机械创新设计简介与基础知识

第1页2机械创新设计简介与基础知识在新的世纪里竞争日益激烈，科学技术依然是推动人类社会进步的第一生产力。创新是人类文明进步的原动力，是技术和经济发展的源泉，也是培养和造就人才的重要途径，在世界进入知识经济的时代，创新更是一个国家国民经济可持续发展的基石。人类的科技已经到达很高的水平，特别是机械行业，传统的设计水平进步很慢。而现在人们的需求也越来越高，所以人们迫切需要创新设计。2.1创新设计概论创新设计是一种现代设计方法，它是研究设计程序、设计规律和设计思维与方法的一门新型综合性科学。在机械设计过程中，创新设计对更大程度的满足人类生产和生活的需要，促进经济的发展和社会的进步有非常重要的作用。说起创新设计大家总觉得很神秘、陌生。其实回想历史上的许多发明家，我们不难看出，创新发明其实有时候只是我们身边存在的小问题，经过我们思考之后加上灵感找到解决问题的方法或是发现新的事物。比如传说鲁班爬山时手被草割破，经过他的仔细思考发明了至今仍在使用的锯子；还有瓦特观察大水烧开后能将壶盖顶起，依据这个原理他发明了蒸汽机，导致了第一次工业革命。另外创新设计需要勇气和毅力。大家一定知道袁隆平先生历尽磨难研究成功杂交水稻的事迹。这正是告诉了我们在进行创新设计过程中要破除思想封锁，树立信心，持之以恒，最终一定能解决问题。但是我们也需要逐步培养起分析创新设计可行性的能力，不能盲目到想要发明一种以水为燃料的内燃机。2.2机械创新设计（MCD）的概念及创新人才培养机械创新设计（MCD）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成果（含理论、方法、技术、原理等），进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品（装置）的一种实践活动。其目的是由所要求的机械功能出发，改进、完善现有机械或创造发明新机械实现预期第2页的功能，并使其具有良好的工作品质及经济性。所以培养创新人才要做到如下几点：第一；要勇于创新和善于探索，有信心，勇气和创意。第二：要掌握创新原理和创新技法。我们应通过学习和训练培养良好的创造心理，并要多思考多练习，将思维运用到实际中去，以提高创新的技法。第三：要有创新的物质条件和精神条件。第四：要有创新的意识，有较强的逻辑思维能力。创新不是空想，更不是不切合实际的想象，应该拥有创新的意识和较强的逻辑思维能力，能够把感性认识上升到理性认识，能够透过现象看其内在的本质，而且不能将思维停留在过去或现有的模式中，这样才可能创造出新颖先进的产品。第五：加强创新实践。在实践中锻炼创新能力更胜于学习理论知识。创新设计实践包括了解问题、设计方案和执行方案三个阶段。2.3创新设计的分类机械创新设计通常分为以下几种类型。1.开发性设计即在工作原理、结构等完全未知的情况下，针对新任务提出新方案，开发设计出以前没有的新产品。例如有人利用磁铁的同极相斥异极相吸的原理设计了一种磁力驱动装置，该装置使用固定磁铁与旋转磁铁同极相对，使两磁铁间出现相斥的力，先由外力启动，然后由永久磁铁的磁力驱动转子继续旋转，并向外输出能量，从而产生一种洁净、高效廉价的新能源。2.变型设计应包括转用创新即将某一已有的成熟的技术和结构进行适当变异，设计出使用领域更广的产品。3.适应性设计亦称反求设计。针对已有的产品设计，在消化吸收的基础上，对产品作局部变更或设计出一个新部件，使产品更能满足使用要求。4.组合创新设计将已有的零部件组合成为一种新产品，实现一种新的整体功能。例如，世界上的第一辆汽车就是组合创新的优秀成果，它是将汽车时代以前就有的转向装置、刹车装置、弹簧悬架等组合在一起成为新的交通工具。组合创新设计要求组合后的产品在性能上具有1+1＞1的效果，而在结构上则为第3页1+1＜1。开发设计以开拓、探索创新，变型设计通过变异创新，适应性设计在吸取中创新，组合创新设计，则是在结构或机构的综合上创新。总之，创新是各种创新设计的共同点。2.4创新设计的特点创新设计具有以下特点：1.创新设计是有目的、有约束的创造活动。它以满足社会需要为出发点，为社会提供实现预期功能的产品。因此创新设计的创造模式为：社会需要→设计→产品。2.创新设计离不开继承。创新设计当然要求不断的更新换代，但是任何一种创新设计都是在前人设计或是理论的基础上进行改造、创新发展起来的，是一种“继承+创新”的成果。3.创新设计的模糊性。创新设计的过程不如传统的再现性设计那样明确。因此当你拿到一个设计课题时，必须先进行需求调查，考虑已有条件分析其可行性，然后进行创新思维，所以说创新设计是一个探索的过程。2.5机械创新设计的基础知识在上面的介绍中我们了解了机械创新设计的概念和特点等，也知道了进行机械创新设计需要具备很多的条件（包括创新设计的原理和方法），在介绍机械创新设计的基本原理和方法前，我们还应该掌握机械创新设计的基础知识。只有有了具备了创新设计的条件，再结合机械创新设计的基础知识、原理和方法，才能在实际工程领域的创新实践中发挥出很好的成绩。2.5.1机械的基础知识1.机械的概念机械是机构和机器的总称。我们在实际工程的领域中，常把具体的机械叫机器或机构，把机器中的机械运动系统叫机构。从功能变换的观点看，机构与第4页机械有很大的区别。机器指用来根据某种使用要求而设计的一种执行机械运动的装置，而机构都是用来传递与变换运动和力的可动装置。机械是用来传递运动或动力的能完成有用机械功的装置，用来变换或传递能量、物料与信息。其特点如下：1）机械首先必须是执行机械运动的装置。2）机械必须进行物料或信息的变换与传递，并完成有用的机械功。3）机械中必须要完成能量的转换。执行机械运动的装置是机械的主体，该部分是创新设计的重点内容。其运动方案部分相当于机械原理中的机构运动系统简图的设计。是否完成有用的机械功是辨别能否成为机械的关键条件。从机械学的角度看，电视机、计算机不是机械，这是因为它们的内部结构不是执行机械运动的装置，也没有克服外力作机械功。而剥线钳、手摇钻、门窗启闭的杆件系统等装置，因没有能量的转换，一般称之为机构，由于机构也是执行机械运动的装置，故纳入机械的概念中。根据机械的特点，还可把机械分为动力机、工作机和信息机。动力机：一般也叫原动机，是一种把其它形式的能量转化为机械能的机械。按原动机转换能量的方式可分为三大类。第一类有三相交流异步电动机、单向交流异步电动机、直流电动机、步进电动机等，它们都是把能量转化为机械能的机器。第二类有柴油机、汽油机、蒸汽机、燃汽机轮、原子能发动机等，它们都是通过燃煤、油、铀获得热能再转化为机械的机器。第三类有水轮机、风力机、潮汐发动机、地热发动机、太阳能发动机等，它们都是把自然力转化为机械能的机器。根据原动机输出的数学性质，还可以把原动机划分为线性原动机和非线性原动机。当原动机输出的位移（或转角）函数为时间的线性函数时，称为线性原动机。如交、直流电动机是线性原动机。当原动机输出的位移（或转角）函数为时间的非线性函数时，称为非线性原动机。如步进电机、伺服电机是非线性原动机。非线性原动机包括控制系统，第5页也可作为线性原动机使用，其最大特点可具有可控性。弹簧力、重力、电磁力、记忆合金的热变形力都可以提供驱动力，但已不属于原动机的范畴。工作机：工作机是指利用原动机提供的动力实现物料或信息的传递，克服外载荷而作有用机械功的机械。大部分机械都是工作机，工作机中必须包含原动机。否则，只能称为机械装置。汽车、起重运输等机械通过搬运物料而作机械功，各类金属加工机床也是通过物料的传递或转移而作机械功。原动机的种类有限，而工作机的种类却是多种多样。由于工作机是完成各种复杂动作的机械，它不仅有运动精度的要求，也有强度、刚度、安全性、可靠性的要求。信息机：信息机也是一种工作机，只不过是通过各种复杂的信息来控制机械运动。如打印机是通过计算机的指令来控制打印工作的，绘图机、复印机、传真机、收音机都是信息机。2.机械的组成掌握机械的组成我们可以参照图2-1所示的机械组成的示意图。图2-1机械组成的示意图如上图所示，机械一般由原动机、机械运动系统、控制系统和辅助系统组成。机械运动系统可以是单一的工作执行机构，也可以是由机械传动机构和工原动机传动机构执行机构控制系统辅助系统，例如润滑、显示、照明等第6页作执行机构的组合。控制系统可以是手柄、按钮式的简单装置或电路，也可以是集微机、传感器、各类电子元件为一体的强、弱电相结合的自动化控制系统。控制系统可以是原动机直接进行控制，也可以通过控制元件对传动机构或工作机构进行控制。a）b）c）图2-2无转动机构的机械图2-3油田抽油机机构简图1—电动机2—带传动3—减速箱4—ABCDE为连杆机构工程中，有些机械没有传动机构，而是由原动机直接驱动执行机构。如水利发电机组、电风扇、鼓风机以及一些用直流电动机驱动的机械，都是没有传发电机水轮机电动机扇叶伺服电动机伺服电动机工作台XY第7页动机构。随着电机调速技术的发展，无传动机构的机械有增加的趋势。图2-2所示为机械中没有传动机构。图2-2a为水力发电机，图2-2b为鼓风机，图2-2c为二坐标机床的工作台。具有传动机构的机械占大多数。图2-3所示的油田抽油机就是具有代表性的机械。图2-3中，带传动与齿轮减速箱为传动机构，起缓冲、过载保护、减速的作用。连杆机构ABCDE为执行机构，圆弧状驴头通过绳索带动抽油杆往复运动。3.机械运动系统机械运动系统主要指机械中的传动机构和工作执行机构，从机构学的角度看问题，二者是相同的，只不过在机械中所起的作用不同。有些机械中有时很难分清传动机构和执行机构，故二者统称为机械运动系统。机械运动系统可以是机构的基本型，也可以是机构的基本型的机构组合或组合机构。1）机构的基本型机构的基本型是指最基本的、最常用的机构型式。目前，最常见的机构有连杆机构(图2-4a)、凸轮机构(图2-4b)、齿轮机构(图2-4c)、带传动机构(图2-4d)、蜗杆传动机构(图2-4e)等，由于基本型的确定原则尚无确切说明，这里就不再对这些常见机构进行划分了。a)b)c)第8页d)e)图2-4常见机构类型2）机构的组合形象的来说，机构就是一部机器的骨骼图，在实际应用中，单一的机构经常不能满足不同工作的需要。把一些基本机构通过适当的方式连接起来，从而组成一个机构系统，称为机构的组合。在机构的组合系统中，各基本机构都保持原来的结构和运动特性，都有自己的独立性。在机械运动系统中，机构的组合系统应用很广泛。例如，图2-5所示的铁板运输机中，定轴齿轮1把运动传递给齿轮2，定轴齿轮1上的曲柄通过连杆机构ABCD把运动传递给系杆H。齿轮2、3、4与系杆H构成一个差动轮系，该轮系的两个输入均为主动轮1提供，最后由齿轮3输出。可见，该系统中的连杆机构和差动轮系机构都没有因为互相连接而影响自己的机构特性。图2-5第9页我们创新设计机构时，要把握机构组合系统中的各机构均保持其原来的特性的原则，应该对机构组合系统中的各个机构进行独立的分析与设计。3）组合机构在分析创新设计类型时，我们知道有一种创新叫组合创新设计。组合机构就包含其中，它是机构创新的重要方法之一。我们首先应该清楚，组合机构是指若干基本机构通过特殊的组合而形成的一种具有新属性的机构，可见，它与与机构组合有本质的不同。组合机构中的各基本机构已不能保持各自的独立性，所以我们就不能用原基本机构的分析和设计方法进行组合机构的设计。每种组合机构都有各自的分析和设计方法。常见的组合机构有齿轮—连杆组合机构、齿轮—凸轮组合机构、凸轮—连杆组合机构。组合机构常用于完成复杂运动的机械系统中。如图2-6所示的齿轮连杆组合机构，它就是实现较复杂运动轨迹的机械系统。其中的五杆机构ABCDE的两个输入运动是通过齿轮1、2的运动来实现的，适当的选择机构尺寸与齿轮传动比，可得到预定的连杆曲线。图2-6齿轮连杆组合机构4.机械的控制系统随着机械行业的不断发展控制系统在机械中的作用也越来越突出，我们在进行机械创新设计时也可以将思维转移到这一领域，用自动化甚至智能化的控制系统来代替传统的手工操作。第10页目前机械设备中的控制系统常见的有：机械控