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机械设计基础实验指导书


《机械设计基础》

实 验 指 导 书
曾豪华 编

广东技术师范学院机电学院





1. 实验一:平面机构运动简图的测绘及分析?????????????3 2.实验二、刚性转子的动平衡……………………………………………..4 3.实验三、渐开线齿轮范成原理……

…………………………………..7 4.实验四、渐开线齿轮参数的测定……………………………………….9 5.实验五:减速箱的拆装及轴系的测绘???????????????.12

2

实验一
一、实验目的:

平面机构运动简图的测绘及分析

1. 学会根据实际机构绘出其运动简图的技能; 2. 巩固机构结构分析原理及活动度的计算方法. 二、设备和工具: 1. 机构模型、直钢尺, 2. 三角扳、铅笔、橡皮擦和草稿纸(学生自备)。 三、机构运动简图的原理: 机械中实际的机构,其结构往往比较复杂,但机构的运动情况却与构件外形、断面尺 寸和运动副大小无关, 而决定于机构中联接各构件的运动副类型和各运动副的相对位置尺 寸以及原动件的运动规律。因此,在进行机构的综合分析时,所绘制的旨在表达机构各构 件之间的相对运动关系和运动特性的图形。 画图时必须撇开构件和运动副的具体形状和结 构,根据构件之间的相对运动性质,确定各运动副的类型。然后,按一定的比例,用运动 副的规定符号和简单的线条绘制出图形,这样的图称为机构运动简图。 四、绘制机构运动简图的方法和步骤: 1.仔细观察各机构模型,了解其名称、用途和结构,并找出原动件。 2. 缓慢转动被测机构,从原动件开始,仔细观察机构的运动,从而找出组成机构的固构 件和所有活动构件。 3.根据各相互联接的两构件间的接触情况及相对运动性质,确定各运动副的种类。 4. 以纸面为机构的投影面,选择一个能清楚地表达整个机构各构件的位置,用规定的运 动副符号表示各运动副,并且用目测大致地确定各运动副的相对位置,画出机构运动 简图草稿。注意应使草图与实物大致成比例,并用箭头表示原动件的运动方向。 5. 准确测量各回转副中心之间的距离、移动副导路的相对位置尺寸,并标注在草图上。 6. 应用公式:F=3n-2PL—Ph 计算机构自由度,要注意复合铰链,局部自由度和虚约束的 判别。将计算结果与实际机构对照,机构自由度数应与原动件数相符。否则,应当找 出机构运动简图的错误并予以改正。 、

7. 选取合适的长度比例尺,在实验报告中绘出机构运动简图并填写有关内容。 机构运动简图长度比例尺的意义如下: μ l= 构件的实际长度(mm)/ 简图上所画的构件长度(mm)
3

五、实验思考题: 1. 2. 3. 机构运动简图有什么用途?一个正确的机构运动简图应能说明什么问题? 绘制机构运动简图时,选择构件的不同瞬时位置,会不会影响运动简图的正确性? 机构自由度的计算对测量绘制机构运动简图有什么帮助?

实验二、刚性转子的动平衡实验
一、 实验目的: 1. 了解刚性转子不平衡的危害; 2. 了解刚性转子不平衡的利用; 3. 掌握用动平衡机进行刚性转子动平衡的原理和方法。 二、 实验设备及工具:

1.YYW—300 型硬支承动平衡试验机; 2.Ф 200mm 刚性转子; 3.各种不同重量的小平衡块或 M12 的数个螺栓; 4.配重用小天平。 三、 刚性转子动平衡的基本原理: 当一个不平衡转子绕 O — O 轴回转时, 该转子上由于各部分不平衡质量 所产生的离心

惯性力总可以转化为两个力 F1 和 F2,这两个力作用于任意选择的垂直于回转轴的两个平行平 面 I — I 和 II — II 内(图 5 — 9a) 。该转子的不平衡质量所产生的离心惯性力,就相当 于在 I — I 和 II — II 两个平面上出现了距轴线分别为 r1 和 r2 的两个不平衡质量 m1 和 m2 所产生的两个力的作用,如图(5 — 9 b)所示。因此,动平衡的任务就在于如何选择两个 平衡质量 m1 平和 m2 平分别加于 I — I 和 II — II 平面内,与轴线距离分别为 R1 和 R2, 使其产生的惯性力分别与 FI 1 和 FI 2 大小相等而方向相反,即:

m1 平 R1= — m1 r1
m2 平 R2= — m2 r2
此时: ∑F1= 0,∑T1= 0

(5 — 1)

(5 — 2)

式中:F1—惯性力,T1—惯性力距;该转子达到平衡。

4

刚性转子的不平衡都可以认为是两个选定平面(称为平衡平面)内有两个不平衡的质量 所致,这就是动平衡机进行动平衡实验的理论基础。

四、

YYW—300 型硬支承动平衡试验机的简介: YYW—300 型硬支承动平衡试验机是顺德华顺电机实业有限公司自行开发生产的万向联

轴节式驱动方式的动平衡试验机,广泛应用于大型电机、滚筒、胶棍、风机、轴类工件等的 平衡较正。传动系统采用万向联轴节式,万向联轴节传动工件直径大且启动快。测量系统采 用工业计算机(单片机) ,转速、量值、相位全部采用数字显示。不同类型的转子的几何尺寸 和校正面尺寸用数字键直接输入,经一次启动后即可正确显示不平衡量的大小(kg)和相位 的大小;转子的 6 种类型可任选,可记忆显示量,不平衡量直接以“kg”显示;机电换能器 采用压电(磁电)式传感器,其输出量大,性能可靠。 五、 实验步骤:

1.实验前需做好清洁工作、特别是刚性转子轴颈和滚轮之间转动处的清洁工作,并加上少许 的润滑油以利润滑和转动; 2.将刚性转子与万向联轴节以 0 对 0 的位置对好,并用螺栓联接紧固; 3.将墙壁上的电源开关合上、将电测箱上的电源开关转到 1 的位置、”POWER”指示灯点亮、将 电脑开关钥匙转到开的位置、计算机自动进入广东顺德华顺电机实业有限公司 动平衡测试 系统 画面; 4.单击“进入”按扭、若刚性转子运转正常,系统屏幕自动显示出:HSF—BD 动平衡测试系 统; 5.按刚性转子外形选择第 1 种支承方式、按刚性转子外形尺寸填写工作参数,a=80mm, b=176mm, c=100mm, r1=88mm, r2=88mm; 6.点击系统屏幕右下方“启动”键、按下电测箱上的绿色“启动”按扭、听到“滴哒”一声, 动平衡测试系统 开始对刚性转子进行动平衡测试; (一般来讲:刚性转子在出厂时经过动
5

平衡测试,合格是不成问题的。 ) 7.在刚性转子测试 “合格” 的前提下, 可根据实验的不同要求、 按屏幕 上面显示的数值作 “加 重”或“去重”进行配平衡处理,同时也要按操作提示进行操作直至“合格”为止; 8.结束操作后,直接单击“停止”键和“退出”键、测试屏幕自动退出,再按“退出”键即 可关机。 HSP—BD 动平衡测试系统如下图所示: (注:左右校正面下的×0.0 1 为放大倍数。 )

六、

实验思考问答题:

1.刚性转子进行动平衡试验的目的是什么? 2.同一转子在不同的动平衡试验机上测得的不平衡质量是否完全相同,为什么? 3.工程上规定许用不平衡量的目的是什么?为什么绝对平衡是不可能的? 4.你对这次实验有何认识、意见和建议?

实验三、渐开线齿轮范成原理
一.实验目的:
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1. 掌握用范成法切割惭开线齿轮齿廓的基本原理,了解齿轮齿廓曲线的渐开线部分及 过渡曲线部分的形成过程; 2. 了解惭开线齿轮的根切现象、齿顶变尖现象及其产生的原因; 3. 了解变位齿轮的切割方法,并比较变位齿轮与标准齿轮的异同点。 二.设备及工具: 1. 齿轮范成仪; 2. 3 号图纸一张,削尖的铅笔一支,圆规,三角扳.橡皮,计算器(学生自备) .

三.实验原理: . 范成法加工惭开线齿轮齿廓,是利用一对齿轮(或齿轮与齿条)互相啮合时其共轭齿 廓互为包络线的原理来切制齿轮的。 如将共轭齿廓中的一个齿廓磨成刀刃(即齿轮刀具), 另一个为齿轮毛坯,当刀具和齿轮毛坯的分度圆相切并在节圆处作纯滚动时,齿轮刀具 的刀刃就可在齿轮毛坯上切出齿廓。又因为两个任意半径的基圆的渐开线都互为包络 线.故可以用任一具有渐开线齿轮齿廓的刀具范成加工任意基圆的渐开线齿轮齿廓。其 中基圆半径为无穷大的齿条刀具的惭开线齿轮齿廓最简单、是一条直线,这就是加工渐 开线齿轮用的齿条刀具的轮廓。 范成仪上齿条刀具齿廓和被加工齿轮齿廓的主要参数见下表: 被 序 号 齿 条 刀 具 参 数
主 M=8mm , ɑ=20°, 1 hɑ*=1 , c*=0.25 。 要 参 数 类 型





齿



Z=18 , X=0 。





m=16mm,α
2

=20°

ha*=1,c*=0.25 M=16mm ,α =20°,

Z=9,X=0.





Z=9 , X=0.47 ,
正 变 位

3

Ha*=1 , c*=0.25 。

Xmin=7.52mm 。

图 2—1 是齿轮范成仪的简图,图中 1 为圆盘,它装在机架 4 上并绕 O 点转动,表示被加 工齿轮的图纸将固定在此圆盘上。3 为溜板,它在机架 4 的导轨上作水平移动。圆盘 1 与滑 扳 3 用齿轮、齿条联接.以保证溜板与圆盘作相对纯滚动,实验时,代表齿条刀具的有机玻 璃模型板 2 用螺钉装在溜扳 2 上,松开螺钉 5 即可调整它与被加工齿轮的径向距离。

7

加工标准齿轮时,应保证步条刀具的中线与被加工齿轮的分度圆相切。加工变位齿轮时, 可按变位量 Xm 来调整刀具中线与被加工齿轮中心的距离(其移动的距离 Xm 值可在溜板上的刻 度尺上读出)。 四.实验步骤: 1. 根据所用范成仪 的齿条刀具基本参数和 被加工齿轮的齿数 Z , 变位系数 x ,由齿条刀 具加工齿轮不发生根切 的条件求出最小变位系 数 Xmin : Xmin=17-Z/17 。 分别计算出分度圆直径,基圆直径以及标准齿轮、根切齿轮、正变位齿轮的齿根圆、齿 顶圆直径,并将计算结果填在实验报告表中. 2. 在图纸上作出基圆、 分度圆, 并把它们分为三等份 (即: 每等份的圆心角均为 120 °)。 为了对刀方便,需分别作出这三等份圆心角的角平分线,再作这些角平分线的垂线。然后分 别在这三等份上分别画出一个标准齿轮(m=8mm , Z=18),一个根切齿轮(m=16mm , Z=9), 一个正变位齿轮(m=16mm , Z=9)的齿顶圆和齿根圆。(上述步骤必需在实验之前做好,并按 外径Ф 180mm、孔径Ф 8mm 将图纸剪成一穿孔圆纸片,实验时带来)。 3. 把代表轮坯的穿孔圆纸片在对准中心后固定在圆盘上, 使相应的标准齿轮部分的角平 分线垂直于齿条刀具的中线,并调节齿轮刀具的中线使之与轮坯分度圆相切。 4. 先“切割”m=8mm , Z=18 的标准齿轮,后“切割”m=16mm ,Z=9 的根切齿轮;最后 再“切割”m=16mm , Z=9 的正变位齿轮。开始‘切割”齿廓时,将齿条刀具溜扳推到最右(或 最左)边。然后把溜板 3 向左(或向右)移动,每移动一个微小的距离(约 2~3 毫米)时,在图 纸上用削尖的铅笔描下刀具刀刃的轮廓,直到形成 2~3 个完整的齿形为止。 5. 切 完 m=16mm , Z=9 的 根 切 齿 轮 后 , 调 整 齿 条 刀 具 离 开 轮 坯 中 心 , 作 正 移 距 Xmin=7.52mm 。再将图纸转到相应的正移距变位齿轮的部分,再重复步骤 3 和 4。 6. 比较所切出的这三种不同齿轮的齿形在其分度圆上的齿厚、齿间距、周节以及在各自 齿顶圆、齿根圆上的变化和特点。

8

〔注〕若需“切割”负移距变位的齿轮(即:负变位齿轮) ,则图纸除应作出基圆、分度 圆外,还需画出相应的负移距变位齿轮的齿顶圆和齿根圆。 “切割”时将齿条刀具调离标准位 置,移近轮坯中心,作负移距 Xmin(毫米),再重复步骤 3 和 4。 五、思考题 1.齿轮根切现象是如何产生的?如何避免? 在图形上怎样判断齿轮是否根切? 2.齿条刀具的齿顶高和齿根高为什么都等于(ha*+c*)m ? 3. 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? 什么? 4. 为什么说齿轮的分度圆是加工时的节圆? 为

实验四、渐开线齿轮参数的测定
一、实验目的: 1. 熟悉齿轮各部分名称和几何关系; 2. 学会运用一般测量工具(普通游标卡尺)测量惭开线齿轮的各基本参数,通过参数 测量,从中掌握标准齿轮与变位齿轮的基本判别方法; 3. 学会用齿厚游标卡尺测量齿轮齿厚的一般方法。 二、设备和工具: 被测齿轮、游标卡尺、齿厚游标卡尺,并自备计算器和草稿纸。 三、测量原理和方法: 齿数 z、模数 m、压力角ɑ、齿顶高系数 ha*、顶隙系数 C*、变位系数 X 等是齿轮的基 本参数,这些参数可通过测量或计算而得。这些参数一旦被确定,则该齿轮的各部分尺 寸即可确定。 由图 3 一 1 可知,当游标卡尺的两卡脚分别与两惭开线齿廓的不同位置相切时,两 切点间之距 A1Bl 和 A2B2 均为两惭开线的公法线, 根据惭开线性质可知:A1B1=A2B2=AoBo,且必与 基圆相切。 卡脚与齿廓的切点位置与跨测齿数 k 的多少有关,如果跨测齿数过多,则卡脚可能与两齿顶相接触而不是相切;相反,如果跨测 齿数过少,则两卡脚可能与齿根接触,也不一定是相切。这时所测出的两触点问的距离不是
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真正的公法线长度。测量公法线长度时,最好使两卡脚与两齿廓的切点大致落在分度线附近。 为此跨测齿数 k 可按下表选取:
Z K 12~18 2 19~26 3 27~36 4 37~45 5 46~54 6 55~63 7 64~72 8

通过测量公法线长度 Wk′、Wk+1′、齿数 Z、齿顶圆直径 da、齿根圆直径 df 则可求 出齿轮的主要参数:m. ɑ. X . ha*. 和 C* 。方法如下:
1. 齿数 Z:可直接由具体齿轮数出。

2. 模数 m 和压力角ɑ: 可根据齿数 Z 由上表查出跨测齿数 k(或由附表求得) ,井分别测出公法线长度 Wk′和 Wk+1’(Wk-1′亦可),由下图 3—2 可得: Wk′ = Pb (K-1 )(1), Wk+1′= Pb·K+Sb (2)。 由(2)与(1)相减得基圆齿距 Pb=Wk+1′-Wk′=∏mcosɑ∴ 模数 m =Pb/∏cosɑ (3)

其中: ɑ—分度圆压力角。一般ɑ=20°,但也有ɑ=15°,故分别以ɑ=20°和 ɑ=15°代入; 上式求出 m 值,如与标准值相符或接近者,则此压力角为该齿轮压力角。所求得的 m 值 为该齿轮的模数。 3.变位系数 X:根据测量得出的公法线长度 Wk′和公称长度 Wk(由附表求得) ,则可得 出齿轮变位系数:X = Wk′-Wk / 2sinɑ 则为负变位齿轮。 对非机类专业,由于变位齿轮是超出其教 学要求,故不要求非机类同学进一步测量和计 算变位齿轮的有关参数和尺寸。 根据计算结果: 如 X=O,则:为标准齿轮; 如果 X>O,则为正; 变位齿轮;如果 X<O,则为负变位齿轮。 4.分度圆直径 d : 对直齿圆柱齿轮: d = m z。 5. 测量齿顶圆直径 da 和齿根圆直径 df; 当齿数 Z 为偶数时, 可直接量出 da 和 df。 当齿数 Z 为奇数时: (4)。

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da′= d0 + 2H1 df ′= d0 + 2H2

( 6 ) ( 7 )

H 1 和 H2 分别为从齿轮孔璧到齿顶圆和齿根圆之距 (见图 3—3 )。 6.齿顶高系数 ha*齿顶高:Ha=da-d/2 ( 8 )。 对标准直齿圆柱齿轮:ha = mha* ( 9 )。 由( 8 )和( 9 )式得齿顶高系数:ha *= h 0 / m ( 10 )。 如果求出的 ha *符合标准值;如 ha *=1 则为正常齿,此时 C*=0.25,如 ha *=0.8 则为短 齿。此时: C*=0.8 。 7.齿厚测量: 齿厚测量常是切齿过程用以测量和检验切削 用量以及控制齿侧间隙的一种方法。 圆柱齿轮齿厚测量常用公法线长度或分度圆 弦齿厚(或固定弦齿厚) 。公法线长度的测量原理 和它所用的工具如前所述。测量时,卡测齿数 K 及公法线长度 Wk 的理论值可由附表 3—1 求得。 分度圆弦齿厚 S 的测量可用齿厚游标卡尺来进行 齿厚游标卡尺实际上是由垂直和水平方向上 的两把游标卡尺组成。测量时,分度圆弦齿 高 ha 按附表 3—2 求得。以齿顶为基准,并按 ha 调整垂直方向上的游标卡尺。然后在水平游标卡尺上读出分度圆弦齿厚 S 。 四、实验思考题: 1 . 决定齿轮齿廓形状的基本参数有哪些? 2 . 测量公法线长度时,卡尺的卡脚若放在渐开线齿轮齿廓的不同位置上,对测定的公 法线长度 Wk 和 Wk+1 有无影响?为什么? 3 . 在测量齿顶圆直径 d a 和齿根圆直径 d f 时,对偶数齿和奇数齿的齿轮在测量方法 上有什么不同? 附表 3—1 标准直齿圆柱齿轮公法线 Wk 与跨测齿数 K( ɑ=20°) Z Wk0(m=1mm) K 12 4.582 2 18 4.680 2 25 7.730 3 33 10.795 4 34 10.809 4

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注:1. 当 m≠1 时,公法线长度:Wk 等于表中数值乘以该齿轮模数。 2. 变位直齿圆柱齿轮公法线 Wk=(Wk0+0.684X)m ; 跨测齿数 K=0.1111Z+0.5+1.75X 。 附表 3—2 标准直齿圆柱齿轮弦齿厚 S 和弦齿高 ha(ɑ=20°,m=1mm,ha*=1) Z Z ha 12 1.5663 1.0559 18 1.5688 1.0342 25 1.5698 1.0247 33 1.5702 1.0187 34 1.5702 1.0181

注:当 m≠1 时,实际的 S 和 ha 值可用表中的数值乘以该模数 m 而得。

实验五、减速箱的拆装及轴系的测绘
一、实验目的: 了解减速箱的结构、各零件作用及装配关系。了解减速箱装配的基本要求。加深对轴系 零部件结构的理解。熟悉并掌握轴、轴承、轴上零件结构和功用、工艺要求、尺寸装配关系 及轴上零件的定位和固定方法。 二、实验要求: 1. 按正确程序拆开减速箱,分析减速箱结构及各零部件的功用; 2 测定减速箱的主要参数,绘出传动示意图。画轴系结构装配图一张; 3 测量减速箱传动副的齿侧间隙及接触斑点。 三、实验设备及工具: 齿轮减速箱、直钢尺,游标卡尺、内外卡尺、铅丝、涂料等。 四、实验步骤: 1. 开箱盖前先观察减速箱外部形状,判断传动方式、级数、输入和输出轴.并观察有哪 些箱体附件。 2.拧下箱盖与底座联接螺栓及端盖螺钉,拔出定位销,借助起盖螺钉顶起减速箱盖。 3.边拆卸边观察,并就箱体形状,轴系零件的定位和固定方法,润滑密封方式,箱体附 件(如通气器、油标、油塞、起盖螺钉、定位销等)结构和作用,位置要求和零件材料等进行 分析。 4. 画传动示意图,测定减速箱的主要参数:a .m. z1. z2 ????等,将测量得出的参数或计 算得出的参数记录于表中。传动示意图也应注明必要的参数。
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5.轴系结构的分析和测绘: 轴系结构分析:分析和测绘轴系结构,明确轴系结构设计需要满足的要求。应了解轴的 各部分结构作用,形状尺寸,它与强度、刚度、加工装配的关系,轴上各零件的用途、轴承 类型、布置、安装调整方式、轴和轴上零件的定位及固定方法、润滑和密封等。 画轴系结构装配图一张;将测量得出的各零件尺寸对照轴系实物,画出轴系结构装配草 图。 6.测量齿侧间隙:在两轮齿之间插入一铅丝,其厚度稍大于所假设的侧隙,转动齿轮,使两齿 面间的铅丝被辗压。然后取出铅丝,用游标卡尺测出被辗压后铅丝的厚度,以检捡该对齿轮 的齿侧间隙是否符合 JBl 7 9 一 8 3 标准的要求。 7.检查接触斑点。仔细擦净每一个轮齿, 在主动轮 3—4 个轮齿上均匀地涂上一薄层涂 料(如红丹油),在从动轮被轻轻制动下,用手 转动主动轮。然后确定从动轮轮齿上接触斑点 的分布情况和尺寸。接触斑点的大小在齿面展 开图上用百分比计算(图 4—1)。 沿齿长方向:接触斑点的长度 b〞(除去 超过模数值的断开部分 c)与工作长度 bˊ之比; 即: (b〞- c / b)×100 % 。 沿齿高方向,接触斑点的平均高度 h〞与工作高度 hˊ之比;即:( h〞/ hˊ) × 100 %; 检查是否符合 JB 标准中所规定的接触精度要求。

五.思考题: 1. 试说明减速箱各零部件的名称及其作用? 2. 试述减速箱的拆装步骤? 3. 试以中间轴或低速轴为例,说明轴上零件的周向固定和轴向固定的方法? 4. 试述减速箱的齿轮和轴承是采用什么方法润滑?

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