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1、运动学与机构实 验 指 导 书汕头大学机械电子工程系 编前 言本实验教程指导书是根据运动学与机构教学大纲要求，结合本系的实际情况编写的。机械原理实验是理论学习基础上的一个极其重要的实践环节。通过实验可以使学生加深对运动学与机构课程的基本概念，基本理论的理解，从而提高学生分析和解决问题的能力。 验证性实验基本内容包括实验目的、实验原理、操作步骤、实验报告等；设计性实验主要由设计原理、方法及设计内容组成。 由于编写水平有限，书中难免有误漏、不妥之处，恳请广大读者批评指正。 目录实验一 机构运动简图测绘实验11.1 实验目的11.2 设备和工具11.3 实验原理11.4 实验内容及要求31.5 实验
2、步骤31.6 思考题4实验二 机器人运动空间自由度测绘实验82.1 实验目的82.2设备和工具82.3 实验原理82.4 实验内容及要求102.5 实验步骤112.6 思考题11实验三 刚性转子动平衡实验133.1 实验目的133.2设备和工具133.3实验原理133.4实验内容及要求183.5实验步骤193.6思考题20实验四 渐开线直齿圆柱齿轮范成实验234.1 实验目的234.2 设备和工具234.3 实验原理234.4 实验内容及要求244.5 实验步骤254.6思考题25实验五 渐开线直齿圆柱齿轮测量实验285.1 实验目的285.2设备和工具285.3 实验原理285.4 实验内容
3、及要求315.5 实验步骤315.6思考题31实验六 平面机构演示及运动参数测定实验346.1 实验目的346.2 设备和工具346.3实验原理346.4实验步骤376.5思考题38实验一 机构运动简图测绘实验在机械原理设计过程中，无论是进行新机构的设计，还是对现有机械进行运动和动力的分析，都需要画出能表明其组成情况和运动情况的机构运动简图。机构运动简图是国家标准规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定的比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出的表示机构的简明图形。参见机械原理教材（常用运动副的表示方法、常用机构运动简图符号）。如果不按比例绘制的简图称为机构示意图。机构运动简图是机械设计的一种工
4、程语言，所以要求学生要熟练掌握它的绘制方法。1.1 实验目的（1）提高对实际机构及机器的感性认识；了解各种机器实物或模型的用途、工作原理、运动传递过程、机构组成情况和机构的结构分类。（2）初步掌握机构运动简图测绘的基本方法、步骤和注意事项；训练将机械实物或模型抽象绘制机构运动简图的技能。（3）验证和巩固自由度计算及机构具有确定运动条件等知识。1.2 设备和工具（1）教具模型。（2）尺、笔、橡皮、纸 (自备)。1.3 实验原理从运动学观点来看机构的运动仅与组成机构的构件和运动副的数目、种类以及它们之间的相互位置有关，而与构件的复杂外形、断面大小、运动副的构造无关，为了简单明了的表示一个机构的运动
5、情况、可以不考虑那些与运动无关的因素(机构外形，断面尺寸、运动副的结构)。 由新汕大百事 提供！而用一些简单的线条和所规定的符号表示构件和运动副并按一定的比例表示各运动副的相对位置，以表明机构的运动特性。机构的运动简图是工程上常用的一种图形，是用符号和线条来清晰、简明的表达出机构的运动情况，使人看了对机器的动作一目了然。在机器中各种机构尽管它们的外形和功用各不相同，但只要是同种机构其运动简图都是相同的。机构中常见运动副及其简图符号见下表所示。表一：常用运动副、构件表示法（选自GB4460）1.4 实验内容及要求每人至少测量、分析五个机构，标出机构的名称；绘制机构运动简图，简图要求按比例绘制，可
6、用目测法使各构件大致成比例，以利分析；计算机构自由度，并判断机构是否具有确定运动；最后做出书面报告。1.5 实验步骤（1）缓慢转动被测机构的原动件、找出从原动件到工作部分的机构传动路线。（2）由机构的传动路线找出构件数目、运动副的种类和数目。（3）合理选择投影平面，选择原则：对平面机构运动平面即为投影平面。对其它机构选择大多数构件运动的平面作为投影平面。（4）画出运动副的构件符号。对于组成转动副的构件，不管其实际形状如何，都只用两转动副之间的连线代表；对于组成移动副的构件，不管其截面形状如何，总用滑块表示；机架打斜线表示，以便与活动构件区别；原动件打上箭头表示，以便与从动件区别。（5）在草稿纸
7、上徒手按规定的符号及构件的联接顺序。逐步画出机构运动简图的草图，从原动构件开始，逐步画出机构运动简图的草图。用数字1、2、3分别标注各构件，用拉丁字母A、B、C分别标注各运动副。（6）仔细测量机构的运动学尺寸、如回转副的中心距和移动副导路间的相对位置、标注在草图上。（7）在图纸上任意确定原动件的位置、选择合适的比例尺把草图画成正规的运动简图。比例尺的选定如下： 式中： 比例尺(单位：米毫米)构件的实际长度(单位：米)图纸上表示构件的长度(单位：毫米)（8）计算自由度，并与实际机构对照，观察原动件数与自由度是否相等；计算公式：注意：机构的自由度计算应注意虚约束、局部自由度、复合铰链等特殊现象。1
8、.6 思考题1. 简单说明一下机构、构件与运动副的概念。2. 机构自由度的定义是什么，原动件数目与机构自由度的关系如何？ 汕 头 大 学 实 验 报 告学院: 系: 专业: 年级: 成绩:姓名: 学号: 组: 实验时间: 指导教师:_实验一 机构运动简图测绘实验一、 实验目的和要求二、 实验原理（列举常用的构件平面运动副并做简单说明即可）三、 主要仪器设备四、 实验内容及步骤五、 实验数据处理及分析（机构运动简图测绘）编号机构名称运 动 简 图自由度计算1L m/mmn=PL=PH=F=2L m/mmn=PL=PH=F=3L m/mmn=PL=PH=F=4L m/mmn=PL=PH=F=5L
9、m/mmn=PL=PH=F=6L m/mmn=PL=PH=F=7L m/mmn=PL=PH=F=8L m/mmn=PL=PH=F=9L m/mmn=PL=PH=F=六、 思考题1、 简单说明一下机构、构件与运动副的概念。2、 机构自由度的定义是什么，原动件数目与机构自由度的关系如何？七、 质疑或建议实验二 机器人运动空间自由度测绘实验2.1 实验目的（1）观察机器人的开式链结构及传动形式。（2）掌握机器人的空间运动副及对应关节的运动，计算机器人的自由度数。（3）详细分析并绘制出机器人腕部机构（差动轮系）及手爪机构的运动简图，并计算自由度。2.2设备和工具（1）Scorbot ER 机械手模型。
10、（2）尺、笔、橡皮、纸 (自备)。2.3 实验原理（1）机器人结构 图1 机器人的5个轴定义Scorbot ER机器人的组成和结构如图1所示，其中1、2、3、4、5轴各自有一个独立的电机控制。机器人的手爪结构如图2所示： 图2 机器人手爪结构左图为手爪闭合状态图示，右图为手爪张开状态图示，具体由一个电机驱动，电机通过一个螺旋副将转动形式转换为直线运动形式。（2）空间机构中构件的自由度与运动副的约束作空间运动的自由构件的自由度为6。如图2所示，确定构件ABC在空间坐标系oxyz中的位置需要6个独立的位置参数，或者说，构件ABC可沿三个坐标轴有3个独立的移动和绕三个坐标轴有3个独立的转动。图2 空
11、间自由度的坐标系定义空间机构中所用的运动副类型较多，通常又按运动副中约束数进行分类。约束数为1的运动副称为1级副，约束数为2的运动副称为2级副，依次类推，约束数为5的运动副称为5级副。空间机构中常见运动副及其简图符号见下表。名称 代号 示意图自由度类型名称代号示意图自由度类型简图符号简图符号面球副51级高副圆柱副 cylindric pairC24级低副球槽副42级高副球副 spheric pair S33级低副球销副 sphere-pinS24级低副螺旋副 helical pairH15级低副转动副R15级低副移动副P15级低副表中转动副、移动副作为平面机构的运动副，各具有两个约束，而作为空
12、间机构的运动副时则各具有5个约束，应属于5级副。对于表中的螺旋副，虽然两个构件间有绕x轴的相对转动，又有沿x轴的相对移动，但其中只有一个独立运动，故仍有5个约束，属于5级副。2.4 实验内容及要求要求观察分析机械人空间机构，指出每个电机控制的对应关节；绘制机械人空间运动机构示意简图及机器人腕部机构的局部简图，并分别计算出空间机构自由度。简图要求按比例绘制，可用目测法使各构件大致成比例，以利分析，最后做出书面报告。（1）绘制机械人空间运动机构示意简图（用两种表达方法画图），并计算自由度（自由度用空间计算公式计算）。注：此简图中不考虑手爪的相关运动副，把它当成一个整体构件；不考虑腕部的具体细节运动
13、副，只视为一个空间四级副或是两个空间五级副来表达。（2）绘制出机器人腕部机构（差动轮系）的运动简图，并计算自由度（自由度用空间计算公式计算）。注：此简图中不考虑手爪的相关运动副，同时也不考虑手爪控制电机的旋转螺旋副，把它当成一个整体构件。（3）绘制出机器人手爪机构的运动简图，并计算自由度（自由度可以用空间或平面两种计算公式计算）。注：此简图中需考虑手爪的相关运动副，同时也要表达出手爪控制电机的旋转螺旋副。2.5 实验步骤（1）缓慢转动被测机器人的各个关节，了解机器人的开式链结构与传动形式，找出机器人机构传动路线。（2）绘制机械人空间运动机构示意简图。由机构的传动路线找出构件数目、运动副的种类和数目，合理选择投影平面，选择大多数构件运动的平面作为投影平面。在图纸上任意确
