机械创新设计实验指导书改.docx
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机械创新设计实验指导书改
目录
实验一基于机构组成原理的拼接设计………………………1
实验二创新思维与设计………………………………………18
实验一基于机构组成原理的拼接设计
一、实验目的
1、加深学生对机构组成原理的认识，进一步了解机构组成及其运动特性；
2、培养学生的工程实践动手能力；
3、培养学生创新意识及综合设计的能力。
二、设备和工具
1、创新组合模型一套：
1）五种平面低副Ⅱ级组，四种平面低副Ⅱ级组，各杆长可在80-340mm内无级调整，其他各种常见的杆组可根据需要自由装配；
2）两种单构件高副杆组
3）八种轮廓的凸轮构件，其从动件可实现八种运动规律：
ⅰ）等加速等减速运动规律上升200mm，余弦规律回程，推程运动角180°，远休止角30°，近休止角30°，回程运动角120°，凸轮标号为1；
ⅱ）等加速等减速运动规律上升20mm，余弦规律回程，推程运动角180°，远休止角30°，回程运动角150°，凸轮标号为2；
ⅲ）等加速等减速运动规律上升20mm，余弦规律回程，推程运动角180°，回程运动角150°，近休止角30°，凸轮标号为3；
ⅳ）等加速等减速运动规律上升20mm，余弦规律回程，推程运动角180°，回程运动角180°，凸轮标号为4；
ⅴ）等加速等减速运动规律上升35mm，余弦规律回程，推程运动角180°，远休止角30°，近休止角30°，回程运动角120°，凸轮标号为5；
ⅵ）等加速等减速运动规律上升35mm，余弦规律回程，推程运动角180°，远休止角30°，回程运动角150°，凸轮标号为6；
ⅶ）等加速等减速运动规律上升35mm，余弦规律回程，推程运动角180°，回程运动角150°，近休止角30°，凸轮标号为7；
ⅷ）等加速等减速运动规律上升35mm，余弦规律回程，推程运动角180°，回程运动角180°，凸轮标号为8；
4）模数相等齿数不同的7种直齿圆柱齿轮，其齿数分别为17，25，34，43，51，59，68，可提供21种传动比：
与齿轮模数相等的齿条一个。
5）旋转式电机一台，其转速为10r/min。
6）直线式电机一台，其速度为10m/s。
2、平口起子和活动扳手各一把。
三、实验前的准备工作
1、要求预习实验，掌握实验原理，初步了解机构创新模型；
2、选择设计题目，初步拟定机构系统运动方案。
四、实验原理
1、杆组的概念
由于平面机构具有确定运动的条件是机构的原动件数目与机构的自由度数相等，因此机构由机架、原动件和自由度为零的从动件系统通过运动副联接而成。
将从动件系统拆成若干个不可再分的自由度为零的运动链，称为基本杆组，简称杆组。
根据杆组的定义，组成平面机构杆组的条件是：
F=3n-2pL-pH=0
其中构件数n，高副数PH和低副数PL都必需是整数。
由此可以获得各种类型的杆组。
当n=1，PL=1，PH=1时即可获得单构件高副杆组，常见的有如下几种：
图1单构件高副杆组
当PH=0时，称之为低副杆组，即
F=3n-2PL=0
因此满足上式的构件数和运动副数的组合为：
n=2,4,6……，PL=3，6，9……。
最简单的杆组为n=2，PL=3，称为Ⅱ级组，由于杆组中转动副和移动副的配置不同，Ⅱ级组共有如下五种形式。
n=4，PL=6的杆组形式很多，机构创新模型已有图3所示的几种常见的Ⅲ级杆组。
图2平面低副Ⅱ级组
图3平面低副Ⅲ级组
2、机构的组成原理
根据如上所述，可将机构的组成原理概述为：
任何平面机构均可以用零自由度的杆组依次连接到原动件和机架上的方法来组成。
这是本实验的基本原理。
五、实验方法与步骤
1、正确拆分杆组
从机构中拆出杆组有三个步骤：
1）先去掉机构中的局部自由度和虚约束；
2）计算机构的自由度，确定原动件；
3）从远离原动件的一端开始分杆组，每次拆分时，要求先试着拆分Ⅱ级组，没有Ⅱ级组时，再拆分Ⅲ级组等高一级组，最后剩下原动件和机架。
拆组是否正确的判定方法是：
拆去一个杆组或一系列杆组后，剩余的必需为一个完整的机构或若干个与机架相联的原动件，不能有不成组的零散构件或运动副存在，全部杆组拆完后，只应当剩下与机架相联的原动件。
如图4所示机构，可先除去k处的局部自由度；然后，按步骤2）计算机构的自由度：
F=1，并确定凸轮为原动件；最后根据步骤3）的要领，先拆分出由构件4和5组成的Ⅱ级组，再拆分出由构件6和7及构件3和2组成的两个Ⅱ级组及由构件8组成的单构件高副杆组，最后剩下原动件1和机架9。
图4例图
2、正确拼装杆组
将机构创新模型中的杆组，根据给定的运动学尺寸，在平板上试拼机构。
拼接时，首先要分层，一方面是为了使各构件的运动在相互平行的平面内进行，另一方面是为了避免各构件间的运动发生干涉，因此，这一点是至关重要的。
试拼之后，从最里层装起，依次将各杆组联接到机架上去。
杆组内各构件之间的联接已由机构创新模型提供，而杆组之间的连接可参见下述的方法。
1）移动副的联接
图5表示构件1与构件2用移动副相联的方法。
2）转动副的联接
图6表示构件1与带有转动副的构件2的联接方法。
图5移动副的联接
图6转动副的联接
3）齿条与构件以转动副的形式相联接方法。
图7表示齿条与构件以转动副的形式相联接方法。
图7齿条与构件以转动副相联
4）齿条与其他部分的固联
图8表示齿条与其他部分固联的方法。
图8齿条与其他部分固联
5）构件以转动副的形式与机架相连
图9表示连杆作为原动件与机架以转动副形式相联的方法。
用同样的方法可以将凸轮或齿轮作为原动件与机架的主动轴相连。
如果连杆或齿轮不是作为原动件与机架以转动副形式相连，则将主动轴换作螺栓即可。
注意：
为确保机构中各构件的运动都必须在相互平行的平面内进行，可以选择适当长度的主动轴、螺栓及垫柱，如果不进行调整，机构的运动就可能不顺畅。
图9构件与机架以转动副相联
6）构件以移动副的形式与机架相联
图10表示移动副作为原动件与机架的联接方法。
图10构件与机架以移动副的相联
3、实现确定运动
试用手动的方式驱动原动件，观察各部分的运动都畅通无阻之后，再与电机相联，检查无误后，方可接通电源。
4、分析机构的运动学及动力学特性
通过观察机构系统的运动，对机构系统的运动学及动力学特性作出定性的分析。
一般包括如下几个方面：
1）平面机构中是否存在曲柄；
2）输出件是否具有急回特性；
3）机构的运动是否连续；
4）最小传动角（或最大压力角）是否在非工作行程中；
5）机械运动过程中是否具有刚性冲击和柔性冲击。
六、实验内容
任选一题，进行一个机构系统运动方案的设计。
1、钢板翻转机
设计题目：
该机具有将钢板翻转180°的功能。
如图11所示，钢板翻转机的工作过程如下。
当钢板T由辊道送至左翻板W1后，W1开始顺时针方向转动。
转至铅垂位置偏左10°左右时，与逆时针方向转动的右翻板W2会合。
接着，W1与W2一同转至铅垂位置偏右10°左右，W1折回到水平位置，与此同时，W2顺时针方向转动到水平位置，从而完成钢板翻转任务。
已知条件：
1）原动件由旋转式电机驱动；
2）每分钟翻钢板10次；
3）其他尺寸如图11所示；
4）许用传动角[γ]=50°；
图11钢板翻转机构工作原理图
设计任务：
1）用图解法或解析法完成机构系统的运动方案设计，并用机构创新模型加以实现；
2）绘制出机构系统运动简图，并对所设计的机构系统进行简要的说明。
2、设计平台印刷机主传动机构
平台印刷机的工作原理是复印原理，即将铅版上凸出的痕迹借助于油墨压印到纸张上。
平台印刷机一般由输纸、着墨（即将油墨均匀涂抹在嵌于版台的铅版上）、压印、收纸等四部分组成。
如图12所示，平台印刷机的压印动作是在卷有纸张的滚筒与嵌有铅版的版台之间进行。
整部机器中各机构的运动均由同一电机驱动。
运动由电机经过减速装置Ⅰ后分成两路，一路经传动机构Ⅰ带动版台作往复直线运动，另一路经传动机构Ⅱ带动滚筒作回转运动。
当版台与滚筒接触时，在纸上压印出字迹或图形。
版台工作行程中有三个区段（如图13所示）。
在第一区中，送纸、着墨机构相继完成输纸、着墨作业；在第二区段，滚筒和版台完成压印动作：
在第三区段中，收纸机构进行收纸作业。
本题目所要设计的主传动机构就是指版台的传动机构Ⅰ和滚筒的传动机构Ⅱ。
已知条件：
1）印刷生产率180张/小时；
2）版台行程长度500mm；
3）压印区段长度300mm；
4）滚筒直径116mm；
5）电机转速6r/min；
图12平台印刷机工作原理图13版台工作行程三区段
设计任务：
1）设计能实现平台印刷机的主运动：
版台往复直线运动，滚筒作连续或间歇转动的机构运动方案，要求在压印过程中，滚筒与版台之间无相对滑动，即在压印区段，滚筒表面点的线速度相等；为保证整个印刷幅面上印痕浓淡一致，要求版台在压印区内的速度变化限制在一定的范围内（应尽可能小）。
并用机构创新模型加以实现。
2）绘制出机构系统的运动简图，并对所设计的机构系统进行简要的说明。
3、设计玻璃窗的开闭机构
已知条件：
1）窗框开闭的相对角度为90°；
2）操作构件必须是单一构件，要求操作省力；
3）在开启位置时，人在室内能擦洗玻璃的正反两面；
4）在关闭位置时，机构在室内的构件必须尽量靠近窗槛；
5）机构应支承起整个窗户的重量。
设计任务：
1）用图解法或解析法完成机构的运动方案设计，并用机构创新模型加以实现；
2）绘制出机构系统的运动简图，并对所设计的机构系统进行简要的说明。
4、设计坐躺两用摇动椅
已知条件：
1）坐躺角度为90°～150°；
2）摇动角度为25°；
3）操作动力源为手动与重力；
4）安全舒适。
设计任务：
1）用图解法或解析法完成机构系统的运动方案设计，并用机构创新模型加以实现；
2）绘制出机构系统的运动简图，并对所设计的机构系统进行简要说明。
七、心得与体会
实验二创新思维与设计
一、实验目的
1.培养学生的创新思维及创新设计能力
2.培养学生的机构及结构设计能力
3.培养学生的工艺设计及加工能力
二、设备及工具
1.各种机床（车床、刨床、铣床、钻床、冲床）
2.各种常用工具（每组一套工具箱，已配备各种常用工具）。
三、选择创新设计的题目
设计本身就是创新，没有创新就不叫设计，因此选题要注意创新。
选题要考虑新颖性，选题对产品的质量影响很大。
选题不一定选得很大、很复杂，在日常生活、生产、工作中很多题目都可做，只要有创意，能实现功能要求的设计都可确定为设计题目。
设计可根据社会和人们的需要选题，或根据调查选题，亦可由直觉选题。
设计本身就是创造性思维活动，只有大胆创新才能有所发明、有所创造。
由于当今的科学技术已经高度发展，创新往往是在已有技术基础上进行综合，或在已有产品的基础上进行改革、移植。
综上所述，选题可选择适合自己设计和加工的题目，该题目能实现某一功能的要求。
四、产品（作品）的创新设计程序
作品的创新设计步骤可分为3个阶段：
计划阶段、设计阶段、加工制作阶段。
计划阶段主要进行需求分析、市场预测、可行性分析、确定设计参数及约束条件。
在深入全面了解所要设计的问题后，列出详细的要求明细表，作为设计、评价决策的依据，并提出合理的设计任务书。
在设计阶段中，原理方案设计占有重要位置。
原理方案设计是在功能分析的基础上，利用各种物理原理，通过创新构思、搜索探求、优化得出设计方案。
设计方案（原理解）直接影响产品功能、性能指标、成本、质量，设计时应尽量运用所学的知识、经验、创新能力，并对计划阶段的资料信息进行分析、整理、构想出满足功能要求的合理方案。
结构设计即确定零部件形状、材料和尺寸，并进行必要的强度、刚度、可靠性设计。
结构设计后即可进行制作、加工、完成作品。
五、总功能分解
为了更好地寻求解法，可把设计产品（对象）的总功能分解为比较简单的分功能（或称一级分功能、二级分功能、……），使输入量和输出量的关系更为明确、转换所需的物理原理比较单一、结构化后零件数量较少、因而较易求解，一般分解到能直接找到解法的分功能为止。
通常按照解决问题的因果关系，或手段目的关系来分析分功能。
如对于平口虎钳，为了夹紧工件，必须施加压力，前者是目的，后者是手段，沿着这个思路逐步进行分解。
也可按照生产的空间顺序或时间顺序来分解、如汽水灌装自动机的分功能包括：
瓶、盖、汽水的贮存与输送、灌装、加盖、封口、贴商标、成品输送。
六、寻找实现分功能作用原理的求解方法
1.直觉法
直觉法是设计者凭借个人的智慧、经验和创造能力，采用创造性思维方法来寻求实现各种分功能的原理解。
2.调查分析法
设计者通过查阅文献资料，包括专业书刊、专利资料、学术报告、研究生论文等，掌握多种专业门类最新研究成果，这是解决设计问题的重要源泉。
设计者通过研究大自然的形状、结构变化过程，对动植物生态特点深入研究，必将得到更多的启示，诱发出更多新的、可应用的原理解或技术方案，利用自然现象解决工程技术问题。
调查分析已有的产品，如对同类型的样机进行功能和结构分析，哪些是先进可靠的，哪些是陈旧落后、需要更新改进的，这对开发新产品、构思新方案，寻找功能原理解法大有益处。
图1机构一次增力功能元解法目录
机械名称
杠杆
肘杆（曲杆）
斜面
楔
螺旋
动滑轮
机械简图
计算公式
d2—螺纹中经
λ—点缀纹升角
ρ—当量摩擦角
图2部份常用物理基本功能元解法目录
机械
液气
电磁
热
转变
缩小
（放大）
变向
储能
过热蒸气热流体
动力
摩擦力
3.设计目录法
设计目录是设计工作的一种有效工具，是设计信息的存储器、知识库，它以清晰的表格形式把设计过程中所需的大量解决方案规律加以分类、排列、存储，便于设计者查找和调用。
设计目录不同于传统的设计手册和标准手册，它不是提供零件的设计计算方法，而是提供分功能或功能元的原理解、给设计者具体启发，帮助设计者具体构思。
图1为机械一次增力功能元解法目录，图2为部份常用物理基本功能元的解法目录。
设计时可通过各种解法目录找出实现分功能的原理解。
在寻找实现分功能作用原理解时，要注意几点：
（1）注意设计要求明细表上的要求。
例如，要求采用机械传动时，就不必考虑液压、电磁等方面的工作原理。
（2）在寻找原理解时，除考虑能实现该分功能外，还要兼顾到设计的全局，充分考虑到该分功能在总功能中的作用及分功能之间的关系。
在可能的情况下，应考虑将几种分功能用同一工作原理来实现，从而简化设计方案。
（3）对于一种分功能可以相应地提出几种工作原理，以便在方案的构思和评价筛选时有较大的选择余地。
（4）通常可以满足所要求的功能原理方案是很多的。
有些可以凭借设计师本身的知识、经验得出，但其中一部份并不为设计人员所熟悉。
为了开阔思路，以便选择出最佳原理方案、借鉴汇集前人经验的设计原理方案目录是有益的。
七、原理解组合为设计方案
由前所述，对于每个分功能能找到多个原理解法，把他们组合起来，可形成实现系统总功能的原理解法，总功能的原理解法，叫做机械系统的原理设计方案。
进行原理解法组合的依据是已制定的系统功能结构，因为它规定了组成总功能时各分功能的排列顺序。
当分功能原理解法找到后，凭设计师的经验来组合原理解，只能得到有限数量的方案，而且只适宜于简单机械系统，而系统组合法适合于找出复杂系统的原理设计方案。
系统组合法是利用形态矩阵寻找实现总功能的原理解。
它实际上就是一种表格，如图3所示，把系统分功能填在功能栏内，把每个分功能的原理解填在横行里，然后组合形成多个原理方案。
把所有设计方案经过筛选比较后，最后选出最优的设计方案。
八、结构设计
如前所述，经过原理方案构思仅能提出实施各分功能的原理方案图，为了制出作品，必须进行结构设计，结构设计包括选择材料、形状、尺寸、加工等。
材料可选用金属和非金属材料，甚至有机玻璃、石膏、木头、蜡、塑料、橡皮泥等。
图3系统组合法
1
2
…
i
…
m
1
F1
A11
A12
…
A1i
…
A1m
2
F2
A21
A22
…
A2i
…
A2m
…
…
…
…
…
…
…
…
j
Fj
Aj1
Aj2
…
Aji
…
Ajm
…
…
…
…
…
…
…
…
n
Fn
An1
An2
…
Ani
…
Anm
九、加工及装配作品
利用实验室的车床、刨床、铣床、钻床等机床及各种工具，加工出设计作品。
十、注意事项
1.安全，包括人身安全、用电安全、设备安全。
2.按照各设备的操作规程进行操作。
3.爱护国家财产、注意节约材料。
4.不得在实验室内进行与制作作品无关的工作。
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