機械創(chuàng)新設計實驗指導書改

1、目 錄實驗一 基于機構(gòu)組成原理的拼接設計1實驗二 創(chuàng)新思維與設計18實驗一 基于機構(gòu)組成原理的拼接設計一、實驗目的1、加深學生對機構(gòu)組成原理的認識，進一步了解機構(gòu)組成及其運動特性；2、培養(yǎng)學生的工程實踐動手能力；3、培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識及綜合設計的能力。二、設備和工具1、創(chuàng)新組合模型一套：1）五種平面低副級組，四種平面低副級組，各桿長可在80-340mm內(nèi)無級調(diào)整，其他各種常見的桿組可根據(jù)需要自由裝配；2）兩種單構(gòu)件高副桿組3）八種輪廓的凸輪構(gòu)件，其從動件可實現(xiàn)八種運動規(guī)律：）等加速等減速運動規(guī)律上升200mm，余弦規(guī)律回程，推程運動角180°，遠休止角30°，近休止角30&#

2、176;，回程運動角120°，凸輪標號為1；）等加速等減速運動規(guī)律上升20mm，余弦規(guī)律回程，推程運動角180°，遠休止角30°，回程運動角150°，凸輪標號為2；）等加速等減速運動規(guī)律上升20mm，余弦規(guī)律回程，推程運動角180°，回程運動角150°，近休止角30°，凸輪標號為3；）等加速等減速運動規(guī)律上升20mm，余弦規(guī)律回程，推程運動角180°，回程運動角180°，凸輪標號為4；）等加速等減速運動規(guī)律上升35mm，余弦規(guī)律回程，推程運動角180°，遠休止角30°，近休止角30&#

3、176;，回程運動角120°，凸輪標號為5；）等加速等減速運動規(guī)律上升35mm，余弦規(guī)律回程，推程運動角180°，遠休止角30°，回程運動角150°，凸輪標號為6；）等加速等減速運動規(guī)律上升35mm，余弦規(guī)律回程，推程運動角180°，回程運動角150°，近休止角30°，凸輪標號為7；）等加速等減速運動規(guī)律上升35mm，余弦規(guī)律回程，推程運動角180°，回程運動角180°，凸輪標號為8；4）模數(shù)相等齒數(shù)不同的7種直齒圓柱齒輪，其齒數(shù)分別為17，25，34，43，51，59，68，可提供21種傳動比：與齒輪模

4、數(shù)相等的齒條一個。5）旋轉(zhuǎn)式電機一臺，其轉(zhuǎn)速為10r/min。6）直線式電機一臺，其速度為10m/s。2、平口起子和活動扳手各一把。三、實驗前的準備工作1、要求預習實驗，掌握實驗原理，初步了解機構(gòu)創(chuàng)新模型；2、選擇設計題目，初步擬定機構(gòu)系統(tǒng)運動方案。四、實驗原理1、桿組的概念由于平面機構(gòu)具有確定運動的條件是機構(gòu)的原動件數(shù)目與機構(gòu)的自由度數(shù)相等，因此機構(gòu)由機架、原動件和自由度為零的從動件系統(tǒng)通過運動副聯(lián)接而成。將從動件系統(tǒng)拆成若干個不可再分的自由度為零的運動鏈，稱為基本桿組，簡稱桿組。根據(jù)桿組的定義，組成平面機構(gòu)桿組的條件是：F=3n-2pL-pH=0其中構(gòu)件數(shù)n，高副數(shù)PH和低副數(shù)PL都必需是

5、整數(shù)。由此可以獲得各種類型的桿組。當n=1，PL=1，PH=1時即可獲得單構(gòu)件高副桿組，常見的有如下幾種：圖1 單構(gòu)件高副桿組當PH=0時，稱之為低副桿組，即F=3n-2PL=0因此滿足上式的構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)的組合為：n=2,4,6，PL=3，6，9。最簡單的桿組為n=2，PL=3，稱為級組，由于桿組中轉(zhuǎn)動副和移動副的配置不同，級組共有如下五種形式。n=4，PL=6的桿組形式很多，機構(gòu)創(chuàng)新模型已有圖3所示的幾種常見的級桿組。圖2 平面低副級組圖3 平面低副級組2、機構(gòu)的組成原理根據(jù)如上所述，可將機構(gòu)的組成原理概述為：任何平面機構(gòu)均可以用零自由度的桿組依次連接到原動件和機架上的方法來組成。這是本

6、實驗的基本原理。五、實驗方法與步驟1、正確拆分桿組從機構(gòu)中拆出桿組有三個步驟：1）先去掉機構(gòu)中的局部自由度和虛約束；2）計算機構(gòu)的自由度，確定原動件；3）從遠離原動件的一端開始分桿組，每次拆分時，要求先試著拆分級組，沒有級組時，再拆分級組等高一級組，最后剩下原動件和機架。拆組是否正確的判定方法是：拆去一個桿組或一系列桿組后，剩余的必需為一個完整的機構(gòu)或若干個與機架相聯(lián)的原動件，不能有不成組的零散構(gòu)件或運動副存在，全部桿組拆完后，只應當剩下與機架相聯(lián)的原動件。如圖4所示機構(gòu)，可先除去k處的局部自由度；然后，按步驟2）計算機構(gòu)的自由度：F=1，并確定凸輪為原動件；最后根據(jù)步驟3）的要領，先拆分出由

7、構(gòu)件4和5組成的級組，再拆分出由構(gòu)件6和7及構(gòu)件3和2組成的兩個級組及由構(gòu)件8組成的單構(gòu)件高副桿組，最后剩下原動件1和機架9。圖4 例圖2、正確拼裝桿組將機構(gòu)創(chuàng)新模型中的桿組，根據(jù)給定的運動學尺寸，在平板上試拼機構(gòu)。拼接時，首先要分層，一方面是為了使各構(gòu)件的運動在相互平行的平面內(nèi)進行，另一方面是為了避免各構(gòu)件間的運動發(fā)生干涉，因此，這一點是至關重要的。試拼之后，從最里層裝起，依次將各桿組聯(lián)接到機架上去。桿組內(nèi)各構(gòu)件之間的聯(lián)接已由機構(gòu)創(chuàng)新模型提供，而桿組之間的連接可參見下述的方法。1）移動副的聯(lián)接圖5表示構(gòu)件1與構(gòu)件2用移動副相聯(lián)的方法。2）轉(zhuǎn)動副的聯(lián)接圖6表示構(gòu)件1與帶有轉(zhuǎn)動副的構(gòu)件2的聯(lián)接方

8、法。圖5 移動副的聯(lián)接圖6 轉(zhuǎn)動副的聯(lián)接3）齒條與構(gòu)件以轉(zhuǎn)動副的形式相聯(lián)接方法。圖7表示齒條與構(gòu)件以轉(zhuǎn)動副的形式相聯(lián)接方法。圖7 齒條與構(gòu)件以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)4）齒條與其他部分的固聯(lián)圖8表示齒條與其他部分固聯(lián)的方法。圖8 齒條與其他部分固聯(lián)5）構(gòu)件以轉(zhuǎn)動副的形式與機架相連圖9表示連桿作為原動件與機架以轉(zhuǎn)動副形式相聯(lián)的方法。用同樣的方法可以將凸輪或齒輪作為原動件與機架的主動軸相連。如果連桿或齒輪不是作為原動件與機架以轉(zhuǎn)動副形式相連，則將主動軸換作螺栓即可。注意：為確保機構(gòu)中各構(gòu)件的運動都必須在相互平行的平面內(nèi)進行，可以選擇適當長度的主動軸、螺栓及墊柱，如果不進行調(diào)整，機構(gòu)的運動就可能不順暢。圖9 構(gòu)件

9、與機架以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)6）構(gòu)件以移動副的形式與機架相聯(lián)圖10表示移動副作為原動件與機架的聯(lián)接方法。圖10 構(gòu)件與機架以移動副的相聯(lián)3、實現(xiàn)確定運動試用手動的方式驅(qū)動原動件，觀察各部分的運動都暢通無阻之后，再與電機相聯(lián)，檢查無誤后，方可接通電源。4、分析機構(gòu)的運動學及動力學特性通過觀察機構(gòu)系統(tǒng)的運動，對機構(gòu)系統(tǒng)的運動學及動力學特性作出定性的分析。一般包括如下幾個方面：1）平面機構(gòu)中是否存在曲柄；2）輸出件是否具有急回特性；3）機構(gòu)的運動是否連續(xù)；4）最小傳動角（或最大壓力角）是否在非工作行程中；5）機械運動過程中是否具有剛性沖擊和柔性沖擊。六、實驗內(nèi)容任選一題，進行一個機構(gòu)系統(tǒng)運動方案的設計。1、鋼

10、板翻轉(zhuǎn)機設計題目：該機具有將鋼板翻轉(zhuǎn)180°的功能。如圖11所示，鋼板翻轉(zhuǎn)機的工作過程如下。當鋼板T由輥道送至左翻板W1后，W1開始順時針方向轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)至鉛垂位置偏左10°左右時，與逆時針方向轉(zhuǎn)動的右翻板W2會合。接著，W1與W2一同轉(zhuǎn)至鉛垂位置偏右10°左右，W1折回到水平位置，與此同時，W2順時針方向轉(zhuǎn)動到水平位置，從而完成鋼板翻轉(zhuǎn)任務。已知條件：1）原動件由旋轉(zhuǎn)式電機驅(qū)動；2）每分鐘翻鋼板10次；3）其他尺寸如圖11所示；4）許用傳動角=50°；圖11 鋼板翻轉(zhuǎn)機構(gòu)工作原理圖設計任務：1）用圖解法或解析法完成機構(gòu)系統(tǒng)的運動方案設計，并用機構(gòu)創(chuàng)新模型加

11、以實現(xiàn)；2）繪制出機構(gòu)系統(tǒng)運動簡圖，并對所設計的機構(gòu)系統(tǒng)進行簡要的說明。2、設計平臺印刷機主傳動機構(gòu)平臺印刷機的工作原理是復印原理，即將鉛版上凸出的痕跡借助于油墨壓印到紙張上。平臺印刷機一般由輸紙、著墨（即將油墨均勻涂抹在嵌于版臺的鉛版上）、壓印、收紙等四部分組成。如圖12所示，平臺印刷機的壓印動作是在卷有紙張的滾筒與嵌有鉛版的版臺之間進行。整部機器中各機構(gòu)的運動均由同一電機驅(qū)動。運動由電機經(jīng)過減速裝置后分成兩路，一路經(jīng)傳動機構(gòu)帶動版臺作往復直線運動，另一路經(jīng)傳動機構(gòu)帶動滾筒作回轉(zhuǎn)運動。當版臺與滾筒接觸時，在紙上壓印出字跡或圖形。版臺工作行程中有三個區(qū)段（如圖13所示）。在第一區(qū)中，送紙、著墨

12、機構(gòu)相繼完成輸紙、著墨作業(yè)；在第二區(qū)段，滾筒和版臺完成壓印動作：在第三區(qū)段中，收紙機構(gòu)進行收紙作業(yè)。本題目所要設計的主傳動機構(gòu)就是指版臺的傳動機構(gòu)和滾筒的傳動機構(gòu)。已知條件：1）印刷生產(chǎn)率180張/小時；2）版臺行程長度500mm；3）壓印區(qū)段長度300mm；4）滾筒直徑116mm；5）電機轉(zhuǎn)速6r/min；圖12 平臺印刷機工作原理 圖13 版臺工作行程三區(qū)段設計任務：1）設計能實現(xiàn)平臺印刷機的主運動：版臺往復直線運動，滾筒作連續(xù)或間歇轉(zhuǎn)動的機構(gòu)運動方案，要求在壓印過程中，滾筒與版臺之間無相對滑動，即在壓印區(qū)段，滾筒表面點的線速度相等；為保證整個印刷幅面上印痕濃淡一致，要求版臺在壓印區(qū)內(nèi)的速

13、度變化限制在一定的范圍內(nèi)（應盡可能?。?。并用機構(gòu)創(chuàng)新模型加以實現(xiàn)。2）繪制出機構(gòu)系統(tǒng)的運動簡圖，并對所設計的機構(gòu)系統(tǒng)進行簡要的說明。3、設計玻璃窗的開閉機構(gòu)已知條件：1）窗框開閉的相對角度為90°；2）操作構(gòu)件必須是單一構(gòu)件，要求操作省力；3）在開啟位置時，人在室內(nèi)能擦洗玻璃的正反兩面；4）在關閉位置時，機構(gòu)在室內(nèi)的構(gòu)件必須盡量靠近窗檻；5）機構(gòu)應支承起整個窗戶的重量。設計任務：1）用圖解法或解析法完成機構(gòu)的運動方案設計，并用機構(gòu)創(chuàng)新模型加以實現(xiàn)；2）繪制出機構(gòu)系統(tǒng)的運動簡圖，并對所設計的機構(gòu)系統(tǒng)進行簡要的說明。4、設計坐躺兩用搖動椅已知條件：1）坐躺角度為90°150&#

14、176;；2）搖動角度為25°；3）操作動力源為手動與重力；4）安全舒適。設計任務：1）用圖解法或解析法完成機構(gòu)系統(tǒng)的運動方案設計，并用機構(gòu)創(chuàng)新模型加以實現(xiàn)；2）繪制出機構(gòu)系統(tǒng)的運動簡圖，并對所設計的機構(gòu)系統(tǒng)進行簡要說明。七、心得與體會實驗二 創(chuàng)新思維與設計一、實驗目的1.培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維及創(chuàng)新設計能力2.培養(yǎng)學生的機構(gòu)及結(jié)構(gòu)設計能力3.培養(yǎng)學生的工藝設計及加工能力 二、設備及工具1.各種機床(車床、刨床、銑床、鉆床、沖床)2.各種常用工具(每組一套工具箱，已配備各種常用工具)。三、選擇創(chuàng)新設計的題目設計本身就是創(chuàng)新，沒有創(chuàng)新就不叫設計，因此選題要注意創(chuàng)新。選題要考慮新穎性，選題對

15、產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大。選題不一定選得很大、很復雜，在日常生活、生產(chǎn)、工作中很多題目都可做，只要有創(chuàng)意，能實現(xiàn)功能要求的設計都可確定為設計題目。設計可根據(jù)社會和人們的需要選題，或根據(jù)調(diào)查選題，亦可由直覺選題。設計本身就是創(chuàng)造性思維活動，只有大膽創(chuàng)新才能有所發(fā)明、有所創(chuàng)造。由于當今的科學技術(shù)已經(jīng)高度發(fā)展，創(chuàng)新往往是在已有技術(shù)基礎上進行綜合，或在已有產(chǎn)品的基礎上進行改革、移植。綜上所述，選題可選擇適合自己設計和加工的題目，該題目能實現(xiàn)某一功能的要求。四、產(chǎn)品(作品)的創(chuàng)新設計程序作品的創(chuàng)新設計步驟可分為3個階段：計劃階段、設計階段、加工制作階段。計劃階段主要進行需求分析、市場預測、可行性分析、確定設計

16、參數(shù)及約束條件。在深入全面了解所要設計的問題后，列出詳細的要求明細表，作為設計、評價決策的依據(jù)，并提出合理的設計任務書。在設計階段中，原理方案設計占有重要位置。原理方案設計是在功能分析的基礎上，利用各種物理原理，通過創(chuàng)新構(gòu)思、搜索探求、優(yōu)化得出設計方案。設計方案(原理解)直接影響產(chǎn)品功能、性能指標、成本、質(zhì)量，設計時應盡量運用所學的知識、經(jīng)驗、創(chuàng)新能力，并對計劃階段的資料信息進行分析、整理、構(gòu)想出滿足功能要求的合理方案。結(jié)構(gòu)設計即確定零部件形狀、材料和尺寸，并進行必要的強度、剛度、可靠性設計。結(jié)構(gòu)設計后即可進行制作、加工、完成作品。五、總功能分解為了更好地尋求解法，可把設計產(chǎn)品(對象)的總功能

17、分解為比較簡單的分功能(或稱一級分功能、二級分功能、)，使輸入量和輸出量的關系更為明確、轉(zhuǎn)換所需的物理原理比較單一、結(jié)構(gòu)化后零件數(shù)量較少、因而較易求解，一般分解到能直接找到解法的分功能為止。通常按照解決問題的因果關系，或手段目的關系來分析分功能。如對于平口虎鉗，為了夾緊工件，必須施加壓力，前者是目的，后者是手段，沿著這個思路逐步進行分解。也可按照生產(chǎn)的空間順序或時間順序來分解、如汽水灌裝自動機的分功能包括：瓶、蓋、汽水的貯存與輸送、灌裝、加蓋、封口、貼商標、成品輸送。六、尋找實現(xiàn)分功能作用原理的求解方法1. 直覺法直覺法是設計者憑借個人的智慧、經(jīng)驗和創(chuàng)造能力，采用創(chuàng)造性思維方法來尋求實現(xiàn)各種分

18、功能的原理解。2. 調(diào)查分析法設計者通過查閱文獻資料，包括專業(yè)書刊、專利資料、學術(shù)報告、研究生論文等，掌握多種專業(yè)門類最新研究成果，這是解決設計問題的重要源泉。設計者通過研究大自然的形狀、結(jié)構(gòu)變化過程，對動植物生態(tài)特點深入研究，必將得到更多的啟示，誘發(fā)出更多新的、可應用的原理解或技術(shù)方案，利用自然現(xiàn)象解決工程技術(shù)問題。調(diào)查分析已有的產(chǎn)品，如對同類型的樣機進行功能和結(jié)構(gòu)分析，哪些是先進可靠的，哪些是陳舊落后、需要更新改進的，這對開發(fā)新產(chǎn)品、構(gòu)思新方案，尋找功能原理解法大有益處。圖1 機構(gòu)一次增力功能元解法目錄機械名稱杠桿肘桿（曲桿）斜面楔螺旋動滑輪機械簡圖計算公式d2螺紋中經(jīng)點綴紋升角當量摩擦角

19、圖2 部份常用物理基本功能元解法目錄機械液氣電磁熱轉(zhuǎn)變縮?。ǚ糯螅┳兿騼δ苓^熱蒸氣熱流體動力摩擦力3. 設計目錄法設計目錄是設計工作的一種有效工具，是設計信息的存儲器、知識庫，它以清晰的表格形式把設計過程中所需的大量解決方案規(guī)律加以分類、排列、存儲，便于設計者查找和調(diào)用。設計目錄不同于傳統(tǒng)的設計手冊和標準手冊，它不是提供零件的設計計算方法，而是提供分功能或功能元的原理解、給設計者具體啟發(fā)，幫助設計者具體構(gòu)思。圖1為機械一次增力功能元解法目錄，圖2為部份常用物理基本功能元的解法目錄。設計時可通過各種解法目錄找出實現(xiàn)分功能的原理解。在尋找實現(xiàn)分功能作用原理解時，要注意幾點：(1)注意設計要求明細表上的要求。例如，要求采用機械傳動時，就不必考慮液壓、電磁等方面的工作原理。(2)在尋找原理解時，除考慮能實現(xiàn)該分功能外，還要兼顧到設計的全局，充分考慮到該分功能在總功能中的作用及分功能之間的關系。在可能的情況下，應考慮將幾種分功能用同一工作原理來實現(xiàn)，從而簡化設計方案。(3)對于一種分功能可以相應地提出幾種工作原理，以便在方案的構(gòu)思和評價篩選時有較大的選擇余地。(4)通常可以滿足所要求的功能原理方案是很多的。有些可以憑借設計師本身的知識、經(jīng)驗得出，但其中一部份并不為設計人員所熟悉。為了開闊思路，以便