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1、机械创新设计与制作综合实验指导书 2(创新实践篇)编著者 陈照强 王毅 曹芳 范维华 李林 等机械工程学院 2007 年 2 月 16 日2前言创新是技术和经济发展的原动力。人才的竞争，关键是人才创造力的竞争。为了适应21 世纪人才培养的要求，根据创造学和设计方法学的基本理论，研究讨论创造性思维、创造原理和创造技法。针对开发型创新、变异性创新、反求形创新等各种类型设计。利用机械原理、机构设计、结构设计以及光电、化学、材料等相关知识，从各个角度广泛探讨创新设计的规律。本书引入 6 个综合性机械创新设计的案例，供同学们进行观察分析，培养兴趣。本书还给出了 4 个创新设计的课题，供同学们进行思考并亲
2、手进行创新设计实践，以及达到提到创新能力的目的。创新能力的培养提高是一个长期实践的过程，要勤于思考，广泛吸收各门类的知识，不断地进行创造性设计实践，综合运用所学知识开拓思路，创新能力一定会逐步得到提高。要进行创新设计的实践活动，首先要打破创新设计高不可测的思想禁锢，勇于实践、大胆创新。在日常生产生活中，随时都会出要解决的问题，解决这些问题的过程就是创新设计的过程，所以要留心身边比较麻烦的事，在脑子里对这个问题有个印象，最好做个记录，要多善于思考，要想办法解决你记下的问题，能解决的方式采用机、光、电、化学等都要想到，方案制定的思维方式是发散性的，要培养自身的发散性思维模式。对于想到的方案或办法进
3、行经济上的考核，也就是要看它有没有价值。下一步就是要做模拟或原理上的试验，也就是可行性研究，并作进一步改进，最后就是要推销出去你的创新设计，再好的创新设计得不到应用也等于零。创新设计的范围是很广泛的，大致有这几个方面：1. 对原有产品进行再创造使之更为完美（延伸法）2. 对原有产品进行改造使之适用其它用途（移植法）3. 利用现有的技术，解决生产生活中的问题（扩展法）4. 模拟生物的动作、能力解决问题（仿生法）5. 对现有技术通过结合变化构思出新的机构类型（变异法）现有创新设计的书很多，创新设计技法也很很杂，同学们可多参阅基本创新设计的资料，从中得到有益的启示。3一、机构创新设计一、实验目的1培
4、养学生运用创造性思维方法，遵循创造性基本原理、法则，运用机构构型的创新设计方法，设计拼装满足预定运动要求的机构或机构系统；2要求学生灵活应用以下几种机构构型的创新设计方法；，创造性地设计、拼接机构及机构系统。1）机构构型的变异创新设计；2）利用机构运动特点创新设计；3）基于组成原理的机构创新设计；4）基于组合原理的机构创新设计；5）加深对执行构件的基本运动和机构基本功能的了解与掌握；6）培养学生工程实践动手能力。二、设备和工具（与机构拼接实验所用的设备相同）1 组合机架一台；2 创新组合模型一套。三、实验前的准备工作1要求预习本实验，要求对执行构件的基本运动和机构的基本功能有一全面的了解；并熟
5、悉机构构型的创新设计方法；2了解机构创新模型；3选择设计题目，初步拟定机构系统运动方案。四、实验原理1机构运动简图设计的内容、方法和步骤 机械产品的设计是为了满足产品的某种功能要求，机构运动简图设计是机械产品设计的第一步，其设计内容包括选定或开发机构构型并加以巧妙组合，同时进行各个组成机构的尺度综合，使此机械系统完成某种功能要求。机构运动简图设计的好坏使决定机械产品的质量、水平的高低、性能的优劣和经济性效益好坏的第一步。机构运动简图的设计主要包括以下内容：1）功能原理方案的设计和构思根据机械所要实现的功能，采用有关的工作原理，并由此出发设计和构思出工艺动作过程，这就是功能原理方案设计。灵巧的功
6、能原理是创造新机械的出发点和归宿。2）机械运动方案的设计根据功能原理方案中提出的工艺动作及各个动作的运动规律要求，选择相应的若干个执行机构，并按一定的顺序把它们组成机械运动示意图。机械运动方案的设计是机构运动简图设计中的型综合。3）机构运动简图的尺度综合根据机械运动方案中各执行机构工艺动作的运动规律和机械运动循环图的要求，通过分析、计算，确定机构运动简图中各机构的运动学尺寸。在进行尺度综合时，应同时考虑其运动条件和动力条件，否则不利于设计性能良好的新机械。机械运动简图设计的一般程序：1）机械总功能的分解将机械所需要的工艺动作过程进行分解，即将总功能分解成多个功能元，找出各功能元的运动规律和动作
7、过程；2)功能原理方案确定4将总功能分解成多个功能元后，对功能元进行求解，即将所需的执行动作，用合适的执行机构来实现。将功能元的解进行组合、评价、选优，从而确定其功能原理方案，即机构系统简图。为了得到能实现功能元的机构，在设计中，需要对执行构件的基本运动和机构的基本功能有全面的了解。）执行机构的基本运动常用机构的执行构件的运动形式有回转运动、直线运动和曲线运动三种，回转运动和直线运动是最简单的机械运动形式。按运动有无往复性和间歇性，基本的运动形式如表所示。表 1 执行构件的基本运动形式序号 运动形式 举 例 单向转动 曲柄摇杆机构中的曲柄、转动导杆机构中的转动导杆、齿轮机构中的齿轮 往复摆动
8、曲柄摇杆机构中的摇杆、摆动导杆机构中的摆动导杆、摇块机构中的摇块 单向移动 带传动机构或链传动机构中的输送带（链）移动 往复移动 曲柄滑块机构中的滑块、牛头刨机构中的刨头 间歇运动 槽轮机构中的槽轮、棘轮机构中的棘轮、凸轮机构、连杆机构也可以构成间歇运动 实现轨迹 平面连杆机构中连杆曲线、行星轮系中行星轮上任意点的轨迹等）机构的基本运动机构的功能是指机构实现运动变换和完成某种功用的能力。利用机构的功能可以组合成完成总功能的新机械。表表示常用机构的一些基本功能。表 2 机构的基本功能序号 基本功能 举 例1变换运动形式）转动转动）转动摆动）转动移动）转动单向间歇转动）摆动摆动）摆动移动）移动移动
9、）摆动单向间歇转动双曲柄机构、齿轮机构、带传动机构、链传动机构曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构曲柄滑块机构、齿轮齿条机构、挠性输送机构、螺旋机构、正弦机构、移动推杆凸轮机构槽轮机构、不完全齿轮机构、空间凸轮间歇运动机构双摇杆机构、正切机构双滑块机构、移动推杆移动凸轮机构齿式棘轮机构、摩擦式棘轮机构2 变换运动速度 齿轮机构（用于增速或减速） 、双曲柄机构3 变换运动方向 齿轮机构、蜗杆机构、锥齿轮机构等4 进行运动和成或分解 差动轮系、各种自由度机构5 对运动进行操纵或控制 离合器、凸轮机构、连杆机构、杠杆机构6 实现给定的运动位置或轨迹 平面连杆机构、连杆-齿轮机
10、构、凸轮-连杆机构、联动凸轮机构7 实现某些特殊功能 增力机构、增程机构、微动机构、急回特性机构、夹紧机构、定位机构）机构的分类为了使所选用得机构能实现某种动作或有关功5能，还可以将各种机构按运动转换的种类和实现的功能进行分类。表介绍了按功能进行机构分类的情况。表 3 机构的分类序号 执行构件实现的运动或功能 机构形式1匀速转动机构（包括定传动比机构、变传动比机构）摩擦轮机构）齿轮机构、轮系）平行四边形机构）转动导杆机构）各种有级或无级变速机构2非匀速转动机构 ）非圆齿轮机构）双曲柄四杆机构）转动导杆机构）组合机构）挠性件机构3往复运动机构（包括往复移动和往复摆动）曲柄-摇杆往复运动机构）双摇
11、杆往复运动机构）滑块往复运动机构）凸轮式往复运动机构）齿轮式往复运动机构）组合运动4间歇运动机构（包括间歇转动、间歇摆动、间歇移动）间歇转动机构（棘轮、槽轮、凸轮、不完全齿轮机构）间歇摆动机构（一般利用连杆上近似圆弧或直线段实现）间歇移动机构（由连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、组合机构等来实现单侧停歇、双单侧停歇、步进移动）5差动机构 ）差动螺旋机构）差动棘轮机构）差动连杆机构）差动齿轮机构）差动滑轮机构6实现预期轨迹机构 ）直线机构（连杆机构、行星齿轮机构等）特殊曲线（椭圆、抛物线、双曲线等）绘制机构）工艺轨迹机构（连杆机构、凸轮机构、凸轮-连杆机构等）7增力及夹持机构 ）斜面杠杆机构）铰链杠
12、杆机构）肘杆式机构8行程可调机构 ）棘轮调节机构）偏心调节机构）螺旋调节机构）摇杆调节机构）可调式导杆机构6）按各功能元的运动规律、动作过程、动力性能等要求进行机构运动简图的尺度综合。应当指出的是，选择执行机构并不仅仅是简单的挑选，而是包含着创新。因为要得到好的运动方案，必须构思出新颖、灵巧的机构系统。这一系统的各执行机构不一定是现有的机构，为此，应根据创造性基本原理和法则，积极进行创造性思维，灵活使用创造技法来进行机构型的创新设计。一般常用的创新设计的方法如下所述。机构构型的创新设计方法1）机构构型的变异的创新设计方法为了满足一定的工艺动作要求，或为了使机构具有某些性能与特点，改变已知机构的
13、结构，在原有机构的基础上，演变发展出新的机构，称此种新机构为变异机构。常用的变异方法有以下几类。）机构的倒置机构内运动构件与机架的转换，成为机构的倒置。按照运动的相对性原理，机构倒置后各构件件间的相对运动关系不变，但可以得到不同的机构。）机构的扩展以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个扩大的新机构，成为机构的扩展。机构扩展后，原有机构各构件件的相对运动关系不变，但所构成的新机构的某些性能与原机构差别很大。）机构局部结构的改变改变机构局部结构（包括构件运动结构和机构组成结构） ，可以获得有特殊运动性能的机构）机构结构的移植与模仿将一机构中的某种结构应用另一种机构中的设计方法，成为结构的移植。
14、利用某一结构特点设计新的机构，称为结构的模仿。）机构运动副类型的变换改变机构中的某个或多个运动副的型式，可设计创新出不同运动性能的机构。通常的变换方式有两种：转动副和移动副之间的变换；高副和低副之间的变换。2）用机构运动特点创新机构利用现有机构的工作原理，充分考虑机构运动特点、各构件相对运动关系及特殊的构件形状等，创新设计出新得机构。）利用连架杆或连杆运动特点设计新机构；）利用两构件相对运动关系设计新机构；）用成型固定构件实现复杂动作过程。）基于机构组成原理的机构创新设计根据机构组成原理，将零自由度的杆组依次连接到原动件和机架上去，或者在原有机构的基础上，搭接不同级别的杆组，均可设计出新机构。
15、）杆组依次连接到原动件和机架上去设计新机构；）将杆组连接到机构上设计新机构；）根据机构组成原理优选出合适的机构构型。4）基于组合原理得机构创新设计把一些基本机构按照某种方式组合起来，创新设计出一种与原机构特点不同的新的复合机构。机构的组合方式很多，常见的有：串联组合、并联组合、混接式组合等。）机构的串联组合：将两个或两个以上的单一机构按顺序联接，每一个前置机构的输出运动是后续机构的输入运动，这样得组合方式，称之为机构的串联组合，三个子机构、串联组合框图如图所示。0 1 2 3 图 1 机 构 的 串 联 组 合7)构件固接式串联：若将前一个机构的输出构件和后一个机构得输入构件固接，串联组成一个
16、新的复合机构。不同类型机构的串联组合有各种不同的效果。a)将匀速运动机构作为前置机构与另一个机构串联，可以改变机输出运动的速度和周期；b)将一个非匀速运动机构作为前置机构与工作机构串联，则可改变机构的速度特性；C)由若干个子机构串联组合可得到传力性能较好的机构系统。)轨迹点串联假若前一个基本机构的输出为平面运动构件上某一点 M 的轨迹，通过轨迹点 M 与后一个机构串联，这种联接方式称轨迹点串联。）机构的并联组合以一个多自由度机构作为基础机构，将一个或几个自由度为的机构（可称为附加机构）的输出构件接入基础机构，这种组合方式称为并联组合。图所示为并联组合的几种常见的联接方式的框图。最见的由并联组合而成的机构有共同的输入（如图（b） 、(c)
