实验一 平面机构运动简图的测绘和分析
一、实验目的
1、 熟悉机构运动简图的绘制方法，掌握从实际机构中测绘机构运动简图的技能；
2、 巩固机构结构分析原理及自由度计算方法；
二、实验设备及工具
1、 测绘用机构实物模型；
2、 测量用尺、分规、铅笔及草稿纸。
三、实验原理
1、机构运动简图的常用符号
如图1至图4所示（详见《机械制图》GB4460—84“机构运动简图符号”）。
（1）转动副，如图1所示。
（a）全为活动构件时
（b）构件1为机架时
图1 转动副
（2）移动副，如图2所示。
（a）全为活动构件时
（b）构件1为机架时
图2 移动副
（3）高副，如图3所示。
（a）全为活动构件时
（b）构件1为机架时
图3 高副
（4）构件图例，如图4所示
（a）具有两个运动副元素时
（b）具有三个运动副元素时
（c）具有四个运动副元素时
图4 构件图例
2、实验原理
机构各部分的运动，是由其原动件的运动规律、该机构中各运动副的类型（高副、低副，转动副、移动副等）和机构的运动尺寸来决定的，而与构件的外形、断面尺寸、组成构件的零件数目及固联方式等无关。所以，只要根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置，就可以用运动副的代表符号和简单的线条把机构的运动简图作出来。
正确的机构运动简图中各构件的尺寸、运动副的类型和相对位置以及机构组成形式应与原机构保持一致，从而保证机构运动简图与原机构具有完全相同的运动特性，以便根据该图对机构进行运动及动力分析。
所谓机构运动简图就是从运动的观点出发，用规定的符号和简单的线条按一定的尺寸比例来表示实际机构的组成及各构件间相对运动关系。
3、绘制机构运动简图的方法及步骤
（1）分析机构的实际构造和运动情况
任选原动件并缓慢转动，根据各构件之间有无相对运动，分清机构是由哪些构件组成的；按照机构运动的传递顺序，仔细观察各构件之间相对运动的性质，从而确定运动副的类型和数目。
（2）合理选择投影面和原动件位置，作机构示意图
选择恰当的投影面，一般选择与大多数构件的运动平面相平行的平面为视图平面；合理选择原动件的一个位置，以便简单清楚地将机构的运动情况正确地表达出来。
撇开各构件的具体结构形状，找出每个构件上的所有运动副，用简单的线条联接该构件上的所有运动副元素来表示每一个构件。即用简单的线条和规定符号来代表构件和运动副，从而在所选投影面上作出机构的示意图。
（3）计算机构的自由度并检验机构示意图是否正确
a、机构自由度计算公式：F=3n-2PL-PH
式中： n——机构活动构件数
PH——平面低副个数
PL——平面高副个数
b、核对计算结果
机构具有确定运动的条件为：机构的自由度大于零且等于原动件数。因本实验中各机构模型均具有确定的运动，故各机构计算自由度应与其原动件数相同：否则说明所作示意图有误，应对机构重新进行分析、作示意图。
注意：转动副和移动副虽同为低副，但因其运动性质不同，在作示意图时一定不能混淆互换。可单单通过自由度计算，又不能发现转动副与移动副相混淆的错误情况，故应将所作图中的各运动副类型与原机构进行逐一核对检查。
（4）量取运动尺寸
运动尺寸是指与机构运动有关的、能确定各运动副相对位置的尺寸。在原机构上量取机构的运动尺寸，并将这些尺寸标注在机构示意图上。
（5）绘制机构运动简图
选取适当的长度比例尺，依照机构示意图，按一定顺序进行绘图，并将比例尺标注在图上，即为机构运动简图。
长度比例尺的意义如下：
例如：某构件的长度LAB=1m，绘在图上的长度AB=1000mm，则长度比例尺为：
（6）标注比例尺和运动尺寸，画斜线表示机架，在原动件上画箭头表示运动方向。
四、例题：
绘制出偏心轮机构的运动简图，并计算其自由度。
图5（a） 图5（b）
1、选择手柄作为原动件并缓慢转动，根据各构件之间有无相对运动，分清机构是由哪些构件组成的。在图5（a）中，机构由1—机架，2—手柄（即曲柄，本例中取为原动件），3—连杆，4—滑块（即从动件）组成。
2、从原动件开始，按照机构运动的传递顺序，仔细观察各构件之间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目。在图5（a）中，曲柄2为原动件，则运动传递顺序为：曲柄2，连杆3，滑块4。回转件的回转中心是相对回转表面的几何中心，而构件2可以绕构件1的偏心轴A作相对转动，故构件3与构件2在B点处也组成转动副；构件4与构件3在C点处又组成转动副；构件4沿X-X方向在构件1上作相对直线运动，组成移动副。
3、合理选择原动件的一个位置，以便简单清楚地将机构的运动情况正确地表达出来，如图5（b）所示，用规定的符号和简单的线条画出机构的示意图。
4、计算机构自由度
（1）机构自由度计算公式：F=3n-2PL-PH
本例所作示意图中，n=3，PL=4，PH=0，代入上式得：
F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1
（2）核对计算结果
观察各构件的运动可知该机构的运动是确定的，则机构的自由度应大于零且等于原动件数，由计算得：F=1=原动件数，从而验证以上所作机构示意图的正确性。
5、量取运动尺寸
在构件2、3上分别量取两相临转动副中心之间的距离LAB、LBC；量取转动副A到滑块运动轨迹X-X之间的距离，并将所量尺寸标注在机构示意图上。
6、作图（略）
五、实验内容
据上述原理对机构实物模型进行机构运动简图测绘，并计算机构的自由度。
六、思考题：
1、 机构运动简图应包括哪些内容？
2、 原动件选取不同、原动件位置不同对绘制机构运动简图有什么影响？
3、 在绘制机构运动简图时，应标注哪些尺寸？
实验二 渐开线齿轮范成原理实验
一、实验目的
1．掌握用范成法加工渐开线齿轮的基本原理，观察渐开线齿轮齿廓曲线的形成过程。
2．了解渐开线齿轮齿廓的根切现象和用径向变位避免根切的方法。
3．分析比较标准齿轮与变位齿轮齿形的异同。
二、实验内容及学时（2学时）
本实验所用的范成仪有一种规格；齿轮的压力角α=20º；齿顶高系数h*a=1；顶隙系数c*=0.25；m=8；Z=20。实验时每个同学须完成以下内容：
1．范成标准齿轮
2．范成变位齿轮
范成变位系数X=0.5的正变位齿轮，其齿廓没有根切现象。这是因为在Z=20时不根切的最小变位系数
而实验所用的变位系数x=0.5，x>xmin。因此把刀具由加工标准齿轮的位置远离轮心平移xm距离后，刀具的齿顶线就低于N点，因而根切消除。
范成变位系数x=－0.5的负变位齿轮，其齿廓有根切现象。这是因为在范成Z=20的标准齿轮时刀具的齿顶通过N点，而将刀具向轮心平移xm距离，刀具的齿顶线超过N点，因而产生根切。
三、实验原理
由齿轮啮合原理可知：一对渐开线齿轮(或齿轮和齿条)啮合传动时，两轮的齿廓曲线互为包络线。范成法就是利用这一原理来加工齿轮的。用范成法加工齿轮时，其中一轮为形同齿轮或齿条的刀具，另一轮为待加工齿轮的轮坯。刀具与轮坯都安装在机床上，在机床传动链的作用下，刀具与轮坯按齿数比作定传动比的回转运动，与一对齿轮(它们的齿数分别与刀具和待加工齿轮的齿数相同)的啮合传动完全相同。在对滚中刀具齿廓曲线的包络线就是待加工齿轮的齿廓曲线。与此同时，刀具还一面作径向进给运动(直至全齿高)，另一面沿轮坯的轴线作切削运动，这样刀具的刀刃就可切削出待加工齿轮的齿廓。由于在实际加工时看不到刀刃包络出齿轮的过程，故通过齿轮范成实验来表现这一过程。在实验中所用的齿轮范成仪相当于用齿条型刀具加工齿轮的机床，待加工齿轮的纸坯与刀具模型都安装在范成仪上，由范成仪来保证刀具与轮坯的对滚运动(待加工齿轮的分度圆线速度与刀具的移动速度相等)。对于在对滚中的刀具与轮坯的各个对应位置，依次用铅笔在纸上描绘出刀具的刀刃廓线，每次所描下的刀刃廓线相当于齿坯在该位置被刀刃所切去的部分。这样我们就能清楚地观察到刀刃廓线逐渐包络出待加工齿轮的渐开线齿廓，形成轮齿切削加工的全过程。
四、齿轮范成仪的结构及使用方法简介
实验所用的范成仪有三种规格，它们的结构原理相同，仅介绍一种。范成仪结构如图1所示，由机座1，扇形盘2，旋钮3，齿条刀4，溜板5，螺母6等组成。机座上有两孔为O1和O2；扇形盘可绕轴心(大扇绕O1，小扇O2)转动，扇形盘上装有扇形齿轮，溜板上装有齿条，它与扇形齿轮相啮合，在扇形齿轮的分度圆与溜板齿条的节线(分度线)上刻有数字，移动溜板时可看到它们一一对应，即表示齿轮的分度圆与齿条的节线(分度线)作纯滚动。把一个分度圆直径与扇形齿轮的分度圆直径相等的待加工齿轮的纸坯固联在扇形盘上，把齿条型刀具固联在溜板上，随着扇形齿轮与溜板齿条的啮合传动，轮坯的分度圆与齿条型刀具的某条节线作纯滚动。旋钮3是用来固联纸坯，螺母6可把齿条刀具固联在溜板上，松开螺母后可调整刀具与轮坯的相对位置。如果齿条刀具的中线与轮坯的分度圆相切(此时刀具的标线与溜板两侧标尺的“O”线对齐)，范成出标准齿轮的齿廓。如果改变齿条刀具与轮坯的相对位置，即刀具的中线与轮坯的分度圆不相切，有一段距离(距离xm值可在溜板两侧的标尺上直接读出)，则可按移距变位值的大小及方向分别范成出正变位齿轮或负变位齿轮。
图1 齿轮范成仪
五、实验步骤
1．按照指导教师的要求剪好轮坯纸。
2．标准齿轮的绘制
(1)松开螺母6及旋钮3，将轮坯纸放在刀具下面，且在圆盘上面，然后旋上旋钮3，此时暂不要旋紧，将轮坯纸上已印好的X=O的区域转到下方正中。
(2)调节齿条插刀，使刀具标线对准溜板两侧标尺上的O线，此时刀具中线与轮坯分度圆相切，然后旋紧旋钮3及螺母6。
(3)开始“切制”齿廓时，先将溜板5推向左端，然后用左手将溜板向右推进2-3mm，右手用铅笔在轮坯纸上描下刀具刀刃齿廓。随后依此重复，直到刀具推到右端为止，轮坯上所描下的一系列刀具齿廓所包络出的曲线就是渐开线齿形。最后用铅笔钩下一个你认为是完整的齿形，用“√”表示。
3．正变位齿轮的绘制
(1)松开旋钮3，将轮坯纸旋转120°，旋紧旋钮3。松开螺母6，将齿条刀具远离轮坯中心xm距离，其数据可在标尺上读出，然后将螺母6拧紧。
(2)重复标准齿轮绘制方法的第(3)步骤。
4．负变位齿轮的绘制
其绘制方法和步骤与正变位齿轮基本相同，其不同的是将齿条刀具向着轮坯中心移动 ∣xm∣距离。
5．绘制完毕后取下图纸，并将范成仪恢复到原状态。
六、实验主要设备
1．齿轮范成仪。
2．圆规、尺子、铅笔、橡皮、剪刀。
七、思考题
1．用齿条刀具加工标准齿轮时，刀具和轮坯之间的相对位置和相对运动有何要求？为什么？
2．通过实验，你所观察到的根切现象是怎样的？是由什么原因引起的？避免根切的方法有哪些？
机构运动方案设计实验
一、实验目的
1.加深学生对平面机构的组成原理、结构组成的认识，了解平面机构组成及运动特点；
2.培养学生的机构综合设计能力、创新能力和实践动手能力。
二、实验内容及学时 (2学时)
1.从被选题中选择1-2题，拟定平面机构运动方案；
2.将拟定的平面机构运动方案拆分成基本杆组；
3.拼接各基本杆组，将基本杆组按运动传递规律顺序联接到原动件和机架上，验证所拟定的平面机构运动方案的正确性。
三、实验主要设备
1.CQJP-D机构运动创新设计方案实验台；
2.组装、拆卸工具：一字螺丝刀、十字螺丝刀、固定扳手、内六角扳手、钢板尺、卷尺。
四、实验要求
实验前必须预习实验指导书，选定题目拟定平面机构运动方案，经实验指导教师检查后方可进行后续实验。实验中各基本杆组拼接完成后，须经指导教师检查后方可启动电源验证方案的正确性。
五、实验方法及步骤
1.掌握平面机构组成原理；熟悉实验中所用到的实验设备，各零、部件功用和安装、拆卸工具；
2.选定设计题目，拟定平面机构运动方案；
3.将拟定的平面机构运动方案拆分成基本杆组，拼接各基本杆组；
4.将基本杆组按运动传递规律顺序联接到原动件和机架上，验证所拟定的平面机构运动方案的正确性；
5.供选题目：
（1）精压机机构
该机构由曲柄滑块机构和摇杆滑块机构组成，可将曲柄（原动件）的连续转动转换成执行部件的平稳下压，使物料受载均衡。此机构可用于钢板打包机、纸板打包机、棉花打捆机、剪板机等机械中。
（2）冲压机构
该机构由齿轮机构和曲柄滑块机构组成，可将齿轮（原动件）的匀速转动转换成执行部件的上下直线运动。此机构可用于冲压机、充气泵、自动送料机中。
（3）插床机构
该机构由转动导杆机构与对心曲柄滑块机构组成，可将曲柄（原动件）的匀速转动转换成滑块（执行部件）的直线移动，执行部件具有急回特性。此机构可用于刨床和插床等机械中。
（4）筛料机构
该机构由曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构组成，可将曲柄（原动件）的匀速转动转换成滑块（执行部件）的直线移动，执行部件的速度、加速度变化较大，可更好的完成筛料工作。
（5）牛头刨床机构
该机构由摆动导杆机构和双滑块机构组成，可将曲柄（原动件）的回转运动转换成执行部件的往复直线运动，执行部件具有工作行程慢进，非工作行程快回的特点。
（6）自由构思平面机构运动方案。
六、实验报告
按实验要求将所完成的实验内容整理成技术文件，在实验报告中详细写出设计方案、基本杆组拆分结果、绘制机构运动简图。
