机械创新课程设计教学大纲

适用专业机械设计制造及其自动化、材料成型与控制工程设计周数1学分撰写人冯祯民审核人何春霞一、设计目的与任务（一）设计目的综合运用《机械原理》课程以及其它先修课程的理论和生产实际知识，进行机械设计的基本训练。培养学生理论联系实际的能力。培养学生创新设计意识、创新思维能力及综合设计能力。要求同学针对某一机构设计出多种不同方案，利用ZBS—C机构运动创新设计方案实验台进行实际搭接，优选出最佳的设计方案。提高同学理论联系实际，发现问题、思考问题和解决问题的能力。（二）设计任务要求每个同学按照所选定的设计题目要求，相应完成配匹任务：用图解法或解析法完成机构的运动方案设计，并在ZBS—C机构运动创新设计方案实验台上搭接出设计方案，多方案比较后最后选出最佳设计方案用机构运动简图表示所设计机构并说明其工作原理，完成设计说明书一份。二、设计内容、设计时间和地点（一）设计内容1.机器鱼任务要求：（1）能模仿鱼的基本动作：游动和漂浮；（2）一个输入，两个输出；（3）画出机构运动简图。2.爬行昆虫任务要求：（1）能模仿昆虫直线爬行，足的数目和样式自定；（2）遇到前方障碍（高度为昆虫的三分之一以下），能越过；（3）在爬行和越障时，要保持身体稳定，不能跌倒。3.半自动黑板擦随着多媒体技术的推广和应用，学校里的大部分课程采用了多媒体教学，但某些课程或某些章节仍然离不开黑板板书，这就需要人来动手擦黑板，费时费力，而且对人的身体健康也有影响。设计一种半自动黑板擦就显得很有必要。任务要求：（1）力度适当，要能擦掉痕迹；（2）能清除死角；（3）操作容易，结构简单，去除痕迹快；（4）闲置时，不影响正常板书。4.半自动拉幕机构舞台上的布幔悬挂较高，层次多，厚而重。剧情进展过程中要不断拉动布幔。以往的拉幕工作有人来完成，费力切影响整个舞台背景效果。设计一套简单的自动拉幕机构即可解决问题，该机构还可用在高大建筑物的窗帘开启和关闭上。任务要求：（1）能自动来回拉动厚重的布幔，使布幔开启和闭合；（2）速度均匀；（3）操作容易。5.半自动晾衣架晾晒衣物是频繁而单调的工作。如果晾衣架是固定的，无疑增加辛苦的程度，而且有时还有危险。设计一款实用的半自动晾衣架将会为所有的家庭主妇们带来便利。任务要求：（1）晾衣架能自动升降以缓解举手晾衣的麻烦；（2）晾衣架能自动伸出和缩回，既充分利用了阳光，减少事故隐患，又不影响整个小区的总体美观；（3）足够的承载力；（4）操作方便，省力。6.自动擦窗器现代的楼宇越来越高，所用的玻璃窗和玻璃幕墙也越来越多，随之而兴起了一类新兴职业：蜘蛛人。蜘蛛人的工作单调、劳累而且随时有生命的危险。自动擦窗器将会有很大的市场前景。任务要求：（1）能从事室内外的玻璃擦洗工作；（2）运动自如灵活，不留死角；（3）安全性高。7.平面行走机构微小机械和微型机械同是精密机械学科延伸发展的两个新的生长点，在医疗、微电子精细加工设备、微组装技术以及航空航天等高科技领域，都有着非常迫切的研究开发需求。微小机械研究的一项关键技术就是微驱动技术，包括微驱动机构和微行走机构。任务要求：（1）绘制出平面行走微小机构的运动原理图；（2）体积小，结构简单，制作和控制容易。8.简易垃圾袋支架任务要求：（1）设计出运动原理图；（2）放垃圾时，支架自动张开，撑开垃圾袋；（3）不放垃圾时，支架自动吸合，密封垃圾袋；（4）支架是可调的，能适应各种大小的垃圾袋。9.设计某物料压片机的加压机构。其工艺流程为：（1）干粉料均匀筛入圆桶形型腔（图1-a）；（2）下冲头下沉3mm，预防上冲头进入型腔时把粉料扑出（图1-b）；（3）上下冲头同时加压（图1-c），并加压一段时间；（4）上冲头退出，下冲头随后顶出压好的片坯（图1-d）；（5）料筛推出片坯（图1-e）。其设计参数为：冲头压力为150KN；生产率为每分钟25片；机器运转不均匀系数10%；驱动电机可任选。干粉料料筛干粉料料筛上冲头片坯上冲头a）b）c）d）e）图110.设计高速摄影机的拉片机构的改进设计（1）工作原理如图2所示为高速摄影机暴光窗部分的运动简图，高速摄影机工作时，输片轮始终以等角速度ω0转动，它使胶片作行事运动（v0），但要求胶片在暴光窗处能作周期性的间歇运动，当暴光窗处的胶片静止时，定位销插入胶片的齿孔中，使胶片定位，然后将暴光窗打开，让胶片暴光。暴光结束后，关闭暴光窗，拔出定位销，胶片被快速地向下拉过一个画面（每个画面所占片长称节距p）。35mmP=19mm胶片胶片轮导片轮定位销35mmP=19mm胶片胶片轮导片轮定位销曝光窗图2（2）设计要求①；②根据高速摄影机的工作平稳性要求和为了改善胶片的受力情况，应尽量避免胶片在运动过程中受到冲击性载荷，并应使其最大加速度尽可能小；③机构的拉片长度误差应在允许范围之内。定位销的定位动作与胶片的停、动动作要配合协调，不发生运动干涉；④机构应尽量简单，结构紧凑。11.推瓶机构的改进设计（1）题目：改进设计洗瓶机的推瓶机构。（2）工作原理：如图3所示是洗瓶机有关部件的工作示意图。待洗的瓶子放在两个转动着的导棍上，导棍带动瓶子旋转。当推头M把瓶推向前进时，转动着的刷子就把瓶子外面洗净。当前一个瓶子洗刷完毕时，后一个待洗的瓶子已送入导棍待推。推头M导辊刷子推头M导辊刷子图3（3）原始数据和设计要求：瓶子尺寸：大端直径d=80mm，长200mm。推进距离Ｌ＝600mm。推瓶机构应使推头M以均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子，然后，推头快速返回原位，准备第二个工作循环。按生产率的要求，推程平均速度为v=45mm/s，返回时的平均速度为工作行程的3倍。机构性能良好，结构紧凑，制造方便。12.铁板输送机构的改进设计题目：改进设计一剪板机的铁板输送机构。原始数据和设计要求：原材料为成卷的板料。每次输送铁板的长度为L=1900或2200mm（设计时任选一种）。每次输送铁板到达规定长度后，铁板稍停，以待剪板机构将其剪断。剪断工艺所需时间约为铁板输送周期的十五分之一。建议铁板停歇时间不超过剪断工艺水平时间的1.5倍，以保证有较高的生产率。图4输送机构运转平稳，振动和冲击尽可能减小（即要求输送机构从动件的加速度曲线连续无突变。）图413.轧辊机构的改进设计题目：改进一初轧机的轧辊机构。工作原理：如图5所示是由送料辊送进铸坯，由工作辊将铸坯轧制成一定尺寸的方形、矩形或圆形截面的坯料的初轧机。它在水平面和垂直面内各布置一对轧辊（图中只画出垂直面内的一对轧辊）。两对轧辊交替轧制。轧机中工作辊中心M应沿mm轨迹运动，以适应轧制工作的需求。坯料的截面形状由轧辊的形状来保证。原始数据和设计要求：根据轧制工艺，并考虑减轻设备的载荷，对轧辊中心M轨迹提出如下要求：在金属变形区末段，应是与轧制中心线平行的直线，在此直线段内轧辊对轧件进行平整，以消除轧件表面因周期间歇轧制引起波纹。因此希望该平整段L尽可能长些。轧制是在垂直面和水平面内交替进行的，当一个面内的一对轧辊在轧制时，另一面内的轧辊正处于空回程行程中.从实际结构上考虑，轧辊的轴向尺寸总大于轧制品截面的宽度，所以，要防止两对轧辊在交错时而发生碰撞.。为此，轧辊中心轨迹曲线mm除要有适当的形状外，还应有足够的开口度h，使轧辊在空行程中能让出足够的空间，保证与轧制过程中的轧辊不发生“拦路”相接的情况。在轧制过程中，轧件要受到向后的推力，为使推力尽可能小些，以减轻送料棍的载荷，故要求轧辊与轧件开始接触时的咬入角γ尽量小些。γ约取250左右，坯料的单边最大压下量约为50mm，从咬入到平整段结束的长度约为270mm。为减少制造误差引起的轨迹变化或更换轧辊后要求开口度有稍许变化，所选机构应能便于调节中心的轨迹。要求在一个轧制周期中，轧辊的轧制时间尽可能长些。送料辊工作辊送料辊工作辊图514.医用棉签卷棉机机构改进设计（1）题目：医用棉签卷机的运动方案及机构的改进设计（2）工作原理：按照医院用棉签的手工卷制方法应有取棉、揪棉、取棉、卷棉四个动作。用机器卷制棉签时，仿照手工方式，进行动作分解，可粗分为：送棉、压（夹）棉、揪棉、送签和卷棉等工艺动作。（3）原始数据和设计要求：棉花：条状脱脂棉，宽25~30mm，自然厚4~5mm；签杆：医院通用签杆，直径约3mm，杆长约70mm，卷棉部分长约20~25mm；生产率：每分钟卷60支，每支卷取棉块长约20~25mm；卷棉机体积要小，重量轻，工作可靠，外形美观，成本低，卷出的棉签松紧适度。15.织机开口机构的改进设计原理：织物由经纱和纬纱紧密交织而成。最简单的织物是平纹组织，其经纬纱的交织情况如图6所示。它是将经纱按照单双数分成Ａ、Ｂ两组，分别穿在综框Ａ和Ｂ的综丝眼ａ和ｂ中，当两个综框一个在上，一个在下时，两组经纱上下分开，形成梭口。综框在行程末端作较长时间的停歇，此时，梭子带着纬纱穿过梭口，然后综框上下交替，梭子带着纬纱又从梭口穿回。就这样综框上下交替、梭子来回穿梭，实现经纬交织，形成织物。两个综框各由一个机构带动作垂直上下运动（行程末端有较长时间的停歇）。两个开口机构改革的结构相同，仅安装相位不同，它们根据织物的经纬纱线交织规律使两个综框交替作垂直升降。A综框原始数据和设计要求待后续。A综框b)a)经纱B经纱A经纱经纱经纱B梭子b)a)经纱B经纱A经纱经纱经纱B梭子图616.新型内燃机的开发目前应用最广泛的往复式内燃机由气缸、活塞、连杆、曲轴等主要构件和其他辅助设备组成。这种往复式活塞发动机存在以下明显的缺点：（1）工作机构及气阀控制机构组成复杂，零件多。曲轴等零件结构复杂，工艺性差。（2）活塞往复运动造成曲柄连杆机构较大的往复惯性力，此惯性力随速度的平方增长，使轴承惯性载荷增大，系统由于惯性力不平衡而产生强烈振动。往复运动限制了输出轴转速的提高。（3）曲轴回转两圈才有一次动力输出，效率低。针对以上缺点，提出新型内燃机改进设计方案。17.半自动蹲坑盖设计目前在很多的公共卫生间提倡用蹲坑代替坐便器，有诸多的大学生宿舍也大多选用蹲坑。但还很少见有盖子的蹲坑，曾有报道洗衣服时一不小心一脚就滑进蹲坑，就卡住了，耗用六个小时，惊动了三个部门才把脚解救出来。所以是否可以给蹲坑设计一个盖子，这样不仅安全而且美观无异味。设计要求：（1）开关自如；（2）半自动、价格便宜；（3）操作方便、卫生；（4）要有一定的强度。18.热敏式电脑防尘罩电脑日益普及，但对于电脑的防尘却不够重视，而且普通的电脑防尘罩要在电脑关闭并冷却后才能罩上，而此时往往就想不起来了。是否可以给易沾灰尘的显示器（显示器里面进了灰尘后对显示器会有很大的伤害却难以清除）设计一个智能式的防尘罩，利用显示器自身的特点，开启时发热升温后盖打开，关闭了当温度降低到某一安全值后便于工作盖上。19.车用垃圾桶经常在公交车上看到歪倒的垃圾桶，影响整体的美观，起不到设置的效果，而且这样易被踩坏或踢坏。是否可以设计一种方便公交车用的新型垃圾桶。20.爬式加料机传动装置的设计（1）设计题目设计用于爬式加料机的传动装置如图7。图7（2）爬式加料机数据见数据表格。（3）工作条件单班制工作，间歇运转，工作中有轻微振动，工作环境有较大灰尘。（4）使用期限工作期限为五年。（5）生产批量及加工条件小批量生产。可加工7、8级精度的齿轮、蜗轮。（6）设计任务①确定传动方案，完成总体方案论证报告；②选择电动机型号；③设计减速传动装置。（7）具体作业①机构简图一份；②说明书一份。（8）小车原始数据数据编号12345装料量/N30003500400045005000速度/（m/s）轨距/mm662662662662662轮距/mm50050050050050021.电子防盗门开闭机构的改进设计现有防盗门存在的问题（1）关闭时，弹簧弹力过大，冲击声很响，夜半扰民，对门体损害也大；（2）液压撑杆阻尼过大时，关闭速度太慢，给不法之徒以可趁之机。改进设计满足1）开启至45度时，基本无阻尼，过后阻尼逐渐增大（防止开启过大）；2）关闭时先快后慢，尽量避免冲击；（3）满足线控开锁和钥匙开锁功能。要求了解现有电子防盗门的结构，绘制改进的结构原理图，做必要的计算。22.钢板翻转机已知条件：（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8钢板翻转机构工作原理图23.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9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10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