《机械创新设计》实验指导书

机械创新设计实验指导书

黄彩娥编

韶关学院信息工程学院机电系

二00四年十月二十八日

实验守则

1、实验前认真做好预习，明确本次实验的目的，了解实验内容、步骤及注意事项。

2、实验不迟到，无故迟到二次者实验成绩记为不及格。病假、事假需有医生或班主任证明，无故旷课者，该次成绩记以零分。

3、实验时必须听从辅导教师及实验工作人员的指导，严格遵守设备操作规程，注意人身安全及设备安全，不得随意动用与本次实验无关的设备仪器，不准打闹。

4、损坏设备、仪器根据情节轻重按学校规定须进行全部或部分赔偿。

5、实验完毕，整理好仪器、设备，清理桌面及场地。

6、认真做好实验报告，按时上交。

机构创新设计实验

一、实验目的

1、进行通常轴系结构设计；

2、进行创意轴系结构设计；

3、掌握机构设计的方法——机构的选型和机构的构型；

4、了解机构设计的原则。

二、概述

［一］机构创新设计

一个好的机械原理方案能否实现，机构设计是关键。机构设计中最富有创造性、最关键的环节，是机构形式的设计。常用机构形式的设计方法有两大类，即机构的选型和机构的构型。

(一)机构形式设计的原则

机构形式设计具有多样性和复杂性，满足同一原理方案的要求，可采用不同的机构类型。在进行机构形式设计时，除满足基本的运动形式、运动规律或运动轨迹要求外，还应遵循以下几项原则。

1、机构尽可能简单

(1)机构运动链尽量简短

(2)适当选择运动副

(3)适当选择原动机

(4)选用广义机构

2、尽量缩小机构尺寸

机械的尺寸和重量随所选用的机构类型不同而有很大差别。众所周知，在相同的传动比情况下，周转轮系减速器的尺寸和重量比普通定轴轮系减速器要小得多。在连杆机构和齿轮机构中，也可利用齿轮传动时节圆作纯滚动的原理或利用杠杆放大或缩小的原理等来缩小机构尺寸。

一般说来，圆柱凸轮机构尺寸比较紧凑，尤其是在从动件行程较大的情况下。盘状凸轮机构的尺寸也可借助杠杆原理相应缩小。

3、应使机构具有较好的动力学特性

机构在机械系统中不仅传递运动，而且还要起到传递和承受力(或力矩)的作用，因此要选择有较好的动力学特性的机构。

(1)采用传动角较大的机构

(2)采用增力机构

(3)采用对称布置的机构

(二)机构的选型

所谓机构的选型，是指利用发散思维的方法，将前人创造发明出的各种机构按照运动特性或实现的功能进行分类，然后根据原理方案确定的执行构件所需要的运动特性或实现功能进行搜索、选择、比较和评价，选出合适的机构形式。

1、按运动形式要求选择机构

机构选型一般先按执行构件的运动形式要求选择机构，同时还应考虑机构的功能特点和原动机的形式。

机械系统中，电动机输出轴的运动为转动，经过速度变换后，执行机构的原

动件的运动形式亦为转动时，而完成各分功能的执行构件的运动形式却是各种各样的。当机构执行动作的功用很明确，如夹紧、分度、定位、制动、导向等功用时，设计者可遵照这些功用查阅有关机构手册，分析相应功能的各类机构，进行选择。

实现同一功能或运动形式要求的机构可以有多种类型，选型时应尽可能将现有的各种机构搜索到，以便选出最优方案。

2、机构方案的评价

评价指标和评价体系

满足同一运动形式或功能要求的机构方案有很多，对这些方案应从运动性能、工作性能、动力性能等方面进行综合评价。

所谓评价体系，是通过一定范围内的专家咨询，确定评价指标及其评定方法。对于不同的设计任务，应根据具体情况，拟定不同的评价体系。针对具体设计任务，科学地选取评价指标和建立评价体系是一项十分细致和复杂的工作，也是设计者面临的重要问题。只有建立科学的评价体系，才可以避免个人决定的主观片面性，减少盲目性，从而提高设计的质量和效率。

（三）机构的构型

当应用选型的方法初选出的机构形式不能完全实现预期的要求，或虽能实现功能要求但存在着结构复杂、运动精度不够或动力性能欠佳等缺点时，设计者可以采用创新构型的方法，重新构筑机构的形式，这是比机构选型更具有创造性的工作。

机构创新构型的基本思路是：以通过选型初步确定的机构方案为雏型，通过组合、变异、再生等方法进行突破，获得新的机构。

常用的几种方法如下：

1、利用组合原理构型新机构

组合机构的类型很多，每种组合机构具有各自特有的型组合、尺寸综合及分析设计方法。组合机构结构比较复杂，设计计算繁复，研究起来比较困难。随着计算机和现代设计方法的发展，极大地推动了组合机构的研究发展，目前许多场合都采用了它，尤其在各种自动机器和自动生产线上得到广泛应用。

2、利用机构的变异构型新机构

为了实现一定的工艺动作要求，或为了使机构具有某些特殊的性能，改变现有机构的结构，演变发展出新机构的设计，称为机构变异构型。机构变异构型的方法很多，以下是几种常用的变异构型的方法：

（1）机构的倒置

机构的运动构件与机架的转换，称为机构的倒置。按照运动相对性原理，机构倒置后各构件间的相对运动关系不变，但可以得到不同特性的机构。

（2）机构的扩展

以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个新机构，称为机构的扩展。机构扩展后，原有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有很大差别。

（3）机构局部结构的改变

改变机构的局部结构，可以获得有特殊运动特性的机构。

改变机构的局部结构最常见的情况是，机构的主动件被另一自由度为1的机构或构件组合所置换。

（4）机构结构的移植和模仿

将一机构中的某种结构应用于另一种机构中的设计方法，称为结构的移植。利用某一结构特点设计新机构，称为结构的模仿。

要有效地利用结构的移植和模仿构型出新的机构，必须注意了解、掌握一些机构之间实质上的共同点，以便在不同条件下灵活运用。例如，圆柱齿轮的半径无限增大时，齿轮演变为齿条，运动形式由转动演变为直线移动。运动形式虽然改变了，但齿廓啮合的工作原理没有改变。这种变异方式，可视为移植中的变异。掌握了机构之间的这一实质性的共同点，可以开拓直线移动机构的设计途径。

（5）运动副的变异

改变机构中运动副的形式，可构型出不同运动性能的机构。运动副的变换方式有很多种，常用的有高副与低副之间的变换、运动副尺寸的变换和运动副类型的变换。

3、利用再生运动链法构型新机构

在设计一个新机构时，要构想出能达到预期动作要求的机构，往往非常困难。如果借鉴现有机构的运动链形式，进行类型创新和变异可得到新的机构类型，这种设计方法称为再生运动链法。

4、广义机构创新设计

随着科学技术的迅速发展，利用液、气、声、光、电、磁等工作原理的机构应用日益广泛。这类机构统称为广义机构。在广义机构中，由于利用了一些新的工作介质和工作原理，较传统机构更能方便地实现运动和动力的转换，并能实现某些传统机构难以完成的复杂运动。

［二］轴系结构设计实验箱的基本配置

创意组合式轴系结构设计实验箱，基本零件中共有68种125件，另配有标准件7类166件，该套轴系是目前国内同类产品中较为齐全、数量最多、覆盖教材内容较广的产品，其设计先进，加工精细，提供装配方案最多(三十一种)有利于开阔丰富学生的视野，对开展轴系结构设计和轴系结构分析，培养学生的机械设计能力具有明显的效果。

该套轴系结构设计实验箱，能方便地组合三十一种以上轴系结构方案，具有内容系统方案多样的特点，同时还可利用两块底板处于不同的位置(同一平面或垂直平面)，实现创意组合及相互传动，突破原有产品单一的平面组合内容，扩大了使用范围，丰富了教学内容，更能启发学生的创新思维，加深对轴系内容学习的兴趣，为今后的机械创新设计打下一定的基础。

［三］实验内容

机构设计的实验内容分为两个：

实验一、通常轴系结构设计

实验时，先根据实验箱中提供的图纸，按装配图及零件明细表，将零件及标准紧固件选配齐全，分先后步骤在底板上一步步进行组装，达到完全符合装配图为止，再转动轴类旋转零件，是否转动灵活、检查装配是否正确。然后，全班以各小组为单位，进行轴系结构分析、讨论，并选派代表进行讲解。最后，拆卸轴系结构，并将零件及标准紧固件整理归实验箱，放回实验箱。

实验二、创意轴系结构设计

按照机构创新设计的方法，小组进行创意轴系结构设计，提出设计方案，画出装配图简图。然后按通常轴系结构设计实验步骤进行创意轴系结构设计实验。

三、实验报告要求

1、写出实验目的。

2、画出轴系结构设计的装配图。

3、根据机构创新设计原理，进行通常轴系结构设计／创意轴系结构设计分析。

四、思考问题

1、机构形式设计的原则是什么？

2、怎样进行机构的选型？

3、怎样利用组合原理构型新机构？

4、怎样利用机构的变异构型新机构？机构的变异构型有那些方法？

5、怎样利用再生运动链法构型新机构？

6、什么是广义机构？怎样进行广义机构创新设计？

五、注意事项：

1、该套零件全部采用铝合金制作，在选用时不得任意敲打、锤挫，以免伤害零件表面影响今后使用。

2、该套轴系零件加工精密，配有专用的实验箱存放。实验时要爱惜零件，不得丢失。每箱零件只能单独装箱存放不得与其它箱内零件混杂在一起，否则，不利于下次实验使用。

3、每套实验箱配备有说明书和装配图，图纸需爱惜使用不得弄脏、损坏和丢失，实验完成后将说明书和图纸一起存放在箱中。

七、附：轴系结构图

结构组合创新实验

一、实验目的

1、熟悉组合创新的定义。

2、了解组合创新的重要意义。

3、掌握组合创新的方法。

4、进行通常机构的组合设计。

5、进行创意机构组合设计。

二、概述

(一) 组合创新方法

组合创新方法是指按照一定的技术原理，通过将两个或多个功能元素合并，从而形成一种具有新功能的新产品、新工艺、新材料的创新方法。在组合中求发展，在组合中实现创新，这已经成为现代技术创新活动的一种趋势。

人类数千年的发展历程中积累了大量的各种技术，这些技术在其所应用的领域中逐渐发展成熟，有些已经达到相当完善的程度，这是人类的一笔巨大的财富。为实现某些新的功能，将这些成熟的技术进行重新组合，形成新的功能元素，这样的创新活动如能满足某种社会需求，则将是一种成功率极高的创新方法。

由于形成组合的技术要素比较成熟，使得应用组合法从事创新活动的一开始就站在了一个比较高的起点上，不需要花费较多的时间、人力和物力去开发专门的新技术，不要求发明者对所应用的每一种技术要素都具有高深的专门知识，所以应用组合法从事创新活动的难度相对较低。这种方法的应用有利于群众性的创造发明活动的广泛开展。

虽然组合创新法所使用的技术元素是已有的，当时它所实现的功能是新的，如果组合适当，同样可以做出重大的发明。

每一项技术在其初始应用的领域内有它的初始用途，通过将其与其他技术要素重新组合，扩大了已有技术的应用范围，更充分地发挥了已有技术的作用，推动了已有技术的进步，也推动了社会的进步。

组合创新方法有多种形式，从组合的内容区分有功能组合、原理组合、结构组合、材料组合等，从组合的方法区分有同类组合、异类组合等，从组合的手段区分有技术组合、信息组合等，部分常用组合方法如下：

1、功能组合

有些商品的功能已被用户普遍接受，通过组合可以为其增加一些新的附加功能，适应更多用户的需求。

2、材料组合

有些应用场合要求材料具有多种特征，而实际上很难找到一种同时具备这些特征的材料，通过某些特殊工艺将多种不同材料加以适当组合，可以制造出满足特殊需要的材料。

3、同类组合

将同一种功能或结构在一种产品上重复组合，满足人们更高的要求，这也是一种常用的创新方法。

4、异类组合

有两种或两种以上不同功能的物质产品的组合；有两种或两种以上不同领域

的技术思想的组合。

在商品生产领域中进行创新活动的目的是用新的商品满足用户的需求，从而获得最大的商业利益。

人们在从事某些活动时经常同时有多种需要，如果将能够满足这些需求的功能组合在一起，形成一种新的商品，使得人们在从事活动时不会因为缺少其中某一种功能而影响活动的进行，这将会使人们工作、学习、生活更加方便，同时商品生产者也将获得相应的利益。

有些不同的商品具有某些相同的成分，将这些不同的商品加以组合，使其共用这些相同成分，可以使总体结构更简单，价格更便宜，使用也更方便。

有些不同商品的功能人们不会同时使用，将这些不同时使用的商品功能组合在一起，通常可以起到节省空间、方便生活的作用。

5、技术组合

技术组合法是将现有的不同技术、工艺、设备等加以组合，形成解决新问题的新技术手段的发明方法。随着人类实践活动的发展，在生产、生活领域里的需求也越来越复杂，很多需求都远不是通过一种现有的技术手段所能够满足的，通常需要使用多种不同的技术手段的组合来实现一种新的复杂技术功能。技术组合法可分为：

(1)聚焦组合

聚焦组合法是指以待解决的特定问题为中心，广泛地，寻求与解决问题有关的各种已知的技术手段，最终形成一种或多种解决这一问题的综合方案。应用这种方法的过程中特别重要的问题是寻求技术手段的广泛性，要尽量将所有可能与所求解问题有关的技术手段包括在考察的范围内。只有通过广泛的考察，不漏掉每一种可能的选择，才可能组合出最佳的技术功能。

(2)辐射组合

辐射组合法是指从某种新技术、新工艺、新的自然效应出发，广泛地寻求各种可能的应用领域，将新的技术手段与这些领域内的现有技术相组合，可以形成很多新的应用技术。这种方法可以在一种新技术出现以后迅速地扩大它的应用范围，世界发明历史上有很多重大的发明都经历过这样的组合过程。

6、信息组合法

应用组合法从事创新活动的关键问题是合理地选择被组合的元素，为了解决这个问题，提高组合创新的效率，有人提出一种非常有效的组合方法——信息组合法。

将有待组合的信息元素制成表格，表格的交叉点即为可供选择的组合方案。通过组合可对新产品开发提供线索。列在表格中参与组合的元素不但可以是完整的商品，也可以是商品的属性，参与组合的因素可以是二维的也可以是多维的。信息组合法能够迅速提供大量的原始组合方案，作为进一步分析的基础。

7、主体附加

在原有的技术思想中补充新的内容，在原有的物质产品上增加新的附件。

8、重组

在事物的不同层次上分解原来的组合，而后再以新的意图组合起来。重组作为一种创造手段，可以更有效地挖掘和发挥现在技术的潜力。

(二)实验原理

1、杆组的概念

由于平面机构具有确定运动的条件是机构的原动件数目与机构的自由度数

目相等，因此机构均由机架、原动件和自由度为零的从动件系统通过运动副联接而成，将从动件系统拆成若干个不可再分的自由度为零的运动链，称为基本杆组，简称杆组。

根据杆组的定义组成平面机构杆组的条件是：的杆组。

F=3N-2P

5-P

4

其中构件数N，高副数P

5，低副数P

4

都必须是整数。由此可以获得各种类型

的杆件。

N=1，P

5=1，P

4

=1时即可获得单件高副杆件，常见的有如下几种：

当P

4

=0，称之为低副杆，即

F=3N-2P

5

＝0

因此满足上式的构件和运动副的组合为：N=2，4，6……，P

5

=3，6，9……。

最简单的杆组为N=2，P

5

=3，称为Ⅱ级组，由于杆组中转动副和移动副的配置不同，Ⅱ级组共有如下五种形式：

N=4， P

5

=6的杆组形式很多，机构创新模型已有图所示的几种常见的Ⅲ级杆组。

2、机构的组成原理：

根据如上所述，可将机构的组成原理概述为：任何平面机构均可以用零自由度的杆组依次连接到原动件和机架上去的方法来组成。这是本实验的基本原理。

(三)机构组合创新装置的特点

1、该装置根据机构组成原理和杆组(包括高副杆组)迭加原理而设计，能使学生通过实验进一步掌握机构组成理论，熟悉杆组概念和机械传动的基础知识，为创新设计奠定良好的基础。

2、该装置既有组成机构的低副杆组、高副杆组、组成这些杆组的各构件、机架和其他辅助连接件等也有机械传动的典型零件等内容。可拼接连杆机构、曲柄滑块机构、齿轮机构、凸轮机构、间歇运动机构及带传动、链传动、蜗轮蜗杆传动、齿轮齿条传动，同时，可以由它们组成的性能各异的、平面的、空间的组合机构和机械传动系统，有利于培养学生机械传动系统方案的设计能力。

3、本实验装置各传动系统层次分明，联接可靠不会产生构件之间的运动干涉或脱离，且能手动也可电动。

4、该实验装置和联接方式，具有设计巧妙，使用调节范围大，拆拼轻松方便，结构紧凑，元件之间的通用性好，拼接方案多等特点。

5、该实验装置进行精心设计和制造，所有元件刚性好，主要部分采用了优质钢材，有色金属等新材料及新工艺，严格按国家标准进行加工，外观简洁明快，造型美观。

6、该实验装置随机备有使用说明书和实验拼装示意图。

(四) 机构组合创新装置的基本配置(该装置一套(2台) 配置如下)：

1、组合机架

组合机架是该实验装置的主体，每套装置配有二台机架。

该机架由二大部分组成。

1)底座部分：主要起支承支架，安装电机板和电机用，与支架(螺钉连接)连接组装为一糙体。电机可在底座上作左、右、前、后调整移动。

2)支架部分：在底座上，垂直装有二根内支架，其底部装有可调整螺钉，可将其支架承受的力传递到实验台上，减小架体的受力变形。在内支架体上采用十字接头将移动走条板水平方向与架体相联，其走条板可上、下、左、右灵活的移动，满足实验装置时任意位置调整的需要。在直条板上根据不同的实验方案，又安装若干个滑动块，且滑动块可随走条板上、下移动，也可独立的在走条板上作左右移动，满足实验任意间距调整的需要，整个机架装拆方便，使用灵活，调整范围大。

2、轴类零件：

该部分共提供了九种54个零件，主要供实验时安装各种迥转体零件及辅助件用。该部分零件制造精密，精度高，配合好，在实验中各种迥转运动均由该部分零件组装实现，按照功能有不同的尺寸不同的结构，从而满足不同的需求。

3、接头体类零件：

该部分总共提供了七种，近50个零件，保证在实验时，组合各种构件及连杆机构和传动机构的需要，均采用了金属材料精密加工制造，相互间互换性强，选择范围广，是实验过程中各种零件相互联接的重要零件。

4、连杆

连杆为该实验装置中基本零件，共有六种24个零件。主要满足连杆综合实验的需要及其它实验中的连接需要，均采用了金属材料，经精密加工而成，其表面采用了镀铬处理。

连杆为长方形，可套入接头部分滑块及滑套方孔内进行滑动和固定，基本连杆中最短为60mm，最长为300mm，可用于各种拼接，如组成五种平面低副Ⅱ级杆组和四种平面低副Ⅳ级杆级，超过300mm的杆可另行组装连接加长而成。

可根据需要长组装连接，套入相应零件中作固定转动支点用。

5、齿轮齿条类零件

该部分主要有正齿轮六种，锥齿轮二种，齿条一种20个零件，正齿轮模数相同(m＝2.5)，齿数分别为18、20、32、44、50、60，可提供49种传动比，齿轮上加工分布有M8通孔，可与相关的接头体配合与连杆相联接，使齿轮作曲柄用。

与齿轮模数相等的齿条，可通过连接件与齿轮配合使用，形成齿轮齿条机构。

锥齿轮，主要为典型的空间传动组成有关机构时实现运动的传递，改变运动的传递方向。

(五) 机构组合创新装置的特殊配置

此部分配置提供的零件，主要有以下部分，用于机构组合创新实验，机构组成原理拼装实验时选用，简介如下：

1、凸轮：

根据需要配备了偏心园盘凸轮：园盘直径为lOOmm，偏心距e=10mm，20mm 两种。

2、槽轮及拨盘组件：

实验装置专门配有槽轮及其组件一套，可供机构传动实验时选用。

3、棘轮及组件(一套)。

4、蜗轮蜗杆一套。

5、链轮链条一套：

以上零件按每套实验台配置，二个台架之间可相互交错使用。

三、实验前的准备工作

1、要求预习本实验，掌握组合创新的方法，掌握实验原理，初步了解本实验机构的使用方法及注意事项。

2、按照设计题目——通常机构组合设计和创意机构组合设计，初步拟定机构系统运动方案，正确地拆分杆组。

3、每组要相互配合协调，注意拼装过程中的安全，及工具的正确使用方法。

四、实验内容

机构设计的实验内容分为两个：

实验三通常机构组合设计

实验时，先根据组合创新的方法和实验原理，认真分析实验台上的机构，正确地拆分杆组。然后选择机构方案，根据本说明书提供的部分机构组装方案的图纸，按图纸重新将零件及标准紧固件选配齐全，分先后步骤在底板上一步步进行组装，达到完全符合装配图为止，再手动装配的机构，检验是否转动灵活、装配是否正确。在指导老师同意后，再装配电动机电动。

全班以各小组为单位，对所装配的机构进行分析、讨论，并选派代表进行讲解。

实验四创意机构组合设计

按照机构组合创新设计的方法，各小组进行创意结构组合设计，提出设计方案，画出装配图简图。然后按图纸将零件及标准紧固件选配齐全，分先后步骤在底板上一步步进行组装，达到完全符合装配图为止，手动装配的机构，检验是否转动灵活、装配是否正确。在指导老师同意后，再装配电动机。

全班以各小组为单位，对所装配的机构进行分析、讨论，并选派代表对自己组的组合设计方案进行讲解。

五、实验方法与步骤

1、正确拆分杆组

从机构中拆出杆组具有三个步骤：

1)先去掉机构中的局部自由度和虚约束;

2)计算机构的自由度，确定原动件；

3)从远离原动件的一端开始折分拆分杆组，每次拆分时，要求先试着拆分Ⅱ级组，没有Ⅱ级组时，再拆分Ⅲ级组等高一级组，最后剩下原动件和机架。

拆组是否正确的判定方法是：拆去一个杆组或一系列杆组后，剩余的必须是一个完整的机构或若干个与机架相联的原动件，不能有不成组的零散构件或运动副存在；全部杆组拆完后，只应当剩厂与机架相联的原动件。

2、正确拼装杆组

将机构创新模型中的杆组，根据给定的运动学尺寸，在平板上试拼机构。拼

接时，首先要分层，一方面是为了使各构件的运动在相互平行的平面内进行，另一方面是为了避免各构件间的运动发生干涉，这一点是至关重要的。

试拼之后，从最里层装起，依次将各杆组联接到机架上去。杆组内和构件之间的联接已由机构创新模型提供。

3、实验注意事项

1)在熟悉撑握了上述有关内容后，实验即可进行。

在机架上先按层次从里到外，分层拼装，拼装完成后，再检查各层次是否在同一平面，有无干涉现象发生，并摇动机架上手轮试转动灵活否，经过实验老师检查后，才能拼装上电机实现电动。

2)实验结束后，按步骤分层次拆除零件，并在擦拭干净后涂上防锈油，归放原处妥善保管。

六、实验报告要求

1、写出实验目的。

2、画出结构组合设计的装配图。

3、根据机构创新设计原理，进行通常机构组合设计／创意机构组合设计分析。

七、思考问题

1、什么是组合创新？组合创新有什么意义？

2、组合创新有那些方法？怎样进行？

3、什么是基本杆组？

4、机构的组成原理是什么？

5、怎样进行杆组拆分？

6、怎样进行杆组组合？

八、附：部分结构图