156 设计运动分析 文件夹中与测试机构名称一致的子文件夹 运行 exe 程序 输入相 应参数 有些参数需要根据测试机构的尺寸参数计算 以牛头刨床为例 需要计算 行程速比系数 K 刨刀行程 H 曲柄角速度 等参数 点击 计算确定 如图 11 10 所示 点击菜单栏的 运动仿真与运动线图 进行运动仿真 得到机构运动分析结果 和运动线图 按前述相同方法 保存机构运动线图 如图 11 11 所示 图 11 10 机构运动分析输入参数 a 157 打印所保存的机构测试运动线图和仿真分析运动线图 以用于撰写实验报告 6 关闭计算机电源 11 5 杆组的概念 正确拆分杆组及拼装杆组 1 杆组的概念 任何机构都是由机架 原动件和从动件系统 通过运动副联接而成 机构的自 由度数应等于原动件数 因此封闭环机构从动件系统的自由度必等于零 而整个从 动件系统又往往可以分解为若干个不可再分的 自由度为零的构件组 称为组成机 构的基本杆组 简称杆组 基本杆组应满足的条件 023 45 ppnF 其中活动构件数 n 低副数 P5和高副数 P4都必须是整数 由此可以获得各种类 b 图 11 11 机构运动线图 158 型的杆组 示例 蒸汽机机构 图 11 11 蒸汽机机构 上图中 1 2 3 8 组成曲柄滑块机构 1 4 5 8 组成曲柄摇杆机构 5 6 7 8 组成 摇杆滑块机构 曲柄摇杆机构与摇杆滑块机构串联组合 滑块 3 7 作往复运动并有 急回特性 适当选取机构运动学尺寸 可使两滑块之间的相对运动满足协调配合的 工作要求 注 图 蒸汽机机构拼接实例 中数字编号的说明意义为 横杠前面的数字代表构件编号 横杠后面的数字表示该构件所占据的运动层面 11 6 机构设计任务 下列各种机构均选自于工程实践 根据机构运动简图及给定已知条件 进行机 构设计 确定机构运动学尺寸后再进行机构杆组的拆分 完成机构拼接设计实验 159 设计任务 3 的机构运动学尺寸由实验法求得 设计任务设计任务 1 牛头刨床机构牛头刨床机构 图 11 13 已知 行程速比系数 K 刨刀行程 H 曲柄长度 LAB 连杆长度 LDE 要求 使刨刀在整个行程中有较小的压力角 求导杆长度 LCD 中心距 LAC 导路至摆 动中心距离 y 确定连杆 LDE 后的 max 并给出机构的级别 设计任务设计任务 2 插床机构插床机构 图 11 14 已知 插刀行程 H 机架 长度 LAC 行程速比系数 K 长度比值 LDE LDC 求 LAB LDE LBC e 并保证在 整个行程压力角 尽可能小 注 任务 1 2 中数字编号 说明的意义为 减号前后小数 字表示构件编号 乘号后面的 数字为件数 设计任务设计任务 3 导杆 摇杆滑导杆 摇杆滑 块冲压机构块冲压机构 图 11 15 冲压机构是在摆动导杆机构的基础上 串联一个摇杆滑块机构组合而成 行程速 比系数 K 1 5 调整构件长度 使冲头达 到工作段近似匀速的要求 并选择导路适 图 11 13 牛头刨床机构 图 11 14 插床机构 图 11 15 导杆 摇杆滑块机构 160 当位置 使工作段压力角 尽可能小 设计任务设计任务 4 起重机机构起重机机构 图 11 16 调整构件长度 使 E 点轨迹为直线 注 由于是双摇杆 所以不能用电机带 动 只能用手动方式观察其运动 设计任务设计任务 5 六杆机构六杆机构 图 11 17 图 11 17 六杆机构 增加电机后的铰链六杆机构 调整构件长度 使 E 点轨迹为直线 设计任务设计任务 6 锻压机构锻压机构 图 11 18 曲柄 AB 整周回转 锻压头往复移动 作机构的 尺度综合 确定机构尺寸 使锻压头位移 S 与曲柄转 角 的关系满足图 11 19 运动线图 并要求工作行 程过程中最大压力角 max尽可能小 参考数据 4 FG AB L L 3 FGFG AFEF L L L L 5 1 FG CD L L 60 图 11 16 起重机机构 图 11 18 锻压机构 161 计任务计任务 7 冲压机构冲压机构 图 11 20 冲压机构用于冲制 拉 延薄壁零件 工作时 要求 上模先以较大速度接近坯料 然后以匀速进行拉延成型工作 上模继续下行将成品推出型腔 最后快速返回 作 机构的尺度综合 确定机构尺寸 使上模位移 S 与曲柄转角 的关系满足图 11 21 运动线图 并要求工作行程过程中最大压力角 max尽可能小 提示 1 曲柄 AB 与曲柄 ED 两者转速相等 转向相反 可由一 对外啮合齿轮传动实现 2 连杆 LBC与 LCD长度相等 设计任务设计任务 8 行程放大机构方案设计行程放大机构方案设计 图 11 22 1 对心曲柄滑块机构如图 11 22 所示 曲柄半径 LAB R 滑块行程 H 2R 利用齿轮齿条机构与之组合 使滑块行程 H 4R 构造该组合机构的设计方案 2 带轮行程增大机构如图 图 11 20 冲压机构 图 11 21 上模运动线图 图 11 22 对心曲柄滑块机构 图 11 23 带轮行程增大机构 图 11 19 锻压头运动线图 162 11 23 所示 图中 曲柄 1 转动 其半径为 R 通过连杆 2 带动小车作往复移动 两车轮轴 上各套有可在轴上自由旋转的轮 3 两轮间用带 4 环绕并拉紧 带的下边固定于 A 点 小车作往复移动时 固连与带上方的 B 点也作往复移动 其行程 H 4R 通过增加一对齿轮和一个铰接 II 级组 使行程 H 8R 构造该组合机构的设计方案 表 11 1 机构运动创新方案实验台组件 序号名 称 图示及图号规 格 数量 使用说明标号 1 凸 轮 高副锁紧弹簧 推程 30 回程 各 4 凸轮推 回程 均为正弦加速度 运动规律 1 2 齿 轮 标准直齿轮 Z 34 Z 42 4 4 2 1 2 2 3 齿 条标准直齿条 43 4 槽轮拨盘 14 5 槽 轮 四 槽15 6 主动轴 L 5 20 35 50 65 4 4 4 4 2 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 7 转动副轴 或滑块 3 L 5 15 6 4 7 1 7 2 163 30 37 3 8 扁头轴 L 5 20 35 50 65 16 11 11 10 8 8 1 8 2 8 3 8 4 8 5 9 主动滑块插件 L 40 55 1 1 与主动滑块座固 连 可组成作直线 运动的主动滑块 9 1 9 2 10 主动滑块座 1 与直线电机 齿条固连 10 表 11 2 机构运动创新方案实验台组件 序号名 称 图示及图号规 格 数量使用说明标号 11 连 杆 或滑块导向杆 L 50 100 150 200 250 300 350 8 8 8 8 8 8 8 11 1 11 2 11 3 11 4 11 5 11 6 11 7 164 11 压紧连杆用 特制垫片 6 516 将连杆固定在主 动轴或固定轴上 时使用 11 13 转动副轴 或滑块 2 L 5 20 各 8 与 20 号件配用 可与连杆在固定 位置形成转动副 13 1 13 2 14 转动副轴 或滑块 1 16 两构件形成转动 副时用作滑块时 用 14 或 14 1 15 带垫片螺栓 M648 用于加长转动副 轴或固定轴的轴 长 15 16 压紧螺栓 M648 与转动副轴或固 定轴配用 16 17 运动构件层 面限位套 L 5 15 30 45 60 35 40 20 20 10 17 1 17 2 17 3 17 4 17 5 165 18 电机带轮 主动轴皮带轮 大孔轴 用于 旋转电机 小孔轴 用于 主动轴 3 3 大皮带轮已安装 在旋转电机轴厂 18 19 盘杆转动轴 L 20 35 45 6 6 4 盘类零件与连杆 形成转动副时用 19 1 19 2 19 3 20 固定转轴块 8 与 13 号件配用 20 166 表 11 3 机构运动创新方案实验台组件 序号名 称 图示及图号规 格 数量使用说明标号 21 加长连杆或固 定凸轮弹簧用螺 栓 螺母 M10各 18 用于两连杆加 长时的锁定 用 于固定弹簧 21 22 曲柄双连杆部件组合件 422 23 齿条导向板 823 24 转动副轴 或滑块 4 16 两构件形成转 动副时用作滑块 时用 24 25 安装电机座行 程开关座用内六 角螺栓 平垫 标准件 M8 25 8 各 20 26 内六角螺钉标准件 M6 154 用于将主动滑 块座固定在直线 电机齿条上 27 内六角紧定螺钉 M6 6 18 将盘类零件 固定在轴上 28 滑 块 64 已与机架相联 支撑轴 并在 机架平面内沿铅 垂方向上下移动 167 29 实验台机架 4 动力柱 5 根 在机架平面沿 水平方向移动 30 立柱垫圈 940 已与机架相联 用于固定立柱 31 锁紧滑块方螺母 M664 已与滑块相连 32T 形螺母20 卡在机架的长 槽内 可轻松用 螺栓固定电机座 33 行程开关支座 配 内六角头螺栓 平垫 M5 15 5 2 4 4 用于行程开关 与其座的连接 行程开关的安装 高