机械方案创意实验教程2006版.doc

机械方案创意设计模拟实施实验教程43“机械方案创意设计模拟实施”实验教程西南交通大学 卢存光 著西南交通大学国家级机械基础实验教学示范中心2006年3月第五章 机构创新设计实验15 机械方案创意设计模拟实施实验一、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）培养学生运用实验方法，研究、分析机械的初步能力。（3）培养学生运用实验方法，自行构思创新、试凑选型机械运动方案，调整、优化机构参数，进而验证、确定机械运动方案和参数。（4）使学生了解（教材未涉及的）构件干涉问题及其解决方法。（5）培养学生用电机、控制盒等电气元件和气缸、电磁阀、调速阀、空气压缩机等气动元件组装出动力源，对机械进行动力驱动和控制的初步能力。（6）培养学生动脑创新设计，进而动手付诸工程实践的综合能力。二、实验内容成功的设计往往始于方案的创新，而机械运动方案的选择至今缺乏实用化的理论导向。本实验的核心是以西南交通大学研制的“机械方案创意设计模拟实施实验仪”为设计手段，针对有工程背景和一定难度的设计题目，指导学生使用该实验仪的多功能零件，进行积木式组合调整，从而让学生自己构思创新、试凑选型机械设计方案，亲手按比例组装实物机构模型，亲手安装电机并连接电路，亲手安装气缸并组装气动系统；模拟真实工况，动态操纵、演示、观察机构的运动情况和传动性能；通过直观调整机械方案、构件布局、连接方式及尺寸以及更改动力和控制系统，来验证和改进设计，使该模型机构能够灵活、可靠地按照设计要求运动到位。也就是通过创意实验模拟实施环节来实现培养学生创新动手能力的教学改革目标。三、实验设备及材料（1）机械方案创意设计模拟实施实验仪。（2）系列转速微型电动机、四路电气控制盒、负载线和其他电气辅件。（3）系列行程微型气缸、过滤减压器、电磁换向阀、调速阀、气管和空气压缩机等气动元件及辅件。（4）螺丝、螺母、垫圈等紧固件。（5）钢板尺、量角器等量具和扳手、钳子、螺丝刀等工具。（6）吹塑纸。四、实验原理（1）机构的组成和运动学原理。（2）直流电机、双作用式气缸的驱动和控制的原理。五、实验步骤（1）针对设计题目，学生初步构思选型机械系统运动方案和电气或气动驱动控制方案，绘出草图。（2）教师指导学生使用“机械方案创意设计模拟实施实验仪”的多功能零件，按照学生自己的草图，先在桌面上进行机构的初步试验摆放，这一步的目的是进行构件的总体布局和合理分层。总体布局以机械原理课程知识为导向。而课程尚未涉及的合理分层，一方面为了使各个构件在相互平行的平面内运动，另一方面为了避免各个构件、各个运动副之间发生运动干涉。（3）教师指导学生按照上一步骤试验的布局和分层方案，使用实验仪的多功能零件，从最里层开始，依次将各个构件组装连接到机架上。其中选取、调整各种零部件，组装连接为各种机构的方法，详见“六、实验方法指导”。（4）教师指导学生根据输入运动的形式选择原动件。若输入运动为转动（工程实际中以柴油机、电动机等为动力的情况），可选用主动定铰链轴或蜗杆为原动件；若输入运动为移动（工程实际中以油缸、气缸等为动力的情况），可选用适当行程的气缸为原动件。具体的组装连接方法详见“六、实验方法指导”。（5）教师指导学生试用手动的方式摇动或推动原动件，观察整个机构各个杆、副的运动，在原动件的整个行程内都没有发生杆、副干涉和“憋劲”现象，全都畅通无阻之后，才可以安装电机通过软轴联轴器与主动定铰链轴或蜗杆相连，或安装气动组件与气缸相连，进而连接电气电路和空气压缩机。电机和气动组件、空气压缩机以及配套的电气控制系统的组装连接方法详见“六、实验方法指导”。（6）教师指导学生检查无误后，打开电源，用电气控制盒操纵驱动机构的运动。（7）教师指导学生通过动态观察机构系统的运动，对机构系统的运动到位情况、运动及受力特性作出定性的分析和评价。一般包括如下几个方面： 各个杆、副是否发生干涉； 有无“憋劲”现象； 输入转动的原动件是否曲柄； 运动输出杆件是否具有急回特性； 机构的运动是否连续； 在工作行程中，最小传动角（或最大压力角）是否超过其许用值； 机构运动过程中是否产生刚性冲击或柔性冲击； 机构是否灵活、可靠地按照设计要求运动到位； 自由度大于 1 的机构，其几个原动件能否使整个机构的各个局部实现良好的协调动作； 动力元件（电机或气缸）的选用及安装是否合理，是否按预定的要求正常工作。（8）若观察机构系统运动发现问题，则学生必须按照前述步骤进行调整，直到该模型机构灵活、可靠地完全按照设计要求运动。（9）至此学生已经用实验方法自行确定了机构的设计方案和参数，再测绘自己组装的模型，换算出实际尺寸，填写实验报告，制做影像资料，包括： 粘贴机构照片； 按比例绘制正规的机构运动简图，标注全部参数； 计算机构自由度； 必要时高副低代、划分杆组； 简述步骤（7）所列的各项评价情况； 指出自己有所创新之处； 指出不足之处并简述改进的设想； 将实验报告和机构运动录像交给教师留存备查。（10）教师验收合格，鉴定总体演示效果，作为创新及动手环节的评分依据。六、实验方法本实验仪为组合可调式，它能够组装低副多杆机构，也能够组装凸轮机构、齿轮齿条机构、蜗杆蜗轮机构、带传动机构和槽轮机构这五类高副机构；还能够组装高、低副组合机构。转动副的铰链和移动副的滑块内部采用了滚动轴承，使机构运动的摩擦阻力明显减小；采用薄板型导轨和夹板定位减轻了自重；采用了具有误差补偿功能的软轴联轴器，即使电机的安装误差很大，仍可正常传动；采用了便于收存、取用零件的三层联动启闭式零件箱；它可以用手动，电动和气动三种方式来驱动，因而可以组装、演示和调整多自由度转动型和移动型原动件的组合机构。本实验仪包含一套具有特定的形状结构和连接关系的非标准零部件。所述非标准零部件包括二自由度导轨基板组件，主动铰链组件，构件杆、杆接头组件，从动铰链组件，滑块组件，齿条齿轮组件，蜗杆蜗轮组件，电机和软轴联轴器安装组件，支承组件和气缸安装的两种组件。1. 机架组件和零件箱（1）机架组件和零件箱的收存和展开待用。机架组件和三层联动启闭式零件箱由教师做好准备。机架组件和零件箱的收存状态如图 5.1 所示。图5.1 机架组件和零件箱的收存状态机架组件展开时，可按照图 5.1 文字提示进行操作，然后成为如图 5.2 所示待用状态；再按该图文字提示进行操作，可以在 0°90° 范围内调整并固定机架框的倾角。当机架框转动到与水平面之间的倾角为 0° 时，就是收存状态。图5.2 机架组件和零件箱的待用状态三层联动启闭式零件箱可以如图 5.3 所示关闭收存，如图 5.4 所示展开待用（可以如图5.1 和图 5.2 所示将其放在机架组件的底架中部，但收存时，不得将零件箱放在纵向导轨上面，以免后者被压弯变形）。 图5.3 零件箱的收存状态 图5.4 零件箱的待用状态图5.5 基板（2）二自由度调整定位基板。图5.5 所示为机架与活动构件相连接的基板。基板可以在机架框内在横竖两个自由度上调整到合适位置。图 5.6 为安装在机架框内的二自由度导轨基板组件。在纵向导轨两端各装有两个滚轮，这些滚轮均可在横向导轨的空腔内滚动；旋松六角螺钉则可拨动纵向导轨，带着基板左右移动到所需要的位置；拧紧六角螺钉则纵向导轨被固定成为机架导轨（注意：不可误拧固定滚轮的六角螺母）。图5.6 二自由度导轨基板组件旋松基板上的四个沉头螺钉中的上面两个，可以灵活拨动基板上下移动到所需位置；拧紧这两颗沉头螺钉，基板则被固定成为机架的一部分（注意：四个沉头螺钉中的下面两个起连接作用，一般情况下不要旋松）。基板上的两个M12×1螺孔用于安装主动定铰链，6 个M7螺孔可以安装支承基座（用来安装连架杆、副），也可以直接安装从动铰链或蜗杆组件。如果需要将一块基板换位安装，可以将这 4 个沉头螺钉全部旋下，拆下基板和其后面的两个条形小板，如图 5.6 所示将基板在新位置重新安装。（3）机架上的基准平面。本实验仪的基板平面与机架框平面为同一个平面，称为基准平面。2. 与机架相连的运动副（1）机架上的支承基座。 机架与连架杆、副之间的连接件支承。支承在机架与连架杆、副之间起连接和支承的作用。平面机构的各个杆件在相互平行的平面内运动，为了避免在运动中相互交错的构件发生相互干涉和碰撞，必须合理安排各个构件所在的层面。本实验仪设计的单位层面间距为 S7.5 mm，设计高副构件齿轮、蜗轮和凸轮的相邻层面间距为 S7.5 mm，设计低副杆件的相邻层面间距为2S15 mm。针对使用中构件层面布置的各种情况，在图 5.7 所示的 4 种支承中选用 12 种，组装成机架上的支承基座（4 种支承的共同之处在于它们的外螺纹都是M7）。1#支承和2#支承的大端内螺孔为M5；3#支承和4#支承的大端内螺孔为M7。1#支承和3#支承的大端轴向长度为S；2#支承和4#支承的大端轴向长度为2S。图5.7 四种支承 从动固定铰链的支承点M7支承基座。M7支承基座的螺孔M7对外，适用于从动固定铰链的安装。将支承基座最外侧端面至基准平面的距离称为支承基座的高度H。用几个4#支承在基板或机架框上组装成支承基座，其高度H为单位层面间距S的偶数倍，该端面螺孔M7对外，称为偶数层M7支承基座。用一个3#支承在最外侧，则该支承基座的高度H为单位层面间距S的奇数倍，端面也是螺孔M7对外，称为奇数层M7支承基座。 固定导路杆或导路孔的支承点M5支承基座。M5支承基座的螺孔M5对外，适用于导路杆或导路孔的安装。将奇数层M7支承基座上的唯一的3#支承换为1#或2#支承，则该支承基座的高度 H 为标准层面间距 S 的奇数或偶数倍，该端面螺孔M5对外，称为奇数层或偶数层M5支承基座。（2）组成低副和低副构件的零部件。 构件杆和垫块。图 5.8 所示为低副构件的主体构件杆。构件杆外端最短的长度为 33 mm，最长的长度为 423 mm，长度增量为 10 mm，共有系列化的 40 种长度。本书所说构件杆外端长度L指的是其两头端面之间的距离，用33、43、413、423 表示，加注方括号“ ”以区别于通常所说的“杆长”（两铰链中心之间的距离）。这 40 种长度不同的构件杆具有相同的 10 mm×5 mm 矩形横截面，便于用作移动副的导路杆或组装复杂杆件；还具有若干个宽度 5 mm 的长孔，便于活动铰链或杆接头在其上的安装固定和位置调整。构件杆可以用来组装二铰链杆、多铰链杆，也可以用作固定导路杆和活动的导杆。图5.8 40 种系列长度的构件杆图5.9 所示为垫块，具有与构件杆相同的 10 mm×5 mm的矩形横截面和一个宽度5 mm的长孔，组装复杂构件或安排杆件层面时用作辅助零件。 偏心滑块和带铰滑块（见图 5.10）。（a）偏心滑块（b）带铰滑块 图5.9 垫块 图5.10 带铰滑块偏心滑块的滑块体内部四角装有可转动的 4 个滚子，构成滚动接触式导路孔；将要穿过滑块体的构件杆与 4 个滚子接触，使移动副内部的摩擦为滚动摩擦。两个 M5 内螺纹用于锁定构件杆或固连齿条组件。带铰滑块的滑块体内部四角装有可以转动的 4 个滚子，构成滚动接触式导路孔；带铰滑块的滑块体内装有滚动轴承，轴承内圈装有铰链轴，两个 M5 内螺纹用于锁定构件杆或固连齿条组件。 主动定铰链（部件）。如图 5.11 所示。主动定铰链内有两个滚动轴承，其输出端带有平键，备有长度为 1S、2S和3S的 3 种规格的带健轴头，轴头端面有M4螺孔可用于轴上零件的轴向固定。将 3 种长度的轴头的主动定铰链分别称为主动定铰链1、2和3。（b）主动定铰链2（a）主动定铰链1（c）主动定铰链3图5.11 主动定铰链 从动定铰链（部件）。图 5.12 所示的从动定铰链内有两个滚动轴承，其输出端带有平键，备有长度为 2S 和 3S的两种规格的带健轴头，轴头端面有 M4 螺孔可用于轴上零件的轴向固定。将两种长度的轴头的从动定铰链分别称为从动定铰链2和3。图5.12 从动定铰链 活动铰链、铰链螺母、铰链螺钉和小帽铰链螺钉。用 5.13所示分别为活动铰链、铰链螺母、铰链螺钉和小帽铰链螺钉。活动铰链是由铰链轴和铰链套及其内部的滚动轴承组装而成的不拆部件。铰链轴、铰链螺钉和小帽铰链螺钉具有相同形状参数的扁形截面 M7 外螺纹；当铰链螺钉的钉帽会与其他零件相碰时，可用小帽铰链螺钉代替。图5.13 活动铰链、铰链螺母、铰链螺钉和小帽铰链螺钉 套筒轴组件。图 5.14 所示的套筒轴组件是由长度为 2S 和 3S 的两种规格的带键套筒和与之相配的从动轴以及挡片和M4螺钉组成的可拆部件。分别称为套筒轴组件2和3。图5.14 套筒轴组件（3）轴线固定的导路杆。如图 5.15 所示，在一块基板的一个 M7 螺孔上安装一个 M5 支承基座，又在机架框上的一个 f8 通孔上安装另一个 M5 支承基座。注意这两个 M5 支承基座的高度必须相等，才能保证固定导路杆与基准平面平行。图5.15 轴线固定的导路杆也可以将导路杆支承安装在两块基板上，还可以将导路杆两端都支承安装在机架框上。可以采取以下措施调整导路杆的位置和倾角并满足不同长度导路杆的安装需要: 选择位置合适的基板，用前文所述步骤两自由度调整基板的位置，在基板上选择位置合适的M7螺孔用以安装M5支承基座。 在机架框上选择位置合适的 f8 光孔用以安装M5支承基座。 选择长度合适的构件杆作导路杆，当两个 M5×10螺栓尚未旋紧时，导路杆可以绕支承基座转动，调整后再将该两个螺栓旋紧。在导路杆上安装滑块(必须事先套好)则构成轴线固定的移动副。（4）轴线固定的导路孔（直接安装在M5支承基座上并调整）。导杆受力不大时，如图 5.16（a）所示，可以只用一个偏心滑块构成单滑块固定导路孔。在滑板或机架框上旋紧安装一个高度合适的M5支承基座，将一个M5×10螺栓套上 f5垫圈穿过滑块柄的长孔，再旋进支承基座的 M5 螺孔，调整后旋紧固定。构件杆穿过滑块孔形成移动副。导杆受力较大时，如图5.16（b）所示，可以用两个偏心滑块构成一个双滑块固定导路孔。在基板或机架框上安装两个相同高度的 M5 支承基座；然后在该两个支承基座上分别安装偏心滑块，用一根构件杆同时穿过这两个偏心滑块，保证导路孔的两段同轴，调整后拧紧两个M5×10螺栓固定。（a）单滑块固定导路孔（b）双滑块固定导路孔图5.16 直接安装在M5支承基座上固定导路孔可以采取以下措施调整导路孔的位置和倾角以及导路孔的两段（即两个偏心滑块）之间的距离： 两个M5支承基座的位置调整如前文所述。 M5×10 螺栓尚未旋紧时，可以将偏心滑块绕 M5 支承基座转动；也可以将滑块柄的长孔相对于支承基座移动。（5）轴线固定的主动铰链的安装使用。如图5.17所示，将主动定铰链的铰链套的M12×1外螺纹旋入滑板上的M12×1螺孔。再逐步在水平、竖直两个自由度调整并固定基板主动定铰链的位置。（6）轴线固定的从动铰链的安装使用。 用从动定铰链。将从动定铰链的铰链套的M7外螺纹旋入滑板上的M7螺孔，或旋入偶数层M7支承基座的螺孔，如图 5.18 所示。用前文所述步骤可以水平、竖直两个自由度调整并固定基板从动定铰链的位置。12 1单层主动定铰；2基板 1基板；2三层从动定铰链 图5.17 轴线固定的主动铰链 图5.18 用从动定铰链作轴线固定的从动铰链 用活动铰链。方法 1：如图 5.19 (a)(b)(c)(d)所示， 将活动铰链的铰链轴的扁形截面 M7 外螺纹伸过垫块，转动垫块将其旋入基板或支承基座上的M7螺孔并旋紧，可将活动铰链固定铰接在基板或机架框上，活动铰链的M7螺孔对外，可以与一根构件杆或偏心滑块柄相连。 （a） （b） （c） （d）1基板；2垫块；3活动 1基板；24#或3#支承； 1活动铰链；2小帽铰螺； 2铰链螺钉；铰链；4构件杆；5铰链 3垫块；4活动铰链； 3构件杆；4垫块； 54#支承螺钉或小帽铰链螺钉 5构件杆；6铰链螺钉 53#支承；6机架框；74#支承（作螺母） （e） （f）图5.19 活动铰链作从动铰链的方法示意图图5.20 用套筒轴组件作轴线固定的从动铰链方法 2（见图5.19（e）、（f）将活动铰链的铰链轴的扁形截面 M7 外螺纹伸过固定导路杆的长孔后与铰链螺母的 M7 螺孔旋紧，将活动铰链铰接在固定导路杆上，活动铰链的 M7螺孔对外，可以与另一根构件杆或偏心滑块柄相连；再用方法2将活动铰链与一根构件杆固结，则该构件杆成为定轴转动的从动转杆。 用套筒轴组件。如图 5.20 所示，将套筒轴组件的从动轴的扁形截面M7 外螺纹伸过固定导路杆的长孔后与铰链螺母的 M7 螺孔旋紧，将从动轴固结在固定导路杆上，然后将带健套筒装在从动轴上。3. 低副机构（1）组成低副和低副构件的零部件（第二部分）。 杆接头。图 5.21 所示的 8 种杆接头都有与构件杆和垫块的宽度间隙配合的凹槽，凹槽内有与其宽度共有对称轴线的长孔，可以与加长铰链螺钉、构件杆和垫块组合，进行不共线多铰链杆的组装。图5.21 八种杆接头 加长铰链螺钉。图5.22所示的加长铰链螺钉也有扁形截面 M7 外螺纹，其形状、参数和功能与铰链螺钉的扁形截面 M7 外螺纹相同，但比后者增加了轴向长度，增量等于杆接头槽底的厚度，可以伸过杆接头和构件杆或垫块的长孔，而不能在孔中相对转动，其伸出端的 M7 外螺纹可以与其他零件的 M7 螺孔旋合。该零件用于不共线多铰链杆的组装。 铰接轴、铰接母和铰接短母。图5.23（a）所示的铰接轴具有一段便于手拧的滚花圆柱体，该圆柱体的一端有 M7 螺孔，另一端有制成一体的与铰链螺钉相同形状规格的扁形截面 M7 外螺纹，其用途是延长活动铰链的轴向长度，合理设置杆件层面间距。图5.23（b）、（c）所示的铰接母和铰接短母都有便于手拧的滚花圆柱体和与该圆柱体同轴线的 M7 螺孔。这两种零件的用途也是延长活动铰链的轴向长度。二者的差别是轴向长度不同。铰接母适用于一般情况；铰接短母适合安装在杆接头背面。 图5.22 加长铰链螺钉 图5.23 铰接轴、铰接母和铰接短母（2）二铰链杆和多铰链杆。 二铰链杆和共线多铰链杆。使用单根构件杆，两铰链中心最大距离等于构件杆外端长度 L 减去 13 mm。两铰链中心最小距离等于铰链套的直径 14 mm。因此两铰链中心距离的调整范围是14410 mm。若需要杆长大于 410 mm 的杆件，可用杆接头号或号号将两根构件杆固结连接为一根长杆。将活动铰链组装在构件杆上的步骤：初选适当长度的构件杆，如图 5.19（e）和图5.24所示将铰链螺钉的扁形截面外螺纹伸过构件杆的长孔，捏住构件杆使该外螺纹与活动铰链的铰链套的内螺纹旋合，也可以将活动铰链的铰链轴的扁形截面外螺纹伸过构件杆的长孔，捏住构件杆使该外螺纹与铰链螺母的内螺纹旋合。扁形截面外螺纹在构件杆的长孔内滑动到合适的位置，再与内螺纹旋紧，实现两铰链中心距离的无级调整。共线多铰链杆是在一根构件杆上组装三个或三个以上铰链，其组装调整方法与二铰链杆相同，如图 5.24 所示。图5.24 共线三铰链杆组装铰链杆还必须考虑本杆件与相邻杆件的层面布置问题，以决定将各个铰链组装在该构件杆的哪一侧。 不共线多铰链杆。不共线多铰链杆的组装还需要使用杆接头和垫块或另一根构件杆以及标准件。可以针对铰链的位置分布和偏距大小来选用前文介绍的 8 种杆接头。如图5.25（a）所示，用一颗M5×12螺钉、两个 f5垫圈和一个M5螺母先将杆接头与构件杆固定连接为一个整体。偏距较小时，如图5.25（c）所示，将加长铰链螺钉的扁形截面外螺纹伸过杆接头的长形孔，又伸过垫块的长形孔，再与活动铰链的铰链套的内螺纹旋合。垫块的作用是使该铰链与构件杆上的铰链具有同一个定位平面。绝对不能将铰链直接安装在杆接头的反面，否则会使该杆件与其他杆件不平行，产生“憋劲”。以上组装结构可以保证该杆件与相邻杆件平行，防止“憋劲”。偏距 a 较大时，如图 5.25（b）所示，用螺钉、垫圈和螺母将另一根构件杆也与这个杆接头固定连接为一个整体。铰链在后一根构件杆上的安装方法与二铰链杆相同。将铰链轴或铰链螺钉的扁形截面外螺纹在杆接头或构件杆的长形孔内滑动，可以在一定范围内调整偏距的大小。 图5.25 不共线多铰链杆模拟装载机、挖掘机等工程机械的大动臂构件时，可如图5.25(d)(e)所示，将接头角板与构件杆固连为较大的异形构件，再安装铰链。注意，多铰链杆与二铰链杆铰链连接时，该铰链是两个构件所共有的。由于多铰链杆的组装调整比二铰链杆麻烦，应该把活动铰链先安装在多铰链杆上，也就是说应该先组装多铰链杆。图5.26 运动的从动铰链（3）从动活动铰链、复合铰链、隔层铰链。 运动的从动铰链。如图 5.26 所示，将铰链杆上的活动铰链的铰链轴伸过另一根构件杆的长孔，与铰链螺母的内螺纹旋合；或将铰链螺钉伸过另一根构件杆的长孔，与铰链杆上的活动铰链的内螺纹旋合。则上述铰链杆与另一根构件杆之间形成了运动的从动铰链连接。涉及含有高副的构件时，可能会发生铰链轴向与其他杆件发生干涉的情况，这时可以用小帽铰链螺钉取代铰链螺钉。 复合铰链。需要组装复合铰链时，如图 5.27 所示，可以增加一个活动铰链和一根构件杆，按前述方法叠加组装。 隔层铰链。为了避免杆件干涉，有时需要铰链连接的两根杆件不在相邻的层面，而在隔开的层面。如图 5.28 所示，将铰接轴的的扁形截面M7外螺纹伸过垫块的长孔，与安装在一根构件杆上的从动铰链的 M7 内螺纹旋合，再将铰链螺钉的扁形截面外螺纹伸过另一根构件杆的长孔，与铰接轴另一端的螺孔旋合。（4）轴线运动的移动副和复合低副。 轴线运动的移动副。 图5.27 复合铰链 图5.28 隔层铰链将带铰滑块或偏心滑块套装在构件杆上，就组装成为图 5.29所示的轴线运动的移动副。 （a） （b）图5.29 轴线运动的移动副和复合低副 复合低副。将带铰滑块的铰链轴伸过另一根构件杆的长孔，再旋上铰链螺母，就组装成为图5.29（a）所示的复合低副。偏心滑块的柄可以如图5.29（b）所示安装铰链，再与另一构件杆铰接。（5）连架转杆。可以与高副构件固结一起转动的低副杆件称为第一类转杆，只能单独转动的低副杆件称为第二类转杆。 连架主动转杆。图 5.30 所示的曲柄杆，一端具有与高副构件相同的带键槽的孔，另一端具有与构件杆相同的截面和长孔，其本身就是第一类转杆。输入转动和扭矩的主动转杆以曲柄杆为中心。将曲柄杆的带键槽的孔如图5.31所示套装在主动铰链的带键轴头上，再用图 5.14 所示螺钉挡片作轴向定位，就成为主动的第一类转杆。曲柄杆的另一端可以直接安装活动铰链，也可以如图 5.32 所示与杆接头和构件杆固连再安装活动铰链，组装成为加长的第一类转杆。 图5.30 曲柄杆 图5.31 曲柄杆安装在主动铰链上图5.32 第一类转杆主动铰链的带键轴头上还可以安装高副构件，与第一类转杆同轴转动。 连架从动转杆。将第一类转杆安装在从动定铰链和套筒轴组件的带键轴头上，就成为可以与高副构件同轴、定轴转动的第一类从动转杆。将构件杆与轴线固定的活动铰链的输出轴或套固结，则该构件杆成为定轴转动的第二类从动转杆。4. 高副机构（1）齿轮齿条机构。 齿轮和齿条。图 5.33 所示齿轮都是正常齿直齿渐开线标准齿轮，模数都是 1.5 mm，创新 A 型和 B型图5.33 11 种齿数的齿轮配置20、25、30、35、40、45、50、55、60、65和70共 11 种齿数；创新C型和D型配置20、25、30、35、40、45、50和55共 8 种齿数。各个齿轮的轮毂宽度都是 8 mm，约等于单位层面间距 S；齿宽都是 6 mm；安装孔都是直径 f13 mm 的基准孔，都有宽度为 3 mm的内键槽。齿轮的孔和键槽的规格以及轮毂宽度与曲柄杆、蜗轮、凸轮、皮带轮、和槽轮及其拨盘都完全相同；齿轮的齿宽与这几种高副构件的工作宽度也都完相同。以后不再赘述。图 5.34（a）描述了齿条组件的外形结构。齿条的模数也是 1.5 mm。齿条组件内装有齿条螺钉，齿条螺钉的螺杆穿过齿条组件的实体伸出一段外螺纹。图5.34 齿条-滑块组件的组装 齿轮齿条的安装。如图 5.35（a）所示，安装好主动定铰链轴或从动定铰链轴或套筒轴组件，将相互啮合的一对齿轮的孔分别套装在各自的带键轴头或套筒上，注意将齿轮的内键槽对准轴头或套筒上的键，实现周向定位，由轴头或套筒轴的轴肩以及挡片和螺钉实现轴向定位。 （a）一对齿轮安装 （b）一个齿轮与两件齿条啮合456（c）特例：齿数和为95的一对齿轮可以安装在一块基板上1单层主动定铰链；2基板；3三层从动定铰链；4Z30齿轮；5Z65 齿轮；6齿凸垫套图 5.35 齿轮齿条的安装如果需要几个齿轮的轴心在一条直线上，可以将几个套筒轴组件安装在一根构件杆上。安装固定好导路杆，如图 5.34（b）所示，捻转齿条螺钉外露的螺帽，将其伸出的外螺纹旋入带铰滑块的内螺纹拧紧，固结构成齿条-滑块组件，可以沿着穿过滑块体的固定导路杆往复移动。齿条受力较大时，可将其与两个带铰滑块固结，该两个带铰滑块套装在同一根固定导路杆上往复移动。 调整一对齿轮或齿轮齿条传动的中心距。为了保证相互啮合的一对齿轮或齿轮齿条实现正确啮合、连续传动，必须调整该对齿轮或齿轮齿条传动的中心距，凭手感经验使其转动灵活，并且只有很小的齿侧间隙，也就是俗称的“不松不紧”。中心距的调整方法为：调整基板的位置，也就是调整主动或从动定铰链轴或套筒轴在机架框中的位置。一个特例：如图 5.35（c）所示，本实验仪专门设计同一基板上M12×1螺孔与较远的M7螺孔的中心距等于齿数和为95的一对齿轮啮合的中心距。（2）蜗杆蜗轮机构。 蜗杆和蜗轮。本实验仪的蜗杆和蜗轮如图 5.36 所示，都是正常齿渐开线标准蜗杆和蜗轮，模数都是 1.5 mm，蜗杆为单头，蜗轮配置20、25、30和35共 4 种齿数。图5.36 蜗杆和蜗轮图5.37 蜗杆安装在基板上蜗杆两端各装有一个滚动轴承和一个 L 形蜗杆支座（50）。蜗杆轴与蜗杆制成一体，单侧铣扁，其结构尺寸与主动定铰链的轴完全相同。 蜗杆、蜗轮的安装。蜗杆的安装如图 5.37 所示，在蜗杆的有（无）轴端将铰链螺钉（1#或3#支承）的 M7扁（圆） 形截面外螺纹套上垫片再穿过L形蜗杆支座的安装孔后旋入基板的 M7 螺孔，将蜗杆组件固定在基板上。蜗轮的安装方法与齿轮相同。 调整蜗杆和蜗轮传动的中心距。蜗杆-蜗轮中心距调整的标准与齿轮机构相同。蜗杆-蜗轮的位置和中心距调整的方法，也是按前文所述调整基板的位置。一个特例：如图 5.49 所示，本实验仪专门设计蜗杆和齿数为 35 的蜗轮可以安装在同一基板上。 （3）凸轮机构。 凸轮、凸轮滚子和凸轮平底（见图5.38）。图5.38 凸轮和相关零部件本实验仪配置三种廓线的凸轮。其中1#凸轮和2#凸轮的廓线有内凹区段，用于滚子推杆凸轮机构；而3#凸轮的廓线完全外凸，既可用于滚子推杆凸轮机构，又可用于平底推杆凸轮机构。本实验仪组装的推杆既可以移动又可以摆动。凸轮滚子的一端为滚动轴承，另一端有与铰链螺钉相同形状规格的扁形截面M7外螺纹；凸轮平底有与构件杆相同宽度的长形孔。 凸轮和推杆的组装、安装。凸轮的安装方法与齿轮相同。Ø 滚子推杆的形成：如图 5.39、图5.40 所示，凸轮滚子轴的扁形截面外螺纹伸过构件杆的长孔，捏住构件杆使该外螺纹与铰链螺母的内螺纹旋合。Ø 平底推杆的形成：如图 5.41 所示，将加长铰链螺钉的扁形截面外螺纹伸过构件杆的长形孔，又伸过平底的长形孔，再与铰链螺母的内螺纹旋合。摆动推杆是前文已述的连架从动转杆。移动推杆安装在图5.39所示的导路孔中。（为避免遮挡，图5.40 未画出摆动推杆的回转轴，图5.41 未画出移动推杆导路孔） 调整凸轮和推杆的位置。凸轮位置调整的方法与齿轮相同。推杆位置调整的方法与转动、移动的低副杆件相同。 凸轮与推杆保持接触的方法。在推杆上选择合适位置，用M5螺母、 f5 垫圈各两颗将一颗 M5×40 螺栓固结在推杆上；用橡皮筋的一端套挂机架上合适位置的孔或凸出物，另一端套挂推杆上的螺栓。根据需要将橡皮筋双重、双根使用。实践表明，橡皮筋的拉力足以使凸轮和推杆保持接触。图5.39 移动滚子推杆凸轮机构及其力封闭方法图5.40 摆动滚子推杆凸轮机构及其力封闭方法 图5.41 移动平底推杆凸轮机构及其力封闭方法 图5.42(a) 两种直径的皮带轮图5.42(b) 皮带传动（4）带传动机构。 皮带轮（见图 5.42(a)）和皮带。本实验仪配置两种直径的皮带轮和 5 种长度的 f3皮带。 皮带轮和皮带的安装、调整。皮带轮的安装方法与齿轮相同。两个皮带轮的位置、中心距的调整方法也与一对齿轮相同。如图 5.42(b) 所示，安装皮带：Ø 将两个皮带轮的中心距调整到选定的公称值；Ø 将对应的皮带先绕在小带轮的带槽，再绕大带轮约 1/3 圆周；此时皮带应该绷直，否则需调整中心距。Ø 压住大带轮上的皮带同时转动大带轮，可将皮带套好。（5）槽轮机构。 拨盘和槽轮（见图 5.43）。本实验仪配置带有两个转销的拨盘和 具有四个槽的槽轮。 拨盘和槽轮的安装、调整。一组拨盘和槽轮不在同一基板的安装方法，位置、中心距的调整方法与一对齿轮相同。调整的标准是使拨盘上的外锁止弧和槽轮上的内锁止弧之间的间隙为0.10.4mm。特例：按照图 5.35（c）图5.43来组装，同一基板上正好安装一组拨盘和槽轮。5. 电气控制(1) 操作开关盒（见图 5.50 和图 5.56）。操作开关盒外凸的插座用于输入 13.5 V 直流电。操作开关盒的四个拨柄都有正、停、反三个位置。其中“正”位和“反”位由使用者拨动，松开时拨柄自动回复到“停”位。这四 个拨柄分别与A、B、C、D四个负载插口 一一对应，四路相互独立，进而与14路电机或电磁阀-气缸一一 图5.43 拨盘槽轮组装 对应。也就是操作控制14个原动件。 (2) 负载线（见图 5.50 和图 5.56）。负载线两端的插头与操作开关盒、L 形电机架和气动控制组件的通用负载插口相配。(3) 直流电源（见图 5.50 和图 5.56）。直流电源的外形为长方体，将220V交流电转换为13.5V直流电，其输入插头与市售插线板相配，其输出插头与操作开关盒上外凸的插座相配。由于电路中各处采用了不同规格的插头、插座（口），因此可以避免插错电路。使用者直接接触的是对人体没有危险的 13.5 V 直流电。6. 电机驱动（1）电机（见图 5.44 ）。本实验仪配置微型直流电机，额定功率为 2 W， 公称电压为 12 V，额定转速有 3 种：15 r/min、30 r/min和 100 r/min。电机的正方形端面上有四个M4安装螺孔。一般地来说，直连曲柄、凸轮、拨盘宜用慢转速电机，直连蜗杆宜用快转速电机。 （2）L形电机架（见图5.45）。L 形电机架的底面上开有两个用于电机架自身安装的长孔；立面上开有 一个大孔和四 个与电机端面相配的安装小孔；还安装有并联的两个负载插口（未绘出）。（3）软轴联轴器（见图5.46）。 软轴联轴器是由套筒、绳杆、钢丝绳和联轴头以及标准件组装成的部件。绳杆的内螺纹和联轴头的内螺纹各旋有同轴线的一对螺栓，该两对螺栓的端面相互顶住夹紧伸进来的钢丝绳。套筒的孔内装有绳杆的单侧铣扁的轴，套筒的内螺纹旋有螺钉，螺钉的端面接近但不接触绳杆的扁轴侧面的平面。软轴联轴器工作时，套筒和联轴头分别固连在电机轴和负载轴上，钢丝绳传递扭矩，如图 5.48和 图 5.49所示。由于钢丝绳是柔性体，也由于绳杆与套筒不能相对转动但可沿轴线相对移动，因而即使电机轴与负载轴有很大的不同轴误差和距离误差，仍然可以正常传动。过载时钢丝绳蜷卷，保护电机。钢丝绳作为易损件可以旋拧上述两对螺栓予以更换。 图5.44 电机 图5.45 L型电机架 图5.46 软轴联轴器 图5.47 电机与L形电机架和软轴联轴器固连（4）电机组件的安装和调整。如图 5.47所示，用24个M4×8螺钉将电机与电机架固结，电机轴从电机架的大孔伸过。根据需要也可以将电机安装在电机架立面的里侧。 电机组件的第一种安装方式（见图5.48）。 电