第五章机械创新设计2精品PPT课件
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机械创新设计_第五章 机构的组合与创新设计
C B
E
I型串联组合
A D F
前置机构中做简单运动的构件与后置机构的 原动件连接。 原动件连接。
Z1
B C
Z2
A D
II型串联组合 II型串联组合
前置机构中做复杂运动的构件与后置机构的 原动件连接。 原动件连接。
组合实例： 组合实例：
C B
减少连杆机构的速度
A D
z2
B
A
改变滑块的运动规律
C
D
第四节 计
1、选定附加机构与基础机构，确定附加机构 选定附加机构与基础机构， 与基础机构之间的连接方法。 与基础机构之间的连接方法。或者附加机构的 输出构件与基础机构的哪一个构件连接。 输出构件与基础机构的哪一个构件连接。 2、II型叠加组合机构中，动力源安装在基础 II型叠加组合机构中， 型叠加组合机构中 机构的可动构件上， 机构的可动构件上，驱动附加机构的一个可动 构件，按附加机构数量依次连接即可。 构件，按附加机构数量依次连接即可。
2、附加机构封闭基础机构的两个输入运 动或两个输出运动简便易行， 动或两个输出运动简便易行，工程中的应用最 为广泛。 为广泛。 3、附加机构封闭基础机构的一个输入 构件和一个输出构件，把输出运动再反馈回输 构件和一个输出构件， 入构件。 入构件。
C
I 型封闭组合机构
D A B F
III 型封闭组合机构
2、机构的叠加组合分类
输入 附加机构
1)
基础机构 输出
I型叠加机构 I型叠加机构
输入 附加机构
输出
2)
基础机构 输入
II型叠加机构 II型叠加机构
I型叠加机构 1) I型叠加机构
B C
附加机构
基础机构
机械创新设计-绪论PPT课件
点评：构成我们学习的最大障碍是已知的东西，而不是 未知的东西。
编辑版pppt
42
（4）多向性
善于从多种不同角度考虑问题，是创新 设计的重要特征。
点评：有时换个方向考虑，会使前进的道路豁然开朗、 柳暗花明。
编辑版pppt
43
（5）连动性
创造性思维也是一种连动思维，它引导人 们由已知探索未知，开阔思路。连动思维包括 纵向、横向、逆向思维。纵向思维针对某现象 和问题进行纵深思考，探寻其本质而得到新的 启示。横向思维通过某一现象联想到特点与它 相似和相关的事物，从而发现新应用。逆向思 维针对现象、问题和解法，分析其相反的方面， 从另一角度探寻新的途径。
编辑版pppt
39
2．创新设计的特点
（1）独创性
独创性体现为敢于提出与前人、众人不同 的见解，敢于打破一般思维的常规惯例，寻找 更合理的新原理、新机构、新功能、新材料， 独创性能使设计方案标新立异，不断创新。
点评：发现问题、提出问题有时候比解决问题更重要！
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40
（2）实用性
实用性体现在对市场的适应性和可生产 性两方面，创新设计的最终目的在于应用。
第一章 绪 论
第一节 创新与社会进步
1. 创新是人类文明进步的原动力 机械发展的历史是一部创新的历史。
指南车
地动仪
水碾
我国古代在机械研制方面有许多杰出的发明创造。
编辑版pppt
2
编辑版pppt
3
哈格里沃斯发明的 “珍妮纺纱机”
法国陆军技术军官古诺发明了世 界上第一辆蒸汽动力车
1898年问世的“雷诺”牌汽车
编辑版pppt
23
普通钳口工作面
适合平面刚性材料物体的夹持
机械创新设计ppt课件
2018/11/16
第五节
创新能力的构成
创新不需要天才，创新只在于找出新的改进方法。
创新能力的构成元素
•创新基础 •创新智能 •创新意识 •创新方法 •创新环境
2018/11/16
2018/11/16
2018/11/16
第六节
本课程的内容、性质和目的
1.本课程的内容 •机械设计的一般构成和创新人才的构成 •创新思维和技法（常用的创新方法） •机构的创新设计 •机械传动的创新设计 •机械系统创新设计介绍
2018/11/16
• 爱迪生为了找到适用的电灯灯丝材料，用 了6000多种植物纤维，试验了1600多种耐 热材料，终于发明制造出炭化灯丝的电灯 • 法拉第用长达18年的大量实验，发现了电 磁感应现象。 • 居里夫人在发现放射性元素之后，花了5个 多月时间，终于从一吨沥青铀矿中提炼出 了0.1克纯镭。
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2.本课程的性质和目的
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第七节
本课程的教与学
第八节 本课程的结业方式 平时考查成绩 创新作品成绩 创新作品例子
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第二章常用创新方法
第一节 到何处去搜寻题材 1. 向生活索取 • 活动合页
2018/11/16
• 两用拐杖
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• 拉链 • 尼龙搭扣 • 椅子转化为 躺椅、摇椅、转椅
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• 选不同构件为主动件，可得不同的应用。
农村水井打水的手动唧筒
2018/11/16
四杆机构
雨伞
2）引申 有别的东西像这件物品吗?是否可以从这 件物品引申设想出其他东西? • 港口用的起重机（双摇杆机构） • 飞机起落架（双摇杆机构）
机械创新设计第2版1
第二章 原理方案的创新设计
❖ 原理方案设计步骤
机械创新设计第2版 ppt 课件
第二章 原理方案的创新设计
机械创新设计第2版 ppt 课件
第二节 功能原理方案的创新设计
❖ 一、功能的描述
❖ 功能是产品或技术系统特定工作能力抽象化的描述，。 在功能原理方案设计时，对设计对象中功能的描述要 准确、简洁，要合理抽象，抓住本质。
❖ 五、功能求解
❖ 1. 功能元解 ❖ 1)参考借鉴有关产品资料或专利； ❖ 2)利用“设计目录” ； ❖ 3)运用各种创造技法探索新解法。 ❖ 如：输送液体原理解法分析。 ❖ (1)负压效应
❖ 1)利用压力p与容积V的关系(pV＝常数)，
增大容积空间形成负压吸入液体，减小 容积空间形成高压输出液体。如波纹管 水泵，拉压塑料波纹管1改变其容积，液 体从单向阀2吸入，从单向阀3压出，水 头可达3m多。
第三节 设计目录
❖ 一、原理解法的设计目录
❖ 用功能设计法进行原理方案设计，功能元解是组合原 理方案的基础。工程系统的基本功能元可归结为物理 功能元、逻辑功能元和数学功能元三类。
❖ (1)逻辑功能元——“与”、“或”、“非”三元，主 要用于控制功能。基本逻辑关系如表2-3所示。
❖ 由机械、强电、电子、射流、气体、液体等领域可寻 找相应的“与”、“或”、“非”逻辑动作的各种解 法，其部分解法目录列于表2-4。
第二章 原理方案的创新设计
❖ (3)毛细管效应
高性能的轻质热管为两端封闭的管子，衬里为数层 金属丝网，管内封装液体，在高温端液体吸热蒸发， 蒸气流至低温端放热，冷凝后的液体由毛细管效应通 过金属丝网流回热端。此种热管用于人造卫星和冻土 层输油管保温等。
第二章 原理方案的创新设计
《机械创新设计》PPT (2)
1.2.5任务实施
按2011年全国职业院校技能大赛高 职组“机械部件创新设计与制造”竞赛项 目规程要求：推料顶杆作直线往复运 动，行程范围30mm～50mm。某参赛 队选择平面连杆机构作为执行机构来 完成推料动作，如图所示。试按竞赛 规程要求设计该机构。
1.2.2 任务描述
3
选择零件类型、结构 计算零件上的载荷
铰链四杆机构>>铰链四杆机构的基本形式
（3）双摇杆机构
1.2.4 相关知识
港口用起重机吊臂 ABCD构成双摇杆机构，AD为机架，在主动 摇杆AB的驱动下，随着机构的运动，连杆BC的 外伸端点E获得近似直线的水平运动，使吊重W 作水平移动，大大节省了移动吊重所需要的功率。
电风扇摇头机构 电动机外壳作为其中的一根摇杆AB，蜗轮 作为连杆BC，构成双摇杆机构ABCD。蜗杆随 扇叶同轴转动，带动连杆BC绕C点摆动，使摇 杆AB带电动机及扇叶一起摆动，实现一台电 动机同时驱动扇叶和摇头机构。
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缺点
设计计算困难、复杂，一般只能近似满足要求；
构件增多时，累积误差较大，同时使效率降低，自锁的可能 性增大；
构件作平面复杂运动，惯性力不容易平衡；
机械创新设计-第五章PPT教学课件
2020/12/11
4
第五章 反求工程与创新设计
•二、反求工程的研究内容
• (1)探索原产品设计的指导思想——掌握原产品 设计的指导思想是分析了解整个产品设计的前提 。
• (2)探索原产品原理方案的设计——各种产品都 是按一定的使用要求设计的，而满足同样要求的 产品，可能有多种不同的形式，所以产品的功能 目标是产品设计的核心问题。
• 软件反求——可直接分析了解有关产品的外形、 零部件材料、尺寸参数和结构，但工艺、使用性 能则必须进行适当的计算和模拟试验。
• 影像资料反求——需仔细观察、分析和推理，了 解其功能原理和结构特点，可用透视法与解析法 求出主要尺寸间的相对关系,再用类比法求出几个 绝对尺寸,进而推算出其它部分的绝对尺寸。
作用。 2020/12/11
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第五章 反求工程与创新设计
•四、反求工程的设计程序
• 1.反求分析
对反求对象从功能、原理方案、零部件结构尺 寸、材料性能、加工装配工艺等有全面深入的了 解，明确其关键功能和关键技术，对设计中的特 点和不足之处作出必要的评估。
• 实物反求——可利用实测手段获取所需的参数和 性能，尤其是掌握各种性能、材料、尺寸的测定 及试验方法是非常关键的。
第一节 反求工程概述
•一、技术引进与反求工程
技术引进是吸收国外先进技术，促进民族经济 高速增长的战略措施。
反求工程就是针对消化吸收先进技术的一系列 分析方法和应用技术的组合，它以先进产品设备 的实物、软件（图纸、程序、技术文件等）或影 像（图片、照片等）作为研究对象，应用现代设 计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知 识，进行系统地分析和研究，探索掌握其关键技 术，进而开发出同类的先进产品。
2020/12/11
机械创新设计结构设计PPT课件
导向精度高 刚度大 耐磨性高及结构工艺性好等
24
二、滑动导轨的特点及常见结构形式
优点：结构简单，接触刚度大 缺点：摩擦阻力大，磨损快，低速时易产生爬行现象
导轨由凹凸两种形式相互配合组成。 当凸形导轨为下导轨时，不易积存切屑和赃物， 但也不易保存润滑油，故易作低速导轨 例：车床的床身导轨
反之： 当凹形导轨为下导轨时，可作高速导轨 例：磨床的床身导轨
特点：系统复杂、工作可靠 应用：低速、频繁启动，载荷或转速变化大场合
22
四、滚动轴承作为转动副
滚动轴承内圈连接一个构件，外圈连接一个 构件；设计要点是滚动轴承的类型选择、零 件的周向定位与轴向定位、零件与轴承内外 圈的配合问题。
径向接触 向心角接
23
轴承
触轴承
第三节 移动副的结构与创新设计
一、对移动副结构的基本要求
双燕V形矩尾与形燕组与尾合矩形：形组特组合点合：与：导矩向形精与导度平轨高面承；组受但合大加相部 同分工。压和导力测向，量面燕都间尾比的形较距导复离轨杂较作大侧，导导向向面精度稍 差
27
一、对转动副结构的基本要求
保证两个构件之间的相对运动是转动，即 两构件只能做相对转动。
对转动副结构的基本要求是保证两相对回 转件的位置精度、承受压力、减小摩擦损失和保 证使用寿命。
5
最简单的两构件之间的转动副连接
1 2
4
2 5
1
3
6
二、轴承用于转动副
为了减少摩擦和磨损，将相对转动的圆柱 表面用轴承代替。
11
（一）滑动轴承的基本结构形式 2、剖分式滑动轴承
特点：装拆方便，调整轴瓦与轴颈间隙方便 缺点：结构复杂，滑动轴承的基本结构形式 3、调心式滑动轴承
24
二、滑动导轨的特点及常见结构形式
优点：结构简单，接触刚度大 缺点：摩擦阻力大，磨损快，低速时易产生爬行现象
导轨由凹凸两种形式相互配合组成。 当凸形导轨为下导轨时，不易积存切屑和赃物， 但也不易保存润滑油，故易作低速导轨 例：车床的床身导轨
反之： 当凹形导轨为下导轨时，可作高速导轨 例：磨床的床身导轨
特点：系统复杂、工作可靠 应用：低速、频繁启动，载荷或转速变化大场合
22
四、滚动轴承作为转动副
滚动轴承内圈连接一个构件，外圈连接一个 构件；设计要点是滚动轴承的类型选择、零 件的周向定位与轴向定位、零件与轴承内外 圈的配合问题。
径向接触 向心角接
23
轴承
触轴承
第三节 移动副的结构与创新设计
一、对移动副结构的基本要求
双燕V形矩尾与形燕组与尾合矩形：形组特组合点合：与：导矩向形精与导度平轨高面承；组受但合大加相部 同分工。压和导力测向，量面燕都间尾比的形较距导复离轨杂较作大侧，导导向向面精度稍 差
27
一、对转动副结构的基本要求
保证两个构件之间的相对运动是转动，即 两构件只能做相对转动。
对转动副结构的基本要求是保证两相对回 转件的位置精度、承受压力、减小摩擦损失和保 证使用寿命。
5
最简单的两构件之间的转动副连接
1 2
4
2 5
1
3
6
二、轴承用于转动副
为了减少摩擦和磨损，将相对转动的圆柱 表面用轴承代替。
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（一）滑动轴承的基本结构形式 2、剖分式滑动轴承
特点：装拆方便，调整轴瓦与轴颈间隙方便 缺点：结构复杂，滑动轴承的基本结构形式 3、调心式滑动轴承
机械创新第五章 机构组合与创新设计
从动构件组：F=0
再拆成更简单的F=0的杆组
◆定义：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构 件组称为机构的基本杆组。
◆ 基本杆组的分类
对于全低副的杆组： n个构件、pl个低副
杆组应该满足的条件条件:
3 n 2 pl 0 2 n pl 3
n和pl为整数 n=2,4,6…
3 Pl n 2
运动副数
n 2, Pl 3
n 4, Pl 6 n 6, Pl 9
●●●●●●
构件数
讨论各基本杆的几种情况：
(1) n=2, pl =3的双杆组：又叫Ⅱ级杆组
常见Ⅱ级杆组的形式有 5 种(应用最广且最简单)
内接副—— 连接杆组内部构件的运动副
外接副—— 与杆组外部构件连接的运动副
Ⅱ级杆组
2.机构的组成原理
◆机构组成原理：任何机构都是由若干个基本杆组 依次连接于原动件和机架上所组成的系统。
机构＝基本机构＋基本杆组
牛头刨床的组合过程
◆机构命名方式：
按所含最高杆组级别命名，如 Ⅱ 级机构， Ⅲ 级机构等。(Ⅰ级机构：只由机架和原动件组成的
机构。例：杠杆机构、斜面机构)
◆ 机构创新设计应遵循的原则
◆ 结构分析的过程 把机构分解为基本杆组、机架和原动件。
◆ 机构结构分析步骤 1、正确计算机构的自由度； 2、根据机构拆分原则进行拆分 3、最后定出机构的级别。
★确定机构级别
解：该机构无虚约束和局部自由度 F=3×5－2×7=1 该机构为II级机构
二、杆组的基本类型 （一）II级杆组的类型
Ⅱ级杆组结构形式
§5-2 基本机构及其组合的概念
•
机构是机器中执行机械运动的主体装置，机构的类型与复 杂程度与机器的性能、成本、制造工艺、使用寿命、工作可 靠性等有密切关系。因此机构的设计在机械设计的全过程中 占有极其重要的地位。工程中的实用机械，很少由一个简单 的基本机构组成，大都由若干个基本机构通过各种连接方法 组合而成的一个机构系统组成。
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高温下制成的形状
使用形状记忆合金的铆钉连接 （单程记忆合金）
插入孔中
加热到 高温
低温下施力变形
电流变液 （Electro-rheological Fluid， ER）
一种机敏材料，胶体悬浮状液体。用外加电场可控制其 流动阻力。
电场增强，流动阻力增大。
主动半轴
ER 材料
从动 半轴
电流变液 离合器
五、提高性能的创新
在设计中前轴承的精度比后轴承高一级。
δ
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
结构简单，便于操作 承受的力较小
四、结构材料的变异创新
变换材料
采用新型材料
（一）变换材料
铰链节叉
铸铁结构
钢板结构
质量轻 节省材料 可大批量生产，成本低
（二）采用新型材料
形状记忆合金 一种机敏材料。
高温下制成所需的形状──在低温下改变形状── 重新升温后，恢复原来形状。
单程记忆合金：冷却后不能恢复原低温时的形状 双程记忆合金：冷却后能恢复原低温时的形状
提高刚度和强度的设计
提高精度的设计
（一）提高刚度和强度的设计
轴外伸端处带轮与轴的结构设计
弯
矩
轴 受 弯 矩 作 用
作 用 在 直 径 较 大
的
套
上
（二）提高精度的设计
精密车床的主轴
B
A
L
a
δ
δΑ
δB
前端轴承A的误差 δΑ引起 的主轴端部误差 δ
后端轴承B的误差 δB引起 的主轴端部误差 δ
传送带
三、机构的仿生创新
仿生创新法
原理仿生法 结构仿生法 功能仿生法
例1 柔顺机构
柔顺片断
翅膀
F
结构仿生法 柔顺机构
蜜蜂的翅膀
柔顺机构
完全利用构件自身的弹性变形来完成运动和力的传 递和转换的机构。
出现在 20 世纪 70 年代，美国。
优点
没有 运动副
零件数目少 无摩擦磨损 无运动副间隙
结构简单，重量轻
固定触点
磁铁被挪开，叶片 下落，电路接通
例2：温控继电器
触点 f
触点 a
温度较低，杠杆处于图 示位置。触点 f 闭合。
温度升高，双金属片变 形，杠杆顺时针方向转动， 触点 a 闭合。
杠杆
双金 属片
刀口
例3：螺钉自动整列机构
用机械手逐个抓取？
太复杂了！ 效率也太低！
螺钉自动整列机构
利用螺钉的自重自动整列
（二）功能面形状变换
螺钉头部形状 拧紧力量大小不一，占用空间大小不一
手拧 手拧
内六角 扳手
用十字改锥
用平改锥
摇杆与挺杆接触面形状
摇杆
挺 杆
原结构
横向作用力在挺杆中产生弯矩
改进结构
二、结构的组合创新
复习：综合创新原理
已知事物 A 已知已事知物 B
……
综合
新已事知物
结构的组合创新： 将不同功能和特点的结构组合起来，实现功能集成、增
衣物与筒壁
水的搅动作用
洗涤液的作用
纤维变形 弯 拉曲伸 扭转
污垢 剥落
使衣物变形充分
提高洗衣机 增加衣物变形的频率 性能的措施 加大水和衣物间的相对速度
水流不断改变方向（防止衣物缠绕）
设计参数
波轮的高度和直径
突肋的形状、数量和尺寸
要进行大量的试验，通过改变波轮的 参数，调整水流。
（如教材表31-2所示）
谢谢你的到来
学习并没有结束，希望大家继续努力
Learning Is Not Over. I Hope You Will Continue To Work Hard
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
例5：振动提升机
小结
螺钉自动整列机构
振动供料机
惯性振动提升机
利用电磁力产生振动
利用离心惯性力 产生振动
利用重力
利用振动与惯性
直接根据力学原理的机构
转动鼓 压刷
1. 转动鼓吸取一张商标纸
2. 商标纸经过粘胶滚子时带上胶
3. 商标纸被吹压在商品盒上
4. 压刷将商标纸贴牢
商标纸
吹吸气泵
粘胶滚子
产品盒
强或互补的结构设计方法。
自攻螺钉
传统结构
改进结构
用钻头钻底孔 用丝锥攻螺纹
螺钉＋丝锥
螺钉＋钻头＋丝锥
三、结构的简化创新
将复杂的结构进行简化设计，保持原有功能不变，且 结构简单、新颖，便于制造、安装、调整和维护。
软盘驱动器中的铰链
弹性金属片（焊接）
原有结构
新结构
仪表中的连接结构
原结构
改进结构
弹性元件
F＝13
F＝21
人手模型
哈工大 HIT/DLR 灵巧手模型
第二节
结构的创新
结构创新设计的思路
结构的变异创新
结构的组合创新
结构的简化创新
结构材料的变异创新
提高性能的创新
一、结构的变异创新
结构变异的方法
结构参数调整
功能面形状变换
（一）结构参数调整
波轮式洗衣机
洗涤机理
摩擦作用
衣物与衣物 衣物与波轮
保持高精度、 可靠性高
局限性 ：只用来传递微幅运动。
例2 机械手机构
功能仿生法
哈工大与德国宇航中心合作研制出 HIT/DLR灵巧手样机
◆ 有4个手指, 共13个自由度, 每个手指有4个关节、3个自 由度, 拇指另有一个开合的自由度。 ◆ 共有零件600多个, 电子元器件1600多个, 传感器89个。 ◆ 尺寸略大于人手, 整体重量1.8千克。 ◆ 采用机电一体化设计方法, 所有的驱动、传动、传感及 电气系统等集成在手指或手掌内。 ◆ 在同类机器人灵巧手中处于国际领先地位.
三、机构的原理移植创新
移植创新原理：将某个学科、领域中的原理、技术、方法 等，应用或渗透到其它学科、领域中，为解决某一问题提 供启迪、帮助的创新方法。
原理移植
技术移植
移植
方法移植
结构移植 材料移植
液压
气动
声音
重力
机构设计
光
电
磁
例1：电话机磁开关
弹性叶片 永久磁铁
弹性叶片被磁铁 吸住，电路不通
运料槽 固定槽
广泛应用于标准件生产中
例4：振动供料机构
料道
工件
槽体 板簧
底座
铁芯线圈 衔铁 减振弹簧
料道
利用电磁力产生振动
工件
槽体 板簧
底座
铁芯线圈 衔铁 减振弹簧
物料移动机理分析
料道向右上方移动， 工件随之移动。
料道向左下方移动，工件 由于惯性并不随之返回。
料道又向右上方移动，工 件随之移动。但工件和料 道的相对位置已改变。