《机械创新设计实践》课件 第六章 机械创新设计实践

第六章

机械创新设计实践目录6.1方案设计6.1.1组建团队6.1.2主题拟定与调研

6.1.3方案对比与评价6.1.4

运动学和动力学分析

6.2结构设计

6.2.1系统设计6.2.2零部件设计与校核6.2.3零部件的精度设计6.2.4控制程序设计6.2.5图样绘制6.2.6结构设计总结

目录6.3工艺设计6.3.1经济性分析6.3.2加工和制造6.3.3机械加工工艺过程设计6.3.4样机测试与调试6.3.5项目总结6.4项目成果的提炼6.4.1专利申请6.4.2论文撰写6.4.3学科竞赛6.4.4创业训练

6.1方案设计实践活动以团队形式进行,从方案构思到产品制造及其推广的全生命周期,涉及方案设计、

技术设计、

结构设计、

加工工艺等多个方面。实践活动可选择某一方向或主题展开,选题充分考虑每名队员学生感兴趣的课题和方向,以需求为牵引,技术为推动,注重基于问题、

基于兴趣的探究式题目,侧重从工程实际问题入手,把解决工程问题融于实践过程,培养个人积极思考、

主动探究的学习方法。实践过程分为方案设计、

技术设计与工艺设计三个阶段,以团队形式完成一个产品从方案构思到产品制造及其推广的全生命周期6.1方案设计•6.1.1组建团队现代机械装置日益复杂,一个人很难完成整个产品设计工作,通过团队合作,合理利用每一个成员的知识和技能协同工作,从而解决问题,达到共同的设计目标。例如,一辆汽车由8000~20000个零件组成,需要不同专业的设计人员共同配合设计完成。组建团队要合理确定团队组成,并设置团队负责人一名,可自荐或由团体成员集体选出,负责项目的总体协调工作。

团队组成需考虑成员之间的互补性,能够良好沟通、

分享信息并相互信任。6.1方案设计•6.1.2主题拟定与调研实践项目由团队成员共同确定,可以是实际生活中需要解决的问题、

了解到的专业技术问题,也可以是学校组织的各项创新创业竞赛主题。

合理的项目题目是项目顺利开展的关键,要仔细考虑和选择。

6.1方案设计•6.1.2主题拟定与调研以下是一些建议：1.结合市场需求：对于产品来说,痛点一般是指尚未被满足的而又被广泛渴望的需求。

2.团队成员的研究兴趣和擅长领域：在选择创新项目的主题和方向时,也可根据自己的兴趣和擅长的领域来选择,这样能够更好地发挥自己的实力和优势。3.结合各竞赛类比赛主题：每个比赛都有不同的要求和赛制,如主题范围、

规则、

方向要求和时间限制等。6.1方案设计•6.1.2主题拟定与调研4.考虑实际可行性：选择项目的主题和方向时,一定要充分调研,确定实际可行性。

针对实践不同阶段的要求,要具备足够的时间和资源来完成,确认是否有足够的知识和技能来实现等。在进行调研与查新的过程中,首先需要确定研究的领域或问题,并制订相应的研究目标和计划。随后,可以通过文献、

书籍、

新闻、

会议等各种途径收集相关信息,给出相应的统计数据信息和直观图表说明。6.1方案设计•6.1.2主题拟定与调研5.现有技术检索初步确定设计方向和研究目标后，应充分调研现有技术背景和国内外研究现状,了解该领域技术现状,可以通过文献、专利检索,在充分了解现有技术和产品现状的基础上去进行创新设计。6.1方案设计6.1.3方案对比与评价

制订方案的基本步骤如下。(1)明确目标和需求

通过调查研究和收集信息,了解市场需求、

现有技术手段、

竞争情况,了解现有的资源和限制条件。

明确设计目标和需求,有助于确定方案的重点和具体内容。(2)提出可行方案

在前期功能分解的基础上,队员已掌握了方案的多样性和组合性，那么在选择方案时,每名队员都应该提出自己的意见。

通过方案对比与评价,尤其是对比实现各部分功能的原理,确定最佳的设计方案。(3)制订计划和预算

在确定方案后,需要制订详细的计划和预算,并确保方案按照预期实施。

计划执行过程中需要制订监督机制,这有助于跟踪进度和结果,并及时进行调整和改进。6.1方案设计6.1.3方案对比与评价

对团队成员确定的备选方案,可以从功能、

经济性、

可靠性、

安全性、

外观等方面进行评价,分别设定评价指标。

评价指标应尽量全面而有代表性,能综合反映整体目标在技术、经济、

外部环境等各方面的要求。

6.1方案设计6.1.4运动学和动力学分析

无论是了解现有机械的运动性能,还是机械创新设计,机构运动分析都是设计过程中的重要一步。

该环节可结合“理论力学”、“机械原理”课程相关知识,分析执行机构的运动方案,进行运动学分析等相关计算。结合“材料力学”“机械设计”相关知识,对关键零件进行受力分析,即得到零件所受到的载荷。6.1方案设计6.2结构设计

6.2.1系统设计

在系统设计的整体框架中,首先面向执行系统进行设计,以确保其能够满足机器所需的核心功能;针对执行系统的工作特性,确定动力系统,以确保其能够为执行系统提供稳定且高效的动力支持;基于执行系统与动力系统之间的运动形式和动力需求,选择适当的传动系统,以实现两者间的转换。结合上述各子系统的设计,设计满足使用要求的操纵和控制系统,以确保整个系统的高效运行与稳定性。6.2结构设计

6.2.1系统设计

执行系统包括机械的执行机构和执行构件,是利用机械能改变作业对象的性质、

状态、形状或位置,或对作业对象进行检测、

度量等,以进行生产或达到其他预定要求的装置。执行系统通常处在机械系统的末端,直接与作业对象接触,其输出是机械系统的主要输出,其功能是机械系统的主要功能。6.2结构设计

6.2.1系统设计

动力系统包括动力机及其配套装置,是机械系统工作的动力源。

按能量转换性质的不同,动力机可分为一次动力机和二次动力机。

一次动力机是把自然界的能源(一次能源)转变为机械能的机械,如内燃机、

汽轮机、

燃气轮机等,其中内燃机广泛用于各种车辆、

船舶、

农业机械、

工程机械等移动作业机械,汽轮机、

燃气轮机多用于大功率高速驱动的机械。

二次动力机是把二次能源(如电能、

液能、

气能)转变成机械能的机械,如电动机、液压马达、

气压马达等,在各类机械中都有广泛应用,其中尤以电动机应用最为普遍。

由于经济上的原因,动力机输出的运动通常为转动,而且转速较高。6.2结构设计

6.2.1系统设计

传动系统是把动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置。

传动系统有减速或增速、变速、改变运动规律、或形式传递动力主要功能。如图6-5所示的垃圾自动分类分拣机,包括传送、

筛分和分拣三个传动部分。6.2结构设计

6.2.1系统设计

操纵系统和控制系统都是为了使动力系统、

传

动

系

统、

执

行

系

统

彼

此

协

调

运行,并准确可靠地完成整机功能的装置。操纵系统多指通过人工操作以实现上述要求的装置,通常包括起动、

离合、

制动、

变速、

换向等装置。

控制系统是指通过人工操作或测量元件获得的控制信号,经由控制器,使控制对象改变其工作参数或运行状态而实现上述要求的装置,如伺服机构、

自动控制装置等。6.2结构设计

6.2.2零部件的设计与校核

1.零部件结构设计零部件结构常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算,结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、

公式、

图表等进行设计的方法。2.强度校核采用相应的判定条件设计零件的形状并完成主要尺寸的设计计算之后,即可初步拟订各部分零件的结构和尺寸,很多零件还需进一步按照相应判定条件进行零部件尺寸参数的验算,即校核。6.2.2零部件的设计与校核

3.零部件的精度设计机器是由零件组装而成的,完成零件的设计与校核,确定了各部分零件的结构和尺寸后,还需要进一步结合实际需要进行加工精度设计。

加工精度是指加工后零件表面的实际尺寸、

形状、

位置三种几何参数与图样要求的理想几何参数的符合程度。4.控制程序设计控制程序是指用来管理和控制计算机硬件和软件资源的一组指令和数据,负责协调和控制计算机系统中各个组成部分的工作,使其能够按照预定的规则和顺序运行。

控制程序设计是指针对某种自动化系统或设备,编写用于控制其运行和行为的软件程序的过程。

6.2工艺设计

6.2工艺设计

6.2.2零部件的设计与校核

5.工程图样按照设计方案进行装配图和零件图的绘制,确定各零件结构、

尺寸、

布局及装配关系。采用CAD软件进行图样的绘制,先绘制装配图以核对零件之间位置和布局关系,以及分析加工、

装配工艺的正确性。

确定装配图之后,再进行零件图的绘制,可参照国家制图标准和“工程制图”课程的相关要求。6.2.2零部件的设计与校核

6.电气工程图(1)电路布局

电气工程图中的电路布局要确保能量与信息流通的顺畅。(2)元件选型

电气元件的选型需综合考虑元件的可靠性、

耐久性、能效比、

成本及供应链稳定性等因素。(3)信号传输与通信协议

在机械产品的电气系统中,信号传输的准确性与实时性至关重要,要充分考虑模拟信号与数字信号的差异,以及有线传输与无线传输的适用场景。

根据产品实际需求,应用CAN总线、Modbus、EtherCAT等通信协议实现设备的有效连接与高效通信。(4)安全性

在电气工程图的设计过程中,要考虑过载保护、

短路保护、

接地措施及电磁兼容性等安全方面的问题,遵循电气安全标准与法规要求,确保电气工程图的设计符合规范,保证机械产品的安全使用。6.2工艺设计

6.3.1经济性分析

经济性是指组织经营活动过程中获得一定数量和质量的产品、服务和其他成果时所耗费的资源最少。机械产品设计过程需要考虑如何降低成本,实现均衡生产,提高生产效率和经济效益。这里所说的成本是指机械产品寿命周期成本,如图6-11所示。

6.3项目成果的提炼6.3.2加工和制造

实物加工制造与装配是按照前期设计方案,采用选择的材料和工具对物体进行加工和制造并组装成样机实物的过程。加工和制造需要使用各种加工设备与工具,如铣床、车床、钻床、切割机等。根据设计的要求,对材料进行切割、打磨、钻孔等操作,制造出所需的零件。加工和制造是实物加工制造与装配过程的核心环节,需要按照所设计的零件图和预定的加工工艺完成,尤其要注意加工精度的要求,同时进行其他零部件的采购。完成零件的加工后,根据装配图,将零部件进行装配,并进行调整和细节的处理。组装需要使用各种工具,如扳手、钳子、螺钉旋具等。6.3项目成果的提炼6.3.1专利申请专利包括发明专利、实用新型专利和外观设计专利三大类,本节主要介绍发明专利和实用新型专利撰写。专利申请前应了解发明专利和实用新型专利的受理费用和审查周期,这有助于申请人更好地规划和安排专利申请策略。发明专利的受理费用通常高于实用新型专利,审查周期通常也比实用新型专利长。对于符合加快审查领域的专利项目,申请人也可以考虑选择申请加快审查;一项内容也可以选择同时申请发明专利和实用新型专利。6.3项目成果的提炼6.3