《机械创新设计》实验指导书.docx
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《机械创新设计》实验指导书
机械创新设计
实验指导书
班级姓名
指导教师
重庆工商大学机械与包装工程学院
机械基础教研室
目录
实验一基于机构创新原理的拼接设计
实验二慧鱼技术创意设计
实验三轴系结构设计
实验一基于机构创新原理的拼接设计
一．试验目的
1、培养学生运用创造性思维方法，遵循创造性基本原则、法测，运用机构构型的创新设计方法，设计、拼装满足预定运动要求的机构或机构系统；
2、要求学生灵活应用以下几种机构构型的创新设计方法，创造性地设计、拼接机构及机构系统。
1）机构构型的变异创新设计；
2）利用机构运动特点创新机构；
3、基于组成原理的机构创新设计；
4、基于组合原理的机构创新设计；
二、设备与工具
（与机构创新实验一所用的设备相同）
三、实验前的准备工作
1、预习本实验，要求对执行构件的基本运动和机构基本功能有一全面的了解；并熟悉机构构型的创新设计方法；
2、了解机构创新模型；
3、选择设计题目，初步拟订机构系统运动方案。
四、实验原理与方法
1、机构运动简图设计的内容、方法和步骤
机械产品的设计是为了满足产品的某种功能要求。
机构运动简图设计是机械产品设计的第一步，其设计内容包括选定或开发机构构型并加以巧妙组合，同时进行各个组成机构的尺度综合，使此机构系统完成某种功能要求。
机构运动简图设计的好坏是决定机械产品的质量、水平的高低、性能的优劣和经济效益好坏的关键性的一步。
机构运动简图的设计，主要包括下列内容：
1）功能原理方案的设计和构思
根据机械所要实现的功能，采用有关的工作原理，并由此出发设计和构思出工艺动作过程，这就是功能原理方案设计。
灵巧的功能原理是创造新机械的出发点和归宿。
2）机械运动方案的设计
根据功能原理方案中提出的工艺动作及各个动作的运动规律要求，选择相应的若干个执行机构，并按一定的顺序把它们组成机构运动示意图。
机械运动方案的设计是机构运动简图设计中的型综合。
3）机构运动简图的尺度综合
根据机械运动方案中各执行机构工艺动作的运动规律和机械运动循环图的要求，通过分析、计算、确定机构运动简图中各机构的运动学尺寸。
在进行尺度综合时，应同时考虑其运动条件和动力条件，否则不利于设计性能良好的新机械。
机构运动简图设计的一般程序：
1）机械总功能的分解
将机械需要完成的工艺动作过程进行分解，即将总功能分解成多个功能元，找出各功能元的运动规律和动作过程；
2）功能原理方案确定
将总功能分解成多个功能元之后，对功能元进行求解，即将需要的执行动作，用合适的执行机构来实现。
将功能元的解进行组合、评价、选优，从而确定其功能原理方案，即机构系统简图。
为了得到能实现功能元的机构，在设计中，需要对执行构件的基本运动和机构的基本功能有一全面的了解。
ⅰ）执行机构基本运动
常用机构执行构件的运动形式有回转运动、直线运动和曲线运动三种，回转和直线运动是最简单的机械运动形式。
按运动有无往复性和间歇性，基本运动的形式如表1所示。
表1执行构件的基本运动形式
序号
运动形式
举例
1
单向转动
曲柄摇杆机构中的曲柄、转动导杆机构中的转动导杆、齿轮机构中的齿轮
2
往复摆动
曲柄摇杆机构中的摇杆、摆动导杆机构中的摆动导杆、摇块机构中的摇块
3
单向移动
带传动机构或链传动机构中的输送带（链）移动
4
往复移动
曲柄滑块机构中的滑块、牛头刨床机构中的刨头
5
间歇运动
槽轮机构中的槽轮、棘轮机构中的棘轮、凸轮机构、连杆机构也可以构成间歇运动
6
实现轨迹
平面连杆机构中的连杆曲线、行星轮系中行星轮上任意点的轨连等
ⅱ）机构的基本运动
机构的功能是指机构实现运动变换和完成某种功用的能力。
利用机构的功能可以组合成完成总功能的新机械。
表2表示常用机构的一些基本功能。
表2机构的基本功能
序号
基本功能
举例
1
变换运动形式
1）转动←→转动
2）转动←→摆动
3）转动←→移动
4）转动→单向间歇转动
5）摆动←→摆动
6）摆动←→移动
7）移动←→移动
8）摆动→单向间歇转动
双曲柄机构、齿轮机构、带传动机构、链传动机构
曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构、摆动导杆机构、摆动从动件凸轮机构
曲柄滑块机构、齿轮齿条机构、挠性输送机构、螺旋机构、正弦机构、移动推杆凸轮机构
槽轮机构、不完全齿轮机构、空间凸轮间歇运动机构
双摇杆机构
正切机构
双滑块机构、移动推杆移动凸轮机构
齿式棘轮机构、摩擦式棘轮机构
2
变换运动速度
齿轮机构（用于增速或减速）、双曲柄机构
3
变换运动方向
齿轮机构、蜗杆机构、锥齿轮机构等
4
进行运动合成（或分解）
差动轮系、各种2自由度机构
5
对运动进行操作或控制
离合器、凸轮机构、连杆机构、杠杆机构
6
实现给定的运动位置或轨迹
平面连杆机构、连杆一齿轮机构、凸轮连杆机构、联动凸轮机构
7
实现某些特殊功能
增力机构、增程机构、微动机构、急回特性机构、夹紧机构、定位机构
ⅲ）机构的分类
为了使所选用的机构能实现某种动作或有关功能，还可以将各种机构按运动转换的种类和实现的功能进行分类。
表3介绍了按功能进行机构分类的情况。
表3机构的分类
序号
执行构件实现的运动或功能
机构形式
1
匀速转动机构（包括定传动比机构、变传动比机构）
1）摩擦轮机构
2）齿轮机构、轮系
3）平行四边形机构
4）转动导杆机构
5）各种有级或无级变速机构
2
非匀速转动机构
1）非圆齿轮机构
2）双曲柄四杆机构
3）转动导杆机构
4）组合机构
5）挠性机构
3
往复运动机构（包括往复移动和往复摆动）
1）曲柄-摇杆往复运动机构
2）双摇杆往复运动机构
3）滑块往复运动机构
4）凸轮式往复运动机构
5）齿轮式往复运动机构
6）组合机构
4
间歇运动机构（包括间歇转动、间歇摆动、间歇移动）
1）间歇转动机构（棘轮、槽轮、凸轮、不完全齿轮机构）
2）间歇摆动机构（一般利用连杆曲线上近似圆弧或直线段实现）
3）间歇移动机构（由连杆机构、凸轮机构、组合机构等来实现单侧停歇、双单侧停歇、步进移动）
5
差动机构
1）差动螺旋机构
2）差动棘轮机构
3）差动齿轮机构
4）差动连杆机构
5）差动滑轮机构
6
实现预期轨迹机构
1）直线机构（连杆机构、行星齿轮机构等）
2）特殊曲线（椭圆、抛物线、双曲线等）绘制机构
3）工艺轨迹机构（连杆机构、凸轮机构、凸轮连杆机构等）
7
增力及夹持机构
1）斜面杠杆机构
2）铰链杠杆机构
3）肘杆式机构
8
行程可调机构
1）棘轮调节机构
2）偏心调节机构
3）螺旋调节机构
4）摇杆调节机构
5）可调式导杆机构
3）按各功能元的运动规律、动作过程、运动性能等要求进行机构运动简图的尺度综合。
应当指出的是，选择执行机构并不仅仅是简单的挑选，而是包含着创新。
因为要得到好的运动方案，必须构思出新颖、灵巧的机构系统。
这一系统的各执行机构不一定是现有的机构，为此，应根据创造性基本原理和法则，积极进行创造性思维，灵活使用创造技术进行机构构型的创新设计。
一般常用的创新设计的方法如下所述。
1、机构型的创新设计方法
1）机构型的变异的创新设计方法
为了满足一定的工艺动作要求，或为了使机构具有某些性能与特点，改变已知机构的结构，在原有机构的基础上，演变发展出新的机构，称此种新机构为变异机构。
常用的变异方法有以下几类。
ⅰ）、机构的倒置
机构内运动构件与机架的转换，称为机构的倒置。
按照运动的相对性原理。
机构倒置后各构件间的相对运动关系不变，但可以得到不同的机构。
ⅱ）、机构的扩展
以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个扩大的新机构，称为机构的扩展。
机构扩展，原有机构各构件间的相对运动关系不变，但所构成的新机构的某些性能与原机构差别很大。
ⅲ）、机构局部结构的改变
改变机构局部结构（包括构件运动结构和机构组成结构），可以获得有特殊运动性能的机构。
ⅳ）、机构结构的移植与模仿
将一机构中的某些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。
Ⅴ）、机构运动副类型的变换
改变机构中的某个或多个运动副的型式，可设计创新出不同运动性能的机构。
通常的变换方式有两种：
转动副与移动副之间的变换；高副与低副之间的变换。
2）利用机构运动特点创新机构
利用现有机构工作原理，充分考虑机构运动特点，各构件相对运动关系及特殊的构件形状等，创新设计出新的机构。
ⅰ）、利用连架杆或连杆运动特点设计新机构；
ⅱ）、利用两构件相对运动关系设计新机构；
ⅲ）、用成型固定构件实现复杂动作过程。
3）基于组成原理的机构创新设计
根据机构组成原理，将零自由度的杆组依法连接到原动件和机架上去或者在原有机构的基础上，搭接不同级别的杆组，均可设计出新机构。
ⅰ）、杆组依次连接到原动件和机架上设计新机构；
ⅱ）、将杆组联接到机构上设计新机构；
ⅲ）、根据机构组成原理优选出合适的机构构型。
4）基于组合原理的机构创新设计
把一些基本机构按照某种方式结合起来，创新设计出一种与原机构特点不同的新的复合机构。
机构组合的方式很多，常见的有：
串联组合、并联组合、混接式组合等。
ⅰ）、机构的串联组合：
将两个或两个以上的单一机构按顺序联接，每一个前置机构的输出运动是后续机构的输入运动，这样的组合方式，称之为机构的串联组合。
三个机构Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ串联组合框图如图1所示。
图1机构的串联组合
ⅱ）、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。
不同类型机构的串联组合有各种不同效果：
a）、将匀速运动机构作为前置机构与另一个机构串联，可以改变机构输出运动的速度和周期；
b）、将一个非匀速运动机构作为前置机构与机构串联，则可改变机构的速度特性；
c）、由若干个子机构串联组合得到传力性能较好的机构系统。
ⅱ）、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与后一个机构串联，这种联接方式称轨迹点串联。
Ⅱ）、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）的输出的构件接入基础机构，这种组合方式称为并联组合。
图2所示为并联组合的几种常见的联接方式的框图。
最常见的由并联组合而成的机构有共同的输入（如图（b）、（c）所示）；有的并联组合系统也有两个或多个不同输入（如图（a）所示）；还有一种并联组合系统的输入运动是通过本组合系统的输出构件回授的（如图（e）所示）。
图2并联组合的几种常见方式
Ⅲ）、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。
基于组合原理的机构设计可按下述步骤进行：
ⅰ）、工作确定执行构件所要完成的运动；
ⅱ）、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，分别拟定能完成这些基本运动或动作的机构型方案；
ⅲ）、将上述各机构构型按某种组合成一个新的复合机构。
五、实验内容
任选一题，综合运用机构的创新设计方法，进行一个机构系统的方案设计。
1、冲压机构及送料机构设计
1）、工作原理及工艺动作过程：
设计冲制薄壁零件（图3）的冲压机构及其相配合的送料机构。
如图3所示，上模先以比较小的速度接近配料，然后以近似匀速进行拉延成形工作，以后，上模继续下行将成品推出型腔，最后快速返回。
上模退出下模以后，送料机构从侧面将坯料送至待加工位置，完成一个工作循环。
图3加工工件图
2）、原始数据及设计要求：
Ⅰ）、动力源是作转动的或作直线往复运动的电机；
Ⅱ）、许用传动角[γ]=40°；
Ⅲ）、生产率约每分钟10件；
Ⅳ）、上模的工作段长度L=30—l00mm，对应曲柄转角θ=（1／3—l／2）π；
Ⅴ）、上模行程长度必须大于工作段长度两倍以上：
Ⅵ）、行程速度变化系数K≥1.5；
Ⅶ）、送料距离H＝60-250mm。
3）设计任务：
Ⅰ）、设计能使上模按上述运动要求加工零件的冲压机构，从侧面将坯料送至下模上方的送料机构的运动方案，并用机构创新模型加以实现；
Ⅱ）、绘制出机构系统的运动简图，并对所设计的机构系统进行简要的说明。
2、糕点切片机
1）、工作原理及工艺动作过程：
糕点先成型（如长方形、圆柱体等）经切片后再烘干。
糕点切片机要求实现两个执行动作：
糕点的直线间歇移动和切刀的往复运动。
通过两者的动作配合进行切片。
改变直线间歇移动的速度或输送距离，以满足糕点不同切片厚度的需要。
2）、原始数据及设计要求：
Ⅰ）、糕点厚度：
10-20mm：
Ⅱ）、糕点切片长度（亦即切片的高）范围：
5-80mm；
Ⅲ）、切刀切片时最大作用距离（亦即切片的宽度方向）30mm；
Ⅳ）、切刀工作节拍：
10次／min；
Ⅴ）、生产阻力很小，要求选用的机构简单、轻便、运动灵活可靠；
Ⅵ）、电动机90W，l0r／min
3）、设计任务：
i）、设计能够实现这一运动要求的机构运动方案，并用机构创新模型加以实现。
ii）、绘制出机构系统的运动简图，并对设计的系统进行简要的说明。
4）、设计方案提示；
Ⅰ）、切削速度较大时，切片刀口会整齐平滑，因此切刀运动方案的选择很关键，切口机构应力求简单适用，运动灵活、运动空间尺寸紧凑等；
Ⅱ）、直线间歇运动机构如何满足切片长度尺寸的变化要求，需认真考虑，调整机构必须简单可靠，操作方便，是采用调速方案还是采用调距方案，或者采用其它调整方案，均应对方案进行定性的分析比较。
Ⅲ）、间歇运动机构必须与切刀运动机构工作协调，即全部送进运动应在切刀返回过程中完成。
需要注意的是，切口有一定长度（即高度），输送运动必须在切刀完全脱离切口后方能开始进行，但输送机构的返回运动则可与切刀的工作行程运动在时间上有一段重叠，以利提高生产率，在设计机器工作循环图时，就应按上述要求来选取间歇运动机构的设计参数。
3、洗瓶机
1）、工作原理及工艺动作过程：
为了清洗圆瓶子外面，需将瓶子推入同向转动的导辊上，导辊带动瓶子旋转，推动瓶子沿导轨前进，转动的刷子就将瓶子洗净。
它的主要动作：
将到位的瓶子沿着导辊推动，瓶子推动过程利用导辊转动，将瓶子旋转以及刷子转动。
2）、原始数据及设计要求
Ⅰ）、瓶子尺寸：
大端直径为80mm，长为200mm；
Ⅱ）、推进距离L为600mm，推瓶机构应使推头以接近均匀的速度推瓶，平稳地接触和脱离瓶子，然后推头快速返回原位，准备进入第二个工作循环；
Ⅲ）、按生产率的要求，返回时的平均速度为工作行程速度的3倍；
Ⅳ）、提供的旋转式电机转速10r／min。
Ⅴ）、机构传动性能良好，结构紧凑，制造方便。
3）、设计任务：
Ⅰ）、设计推瓶机构和洗瓶机构的运动方案，并用机构创新模型加以实现；
Ⅱ）、绘制出机构系统的运动图，并对所设计的机构系统进行简要的说明。
4）、设计方案提示：
Ⅰ）、推瓶机构一般要求近似直线轨迹，回程时轨迹形状不限，但不能反方向拨动瓶子，由于上述运动要求，一般采用组合机构来实现；
Ⅱ）、洗瓶机构是一对同向转动的导辊和带三只刷子转动的转子所组成。
可以通过机械传动系统完成。
4、已知条件：
1）若主动件作等速转动，其转速n=lr／min；
2）从动件作往复移动，行程长度为100mm；
3）从动件工作行程为近似等速运动，回程为急回运动，行程速比系数K=1.4。
设计任务：
1）从设计能够实现这一运动要求的机构运动方案，并用机构创新模型加以实现。
2）绘制出机构系统的运动简图，并对所设计的系统进行简要的说明。
5、已知条件：
1）动件作单向间歇转动；
2）每转动180°停歇一次；
3）停歇时间为1／3.6周期。
设计任务
1）设计能够实现这一运动要求的机构运动方案，并用机构创新模型加以实现。
2）绘制出机构系统的运动简图，并对设计的系统进行简要的说明。
实验二慧鱼技术创意设计
实验目的
一、1、培养学生用创造性思维方法，设计、搭建新型的机构或装置；
2、加强学生对机电一体化的实践认识；
3、培养学生的创新意识及综合设计能力。
二、设备与工具
1、慧鱼技术创意模型
（1）计算机组合包
（2）移动机器人包
（3）汽车技术包
（4）仿生生物包
（5）太阳能包
（6）工业机器人包
（7）传感器包
（8）气压传动件包
（9）动力添加组
（10）可调变压器
（11）远红外遥摇控包
2、486或586微机；
3、摄子，5V、9V电池；
三、实验前的准备
1、按模型组合包设备清单清点模型零件，并按类型分类置放于装料盘中；
2、认真阅读模型组合包操作手册，并翻译有关外文资料；
3、按组装指导图，搭接模型，掌握组合模型的拼接方法；
4、熟悉动力元器件的装配、连接方法；
包括：
电动机、传感器、变压器、气动元件、各种开关等；
5、熟悉组合包配备的软件LLWin及接口，把搭接好的机构模型接上接口，编程，实现控制。
四、实验步骤
1、按要求或按条件选择设计题目；
2、制定设计方案，绘制机构结构图及原理图；
3、按设计方案搭接机构模型；
4、连接控制系统；
5、用LLWin软件编写控制程序，接上接口，调试机构模型的动作及性能；
6、实验完毕，拆卸全部零件，清点零件并按要求包装好。
实验三创意组合式轴系结构设计
一、实验目的
1、加深学生对轴系结构的认识：
2、掌握轴系结构设计的方法和要求；
3、培养学生的工程实践能力、动手能力和设计能力。
二、实验设备及工具
1、轴系部件及零配件大小齿轮、轴、不同类型的轴承、轴承座，各种结构的轴承端盖、键、套筒、挡油环等；
2、装拆工具一套；
3、学生自带教材、铅笔、纸等。
三、实验步骤
1、选择设计题目，（两人—组）根据题目拟定装配方案，即定出轴上零件的装配方向、顺序和相互关系，一般可拟定几个方案，经分析比较后选择较合理方案；确定轴上零件的轴向和周向定位的方式，并应满足零件的装拆及工艺要求；
2、根据装配方案，选取合适的零配件，按装配顺序装配轴系部件；
3、根据装配结果，绘制轴系部件装配图；
4、实验完毕，请拆卸全部零件，并按原位置放好。
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