第3章 机械创新设计.ppt

工程创新训练 上课时请将手机关闭或设为振动 课程特点 自主学习 教师辅导答疑 每周三下午 4 或预约地点 工培中心C楼二层创新基地 参考文献 邹慧君 颜鸿森 机械创新设计理论与方法 高等教育出版社 2008周继烈 思维创新与创造力开发 浙江大学出版社 2008陈吉明 创造力开发与实践 武汉理工大学出版社 2009洪燕云 何庆 创造学 清华大学出版社 2009 朱华炳工学博士 教授地址 工业培训中心三楼教授工作室E mail hfuthbzhu Tel 0551 3831185Q 763137817 合肥工业大学工业培训中心主任机械与汽车工程学院硕士生导师华东高校工程训练教学学会副理事长中国机械工程学会高级会员 第3章机械创新设计 3 1机械产品设计的一般程序和内容3 1 1机械产品设计的类型根据机械产品设计的要求 内容和特点 一般可分为开发设计 变异设计和反求设计 1 开发设计针对新的市场需求和新的设计要求 提出新的设计任务 完成产品规划 产品原理方案设计 概念设计 构形设计等设计过程 开发设计具有开创性和探索性 其设计风险较大 一旦成功获益也较大 举例 国产大飞机设计 2 变异设计在已有产品基础上 针对原有缺点或新的工作要求 从工作原理 功能结构 执行机构类型和尺度等方面进行一定的变异 设计出新产品以适应市场需求 增强产品竞争力 这种设计也包括以基本型产品为基础 保持工作原理不变 开发出不同参数 不同尺寸或不同功能和性能的变形系列产品 设计风险比较小 3 1机械产品设计的一般程序和内容3 1 1机械产品设计的类型3 反求设计对已有的先进产品或设计 从工作原理 概念设计 构形特点等方面进行深入分析研究 必要时还需要进行实验研究 从而探索其关键技术 在消化 吸收的基础上 开发同类型但又能避开其专利的具有自己特色的产品 反求设计绝对不是对现有先进产品的照搬照抄 而是在消化 吸收的基础上进行再创造 一个企业 一个行业要谋求发展就应重视产品的开发设计 但大量的设计毕竟还是变异设计 反求设计 因此要重在这两种设计中创新 设计的本质是创新 设计的生命力也在于创新 第3章机械创新设计 3 1机械产品设计的一般程序和内容2 1 2机械产品设计的基本内容1 产品规划产品规划要求进行需求分析 市场预测 可行性分析 确定设计参数及制约条件 最后给出详细的设计任务书 或要求明细表 作为设计 评价和决策的依据 2 概念设计通过构想设计理念 创新构思 搜索探求 优化筛选较理想的工作原理方案 对于机械产品来说 在功能分析和工作原理确定的基础上进行工艺动作构思和工艺动作分解 初步拟定各执行构件动作相互协调的循环图 进行机械运动方案的设计 即机构系统的型综合和数综合 等 就是产品概念设计过程的主要内容 第3章机械创新设计 3 1机械产品设计的一般程序和内容3 1 2机械产品设计的基本内容3 构形设计构形设计是将方案 主要是机械运动方案 具体转化为机器及其零部件的合理构形 也就是要完成机械产品的总体设计 部件和零件设计 完成全部生产图纸并编制设计说明书等相关技术文件 构形设计时要求零件 部件设计满足机械的功能要求 零部件结构形状便于制造加工 常用零件尽可能实现标准化 系列化和通用化 总体设计还应满足总功能 人机工程学 造型美学以及包装和运输等方面的要求 构形设计时一般先由总装配图分拆成部件 零件草图 经审核无误后 再由零件工作图 部件工作图绘制出总装配图 最后还要编制技术文件 如设计说明书 标准件 外购件明细表 备件 专用工具明细表等 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 1关于设计设计 design 的目的是要人为地创造事物 因此设计本身是创造事物的开端 这种开端最终带来形形色色的人为事物 从而造福人类 开创未来 设计所包容的类型多种多样 其中工程设计engineeringdesign 应用范围十分广泛 机械工程是工程的一个主要领域 机械工程设计 mechanicalengineeringdesign 或简称为机械设计 mechanicaldesign 是指机械装置 产品 系统或生产线设计 机械设计主要包括机器设计 machinedesign 和机构设计 mechanismdesign 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 2机械创新设计的内涵设计的本质是创新 机械创新设计主要包括机器创新设计和机构创新设计 机器创新设计就是设计人员运用创新思维和创新设计理论 方法设计出结构新颖 性能优良和高效的新机器 机器创新设计本身也存在创新程度多少和创新水平高低之分 评价机器创新设计水平的关键是新颖性的高低 新颖性主要表现在机器工作原理要新 结构要新 组合方式要新 第3章机械创新设计 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 2机械创新设计的内涵一种新机器工作原理的构思往往可创造出一类新的机器 例如激光技术的应用产生了激光加工机床 激光治疗仪 激光测量仪等 创造出一种新的执行机构类型也可造就一类新机器 例如抓斗大王包起帆采用多自由度差动滑轮组和复式滑块机构创造发明了性能独特的 异步抓斗 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 2机械创新设计的内涵采用新的组合方式亦可创造出一种新机器 例如美国阿波罗飞船在没有重新设计和制作一件元件 零件的情况下 通过功能分解选用现有的元器件及零部件 用功能组合原理建造出世界第一艘阿波罗飞船 并取得了满意的结果 组合创新实质上是用现有的元器件去实现崭新的设计方案 由此可见 机器创新设计的内涵是十分广泛的 归纳起来 机器创新设计的内容一般包括四个方面 1 机器工作原理的创新 采用新的工作原理 就可设计出崭新的机器 例如采用石英晶体震荡的定时性原理 创造出新一代的计时器 石英手表 又如采用静电感应和激光原理创造出激光打印机并取代了机械式打字机 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 2机械创新设计的内涵 2 机械功能解的创新设计 这属于方案设计范畴 其中包括新功能的构思 功能分析和功能结构设计 功能的原理解创新 功能元的结构创新等 从机械方案设计角度看 核心部分还是机械运动方案的创新 把机械运动方案创新设计作为机器设计的重点是十分必要的 3 机械零部件的创新设计 机械方案确定以后 机械的构形设计阶段也有许多内容可以进行设计创新 例如用新构形的零部件可以提高机器的工作性能 减小尺寸及重量 又如采用新材料可以提高零部件的强度 刚度和使用寿命等 4 工业艺术造型的创新设计 对机器的造型 色彩 面饰等进行创新设计可以增强机械产品的竞争力 产品的工业艺术造型设计得好 可令使用者爱不释手 同时也使机器的功能得到充分的体现 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 3机械创新设计主要内容机械是机器和机构的总称 因此机械创新设计主要包括机构创新设计和机器创新设计两大部分 1 机构创新设计机构的功用是实现各种工艺动作 为了使机构实现灵巧的 新颖的功用 需进行机构的创新设计 机构创新设计的基本方法有以下几种 1 机构类型创新和变异设计 借助现有的机构的运动链类型 通过类型创新或变异创造出新的机构类型 满足新的设计要求 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 3机械创新设计主要内容 2 利用连架杆或连杆运动特点创新机构 图1 16所示为摇杆滑块机构ABC 利用机构左右对称性 当拉动滑块上下运动时 构成左右抓斗的连杆3或闭合抓粒状物体或开启散落粒状物体 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 3机械创新设计主要内容图1 17所示为双杆铸锭供应机构 利用连杆3的特殊构型的位置与姿势 将加热炉中出料后的铸锭8运送到升降台7上 从而使其成为出料机械 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 3机械创新设计主要内容 3 利用两构件相对运动关系创新机构 图1 18所示为铰链四杆分送工件机构 利用摇杆和连杆的特殊形状和运动关系得到一个分送工件机构 图中位置1将圆柱工件接住 位置2将圆柱工件送出 位置3将工件送到滑块S处滑下 这是用简单的机构完成较为复杂的工作过程 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 3机械创新设计主要内容图1 19所示为圆转轮系的抓斗机构 其中转臂3扩展为左侧爪 齿轮2扩张为右侧爪 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 3机械创新设计主要内容 4 用成型固定构件创新复杂动作机构 图1 20所示为象鼻成型器2 它是一个呈象鼻形状的固定模板 后被折弯呈圆筒状 然后借助于等速回转的纵封辊4加压热合并连续向下牵引 使其成连续的圆筒状 物料由料斗3落入已封底的袋筒内 并由不等速回转的横封辊5将该袋筒的上口缝合 再由回转切刀7切断后排出机器外 封好后的袋型为对接纵缝三面封口的扁平型 象鼻成型器将平张薄膜逐渐弯折成圆形使制袋机构大为简化 这种采用成型固定构件创新设计机构的方法在包装机械中得到了广泛应用 它实现了比较复杂的工艺动作过程 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 3机械创新设计主要内容 5 利用组合原理进行机构创新 可以利用多种机构巧妙地组合成具有独创性的机构 其典型例子是包起帆发明的异步抓斗 它是自由度差动滑轮机构和复式滑块连杆机构的组合 多自由度差动滑轮组的主要作用是获得各个爪子的差动运动 从而达到异步的目的 图1 21所示为六自由度差动滑轮组 将滑轮组划分为左右两部分是为了适应抓斗机构安排上的需要 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 3机械创新设计主要内容图1 22所示为六自由度差动滑轮组沿周围均匀分布的示意图 这种布置的目的是形成六个爪子的异步抓斗 它能适应三对爪子分别闭合的需要 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 3机械创新设计主要内容复式滑块连杆机构如图1 23所示 EF为摇杆 EG为连杆 W1为小滑块 W2为大滑块 小滑块W1在大滑块的导槽中滑移行程为h1 大滑块W2在机架导槽中滑移行程为h2 依靠这种大 小行程可以控制一对爪子的异步程度 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 3机械创新设计主要内容图1 24是实际应用中的复式滑块连杆机构 摇杆EF称为撑杆 连杆EG就是抓斗的一个颚瓣 爪子 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 3机械创新设计主要内容为了表示异步抓斗的机构构成 图1 25画出了一对爪子的机构示意图 它是将二自由度的差动滑轮组和一对复式滑块连杆机构组成了二自由度二颚瓣异步抓斗机构 很明显 左右两侧的滑块连杆机构的运动是差动的 将产生异步动作 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 3机械创新设计主要内容同理 可以将具有三个 四个或更多个自由度的差动滑轮组和相应数目的复式滑块连杆机构组成具有相应自由度和颚瓣数的异步抓斗机构 包起帆所发明的六自由度 六颚瓣异步抓斗其颚瓣就是沿周围方向均布的 这里不再赘述 这种花瓣式的异步抓斗可以抓取大小不一的物体 通过颚瓣的逐一闭合 以及最后所有颚瓣的完全闭合来做到安全 高效地抓取物块 从实际效果看 这种抓斗比原来的同步抓斗要好得多 包起帆的发明再次说明 应用已有的机构进行组合同样可以创造出性能优秀的新颖机构 第3章机械创新设计 3 2机械创新设计的内涵和方法3 2 3机械创新设计主要内容 6 采用高低副互代法创新机构 图1 26a所示为电脑多头绣花机中关键部分 挑线刺布机构 的简图 它由凸轮 齿轮 连杆机构组合而成 具有单自由度 其中1 2 3 8为挑线机构 1 4 5 6 7 7为刺布机构 为了解决凸轮挑线机构制造困难和工作噪声大的问题 同时为了避开凸轮挑线机构设计专利 采用