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
机械创新设计指导 主编：玄冠涛 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn
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