机械创新设计第一章综述

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1、第一章 机械创新设计基础知识,主要内容： 机械的基础知识机械及其组成、机构及其运动简图、工程中的常用机构 机械运动与控制机械运动形态、机、气、液、电机构的组合以及机械运动的控制 机械创新设计中的创新思维与技法工程技术人员的创造力、创新思维和常用创新技法 机械创新设计中的创新原理组合原理、分离原理、还原原理、移植原理、迂回原理和完满原理,1.掌握创新设计对象的结构、运动、原理等基本知识，这样才能透彻地分析所创新设计的对象，才能使创新设计出来的产品符合各种基本要求，便于设计出满足所需功能的创新产品。,2.深刻认识和理解创新思维的实质、类型和特点，不仅有助于掌握现有的创造原理及由此而创造出的各种创新

2、技法，而且能够推动和促进对新的创新技法的开拓和探索。,3.创新原理是创新设计的基本理论，通过对几种创新原理详细介绍，并辅以简单的实例，帮助学生掌握创新设计的基本方法，培养创新思维，积累创新经验，拓宽知识面，达到提高学生机械创新能力的目的。,本章要求,第一节 机械的基础知识,一、机械及其组成 1.机械的概念机械是人们用以代替或减轻体力劳动、改善劳动条件、提高产品质量和生产率的工具。特征： 1)它们都是执行机械运动的装置。 2)它们都能进行物料或信息的变换与传递，并完成有用的机械功或实现能量转换。 注：机构用来传递运动和力或改变运动形式的构件组合体，不做有用的机械功及能量转换，如剥线钳、门窗启闭的

3、杆件系统等，它们符合机械的第一个特征，也归属机械。,2.机械的分类 (1)动力机(又叫原动机)一种将其它形式的能量转换为机械能的机械。按动力机转换能量的方式不同可分为三大类。 第一类：把电能转化为机械能的机械。如三相交流异步电动机、单相交流异步电动机、直流电动机、步进电动机、伺服电动机等 第二类：通过燃油、煤、铀等获得热能后再转化为机械能的机械。如汽油机、柴油机、蒸汽机、汽轮机、原子能发动机等 第三类：把自然力转化为机械能的机械。如水轮机、风力机、潮汐发动机、地热发动机、太阳能发动机等,(2)工作机利用机械能来完成有用功的机械。 工作机中必须包含动力机，否则，只能成为机械装置。 动力机的种类有

4、限，而工作机的种类却有多种多样。由于工作机是完成各种复杂动作的机械，它不仅有运动精度方面的要求，也有强度、刚度、安全性、可靠性方面的要求。 (3)信息机通过各种复杂的信息来控制机械运动的机械，是一种特殊的工作机。 如打印机是通过计算机指令来控制打印工作的，绘图机、复印机、传真机等都是信息机。,3.机械的组成 原动部分动力源，如电动机、内燃机 执行部分按照人们的要求完成预定任务，如汽车的车轮、车床的主轴和刀架等 传动部分将动力和运动由原动部分传给执行部分的中间传动装置，如汽车的变速箱、减速器、差速器等均属传动部分 控制部分控制机械的其它基本部分，使操作者能随时实现或终止各种预定的功能，如数控机床

5、的控制系统等,二、机构及其运动简图 零件机械中最基本的制造单元，将一些相互间无相对运动的零件组合起来即成为构件，最简单的构件只有一个零件。 构件机械中最基本的运动单元。将一些相互间具有确定相对运动的构件组合起来即成为机构。 构件类型 1)机架机构中固结定坐标参考系并视为固定不动的构件 2)主动件驱动机构的外力所作用的构件 3)从动件机构中其余被推动的构件。 运动副两构件直接接触形成的可动联接。 运动链两个以上构件用运动副联接而成的相对可动的多体系统。,机械运动简图构件和运动副用规定符号表示，各运动副的相对位置按一定比例表示，用以说明各机构的相对运动情况。 斜轴侧投影,图示为内燃机的机械运动简图

6、。图中1237为动力机构（曲柄滑块机构）；457及467为配气凸轮机构；14为齿轮机构。,平面机构所有构件都只能在一个平面或相互平行的平面上运动的机构。 平面机构运动简图不考虑那些与运动无关的因素（如构件的外形和断面尺寸、组成构件的零件数目、运动副的具体构造等），仅用简单的线条和符号来代表构件和运动副，并按一定比例表示各运动副的相对位置，仅表达平面机构各构件间相对运动关系的简单图形。,图示为油田抽油机的机构运动简图,三、工程中常用机构的基本类型 1.机构的基本型 (1)平面连杆机构低副联结而成的机构 全转动副四杆机构的基本型：曲柄摇杆机构（图a） 含有一个移动副四杆机构的基本型：曲柄滑块机构（

7、图b） 含有两个移动副四杆机构的基本型：正弦机构（图c）,(2)凸轮机构凸轮与从动件组成的高副机构 直动从动件平面凸轮机构的基本型：直动对心尖底从动件平面凸轮机构（图a） 摆动从动件平面凸轮机构的基本型：摆动尖底从动件平面凸轮机构（图b） 直动从动件圆柱凸轮机构的基本型：直动滚子从动件圆柱凸轮机构（图c） 摆动从动件圆柱凸轮机构的基本型：摆动滚子从动件圆柱凸轮机构（图d）,(3)齿轮机构齿轮副组成的高副啮合传动机构 圆柱齿轮传动机构的基本型外啮合直齿圆柱齿轮传动机构（图a） 圆锥齿轮传动机构的基本型外啮合直齿圆锥齿轮传动机构（图b） 蜗杆传动机构的基本型阿基米德圆柱蜗杆传动机构（图c） 行星齿

8、轮传动机构的基本型渐开线圆柱齿轮行星传动机构（图d）,(4)摩擦轮传动机构由两个相互压紧的摩擦轮组成，主动轮依靠摩擦力作用带动从动轮(图a) (5)带传动机构的基本型利用皮带作为连接主、从动轮的挠性件，依靠带与带轮之间的摩擦力来传递运动的机构(图b) (6)链传动机构的基本型由链轮与链条组成的具有中间挠性件的啮合传动机构(图c) (7)螺旋传动机构的基本型由螺杆和螺母组成的螺旋副传动机构(图d),(8)间歇运动机构的基本型指当主动件作连续运动时，从动件则随之出现周期性停歇状态的机构,(9)气、液传动机构的基本型由气压(b)、液压(a)传动系统控制气缸、液压缸输出动力的机构 (10)电磁传动机构

9、的基本型由电气传动系统控制电磁开关等动作的机构,2.机构的组合把一些基本机构通过适当的方式连接起来，组成一个机构系统，各基本机构均保持原来的结构和运动特性，都有自己的独立性。 3.组合机构指若干基本机构通过特殊的组合而形成的一种具有新属性的机构。组合机构中的各基本机构已不能保持各自的独立性，所以不能用原基本机构的分析和设计方法进行组合机构的设计。,第二节 机械运动与控制,一、机械运动形态 若不考虑空间运动则机械运动形态只有定轴转动（含摆动和间歇转动）、往复移动及平面运动三种。 1.匀速转动机构能将主动件的连续匀速转动变换为从动件的连续匀速转动的机构。如齿轮传动机构 2.非匀速转动机构能将主动件

10、的连续匀速转动变换为从动件的周期性角速度变化的转动的机构。如非平行四边形双曲柄机构,3.往复运动机构能将主动件的连续转动变换为从动件的往复摆动或往复移动的机构。如曲柄滑块机构 4.间歇运动机构能将主动件的连续转动变换为从动件的间歇转动、摆动或移动的机构。如棘轮机构 5.差动机构能将两个运动合成一个运动的机构。如差动螺旋机构 6.实现预期轨迹的机构从动件上指定点能按预期轨迹运动的机构。如凸轮机构 7.可调行程机构从动件的行程或摆角可调节控制的机构。如偏心调节机构,二、机、气、液机构组合 气缸或液压缸系统与连杆系统的组合，也可称其为气、液驱动连杆机构。 1.基本形式由动作缸和活塞杆组合而成，主动件

11、一般均为活塞杆，对于比较复杂的工艺动作，可采用多缸来完成。,2.常见运动形式 (1)固定缸式机构单出杆固定缸可直接应用于定位、夹紧、送料、进给等工作中，实现移动到移动的运动变换。,(2)摆动缸式机构活塞相对于缸体的移动转换为从动构件的摆动和缸体本身的摆动。,3.控制系统 (1)手动控制利用手动换向阀和流量阀实现机械位置与速度的控制。 (2)机动控制利用机动换向阀实现机械位置的控制。其机械速度的控制仍需手动调节流量阀实现。 (3)微机控制利用电磁换向阀实现机械位置控制时，由于可以电磁铁的通电与失电方式来控制阀芯的动作，故不同阀的顺序动作可由微机通过软件或硬件来实现控制，可实现整个系统的自动化控制

12、。,三、机电机构组合 机械技术与微电子技术和信息技术有机结合，集自动控制、智能、机械运动为一体。,机械系统的计算机控制框图,四、机械运动的控制 1.机械运动的换向与控制 (1)旋转运动的换向与控制 1)改变电机转向 2） 限位开关换向,3)介轮换向 轮2、3为介轮，左图轮1、4反向转动；右图轮1、4同向转动。,4)摩擦轮换向 5)自身换向机构利用机构本身的结构特点，使从动件的运动自动换向。如曲柄摇杆机构,(2)直线移动的换向与控制 1)改变电机转向来实现往复直线移动,电机正反转，经齿轮驱动固定在大门上的齿条，使大门往复移动。图b为电动感应推拉门示意图，两扇门固定在带的上下两侧，利用电机的正反转

13、和上下皮带的反向运动完成门的开启与关闭动作。,2)液压换向 3)自身换向机构主动件连续转动，从动件作往复的直线移动。如曲柄滑块机构,图示为液压换向传动控制电路图,2.机械运动的调速与控制 (1)调速电机改变电机的工作速度，使电机能在低速大扭矩的条件下工作，是最理想的调速方式。 (2)齿轮减速器,(3)其它减速装置各类带传动、链传动、摩擦传动都可起到减速作用。 (4)变速器 有级变速 无级变速,3.机械运动的离合与控制 不停止原动机运转的状态下暂时中断执行机构的工作。 4.机械运动的制动与控制 缩短机械的停车时间。如机械式制动器、电磁式制动器、液压制动器、液力制动器、气动制动器等。,第三节 机械

14、创新设计中的创新思维与技法,一、工程技术人员的创造力开发 工程技术人员的创造力是多种能力、个性和心理特征的综合表现，包括观察、记忆、想象、思维、表达、自我控制等能力，文化素质、理想信念、意志性格、兴趣爱好等因素。其中想象能力和思维能力是创造力的核心，这些能力和素质，经过学习和锻炼，都是可以改善提高的。 工程技术人员应该具备丰富的知识和经验、高度的创新精神、健康的心理品质、严谨而科学的管理等条件，自觉地开发和提高自己的创造力。 注意：要尽力克服思想僵化和片面性，树立辨证观点；摆脱传统思想的束缚，不盲目相信权威；消除胆怯和自卑；克服妄自尊大的排他意识，注意发挥群体的创造意识。,二、创新思维 创新思

15、维是一种高层次的思维活动，它是建立在常规思维的基础上的人脑机能在外界信息激励下、自觉综合主观和客观信息产生新的客观实体（如工程领域中的新成果，自然规律或科学理论的新发现等）的思维活动和过程。 1.创新思维的形成过程 (1)储存准备阶段 (2)悬想加工阶段 (3)顿悟阶段,2.创性思维的特点 (1)突破性与求异性 突破性具备与前人、众人不同的独特见解，突破一般思维的常规惯例，提出新原理，创造新模式，贡献新方法。 求异性敢于对司空见惯或“完美无缺”的事物提出怀疑，敢于向传统的习惯挑战，敢于否定自己思想上的“框框”，从新的角度分析问题。 (2)连动性 1)纵向连动针对问题和现象纵向思考，探寻其原因和

16、本质，从而得到新的启示。,2)横向连动根据某一现象联想到特点与其相似或相关的事物，进行“特征转移”而进入新的领域。 3)逆向连动针对现象、问题或解法，分析其相反的方面，从“顺推”到“逆推”，从另一角度探寻新的途径。 (3)多向性即善于从不同的角度想问题。 1) 发散机制在一个问题面前，尽量提出多种设想、多种答案，以扩大选择余地。 2) 换元机制灵活地变换影响事物和量的诸多因素中的一个，从而产生新的思路。,3) 转向机制即思维在一个方面受阻时，马上转向另一个方向。 4) 创优机制即用心寻找最优解答，不满足对问题和现象已有的解答或解释。 (4)偶然性即无意之中完成的发明，这反映了偶然性中的洞察力。 (5)综合性对已有材料进行深入分析，综合概括出其规律，或利用已有的信息、现