《机械原理与机械设计 （下册） 第4版》 课件 第31章 机械创新设计技法

一、机械设计的基本概念1、设计的目的设计是人类改造自然的基本活动，是复杂的分析、规划、推理与决策过程，蕴涵着创新和发明。设计的目的是，根据预定的目标，经过一系列规划与分析决策，获得系统的设计信息（文字、数据、图形等），形成设计方案及其实施文件，进而通过制造，形成产品，造福人类。2、机械设计的分类（1）开发性设计——工作原理和设计方案全新的设计（2）适应性设计——在原理方案基本保持不变的前提下，对产品做局部的变更或设计某些新部件，使产品更适应使用要求。（3）变型设计——在工作原理和功能结构都不变的情况下，变更现有产品的配置和尺寸，甚至增加一些型号，使之扩大工作范围，满足更多领域要求。

设计都蕴含着“创新”。创新，可以使设计别具一格，耳目一新。第三十一章机构创新设计方法二、机械设计过程1、机械设计过程设计过程是指从明确设计任务到编制技术文件所进行的整个设计工作流程。2、机械设计过程的四个阶段

(1)产品规划——明确机械设计任务，提出设计任务书。

(2)原理方案设计——确定功能原理和机械运动方案,画出机械运动简图。

(3)技术方案设计。

(4)评估，改进与决策。一、机构的变异创新设计机构构型的变异创新设计1、机构的倒置：机构内运动构件与机架的转换。AB14lR235OPSO1AB122、机构的扩展：以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个扩大的机构。3、机构局部结构的改变（１）构件的运动结构改变34abOO112c120º（２）机构的主动构件被另一自由度F=1的机构和构件组合所置换4r3b25

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４、机构的移植与模仿

将一机构中的某种结构应用于另一种机构中的设计方法，成为结构的移植。

利用某一结构特点设计新的机构，称为结构的模仿。1221234512345５、机构运动副类型的变换 改变机构中某个和多个运动副的型式，可设计创新出不同运动性能的机构。１）转动副与移动副之间的变换；２）高副与低副之间的变换。ABCCBAOO二、机构的组合创新设计

（一）机构的串联组合将两个或两个以上的单一机构按顺序连接，每一个前置机构的输出运动是其后续机构的输出运动，这样的组合方式称之为机构的串联组合。输入输出Φ0Φ1

Φ2Φ3

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

1、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的输入构件固接，串联组成一个新的复合机构，这称之为构件固结式串联。（1）将匀速运动机构作为前置机构与另一机构串联，可以改变输出运动的速度和周期。（２）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。（３）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。S8745321

6SS=g[f()]S=g(

)双曲柄机构与六杆机构串联7654321

槽轮机构与导杆机构串联12345BADM２、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与后一个机构相连，这种连接方式称为“轨迹点串联“。（二）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１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。并联组合的几种常见方式：铁板传送机构1324ADBCE12DAⅠ342HⅢABDCHⅡ故当时误差校正机构1232ⅡⅢ123S1

2

1（三）机构的混接式组合

综合运用串联—并联组合方式可组成更为复杂的机构，此种组合方式称之为机构的混接式组合。平台印刷机版台传动机构基础机构Ⅲ：两自由度的齿轮条机构。附加机构：双曲柄机构Ⅰ、曲柄滑块机构I’与凸轮机构Ⅱ。输入运动：曲柄ＡＢ的匀速转动。输出运动：上齿条固结的版台往复运动。ⅠⅠⅡ’ⅢⅡⅠ’ⅢⅠADCBDEFⅢABDCEFⅠ’Ⅰ版台传动机构平台印刷机（四）基于组合原理的机构设计举例步骤：（1）根据机械的工作原理确定执行构件所要完成的运动；（2）将执行构件的运动分解成机构易于实现的基本运动或动作，分别拟订能完成这些基本运动或构型的方案；（3）将上述各机构构型方案按某种组合方式组成一个新的复合机构。包装机的推包机构方案设计L’STHC1C2LOB1B2r0º270º180º

（１）执行构件的运动要求：执行构件：平进－平退－下降－低位平退－上升的运动轨迹。平进Ｌ；平退Ｓ；上升、下降Ｈ。（２）方案设计运动分解：水平方向的左右移动＋上升、下降运动机构选型：水平方向移动：曲柄滑块机构OB1C1C来完成；上、下运动：摆动从动件移动凸轮机构来完成。运动协调：为使水平移动和上、下运动协调，对凸轮机构进行演变，使其既作水平方向移动，又作摆动。机构组合：以演变后的凸轮机构（具有两个自由度）作为基础机构，采用并联组合方式，将两套曲柄滑快机构（其原动件相位不同）和暴动从动件凸轮机构组成推包机构。三、机构的原理移植创新设计移植创新法是将某一领域的原理、结构、方法、材料等移植到新的领域中，从而创新产品。现代科学技术的飞速发展，使学科之间的概念、理论、方法等相互交叉、移植、渗透，从而产生新的学科，新的理论、新的方法、新的技术，这就大大推动了创新水平的发展。移植法是一种应用非常广泛的创造技法。移植创新法的基本原理根据统计发现，任何一项创新成果中，90%的内容均可通过各种途径从前人或他人已有的科技成果中获取，而独创性发明只占10%。由此可见，创新既可以纵向继承前人的智慧结晶，也可以横向借鉴他人的思维成果，从而缩短自己的创新周期，提高成功率。从思维类别来看，移植法是一种侧向思维的方法。通过相似联想、相似类比和灵感触发，寻找两种事物间的联系，最终产生新的构想。美国科学家W·I·贝伟里奇曾指出：“移植是科学发展的一种主要方法。大多数的发现都可应用于所在领域以外的领域。而应用于新领域时，往往有助于促成进一步的发现。重大的科学成果有时来自移植。”移植创新法的基本原理在电气科学技术尚不发达的时代，机器的许多功能都是由各种各样的机械式机构来完成的，甚至有些自动机也完全依靠非常复杂的机械式自动机构来实现，因此常常使得各种机器复杂、笨重、噪音大，操作不方便。电与机械是属于两个有明显区别的不同技术领域，随着电气新技术的不断出现及电器工业的不断发展，各种电工技术不断被移植到机械工业上来，出现了各种各样的机电创新机械，促进了机械产品的大发展，使机械产品更加完善，产品品种更加繁多，直至今日，机电已很难分家，并形成了电子机械家族。机械加工中用金属切削机床很难实现的小孔和深孔加工采用电火花加工则很容易解决，将激光技术移植到机械加工领域，很容易解决复杂形状的切削割问题；液压技术移植到机械工程领域以后，较好地解决了远距离传动、简化机构及操纵方便等问题。电子计算机领域中的技术移植创新法的基本原理和方法被移植到机械工程以后，使机械工程领域再次发生新的突破，未来若将遗传工程移植到机械工程领域则又将会形成一次大变革，即生物机械的诞生。类似的例子还可以举出很多，比如建筑工程中的钢筋混凝土结构是根据植物根系在土壤中的结构和原理创造出来的；坦克车是根据军事技术原理，由一名记者发明的；现代管理方法中的行为学派就是将心理学原理移植到企业管理方法中来形成的学派；照相技术被移植到印刷排字中后形成了先进的照相排版技术。科学研究中所使用的一些方法如观察法、归纳法、直觉法等可以移植到技术创新中，有许多重要的技术发明是由从事别的领域工作的人搞出来的，也往往是由于自觉或不自觉地采用了移植创新法。液压变矩器和液压联轴节是造船公司的电气工程师发明的；现代复印技术是由一位专利法律师发明的；发明拉链的是一位机械技术员；发明静电吸尘器的是科学家；发明圆珠笔的是画家和化学家；莫尔顿式自行车发明者是一位航空发动机工程师，而最早的自行车是一位医生发明的......。有人称这种移植创造思维法为不同领域之间的科学技术交叉。今天，这种互相交叉和渗透的趋势越来越强烈，创新者应该非常明白这种趋势的含义，它意味着创新思考时进行广泛地移植甚至大交叉将是必然的趋势。创新者在创造思考时不要局限于一个较小的科学技术领域，而应解放思想，广泛地移植各个领域的科学技术。移植创新法的基本原理在科学技术发明史上，移植创造法造就了大批“外行”发明家：液压变矩器和液压联轴节是船舶电气工程师发明的；汽油防爆添加剂四乙基铅是机械工程师发明的；现代复印技术由一位专利法律师发明；发明圆珠笔的是画家和化学家；莫尔顿式自行车发明者是航空发动机工程师，而最早的自行车是医生发明的……。移植法的分类和应用

1.原理移植

原理移植是将某种科学原理向新的研究领域推广和外延，以创造新的技术产品。科学技术原理往往都具有广泛的适用性，只要合理移植，就可能创造出新的产品。例1磁自从被发现后，科学家就巧妙地将其应用到很多领域，创造了很多的发明。比如中国四大发明之一的指南针就是典型，不仅发展和繁荣了中国的经济，而且还赢得了世界荣誉。其实，在我们现实生活中，磁性能的应用也是无所不在的。像磁牙刷、磁梳子、磁佩饰、磁茶杯、磁疗器、变压器、发电机、磁播种机、磁流体发动机、磁悬浮列车、磁悬浮熔炼、核磁共振等等。随着科学技术的不断进步，磁性能的应用前途是无限光明的，它将会为人类带来无尽的财富和生活便利。移植法的分类和应用例2红外辐射是一种很普通的物理过程，凡高于绝对温度零度的物体，都有红外辐射，只是温度低时辐射量极微罢了。可这一原移植到其他领域，可产生新奇的成果：有红外线探测、遥感、诊断、治疗、夜视、测距等。在军事领域则有红外线自动导引的“响尾蛇”导弹，装有红外瞄准器的枪械、火炮和坦克，红外扫描及红外伪装等等。移植法的分类和应用例3发明轴承足为了减少机械运动的摩擦,为了使摩擦减小到最低程度,人们一直在进行不断的改进。由于液体摩擦动压轴承的轴套与轴颈之间完全为润滑油膜所隔开,摩擦减少到很低程度,所以在某些场合下,用液体摩擦动压轴承替代非液体摩擦轴承。但由于完全液体摩擦只在一定条件下才能实现,而在低速、重载、起动、停车及换向等条件下,都不能保证液体摩擦的润滑状态,所以又促进了液体摩擦静压轴承的发展和应用。用液体摩擦静压轴承替代液体摩擦动压轴承,依靠外界供给一定的压力油而形成承载油膜,实现液体摩擦状态,但当轴颈转速极高时,摩擦损失还是很大的。用滚动轴承替代滑动轴承。改变滚珠的形状,把球形改成圆柱形,加上砂架,改进润滑剂,设法减小摩擦的热损失等等。这些办法都不能带来大的突破。后来,有人把视野转到其他方面,想到高压空气可以使气垫船漂浮。于是发明了干脆不用滚珠和润滑移植法的分类和应用剂的空气轴承。向轴承中吹入高压空气,以气体替代润滑剂,旋转轴悬浮于轴套中。由于气体的粘度显著地低于液体的粘度,所以摩擦系数大幅度下降。美国西屋公司利用材料同极相斥的原理,用磁性材料制成电镀表的轴承。以后,超导材料出现,人们发现电阻为零的超导材料具有完全不容纳磁力线的性质,即当超导材料产生强磁场时,在磁场中安放用超导材料制成的转轴,将悬浮于其中,这样又向无摩擦轴承迈进了一步。例4激光原理有三个特点：亮度极高、单色性好、方向性好。可将激光原理移植至多个领域，如用于加工领域可创造出激光打孔机、激光焊接机、激光切割机等，也可将其用于医疗设备、精密计量仪器、测距仪、大气污染检测设备等。再如，生物学中的优胜劣汰的遗传学原理，可用于工程优化设计中，产生遗传算法。移植法的分类和应用

2.方法移植方法移植是指操作手段与技术方案的移植。如周转轮系传动比的训算。我们希望周转轮系传动比计算能沿用定轴轮系的方法,但实际上不行。原因在于周转轮系中有转动着的系杆,使行星轮的轴线不固定,造成行星轮既有自转又有公转。如果经过某种形式的变换,把系杆固定,从而使行星轮轴线固定,那么周转轮系就变成定轴轮系,从而可以应用定轴轮系传动比的计算方法。在这样的思维方式引导下,设想给整个周转轮系加上一个与系杆转速等值反向的公共转速,这样各构件之间的相对运动关系并不改变,但此时系杆却“静止不动”了。行星轮轴线“固定”,周转轮系就转化为定轴轮系——称为转化轮系,从而可以应用求定轴轮系传动比的方法,通过转化轮系的传动比来计算周转轮系中各构件间的传动比。移植法的分类和应用再如，17世纪的笛卡尔是科学方法移植的先驱。他以高度的想象力，借助曲线上“点的运动”的想象，把代数方法移植于几何领域，使代数、几何融为一体而创立解析几何；美国阿波罗Ⅱ号所使用的“月球轨道指令舱”与“登月舱”分离方法，实际上就移植于巨轮不能泊岸时用驳船靠岸的办法；现代管理方法中的行为学派是将心理学原理移植到企业管理方法中而形成的；照像技术被移植到印刷排字中便形成了先进的照像排版技术。另外在科学研究中常用的一些方法如观察法、归纳法、直觉法等都可以移植到技术创新中去。移植法的分类和应用

3.回采移植历史表明，许多被弃置不用的“陈旧”事物，只要用现代技术之神赐予的新东西(主要为材料、技术、信息控制技术)加以改造，往往会导致新的创造。如帆船是古代船舶的标志，但又出现在80年代。至今，东西方竟有20多个海洋国家成立了“风帆研究所”。现代风帆是以计算机设计，具有最佳采风性能和推进性能。其制作材料已从尼龙发展到铝合金，帆的控制也是自动化的。所以现代帆船并非“扁舟孤