機械創(chuàng)新設計(第二章)

第二章機械(jīxiè)創(chuàng)新設計的基礎知識第一節(jié)機械(jīxiè)的基礎知識一、機械及其組成

1．機械的概念1）機械首先必須是執(zhí)行機械運動的裝置2）機械必須進行物料或信息的變換與傳遞，并完成有用的機械功3）機械中要完成能量的轉(zhuǎn)換機械的分類：原動機，工作機和信息機2．機械的組成原動機，工作機（包括傳動裝置），控制裝置，見圖2—1、2—2、2—3精品資料原動機：三相交流異步電動機、單相(dānxiānɡ)交流異步電動機、直流電動機、步進電動機、（電能→機械能）柴油機、汽油機、蒸汽機、燃氣輪機(ránqìlúnjī)、原子能發(fā)動機（熱能→機械能）

水輪機、風力機、潮汐發(fā)動機、地熱發(fā)動機、太陽能發(fā)動機（自然能→機械能）原動機的選擇：有電力供應處，優(yōu)先考慮使用各類電動機三相交流異步電機常作工、礦、企業(yè)等單位設備的原動機

單相交流異步電動機在家用電器上廣泛應用；直流電動機因其可以調(diào)速，易于實行自動控制，在機電一體化設備中廣泛應用；精品資料工作機：指利用原動機提供的動力實現(xiàn)物料(wùliào)或信息的傳遞，克服外載而作有用機械功的機械。信息機：也是一種工作機。只是通過(tōngguò)各種復雜的信息來控制機械運動。在要求分度或步進運動的場合，可用步進電動機。在遠離電源或要求遠距離移動的地方，內(nèi)燃機得到廣泛應用；柴油機能提供的功率大于汽油機能提供的功率。在環(huán)保時代，利用自然能源的原動機正在逐步普及。精品資料精品資料水輪(shuǐlún)發(fā)電機二坐標(zuòbiāo)機床的工作臺精品資料精品資料二、機械運動系統(tǒng)指機械中的傳動機構和工作執(zhí)行機構，可以(kěyǐ)是機構的基本型，也可以(kěyǐ)是機構組合，或組合機構。1．機構的基本型：指最基本的、最常用的機構型式主要有以下幾種：①全轉(zhuǎn)動副四桿機構的基本型②含有一個(yīɡè)移動副四桿機構的基本型見圖2-4③含有二個移動副四桿機構的基本型（1）四桿機構（2）齒輪機構圓柱齒輪傳動機構圓錐齒輪傳動機構蝸桿傳動機構行星齒輪傳動機構見圖2-5精品資料精品資料（3）凸輪(tūlún)機構直動從動件平面凸輪機構擺動(bǎidòng)從動件平面凸輪機構直動從動件圓柱凸輪機構擺動(bǎidòng)從動件圓柱凸輪機構見圖2-6、2-7（4）撓性元件傳動鏈傳動圖2-8（5）液、氣傳動基本型圖2-9（6）螺旋傳動機構圖2-10(a)（7）電磁傳動機構的基本型圖2-10(b)（8）間歇運動機構的基本型：外棘輪機構、外槽輪機構圖2-11a帶傳動

精品資料精品資料精品資料精品資料精品資料精品資料2．機構(jīgòu)的組合：把一些基本機構(jīgòu)通過適當?shù)姆绞竭B接起來，從而組成一個機構(jīgòu)系統(tǒng)，稱之為機構(jīgòu)的組合。在機構(jīgòu)的組合系統(tǒng)中，各基本機構(jīgòu)都保持原來的結構和運動特性，都有自己的獨立性。精品資料故機構的分析和設計方法(fāngfǎ)仍然適合機構組合系統(tǒng)中的各機構。串聯(lián)機構并聯(lián)機構3．組合(zǔhé)機構組合(zǔhé)機構與機構的組合(zǔhé)有本質(zhì)不同。組合(zǔhé)機構是指若干基本機構，通過特殊的組合(zǔhé)而形成的一種具有新屬性的機構。組合(zǔhé)機構中的各基本機構已不能保持各自的獨立性，也不能用原基本機構的分析和設計方法進行組合(zǔhé)機構的設計。精品資料例：圖2-14精品資料三、機械的控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)：機械的控制從手工操作向自動化、智能化發(fā)展的?？刂品椒ǎ簷C械、電氣、液壓、氣動綜合控制1．電氣控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)的基本要求：1）滿足機械的動作要求或工藝條件；2）電氣、電子元件合理，工作安全可靠；3）停機時，控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)的電子元器件不應長期帶電；4）有較強的抗干擾能力，避免誤操作；5）便于維護與管理、經(jīng)濟指標好；6）使用壽命長；7）應設置緊急手動裝置。電氣控制應用(yìngyòng)最廣泛。精品資料3．機械控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：應用計算機技術和自動控制技術，控制對象不斷增加，控制系統(tǒng)更加復雜、準確。兩類控制對象：（1）位移、速度、加速度、溫度、壓力……數(shù)量的大?。?）以物體的有、無、動、停……邏輯量控制方法：開環(huán)、閉環(huán)（單變量(biànliàng)）反饋控制→現(xiàn)代控制理論（多變量(biànliàng)）2．控制(kòngzhì)對象1）對原動機進行控制(kòngzhì)：可實現(xiàn)、開、關、停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及調(diào)速、限位2）對電磁鐵的控制(kòngzhì)：實現(xiàn)控制(kòngzhì)機械中執(zhí)行機構的各種不同動作。將檢測到的輸出結果與輸入指令的誤差隨時進行修正，此種控制方式為閉環(huán)控制。將輸出結果返回輸入端與輸入指令比較的過程，稱為反饋控制精品資料精品資料精品資料伺服電動機模擬(mónǐ)伺服控制數(shù)字(shùzì)伺服控制軟件伺服控制精品資料第二節(jié)機械系統(tǒng)及其發(fā)展(fāzhǎn)一、機械系統(tǒng)的基本組成形式根據(jù)原動機、傳動機構、執(zhí)行機構的不同(bùtónɡ)組合以及機械系統(tǒng)運動輸出特性的不同(bùtónɡ)，機械系統(tǒng)的基本組成形式見表2-1所示。線性機構：機構的輸出運動與輸入運動為線性關系。非線性機構：機構的輸出運動與輸入運動為非線性關系。類型1，2為最基本、最常見的機械系統(tǒng)類型5在數(shù)控機床、機器人等自動機械中得到廣泛的應用二、機械系統(tǒng)的發(fā)展與演變1．剛性機械系統(tǒng)：系統(tǒng)的運動不具可控性，機械裝置與電氣裝置獨立組合的機械系統(tǒng)。2．柔性機械系統(tǒng)：運動具有可控性，可借助傳感器，控制電路、計算機實施智能化控制。數(shù)控機床和機器人屬于柔性機械系統(tǒng)。精品資料表2-1機械系統(tǒng)的基本(jīběn)組成形式類型編號原動機傳動機構執(zhí)行機構機械系統(tǒng)的輸出運動線性原動機非線性原動性線性機構非線性機構線性機構非線性機構簡單運動復雜運動1√√√√2√√√√3√√√√4√√√√5√√√√6√√√√7√√√√8√√√√精品資料3．機械系統(tǒng)的發(fā)展(fāzhǎn)機械技術與電子技術控制技術的結合，機械系統(tǒng)由剛性機械向柔性機械系統(tǒng)演化，使機電一體化的機械系統(tǒng)發(fā)展(fāzhǎn)很快剛性機械系統(tǒng)圖2-18a改進的剛性機械系統(tǒng)圖2-18b柔性機械系統(tǒng)圖2-18c直接驅(qū)動式的機械系統(tǒng)圖2-18d精品資料圖2-18機械系統(tǒng)的演變過程(guòchéng)框圖精品資料第三節(jié)機械運動(jīxièyùndòng)簡圖及其結構設計1．機構系統(tǒng)的運動簡圖設計：根據(jù)產(chǎn)品(chǎnpǐn)的功能目標和動作要求，設計出機械系統(tǒng)的運動方案，并確定傳動機構、執(zhí)行機構以及各種控制的參數(shù)和尺寸。2．運動簡圖機械的結構設計機械的結構圖（裝配圖）一、構件的結構設計1．構件的結構設計原則1）選材料；2）選擇毛坯；3）確定形狀與尺寸；4）強度、剛度、安全性、可靠性的校核；5）與其它構件的關系；6）運動空間及運動干涉；6）經(jīng)濟性；8）維修、安裝方便。2．常用構件的結構設計常用構件：齒輪、凸輪、桿狀構件、塊狀構件、具有復雜形狀的構件精品資料（1）齒輪(chǐlún)的結構設計齒輪(chǐlún)軸整體式：圓盤狀，腹板式，輪副式圖2-19圖2-19外齒輪(chǐlún)的結構示意圖精品資料分體式：齒圈+輪轂(lúngǔ)內(nèi)齒輪的退刀槽圖2-20圖2-20內(nèi)齒輪(chǐlún)的結構示意圖精品資料（2）凸輪類構件(gòujiàn)的結構設計①按尺寸：凸輪軸，盤狀凸輪

彈簧鎖合（圖2-21）②按鎖合方式溝槽式（圖2-22a）幾何(jǐhé)鎖合封閉形狀結構（圖2-22b、c）

尖底③按從動件型式滾子平底滾子的結構型式圖2-25滾動軸承、錐面、弧面、球面共軛凸輪的擺動滾子從動件：可調(diào)滾子位置擺桿圖2-26b可調(diào)擺桿臂式從動件圖2-26c（3）桿類構件的結構設計曲柄：圓盤銷軸狀、曲軸狀、桿件狀圖2-27精品資料精品資料圖2-22形封閉(fēngbì)凸輪結構示意圖精品資料圖2-23雙滾子(ɡǔnzǐ)結構示意圖精品資料圖2-24圓柱滾子改為(ɡǎiwéi)圓錐滾子結構示意圖滾子(ɡǔnzǐ)的結構型式圖2-25滾動軸承、錐面、弧面、球面共軛凸輪的擺動滾子(ɡǔnzǐ)從動件：可調(diào)滾子(ɡǔnzǐ)位置擺桿圖2-26b可調(diào)擺桿臂式從動件圖2-26c（3）桿類構件的結構設計曲柄：圓盤銷軸狀、曲軸狀、桿件狀圖2-27精品資料圖2-25滾子(ɡǔnzǐ)結構精品資料圖2-26共軛凸輪(tūlún)的擺動滾子從動件精品資料圖2-26共軛凸輪的擺動(bǎidòng)滾子從動件精品資料圖2-27曲柄(qūbǐng)的結構精品資料圖2-28連桿(liánɡǎn)組件精品資料圖2-29轉(zhuǎn)動(zhuàndòng)副的結構示意圖精品資料連桿、搖桿：視具體情況設計（4）塊狀類構件的結構設計：塊狀類構件大都作移動，其結構與運動副的結構有關。3．機械零件組合成構件的方法組合方法：螺紋聯(lián)接、焊接、粘接、過盈配合常見的例子：較大的蝸輪（鑄鐵輪轂與青銅輪緣組合）內(nèi)燃機連桿滑動軸承座二、運動副的結構設計運動副的結構創(chuàng)新設計對提高機械的性能與壽命有重大幫助1．轉(zhuǎn)動副的結構設計滾動軸承(gǔndòngzhóuchéng)：機械效率高滑動軸承：結構簡單，形成動壓潤滑時也有較高的效率2．移動副的結構設計高副式移動副：低副式移動副重力封閉：形封閉精品資料圖2-30：a.常見移動副b.重力封閉c.重力封閉與形封閉組合d.重力封閉點接觸(jiēchù)式e.柱面移動副f.帶滑鍵的柱面移動副g.形封閉點接觸(jiēchù)式移動副h.形封閉結構i.滾子與輪軌接觸(jiēchù)形成的移動副構圖j.滾子與滑槽形成的移動副3．高副的結構設計滾子導軌（滾動導軌）代替平面摩擦導軌：滾子直徑、寬度、滾子的間距，定位措施等都需進行嚴格的結構設計。滾珠絲杠代替普通絲杠也需進行結構設計；三、機構系統(tǒng)(xìtǒng)的結構設計連桿機構設計較難，桿件形狀千變?nèi)f化，也是創(chuàng)新成果最多的領域同一機構—可設計出性能、用途、外形完全不同的機械。：密封，潤滑所有的運動副結構設計，為了↓相對運動中的摩擦，應考慮：密封，潤滑的方式。精品資料連桿機構設計時要注意的問題1）各構件的運動不能發(fā)生干涉圖2-322）在機械平衡的基礎(jīchǔ)上，把安裝配重與結構設計一并考慮。3）機構系統(tǒng)的運動精度。連桿機構的桿狀變化尚沒有找出一定的規(guī)律(guīlǜ)，目前主要憑堅實的基礎知識、豐富的實踐經(jīng)驗。如機構簡圖為圖示的雙曲柄機構，既可設計成泵；也可設計成軸系結構。

尺寸誤差影響機構系統(tǒng)運動精度的因素運動副的間隙誤差構件的彈性變形尺寸誤差對機構運動位置的影響精品資料圖2-30常見移動(yídòng)副的結構示意圖精品資料圖2-31低副的高副結構設計精品資料圖2-32雙曲柄(qūbǐng)機構結構設計示例精品資料圖2-33連桿機構安裝(ānzhuāng)位置示意圖精品資料圖2-34連桿機構尺寸對其運動精度(jīnɡdù)的影響精品資料圖2-34所示機構中，構件3的位置(wèizhi)誤差為無誤差時機構的封閉矢量(shǐliàng)方程為有誤差時機構的封閉矢量方程為：則：

精品資料注意：①在保證機構位置精度的前提(qiántí)下精確求解困難(kùnnɑn)②現(xiàn)行方法：按經(jīng)驗確定各構件尺寸公差計算誤差最大值與最小值若超差則重新調(diào)整各構件公差第四節(jié)創(chuàng)新設計過程中的創(chuàng)新思維方法①創(chuàng)新設計不是簡單的模仿或技術改造②創(chuàng)新設計應具有突破性、新穎性、創(chuàng)造性、實用性、社會效益③創(chuàng)新活動是一個復雜的思維過程一、創(chuàng)新活動中的注意事項1．要考慮創(chuàng)新產(chǎn)品是否有社會效益或經(jīng)濟效益2．是否存在你要創(chuàng)新設計的產(chǎn)品或?qū)＠焚Y料1．要考慮創(chuàng)新產(chǎn)品是否有社會效益或經(jīng)濟效益離開社會效益的創(chuàng)造活動毫無意義，只會浪費(làngfèi)寶貴的時間和精力。某發(fā)明家花費大精力研究了橢圓儀，因無經(jīng)濟效益而擱淺；在知識經(jīng)濟時代，不能轉(zhuǎn)換為經(jīng)濟效益的發(fā)明將不被采用。2．要考查國內(nèi)外是否存在你要創(chuàng)新設計的產(chǎn)品或?qū)＠M行文獻檢索與市場調(diào)研對創(chuàng)新設計(shèjì)是有幫助的。3．正確理解創(chuàng)新的含義，提倡在所熟悉的領域內(nèi)進行發(fā)明創(chuàng)造在工程中經(jīng)常出現(xiàn)，機械專業(yè)人員查閱大量資料設計出來一種電子線路，自認為是一種發(fā)明，而電子工程人員卻認為是很普通的電路，同樣，電子技術人員好不容易“創(chuàng)新”設計出一個機械裝置，機械工程人員卻認為毫無創(chuàng)新，工程中，出現(xiàn)自己認為是發(fā)明，別人不認為是發(fā)明，實際上也不是發(fā)明的現(xiàn)象大都是跨行業(yè)的緣故。精品資料4．創(chuàng)新設計是一個科學的過程，以知識為支撐點某發(fā)明家設計、制造了一種無級變速器，操作靈活簡便，但受載時發(fā)熱過大，效率過低，難于應用工程實際。因此，創(chuàng)新設計不是憑空想象，應以知識為支撐點。5．創(chuàng)新活動是艱苦，長期的工作積累過程6．環(huán)境、壓力、事業(yè)心、興趣是創(chuàng)新成功的重要因素7．善于觀察，注意積累8．正確的思維(sīwéi)方法是通向創(chuàng)新成功之路首先通過發(fā)散思維構思(ɡòusī)出多種方案，比較鑒別后，形成新的思路與方案，創(chuàng)新活動是一種復雜的思維活動，思維方式存在很大差異，但總的思維方式還是有條理的。形象思維與抽象思維發(fā)散思維與收斂思維邏輯思維與非邏輯思維直達思維與旁通思維逆向思維類比思維精品資料逆向運作法：不用(bùyòng)常規(guī)的解決方法，而是反其道而行之。例如：某軸承廠通過管道輸送軸承產(chǎn)品，可在管道拐彎處，軸承屢屢(lǚlǚ)將管道砸壞，管道的拐彎處的頻繁破壞一直無法解決，后有人想出了一個辦法，在拐彎處建立一個磁場，利用磁力吸住軸承，運動的軸承不斷地被吸住，不斷地被后續(xù)的軸承沖走，這樣既能輸送軸承產(chǎn)品，又不致使管道破壞。又如日本諾貝爾獎獲得者江崎玲于奈在研究他的得獎項目時，讓其助手小姐在一旁做晶體管純度提高實驗，但因總是難以去除雜質(zhì)而苦無良策，在幾十次對提高晶體管純度的努力幾無進展的情況下，助手小姐忍不住說：“再這樣做下去，純度可能永遠達不到理想的高度，既然雜質(zhì)不易除去，還不如加些雜質(zhì)試試看！”聽了這話，江崎茅塞頓開，是啊，也許加些雜質(zhì)，晶體管的導通性能反而更理想呢。果然試驗獲得了成功，根據(jù)試驗中發(fā)現(xiàn)的晶體管“隧道效應”，使無線電技術發(fā)生革命性變化的隧道二極管誕生了。精品資料9．捕捉瞬間的靈感是創(chuàng)新的關鍵靈感存在短暫的一瞬間，具有突發(fā)性，稍縱即逝。沒有長期(chángqī)的、艱苦的創(chuàng)新思維活動形成的知識積累，很難爆發(fā)出靈感的火花。所謂天才是“2%的靈感加上98%的汗水”，98%的汗水中，包含著創(chuàng)造的量變過程，2%的靈感卻是創(chuàng)造活動中的質(zhì)變。沒有98%的汗水，就沒有2%的靈感。二、創(chuàng)新設計方法簡介1．群智集中法：（頭腦風暴法），發(fā)揮集體智慧，集思廣義此法由美國人提出，這位美國人認為一些人適合于提出新想法，而另一些人適合于分析新想法的可行性。所以此法分為產(chǎn)生想法與分析想法兩個階段。一般小組成員由6至9人參加討論。原則：1）小組成員必須由不同領域的人員組成。2）隨心所欲、設想新穎3）不批評別人的設想4）不提倡少數(shù)服從多數(shù)5）不過早下結論6）總結各種設想，下次再議精品資料例如，美國北部冬季氣候寒冷，大跨度的輸電線常被線上的積雪壓斷造成事故，如何避免這類事故？過去一直未能找到很好的解決方案。后來，電力公司決定采用智暴法來解決。會上有人提出設計一種專用電線掃雪機；有人提出用電熱來化解冰雪；也有人提出用振蕩技術來清除積雪。其中有人提出一個十分滑稽可笑的方案：乘坐直升機去掃除電線上的積雪。一位工程師在聽到這個想法后，思維受到激勵，馬上提出利用直升機螺旋槳產(chǎn)生的高速下降氣流扇落積雪的方案。方案提出后，頓時又引起其他與會者的聯(lián)想，進一步提出制造專用的“除雪飛機”和“特殊扇雪螺旋槳”等創(chuàng)意，會后公司組織專家對各種設想(shèxiǎng)進行論證，最終選擇了用改進直升飛機扇雪的方案，于是一種專門用于清除電線上積雪的小型飛機就這樣誕生了。

又如在一次開發(fā)剝核桃機的智爆法活動中，有人提出(tíchū)剛孵出的小雞把蛋殼捅破跑了出來，要是核桃肉也能象小雞一樣把硬皮捅破就好了，這似乎是異想天開的胡想，但按規(guī)定彼此間精品資料只許補充，不許嘲笑壓制，繼續(xù)(jìxù)討論的結果，發(fā)明了一種用空心鉆鉆入核桃內(nèi)，然后通入高壓空氣將核桃殼從內(nèi)爆破的方法。2．仿生創(chuàng)新法：不是(bùshi)機械的模仿模仿人或生物的生理原理、結構、外形、感覺機理，創(chuàng)新設計機器。這也是一種最常用的創(chuàng)造性設計方法。仿人機械手、仿爬行動物的海底機器人，仿動物的四足機器人等，就是仿生設計的產(chǎn)物。由于仿生法的迅速發(fā)展，目前已形成了仿生工程學這一新的學科。但使用此法，切莫仿真，否則會走入誤區(qū)。

仿生法是將模仿與現(xiàn)代科技手段相結合，設計出具有新功能的仿生系統(tǒng)。這種仿生存在于創(chuàng)新思維的全過程中，是對自然的一種超越。仿生學已成為一門新興的邊緣學科。精品資料國外有一名叫喬治的工程師發(fā)現(xiàn)，每次打獵回來，總有一種小花粘在褲子上。一次回家后，他好奇地用顯微鏡觀看，發(fā)現(xiàn)每朵小花上均長滿了小鉤鉤，那千百個小鉤鉤住了狗毛與毛呢的絨面，用力一拉就“刺啦”一聲應聲而開，但只要一貼近，馬上又會鉤得跟過去一樣牢。受此啟發(fā)，他發(fā)明了一條表面布滿細小溝子的尼龍帶嚙合另一條表面布滿細小圓環(huán)結構(jiégòu)的尼龍帶的小型扣件……3．反求創(chuàng)新法；仿制，必須(bìxū)消化、吸收原設計，然后創(chuàng)新設計此法的目的是吃透原設計，創(chuàng)造更優(yōu)的設計。日本、韓國經(jīng)濟的迅速發(fā)展都與大量使用反求設計創(chuàng)新有關。我國自1990年召開第一屆反求工程研討會后，反求設計創(chuàng)新法得到了迅速的發(fā)展。某電機廠質(zhì)優(yōu)價廉的電機產(chǎn)品初入香港時無人問津。有關技術人員參考國外樣本時，發(fā)現(xiàn)電機外觀配色很有講精品資料究，于是他們把原來一律是灰色的電機改為鮮亮(xiānliang)的顏色，并選配了翡翠綠的電線。果然，面目一新的產(chǎn)品很快吸引了港商顧客。4．類比求優(yōu)創(chuàng)新法：指把同類產(chǎn)品相對比較，研究同類產(chǎn)品的優(yōu)點(yōudiǎn)，然后集其優(yōu)點(yōudiǎn)，去其缺點，設計出同類產(chǎn)品中的最優(yōu)品種。日本本田摩托車就是集世界上幾十種摩托車的優(yōu)點(yōudiǎn)而設計成功的性能最好、成本最低的品種。但這種方法前期資金投入過大。5．功能設計