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1、工程創(chuàng)新訓(xùn)練,上課時請將手機關(guān)閉或設(shè)為振動!,課程特點: 自主學(xué)習(xí)、教師輔導(dǎo) 答疑：每周三下午4：或預(yù)約 地點：工培中心C樓二層創(chuàng)新基地,參考文獻,鄒慧君,顏鴻森.機械創(chuàng)新設(shè)計理論與方法 .高等教育出版社 .2008 周繼烈.思維創(chuàng)新與創(chuàng)造力開發(fā).浙江大學(xué)出版社.2008 陳吉明.創(chuàng)造力開發(fā)與實踐.武漢理工大學(xué)出版社.2009 洪燕云,何慶.創(chuàng)造學(xué).清華大學(xué)出版社.2009,朱華炳 工學(xué)博士、教授 地址： 工業(yè)培訓(xùn)中心三樓教授工作室 E-mail: Tel: 0551-3831185，13955159225 QQ: 763137817,,合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)培訓(xùn)中心主任 機械與汽車工程學(xué)
2、院碩士生導(dǎo)師 華東高校工程訓(xùn)練教學(xué)學(xué)會副理事長中國機械工程學(xué)會高級會員,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.1 機械產(chǎn)品設(shè)計的一般程序和內(nèi)容 3.1.1 機械產(chǎn)品設(shè)計的類型 根據(jù)機械產(chǎn)品設(shè)計的要求、內(nèi)容和特點，一般可分為開發(fā) 設(shè)計、變異設(shè)計和反求設(shè)計。 1. 開發(fā)設(shè)計 針對新的市場需求和新的設(shè)計要求，提出新的設(shè)計任務(wù)，完成產(chǎn)品規(guī)劃、產(chǎn)品原理方案設(shè)計、概念設(shè)計、構(gòu)形設(shè)計等設(shè)計過程。開發(fā)設(shè)計具有開創(chuàng)性和探索性，其設(shè)計風(fēng)險較大，一旦成功獲益也較大。舉例：國產(chǎn) 大飛機設(shè)計。 2. 變異設(shè)計 在已有產(chǎn)品基礎(chǔ)上，針對原有缺點或新的工作要求，從工作原理、功能結(jié)構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)類型和尺度等方面進
3、行一定的變異，設(shè)計出新產(chǎn)品以適應(yīng)市場需求，增強產(chǎn)品競爭力。這種設(shè)計也包括以基本型產(chǎn)品為基礎(chǔ)，保持工作原理不變，開發(fā)出不同參數(shù)、不同尺寸或不同功能和性能的變形系列產(chǎn)品。設(shè)計風(fēng)險比較小。,,,,,3.1 機械產(chǎn)品設(shè)計的一般程序和內(nèi)容 3.1.1 機械產(chǎn)品設(shè)計的類型 3. 反求設(shè)計 對已有的先進產(chǎn)品或設(shè)計，從工作原理、概念設(shè)計、構(gòu)形 特點等方面進行深入分析研究，必要時還需要進行實驗研究， 從而探索其關(guān)鍵技術(shù)，在消化、吸收的基礎(chǔ)上，開發(fā)同類型但 又能避開其專利的具有自己特色的產(chǎn)品。反求設(shè)計絕對不是對 現(xiàn)有先進產(chǎn)品的照搬照抄，而是在消化、吸收的基礎(chǔ)上進行再 創(chuàng)造。 一個企業(yè)、一個行業(yè)要謀求發(fā)
4、展就應(yīng)重視產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計， 但大量的設(shè)計畢竟還是變異設(shè)計、反求設(shè)計，因此要重在這兩 種設(shè)計中創(chuàng)新。設(shè)計的本質(zhì)是創(chuàng)新，設(shè)計的生命力也在于創(chuàng)新。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.1 機械產(chǎn)品設(shè)計的一般程序和內(nèi)容 2.1.2 機械產(chǎn)品設(shè)計的基本內(nèi)容 1. 產(chǎn)品規(guī)劃 產(chǎn)品規(guī)劃要求進行需求分析、市場預(yù)測、可行性分析、確定設(shè)計參數(shù)及制約條件，最后給出詳細的設(shè)計任務(wù)書（或要求明細表）作為設(shè)計、評價和決策的依據(jù)。 2. 概念設(shè)計 通過構(gòu)想設(shè)計理念、創(chuàng)新構(gòu)思、搜索探求、優(yōu)化篩選較理想的工作原理方案。對于機械產(chǎn)品來說，在功能分析和工作原理確定的基礎(chǔ)上進行工藝動作構(gòu)思和工藝動作分解，初步擬定各執(zhí)行
5、構(gòu)件動作相互協(xié)調(diào)的循環(huán)圖，進行機械運動方案的設(shè)計（即機構(gòu)系統(tǒng)的型綜合和數(shù)綜合）等，就是產(chǎn)品概念設(shè)計過程的主要內(nèi)容。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.1 機械產(chǎn)品設(shè)計的一般程序和內(nèi)容 3.1.2 機械產(chǎn)品設(shè)計的基本內(nèi)容 3. 構(gòu)形設(shè)計 構(gòu)形設(shè)計是將方案（主要是機械運動方案）具體轉(zhuǎn)化為機 器及其零部件的合理構(gòu)形，也就是要完成機械產(chǎn)品的總體設(shè)計、 部件和零件設(shè)計，完成全部生產(chǎn)圖紙并編制設(shè)計說明書等相關(guān) 技術(shù)文件。 構(gòu)形設(shè)計時要求零件、部件設(shè)計滿足機械的功能要求；零 部件結(jié)構(gòu)形狀便于制造加工；常用零件盡可能實現(xiàn)標準化、系 列化和通用化；總體設(shè)計還應(yīng)滿足總功能、人機工程學(xué)、造型 美學(xué)以及包
6、裝和運輸?shù)确矫娴囊蟆? 構(gòu)形設(shè)計時一般先由總裝配圖分拆成部件、零件草圖，經(jīng) 審核無誤后，再由零件工作圖、部件工作圖繪制出總裝配圖。 最后還要編制技術(shù)文件，如設(shè)計說明書、標準件、外購件 明細表，備件、專用工具明細表等。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.1 關(guān)于設(shè)計 設(shè)計（design ）的目的是要人為地創(chuàng)造事物，因此設(shè)計本身是創(chuàng)造事物的開端，這種開端最終帶來形形色色的人為事物，從而造福人類，開創(chuàng)未來。 設(shè)計所包容的類型多種多樣。其中工程設(shè)計engineering design）應(yīng)用范圍十分廣泛。 機械工程是工程的一個主要領(lǐng)域。機械工程設(shè)計（me
7、chanical engineering design）或簡稱為機械設(shè)計（mechanical design），是指機械裝置、產(chǎn)品、系統(tǒng)或生產(chǎn)線設(shè)計。 機械設(shè)計主要包括機器設(shè)計（machine design）和機構(gòu)設(shè)計（mechanism design）。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵 設(shè)計的本質(zhì)是創(chuàng)新。機械創(chuàng)新設(shè)計主要包括機器創(chuàng)新設(shè)計和機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計。 機器創(chuàng)新設(shè)計就是設(shè)計人員運用創(chuàng)新思維和創(chuàng)新設(shè)計理論、方法設(shè)計出結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)良和高效的新機器。機器創(chuàng)新設(shè)計本身也存在創(chuàng)新程度多少和創(chuàng)新水平高低之分。 評價機器創(chuàng)新設(shè)計水平
8、的關(guān)鍵是新穎性的高低。新穎性主要表現(xiàn)在機器工作原理要新，結(jié)構(gòu)要新，組合方式要新。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵 一種新機器工作原理的構(gòu)思往往可創(chuàng)造出一類新的機器， 例如激光技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生了激光加工機床、激光治療儀、激光測量儀等。 創(chuàng)造出一種新的執(zhí)行機構(gòu)類型也可造就一類新機器，例如抓斗大王包起帆采用多自由度差動滑輪組和復(fù)式滑塊機構(gòu)創(chuàng)造發(fā)明了性能獨特的“異步抓斗”。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵 采用新的組合方式亦可創(chuàng)造出一種新機器。例如美國
9、阿波 羅飛船在沒有重新設(shè)計和制作一件元件、零件的情況下，通過 功能分解選用現(xiàn)有的元器件及零部件，用功能組合原理建造出 世界第一艘阿波羅飛船，并取得了滿意的結(jié)果。組合創(chuàng)新實質(zhì) 上是用現(xiàn)有的元器件去實現(xiàn)嶄新的設(shè)計方案。由此可見，機器 創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵是十分廣泛的。 歸納起來，機器創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)容一般包括四個方面： （1） 機器工作原理的創(chuàng)新。采用新的工作原理，就可設(shè) 計出嶄新的機器。例如采用石英晶體震蕩的定時性原理，創(chuàng)造 出新一代的計時器石英手表，又如采用靜電感應(yīng)和激光原 理創(chuàng)造出激光打印機并取代了機械式打字機。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.2 機械創(chuàng)
10、新設(shè)計的內(nèi)涵 （2） 機械功能解的創(chuàng)新設(shè)計。這屬于方案設(shè)計范疇，其中 包括新功能的構(gòu)思、功能分析和功能結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能的原理解 創(chuàng)新、功能元的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等，從機械方案設(shè)計角度看，核心部 分還是機械運動方案的創(chuàng)新。把機械運動方案創(chuàng)新設(shè)計作為機 器設(shè)計的重點是十分必要的。 （3）機械零部件的創(chuàng)新設(shè)計。機械方案確定以后，機械的 構(gòu)形設(shè)計階段也有許多內(nèi)容可以進行設(shè)計創(chuàng)新，例如用新構(gòu)形 的零部件可以提高機器的工作性能、減小尺寸及重量，又如采 用新材料可以提高零部件的強度、剛度和使用壽命等。 （4）工業(yè)藝術(shù)造型的創(chuàng)新設(shè)計。對機器的造型、色彩、面 飾等進行創(chuàng)新設(shè)計可以增強機械產(chǎn)品的競爭力。產(chǎn)品的工業(yè)藝 術(shù)
11、造型設(shè)計得好，可令使用者愛不釋手，同時也使機器的功能 得到充分的體現(xiàn)。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.3 機械創(chuàng)新設(shè)計主要內(nèi)容 機械是機器和機構(gòu)的總稱，因此機械創(chuàng)新設(shè)計主要包括機 構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計和機器創(chuàng)新設(shè)計兩大部分。 1. 機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計 機構(gòu)的功用是實現(xiàn)各種工藝動作。為了使機構(gòu)實現(xiàn)靈巧的、新穎的功用，需進行機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計。機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的基本方 法有以下幾種： （1）機構(gòu)類型創(chuàng)新和變異設(shè)計。借助現(xiàn)有的機構(gòu)的運動 鏈類型，通過類型創(chuàng)新或變異創(chuàng)造出新的機構(gòu)類型，滿足新的設(shè)計要求。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法
12、3.2.3 機械創(chuàng)新設(shè)計主要內(nèi)容 （2）利用連架桿或連桿運 動特點創(chuàng)新機構(gòu)。圖1-16所示為 搖桿滑塊機構(gòu)ABC。利用機構(gòu)左 右對稱性，當拉動滑塊上下運動 時，構(gòu)成左右抓斗的連桿3或閉合 抓粒狀物體或開啟散落粒狀物體。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.3 機械創(chuàng)新設(shè)計主要內(nèi)容 圖1-17所示為雙桿鑄錠供應(yīng)機構(gòu)。利用連桿3的特殊構(gòu)型 的位置與姿勢，將加熱爐中出料后的鑄錠8運送到升降臺7上， 從而使其成為出料機械。,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.3 機械創(chuàng)新設(shè)計主要內(nèi)容 （3）利用兩構(gòu)件相 對運動關(guān)系創(chuàng)新機構(gòu)。圖 1-18所示為
13、鉸鏈四桿分送 工件機構(gòu)。利用搖桿和連 桿的特殊形狀和運動關(guān)系 得到一個分送工件機構(gòu)。 圖中位置1將圓柱工件接 住，位置2將圓柱工件送 出，位置3將工件送到滑塊 S處滑下。這是用簡單的機 構(gòu)完成較為復(fù)雜的工作過 程。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.3 機械創(chuàng)新設(shè)計主要內(nèi)容 圖1-19所示為圓轉(zhuǎn)輪系的抓斗機 構(gòu)，其中轉(zhuǎn)臂3擴展為左側(cè)爪，齒輪2 擴張為右側(cè)爪。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.3 機械創(chuàng)新設(shè)計主要內(nèi)容 （4）用成型固定構(gòu)件創(chuàng)新復(fù)雜動作機構(gòu)。 圖1-20所示為象鼻成型器2（它是一個呈象鼻形 狀的固定
14、模板）后被折彎呈圓筒狀，然后借助 于等速回轉(zhuǎn)的縱封輥4加壓熱合并連續(xù)向下牽引， 使其成連續(xù)的圓筒狀。物料由料斗3落入已封底 的袋筒內(nèi)，并由不等速回轉(zhuǎn)的橫封輥5將該袋筒 的上口縫合，再由回轉(zhuǎn)切刀7切斷后排出機器外。 封好后的袋型為對接縱縫三面封口的扁平型。象 鼻成型器將平張薄膜逐漸彎折成圓形使制袋機構(gòu) 大為簡化。這種采用成型固定構(gòu)件創(chuàng)新設(shè)計機構(gòu) 的方法在包裝機械中得到了廣泛應(yīng)用，它實現(xiàn)了 比較復(fù)雜的工藝動作過程。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.3 機械創(chuàng)新設(shè)計主要內(nèi)容 （5）利用組合原理進行機 構(gòu)創(chuàng)新?？梢岳枚喾N機構(gòu)巧 妙地組合成具有獨創(chuàng)性的機構(gòu)，
15、 其典型例子是包起帆發(fā)明的異 步抓斗。它是自由度差動滑輪 機構(gòu)和復(fù)式滑塊連桿機構(gòu)的組 合。 多自由度差動滑輪組的主 要作用是獲得各個爪子的差動 運動，從而達到異步的目的。 圖1-21所示為六自由度差動滑 輪組，將滑輪組劃分為左右兩 部分是為了適應(yīng)抓斗機構(gòu)安排 上的需要。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.3 機械創(chuàng)新設(shè)計主要內(nèi)容 圖1-22所示為六自 由度差動滑輪組沿周圍 均勻分布的示意圖，這 種布置的目的是形成六 個爪子的異步抓斗，它 能適應(yīng)三對爪子分別 閉合的需要。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.3 機
16、械創(chuàng)新設(shè)計主要內(nèi)容 復(fù)式滑塊連桿機構(gòu)如圖 1-23所示，EF為搖桿，EG 為連桿，W1為小滑塊，W2 為大滑塊。小滑塊W1在大 滑塊的導(dǎo)槽中滑移行程為h1, 大滑塊W2在機架導(dǎo)槽中滑移 行程為h2。依靠這種大、小 行程可以控制一對爪子的異 步程度。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.3 機械創(chuàng)新設(shè)計主要內(nèi)容 圖1-24是實際應(yīng)用中的復(fù) 式滑塊連桿機構(gòu)，搖桿EF稱為 撐桿，連桿EG就是抓斗的一個 顎瓣（爪子）。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.3 機械創(chuàng)新設(shè)計主要內(nèi)容 為了表示異步抓斗的機構(gòu)構(gòu)成， 圖1-25
17、畫出了一對爪子的機構(gòu)示意 圖，它是將二自由度的差動滑輪組 和一對復(fù)式滑塊連桿機構(gòu)組成了二 自由度二顎瓣異步抓斗機構(gòu)。很明 顯，左右兩側(cè)的滑塊連桿機構(gòu)的運 動是差動的，將產(chǎn)生異步動作。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.3 機械創(chuàng)新設(shè)計主要內(nèi)容 同理，可以將具有三個、四個或更多個自由度的差動滑輪 組和相應(yīng)數(shù)目的復(fù)式滑塊連桿機構(gòu)組成具有相應(yīng)自由度和顎瓣 數(shù)的異步抓斗機構(gòu)。包起帆所發(fā)明的六自由度、六顎瓣異步抓 斗其顎瓣就是沿周圍方向均布的，這里不再贅述。這種花瓣式 的異步抓斗可以抓取大小不一的物體，通過顎瓣的逐一閉合， 以及最后所有顎瓣的完全閉合來做到安全、
18、高效地抓取物塊。 從實際效果看，這種抓斗比原來的同步抓斗要好得多。包起帆 的發(fā)明再次說明，應(yīng)用已有的機構(gòu)進行組合同樣可以創(chuàng)造出性 能優(yōu)秀的新穎機構(gòu)。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.3 機械創(chuàng)新設(shè)計主要內(nèi)容 （6）采用高低副互代法創(chuàng)新機 構(gòu)。圖1-26a所示為電腦多頭繡花機 中關(guān)鍵部分（挑線刺布機構(gòu)）的簡圖， 它由凸輪、齒輪、連桿機構(gòu)組合而成， 具有單自由度。其中1-2-3-8為挑線機 構(gòu)，1-4-5-6-7-7為刺布機構(gòu)。為了解 決凸輪挑線機構(gòu)制造困難和工作噪聲 大的問題，同時為了避開凸輪挑線機 構(gòu)設(shè)計專利，采用高低副互代法后可 得到圖1-26b所示的連桿挑線替代機構(gòu)， 經(jīng)過實驗檢驗效果極佳。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,,,,,,3.2 機械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵和方法 3.2.3 機械創(chuàng)新設(shè)計主要內(nèi)容 2. 機器創(chuàng)新設(shè)計 機器創(chuàng)新設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容是進行機器運動方案的設(shè)計，也 就是對機器中實現(xiàn)運動和功能的機構(gòu)系統(tǒng)方案進行創(chuàng)新設(shè)計。 機器創(chuàng)新設(shè)計的基本內(nèi)容包括機械產(chǎn)品需求分析、機器工 作機理描述、機械產(chǎn)品設(shè)計過程模型和功能求解模型、工藝動 作過程的構(gòu)思與分解、機械運動方案的組成原理、機械運動方 案設(shè)計的評價綜合和評價方法以及機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的基本 原理。,第3章 機械創(chuàng)新設(shè)計,
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