机械创新设计全书.ppt

,主讲：孟晓军,一、为什么开设机械创新课程 培养创新的意识和提高机械创新设计 的能力二、课程精髓：创新意识，创新技法 三、如何学习这门课程 听课与创新设计实践相结合四、考核方法：考试80%+平时成绩20%,第一章 绪论,第一节 创新与创新方法第二节 常规设计、现代设计与创新设计第三节 机械创新设计的内容第四节 创新教育与人才培养,第一节 创新与创新方法,一、创新的概念,1、发现：是指原本早已存在的事物，经过人们不断 努力和探索后被人们认知的具体结果。,3、创新：是指提出或完成具有独特性、新颖性和实 用性的理论或产品的过程。,2、发明：是指人们提出或完成原本不存在的、经过 人们不断努力和探索后提出的或完成的具 体结果。,2.5、创造：也是一种完成新成果的过程，但可能具有一定的 参照物，而不强调原本不存在的事物。,4、创新与创造关系：无本质差别，创新是创造的具体 实现。但创新更强调创造成果的 新颖性、独特性和实用性,5、创新分类：,6、创新方式：其一是由无到有的创新，其二是由有 到新的创新,知识创新,技术创新,应用创新,人们认识世界、改造世界的基本理论的总结,针对具体的事物，提出并完成具有新颖性、独特性和实用性的新产品的过程,把已存在的事物应用到某个新领域，并发生很大的社会与经济效益的具体实现过程,二、创新设计的概念1、设计的概念：是指根据社会或市场的需要，利用已有的知识和经验，依靠人们思维和劳动，借助各种平台（数学方法、实验设备、计算机等）进行反复判断、决策、量化，最终实现把人、物、信息资源转化为产品的过程。,2、创新设计：是指在设计领域中，提出的新的设计理念、新的设计理论或设计方法，从而得到具有独特性和新颖性的产品。,1、创造性思维与潜创造能力,逻辑思维,灵感思维,知识,三、创造性思维与创造能力的培养,2、创新的涌动力,存在于人类自身的潜创造能力，只有在一定压力和一定条件下才会释放出能量。,四、创新方法简介1、群智集中法：群智集中法又称头脑风暴法 2、仿生创新法3、功能设计创新法4、移置技术创新设计法5、类比求优创新设计法6、反求创新法,第二节 常规设计、现代设计与创新设计,1、常规机械设计 常规机械设计方法是依据力学和数学建立的理论公式和经验公式为先导，以实践经验为基础，运用图表和手册等技术资料，进行设计计算、绘图和编写设计说明书的过程。,该方法强调以成熟的技术为基础，目前常规机械设计方法仍然是机械工程中的主要设计方法。各高等工科学校的机械设计教科书主要讲授这种方法。,轴的结构设计过程,按功率计算出轴的最小直径根据轴上零件的周向固定和轴向固定查阅设计手册结构设计,2、现代设计方法 现代设计方法强调以计算机为工具，以工程软件为基础，运用现代设计理念进行的机械设计。,可靠性设计、优化设计、有限元设计、计算机辅助设计、虚拟设计等都是常用的现代设计方法。,现代设计方法在强调运用计算机、工程设计与分析软件和现代设计理念的同时，其基本的设计内容是建立在常规设计的基础上。在强调现代设计方法的时候，不可忽视常规设计方法的重要性。,3、创新设计方法 机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术知识，进行创新构思、设计出具有新颖性、创造性及实用性机械产品的一种实践活动。,结论：无论设计方法如何，常规设计仍然是最基本的设计方法，是机械设计课程的根本内容。有关常规设计的基本理论、基本方法与基本技能不应减少。,三、不同设计方法的实例分析设计实例一：薯条加工机的设计设计实例二：椰肉加工机的设计设计实例三：内平动齿轮传动装 置的设计,设计实例一：薯条加工机的设计1、常规设计：2、现代设计：3、创新设计：,需要设计清洗、削皮、切条三套设备，由 于红薯形状和大小差异很大，控制削皮的厚度较难，导致浪费严重，生产率也低。,1、常规设计方法第一道工序：清洗：设计清洗机第二道工序：削皮：设计削皮机红薯固定，刀旋转，完成削皮的任务。第三道工序：切片后再切条。,2、现代设计：在设计思想没有改变时，通过计算机仿真、优化设计等，可减少削皮的损失、提高生产率，但仍然不理想。,创新导致加工设备的改变,设计实例二：椰肉加工机的设计 1、常规设计：椰子剖开 旋转 刀具切削,结果不理想,2、现代设计：在设计思想没有改变时，通过计算机仿真、优化设计等，可减少椰肉的损失、提高生产率，但结果仍然不理想,3、创新设计：,注入溶剂，椰肉溶化成汁,椰子,创造性思维改变了产品加工方法,由机械加工方法到化学方法生产,结论：1、常规设计方法是一切方法的基础2、现代设计方法是在常规设计方法 的基础上，提高设计效率、产品 可靠性和质量的设计方法3、创新设计的要素是强调创造性的 设计思维，其结果具有巨大效益4、加强创新教育是高等学校的职责,第三节机械创新设计的内容,一、有关机构的几个名词术语机械：机器和机构的总称机器：人为的通过运动变换或传递机械能、物体和信息的物件的组合体机构：机器中执行机械运动的装置,机器实例,一、机器,机器所共有的三个基本特征：,3)机器可以实现人所期望的机械能、物体和信息的变换和传递。,2)机器都有确定的运动。,1)它们都是一种人为的实体的组合，而不是自然之物。,凡同时具备上列三个特征的实体组合便称为机器。,(2)执行部分 执行部分处于整个机器传动运动的终端，完成预期的机械动作。执行部分可以是一个或多个构件，且其结构形式随机器的用途不同而呈现不同形式。有时机构也能成为执行部分，如许多机械手的抓取部分常为连杆机构。,最一般意义上的机器由下列四部分组成：,(1)原动部分 原动部分是机器动力的来源。常用的原动机可分成一次原动机和二次原动机。一次原动机把自然界的能源转变为机械能。二次原动机把二次能源如电能、液能转变为机械能。有的简单机器的原动部分为人力。,(4)控制和操纵部分 该部分的作用是使机器上的原动部分、执行部分和传动部分协调工作。控制部分是指通过测量元件取得机器运行的一定信息，并转换为控制信息，交由控制器发出信号到操纵部分，使被控制对象的运动情况发生变化。,(3)传动部分 传动部分介于原动机与执行部分之间，用以传递运动及动力。当原动部分的速度大小不能满足执行部分的需要时，传动部分用以实现运动的增速或减速。,下图为一台单缸内燃机，可以把燃油燃烧时产生的热能转化为机械能。,二、机构,机构是机器中用来传递运动和力或改变运动形式的机械装置。,2）组成机构的各构件间有确定的相对运动。,1)机构都是人为的构件的组合体，且构件总数在3件及以上（机架也算一件）。,具有机器的前两个特征：,连杆机构凸轮机构齿轮机构间歇运动机构带传动和链传动机构螺旋机构组合机构,按照组成机构元素的相互运动平面的平行与否，机构可分为：,1、机构的创新设计（1）设计出新机构；,机械创新设计的内容,瓦特发明的蒸气机现安放于西班牙马德里,1、机构的创新设计,（2）原有机构演化、变异，导致结构变化,平底推杆盘形凸轮机构,凹圆弧底推杆盘形凸轮机构,传动寿命和效率提高,2、机构应用创新设计,a)曲柄滑块机构,b）偏心盘机构,c）剪床机构,3、机构组合设计，导致新机构系统的出现,机构组合创新,第四节 创新人才的基本要求 1、具备基础知识和专业知识 2、具有进取与追求的精神 3、具有创新的思维方式（打破定势思维，提倡发散思维）4、善于扑捉瞬间的灵感 5、掌握一定的创新技法（本书重点内容）,思考题:1、创新的分类，技术创新与应用创新的区别2、机械创新设计与现代设计、常规设计 的主要区别是什么？3、学习机械创新设计的内容有那些？4、创新人才应具备那些基本素质？,思维方法是创新设计的重要组成部分，与创新理论、创新技法结合互补，使机械创新设计的内容更加完善。第一节 思维概述第二节 思维的类型第三节 创造性思维的形成与发展第四节 思维方式与创新方法,第二章 机械创新设计的思维基础,、思维的间接性和概括性,思维的间接性指的是凭借其它信息的触发，借助于已有的知识和信息，去认识那些没有直接感知过的或根本不能感知的事物，以及预见和推知事物的发展过程。,思维的概括性指的是它能够去除不同类型事物的具体差异，而抽取其共同的本质或特征加以反映。,第一节 思维概述,二、思维的多层性思维有高级和低级，简单和复杂之分，也就是说，思维具有层次性。三、思维的自觉性与创造性,思维的自觉性也称为灵感思维。其最大的特征是爆发性与瞬间性，只有善于扑捉这一短暂的灵感思维，才会发生量变到质变的创造成果。,第二节 思维的类型,一、形象思维,形象思维又称为具体思维或具体形象的思维。它是人脑对客观事物或现象的外部特点和具体形象的反映活动,二、抽象思维抽象思维又称为逻辑思维。它是凭借概念、判断、推理而进行的反映客观现实的思维活动。,三、发散思维 发散思维又称辐射思维、扩散思维、开放思维等。它是以少求多的思维形式，其特点是从给定的信息输入中产生出众多的信息输出。,四、收敛思维 收敛思维又称集中思维、求同思维等。是一种寻求某种正确答案的思维形式。它以某种研究对象为中心，将众多的思路和信息汇集于这一中心的思维过程。,五、动态思维 动态思维是一种运动的、不断调整的、不断优化的思维活动。其特点是根据不断变化的环境、条件来不断改变自己的思维秩序、思维方向，对事物进行调整、控制，从而达到优化的思维目标。,六、有序思维 有序思维是一种按一定规则和秩序进行的有目的的思维方式，它是许多创造方法的基础,七、直接思维,基于有限的信息，调动已有的知识积累，摆脱惯常的思维规律，对新事物、新现象、新问题进行的一种直接、迅速、敏锐的洞察和跳跃式的判断。,八、创造性思维创造性思维是一种最高层次的思维活动,其特点是：综合性、跳跃性、新颖性、潜意识中的自觉性和顿悟性,九、质疑思维用怀疑和批判的眼光看待一切事物，既敢于否定。提出疑问，是许多新事物新观念产生的开端，质疑是人类思维的精髓，也是创新思维的最基本方式之一。,十、互动思维 互动思维又称为头脑风暴法，是与集体思维互动的思维方式。,十一、灵感思维 灵感思维是一种特殊的思维现象，是一个人长时间思考某个问题得不到答案，中断了对它的思考以后，却又会在某个场合突然产生对这个问题的解答的顿悟。,第三节 创造性思维的形成与发展一、创造性思维的形成过程创造性思维的形成大致可分为三个阶段：1、酝酿准备阶段：,2、潜心加工阶段,3、顿悟阶段,二、创造性思维的培养与发展,1、潜创造思维的培养 潜创造思维的基础是知识，人的知识来源与教育和社会实践。由于受教育的程度和社会实践经验的不同，人的文化知识、实践经验知识存在很大差异，即人的知识深度、广度不同，但人人都有知识，只是知识结构不同。也就说，人人都有潜创造力。,2、创新涌动力的培养 来源于社会因素或自我因素的影响，潜创造力转换为涌动力。社会因素包括工作环境中的外部或内部压力 自我因素主要是强烈的事业心 所以，塑造良好的工作环境和培养强烈的事业心是出现创新涌动力的最好保证。潜创造力+创新涌动力+灵感=创新成果,第四节 思维方式与创新方法,一、群体集智法,二、系统分析法,三、联想法,四、类比法,五、仿生法,六、组合创新法,七、反求设计法,八、功能设计法,一、群体集智法,请一位养牛专家猜其重量。跟实际重量没差多少七百个人，他们跟养牛完全无关，有教师，有清洁工、律师、医生、渔夫、园丁、政客等。得出的平均数，却比那个养牛专家更加接近实际重量,二、系统分析法,案例某锻造厂是以生产解放、东风140和东风130等汽车后半轴为主的小型企业，现在年生产能力为1.8万根，年产值为130元。半轴生产工艺包括锻造、热处理、机加工、喷漆等23道工序，由于设备陈旧，前几年对某些设备进行了更换和改造，但效果不明显，生产能力仍然不能提高。,限定问题,确定目标,调查研究收集数据,提出备选方案和评价标准,备选方案评估,最可行方案,二、系统分析法,限定问题,确定目标,调查研究收集数据,提出备选方案和评价标准,备选方案评估,最可行方案,通过限定问题，咨询人员发现，在半轴生产23道工序中，生产能力严重失调，其中班产能力为120-190根的有9道工序，主要是机加工设备。班产能力为70-90根的有6道工序，主要是淬火和矫直设备。其余工序班产能力在30-45根之内，都是锻造设备。由于机加工和热处理工序生产能力大大超过锻造工序，造成前道工序成为“瓶颈”，严重限制后道工序的局面，使整体生产能力难于提高。所以，需要解决的真正问题是如何提高锻造设备能力,确定出发展目标，即通过对锻造设备的改造，使该厂汽车半轴生产能力和年产值都提高1倍。,初步提出了三个备选方案，即：1、新装一台平锻机；2、用轧制机和碾压机代替原有夹板锤和空气锤；3、增加一台空气锤。评价标准或约束条件，即：投资不能超过20万元；,第1个方案（新装一台平锻机），技术先进，但投资高，超过约束条件，应予以淘汰。对其余2个方案，采取打分方式评比，结果第3方案（增加一台空气锤）被确定为最可行方案，该方案具有成本低，投产周期短，耗电量低等优点，技术上虽然不够先进，但符合小企业目前的要求，客户对此满意，,提问追溯法（补充）,(1)5W2H法1)Why？为何设计该产品？采用何种总体布局？2)What？产品有何功能？是否需要创新？3)Who？产品用户是谁？谁来设计？4)When？何时完成该设计？各设计阶段时间如何划分？5)Where？产品用于何处？在何处生产？6)How to do？如何设计？形状、材料、结构如何？7)How much？单件还是批量生产？,(2)设问法针对问题，从不同的角度提出疑问进行启发，以其出现创新成果。1)转化：该产品能否稍作改动或不改动而移作它用？2)引申：能否从该产品中引出其它产品？或用其它产品模仿该产品？3)变动：能否对产品进行某些改变？如运动、结构、造型、工艺？4)放大：该产品放大（加厚、变深、）后任何？5)缩小：该产品缩小（变薄、变软、）后任何？6)颠倒：能否正反（上下、前后、）颠倒使用？7)替代：该产品能否用其它产品替代？8)重组：零件能否互换？9)组合：现有几个产品能否组合为一个产品？或者部件组合、功能组合、？,第三章 机械创新设计的技术基础,第一节 机器的组成分析第二节 机械运动形态及其变换第三节 机械运动及其控制第四节 机械系统及其发展,一、机器的组成,机械创新设计的内容主要涉及到机械运动系统从机构学的角度看，传动机构和工作执行机构是相同的，二者统称机械运动系统,第一节 机器的组成分析,二、原动机,电动机,内燃机,一次能源动力机：水力机、风力机,液压马达,三相交流异步电动机,直流电动机,伺服电动机,汽油机,柴油机,交流电动机,三、机械传动系统,1、啮合传动：齿轮传动、链传动2、摩擦传动：带传动、摩擦轮传动3、螺旋传动4、万向轴传动5、钢丝软轴传动6、液压传动7、液力传动8、电磁传动,四、工作执行系统,1、连杆机构2、凸轮机构3、齿轮机构4、间歇运动机构6、螺旋机构7、电磁机构,五、控制系统,1、机械控制2、电器控制3、自动控制,要求：明白如果需要某种形式的运动，有哪些实现方式。为什么采用这种方式？,第二节 机构及其运动形态分析,问题实例,为了使钳口上下受力均衡，希望其做平动，采用何种机构来实现？,1、连续转动到连续转动的运动变换与实现机构2、连续转动到步进转动的运动变换与实现机构3、连续转动到往复摆动的运动变换与实现机构4、连续转动到往复直线移动的运动变换与实现机构5、连续转动到平面运动的变换与实现机构6、直线移动到直线移动的运动变换与实现机构7、直线移动到定轴转动或摆动的运动变换与实现机构,第二节 机构及其运动形态分析,10.绳索传动机构11.液力传动机构12.钢丝软轴传动机构13.万向节传动机构等,1.齿轮传动机构2.连杆机构6.摩擦轮传动机构8.带传动机构9.链传动机构、,1、连续转动到连续转动的运动变换与实现机构,椭圆齿轮传动,具有变速传动性能（变传动比）,转动到转动（连杆机构）,双曲柄机构,例：惯性筛,转动导杆机构,注意与摆动导杆的区别：都是曲柄导杆机构，LBC LBA,则是转动导杆，否则是摆动导杆机构,带传动机构,液力传动机构,绳索传动机构,钢丝软轴传动机构,摩擦轮传动机构,同步带传动机构,钢丝软轴,汽车传动软轴,专利：软轴传动潜水泵,特点：主、从动件的位置具有随意性,2、连续转动到步进转动的运动变换与实现机构5.间歇运动机构,槽轮机构棘轮机构不完全齿轮机构分度凸轮机构,3、连续转动到往复摆动的运动变换与实现机构 3.凸轮机构,曲柄摇杆机构摆动导杆机构,2.连杆机构,摆动从动件凸轮机构,摆动从动件平面凸轮机构,摆动从动件圆柱凸轮机构,4、连续转动到往复直线移动的运动变换与实现机构,曲柄滑块机构正弦机构直动从动件凸轮机构齿轮齿条机构螺旋机构,5、连续转动到平面运动的变换与实现机构,行星齿轮机构行星轮,6、直线移动到直线移动的运动变换与实现机构,双滑块机构移动凸轮机构,双滑块机构（椭圆仪）,双滑块机构,移动凸轮机构,7、直线移动到定轴转动或摆动的运动变换与 实现机构,2.曲柄滑块机构滑块主动1.齿轮齿条机构齿条主动,滑块主动,齿条主动,专利：往复齿轮发动机,将曲轴传动改成齿条带动齿轮旋转运动,曲轴,配重,8、机、气、液机构组合 气缸或液压缸系统与连杆系统的组合，也可称其为气、液驱动连杆机构。由动作缸和活塞杆组合而成，主动件一般均为活塞杆，对于比较复杂的工艺动作，可采用多缸来完成。,第四节 多功能平口钳的创新设计案例分析,北京化工大学,全国一等奖,第三节 机械的控制系统,一、机械控制系统的类型1、机械式控制系统2、液压控制3、气压控制4、电气控制5、智能控制二、机械控制系统的发展趋势,5、智能控制（机电机构组合）智能技术是集计算机技术、电子技术、传感器技术和控制技术融为一体的先进控制手段。,机械系统的微机控制框图,一、机械运动的换向与控制(1)旋转运动的换向与控制1)改变电机转向 2）限位开关换向,第四节 机械运动及其控制,1)改变电机转向,滚轮式行程开关外形图(a)单轮旋转式；（b）双轮旋转式；（c）电气符号,2）限位开关换向,3)介轮换向 轮2、3为介轮，左图轮1、4反向转动；右图轮1、4同向转动。,4)摩擦轮换向控制摩擦轮A、B在轴上的滑动位置，使得与C交替接触，实现C轮的正反转，完成螺旋D的往复移动。,5)自身换向机构利用机构本身的结构特点，使从动件的运动自动换向。如曲柄摇杆机构,(2)直线移动的换向与控制 1)改变电机转向来实现往复直线移动,电机正反转，经齿轮驱动固定在大门上的齿条，使大门往复移动。图b为电动感应推拉门示意图，两扇门固定在带的上下两侧，利用电机的正反转和上下皮带的反向运动完成门的开启与关闭动作,2)液压换向,图示为液压换向传动控制电路图,我认为更加典型的液压换向应该是几位几通的换向阀,3)自身换向机构主动件连续转动，从动件作往复的直线移动。如曲柄滑块机构,二、机械运动的调速与控制(1)调速电机改变电机的工作速度，使电机能在低速大扭矩的条件下工作，是最理想的调速方式。(2)齿轮减速器,(3)其它减速装置各类带传动、链传动、摩擦传动都可起到减速作用。,(4)变速器 有级变速 无级变速,大都通过摩擦传动实现，故不能传递过大的功率,三、机械运动的离合与控制 不停止原动机运转的状态下暂时中断执行机构的工作。,四、机械运动的制动与控制 为缩短机械的停车时间，许多机械都有制动器。如机械式制动器、电磁式制动器、液压制动器、液力制动器、气动制动器等。,第五节 机械系统及其发展,机械系统类型一、单一基本机构组成的机械二、多个独立的基本机构协调工作的机械三、多个基本机构连接组成的机械四、智能机械,一、单一基本机构组成的机械,由一个基本机构组成的简单机械具有多样化、用途广泛且实用性好的特点。许多基本机构都有应用价值。在简单机械中的应用最为普遍。,二、多个独立的基本机构协调工作组成的机械,由多个基本机构独立工作，但他们之间的运动必须互相协调配合，完成特定的工作任务。,三、多个基本机构连接组成的机械,多个基本机构通过串联组合、并联组合、叠加组合、封闭组合等连接方式，组成一个完整的机械系统，完成特定的工作。此类机械在工程中应用最为广泛。,四、智能机械,智能机械也是近代产生的体现高科技的机械，其本质是把机械运动、传感技术、测试技术和现代控制技术有机结合在一起，形成的具有智能的新机械。,智能机器人,机械系统的发展趋势简介,刚性机械系统正在向柔性机械系统发展。,全柔性机械,思考题:1、机械创新设计的内容主要涉及到什么机构（或系统）？2、各类运动变化与实现机构。3、机械运动的换向、调速、离合与制动等控制有哪些？4、（了解）机械系统的发展与演变过程。,