平面机构的组成要素及工作原理的设计方案

　　若组成机构的所有构件都在同一平面或相互平行的平面内运动，则称该机构为平面机构。 机构是具有确定运动的构件系统，其组成要素有构件和运动副。所有构件的运动平面都相互平行的机构亦称为平面机构，否则称为空间机构。

　　一、平面机构的组成要素

　　1.构件及其类型

　　构件是机构彼此相对运动的运动单元体。一个构件可以是一个单独制造的零件，如连杆;也可以是由若干零件联接构成的组合体。

　　构件依其在机构中的功能分为机架、主动件、联运件和从动件。机架是机构中相对静止,支承各运动构件运动的构件;主动件又称为原动件或输入件，是输入运动和动力的构件;从动件又称为被动件或输出件，是直接完成机构运动要求，跟随主动件运动的构件;联运件是联接主、从动件的中介构件。

　　2.运动副

　　机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此，构件的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相对运动，这种直接接触的活动连接称为运动副。轴承中的滚动体与内外圈的滚道，啮合中的一对齿廓、滑块与导轨，均保持直接接触，并能产生一定的相对运动，因而都构成了运动副。两构件上直接参与接触而构成运动副的点、线或面称为运动副元素。

　　3.运动链和机构

　　两个以上的构件通过运动副联接而成的系统称为运动链。运动链分为闭式运动链和开式运动链两种。所谓闭式运动链是指组成运动链的每个构件至少包含两个运动副，组成一个首末封闭的系统，开式运动链的构件中有的构件只包含一个运动副，它们不能组成一个封闭的系统。

　　4.自由度和运动副约束

　　任何一个构件在空间自由运动时皆有六个自由度。它可表示为在直角坐标系内沿着三个坐标轴的移动和绕三个坐标轴的转动。而对于一个作平面运动的构件，则只有三个自由度。即沿x轴和y轴移动，以及在xOy平面内的转动。我们把构件相对于参考系具有的独立运动参数的数目称为自由度。

　　两个及两个以上的构件通过运动副联接以后，相对运动受到限制。运动副对成副的两个构件间的相对运动所加的限制称为约束。引入一个约束条件将减少一个自由度，而约束的多少及约束的特点取决于运动副的形式。

　　(1) 转动副的运动副限制了轴颈2沿x轴和y轴的移动，只允许轴颈绕轴承相对转动，这种运动副称为转动副。转动副引入了2个约束，保留了1个自由度。

　　(2) 移动副的运动副，构件这间只能沿x轴作相对移动，这种沿一个方向相对移动的运动副称为移动副。移动副也具有2个约束，保留了1个自由度。

　　转动副和移动副都是面接触，统称为低副。

　　(3) 平面高副，在曲线构成的运动副中构件2相对于构件1既可沿接触点处切线方向移动，又可绕接触点A转动，运动副保留了2个自由度，带进了一个约束。这种点接触或线接触的运动副称为高副。

　　二、平面机构的工作原理

　　因为机构具有确定运动的条件：原动件数=F，所以如将机构的机架和原动件(称为基本机构)与其余构件拆分开，则由其余构件构成的构件组的F=0。

　　而这个F=0的构件组，有时还可以再拆分成更简单的F=0的构建组。

　　我们把zui后不能再拆的zui简单的自由度为0的构件组称为基本杆组或阿苏尔肝组，简称为杆组。

　　任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上而构成的。这就是所谓机构的组成原理。即：任何机构=原动件、机架(F个)+若干个基本杆组(F=0)

　　三、平面机构的设计方案

　　本装置利用各种给定的平面机构，根据想象力搭接成一个完整的机械传动方案并进行机构运动的测试分析，不仅可以培养学生的机构创意组合设计能力与数字化分析能力，而且还可以培养工程实践能力。

　　1.实验内容

　　1)平面机构创新设计：学生根据所学知识和实验台提供的零件库，设计平面机构传动方案。

　　2)平面机构拼装：学生可根据本实验台提供的15种以上传动方案或自己的设计方案进行组装。

　　3)平面机构运动学测试及仿真实验：学生通过对自己设计的平面机构进行测试分析、运动分析、实验结果分析。

　　4)虚拟三维运动演示实验

　　2.性能特点

　　1)工作台架采用双面操作设计，A面用于测试分析,B面用于平面机构设计和拼装实验,美观大方、适用性强、操作方便。

　　2)所有杆构件长度及滑块偏心距均可进行调节，分析该参数改变对机构运动特性的影响。

　　3)该实验台集平面机构设计、拼装、测试及性能分析与一体，培养学生综合设计、创新能力、工程实践能力、分析问题和解决问题的能力。

　　4)实验台框架及零部件采用优质钢材精工制造，零部件采用工业发蓝处理，防锈效果好。

　　3.主要技术参数

　　1)交流调速电机：120W 220V 0-200r/min

　　2)交流带减速器电机：90W 220V 10r/min

　　3)测试传感器：直线位移传感器：输出电压：0-5V 量程：160L 1支

　　旋转编码器：输出电压：0～5V 脉冲数：1000P 2支

　　4)皮带传动 皮带轮 4个皮带O型×850L 2根

　　5)齿轮传动

　　M=2 Z=80 2个

　　M=2 Z=90 2个

　　M=2 Z=36 1个

　　6)工作台外形尺寸：1200×800×800mm

　　7)操作台外形尺寸：1000×300×800mm

　　4.提供带测试软件的15种拼装方案

　　1)曲柄滑块偏心机构

　　2)曲柄滑块对心机构

　　3)曲柄导杆偏心机构

　　4)曲柄导杆对心机构

　　5)曲柄导杆滑块偏心机构

　　6)曲柄导杆滑块对心机构

　　7)曲柄摇杆-齿轮齿条机构

　　8)曲柄摇杆机构偏心机构

　　9)曲柄摇杆对心机构

　　10)曲柄导杆摇杆机构

　　11)双曲柄摇杆机构

　　12)双曲柄摇杆滑块机构

　　13)正弦凸轮机构

　　14)简振动凸轮机构

　　15)槽轮机构可以组合其他拼接机构

　　四、总结

　　机构的动力综合zui初是在刚体动力学范畴中进行的。通常先按一般的运动综合方法把机构设计出来,这样得到的机构在工作速度较高时,其动力性能常不能达到设计要求,故应根据动力学原理,通过改变质量配置或机构尺寸来获得具有优良动力性能的机构。60年代以来，由于机械向高速、重载、精密、尺寸小和重量轻发展，在机构综合中必须考虑构件的弹性和运动副的间隙等影响。如对于高速印刷机的夹持机构，传统的方法是把构件看作jue对刚体进行机构综合，夹持机构全无夹持效能。在考虑到构件弹性而进行动力综合时，其方法是:先根据给定运动要求,按刚性构件进行机构运动综合，再考虑构件的弹性进行机构的运动和动力分析。然后,将所得动力性能数据与理想的动力性能数据比较,如动力性能误差超过允差，就加以修正和进行再综合，这样反复进行，直到满足要求为止。

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