创新设计

该方法强调以成熟的技术为基础， 目前常规机械设计方法仍然是机械工 程中的主要设计方法。
各高等工科学校的机械设计教科书 主要讲授这种方法。
例如：轴的结构设计过程
• 按功率计算出轴的 最小直径
• 根据轴上零件的周 向固定和轴向固定
• 查阅设计手册 • 结构设计
2、现代设计方法
现代设计方法强调以计算机为工具，以工程软 件为基础，运用现代设计理念进行的机械设计。
第一节 机器的组成分析
一、机器的组成
原动机
传动机构
工作执行机构
控制系统
机械创新设计的内容主要涉及到机械运动系统
(从机构学的角度看，传动机构和工作执行机构是相同的，二者统称 机械运动系统)
二、原动机
电动机
内燃机
交流电动机（三相，单相） 直流电动机 伺服电动机
汽油机 柴油机
液压马达
一次能源动力机：水力机、风力机
注意与摆动导杆的区别：都是曲柄导杆机构， LBC> LBA,则是转动导杆，否则是摆动导杆机构
同步带传动机构
带传动机构
摩擦轮传动机构 液力传动机构
绳索传动机构
钢丝软轴
特点：
主、从动件的位置具有随意性
专利： 软轴传 动潜水 泵
汽车 传动 软轴
2、连续转动到步进转动的运动变换与实现机构
5.间歇运动机构
第二节 机构及其运动形态分析
要求：明白如果需要某种形式的运动，有 哪些实现方式。为什么采用这种方式？
第二节 机构及其运动形态分析
1、连续转动到连续转动的运动变换与实现机构 2、连续转动到步进转动的运动变换与实现机构 3、连续转动到往复摆动的运动变换与实现机构 4、连续转动到往复直线移动的运动变换与实现机构 5、连续转动到平面运动的变换与实现机构 6、直线移动到直线移动的运动变换与实现机构 7、直线移动到定轴转动或摆动的运动变换与实现机构
槽轮机构 棘轮机构 不完全齿轮机构 分度凸轮机构
3、连续转动到往复摆动的运动变换与实现机构
3.凸轮机构
2.连杆机构
曲柄摇杆机构 摆动导杆机构
摆动从动件 凸轮机构
摆动从动件平面凸轮机构 摆动从动件圆柱凸轮机构
4、连续转动到往复直线移动的运动变换与实现机构
曲柄滑块机构 正弦机构 直动从动件凸轮机构 齿轮齿条机构 螺旋机构
1、群智集中法：群智集中法又称头脑风暴法 2、仿生创新法 3、功能设计创新法 4、移置技术创新设计法 5、类比求优创新设计法 6、反求创新法
第二节 常规设计、现代设计与创新设计
常规设计
正向设计 现代设计
机械设计方法
创新设计
反向设计 （反求设计）
1、常规机械设计
常规机械设计方法是依据力学和数 学建立的理论公式和经验公式为先导， 以实践经验为基础，运用图表和手册等 技术资料，进行设计计算、绘图和编写 设计说明书的过程。
1、连续转动到连续转动的运动变换与实现机构
1.齿轮传动机构
2.连杆机构
10.绳索传动机构
6.摩擦轮传动机构 11.液力传动机构
8.带传动机构
12.钢丝软轴传动机构
9.链传动机构、 13.万向节传动机构等
椭圆齿轮传动
具有变速传动性能（变传动比）
转动到转动（连杆机构）
双曲柄机构
例：惯性筛
转动导杆机构
瓦特发明的蒸气机现 安放于西班牙马德里
1、机构的创新设计
（2）原有机构演化、变异，导致结构变化
平底推杆盘形凸轮机构
凹圆弧底推杆盘形凸轮机构
传动寿命和效率提高
2、机构应用创新设计
B
1
2
1
C3
A
4
a)曲柄滑块机构
B A
C
b）偏心盘机构
c）剪床机构
3、机构组合设计，导致新机构系统的出现
FE CB
DA
第三节 机械创新设计的内容
• 一、有关机构的几个名词术语
机械：机器和机构的总称 机器：人为的通过运动变换或传递机械能、物
体和信息的物件的组合体 机构：机器中执行机械运动的装置
一、机器
机器实例
机器所共有的三个基本特征：
1)它们都是一种人为的实体的组合，而不是自然之物。 2)机器都有确定的运动。 3)机器可以实现人所期望的机械能、物体和信息的变 换和传递。
注入溶剂，椰肉 溶化成汁
创造性思维改变了 产品加工方法
椰子
由机械加工方法到化学方法生产
结论：
1、常规设计方法是一切方法的基础 2、现代设计方法是在常规设计方法
的基础上，提高设计效率、产品 可靠性和质量的设计方法 3、创新设计的要素是强调创造性的 设计思维，其结果具有巨大效益 4、加强创新教育是高等学校的职责
凡同时具备上列三个特征的实体组合便称为机器。
最一般意义上的机器由下列四部分组成：
(1) 原动部分 原动部分是机器动力的来源。常用的原 动机可分成一次原动机和二次原动机。一次原动机 把自然界的能源转变为机械能。二次原动机把二次 能源如电能、液能转变为机械能。有的简单机器的 原动部分为人力。
(2) 执行部分 执行部分处于整个机器传动运动的终 端，完成预期的机械动作。执行部分可以是一个或 多个构件，且其结构形式随机器的用途不同而呈现 不同形式。有时机构也能成为执行部分，如许多机 械手的抓取部分常为连杆机构。
机构组合创新
第四节 创新人才的基本要求
1、具备基础知识和专业知识 2、具有进取与追求的精神 3、具有创新的思维方式
（打破定势思维，提倡发散思维） 4、善于扑捉瞬间的灵感 5、掌握一定的创新技法（本书重点内容）
思考题:
1、创新的分类，技术创新与应用创新的区别 2、机械创新设计与现代设计、常规设计
的主要区别是什么？ 3、学习机械创新设计的内容有那些？ 4、创新人才应具备那些基本素质？
• 以上述技术为支撑，实现个性化、人性化 、柔性化、低碳化等等。
第四节 机械运动及其控制
一、机械运动的换向与控制 •(1)旋转运动的换向与控制
1)改变电机转向 2）限位开关换向
1)改变电机转向（接触器互锁正反转控制电路）
三、机械传动系统 1、啮合传动：齿轮传动、链传动 2、摩擦传动：带传动、摩擦轮传动 3、螺旋传动 4、万向轴传动 5、钢丝软轴传动 6、液压传动 7、液力传动 8、电磁传动
四、工作执行系统
1、连杆机构 2、凸轮机构 3、齿轮机构 4、间歇运动机构 6、螺旋机构 7、电磁机构
五、控制系统
1、机械控制 2、电器控制 3、自动控制来自3、创新设计：清洗
粉碎
过滤去皮
挤压成型
油炸成产品
红薯泥 薯 条
创新导致加工设 备的改变
设计实例二：椰肉加工机的设计
1、常规设计： 椰子剖开
旋转
刀具切削
刀具
椰 子
椰肉
结果不理想
2、现代设计：
在设计思想没有改变时，通过计算机 仿真、优化设计等，可减少椰肉的损 失、提高生产率，但结果仍然不理想
3、创新设计：
动力部分 传动部分 执行部分 控制部分
下图为一台单缸内燃机，可以把燃油燃 烧时产生的热能转化为机械能。
二、机构
机构是机器中用来传递运动和力或改变运动形式的机械装置。
具有机器的前两个特征：
1)机构都是人为的构件的组合体，且构件总数在3件及以 上（机架也算一件）。
2）组成机构的各构件间有确定的相对运动。
的过程
把已存在的事物应用到某个新领域， 并发生很大的社会与经济效益的具
体实现过程
6、创新方式：其一是由无到有的创新，其二是由有
到新的创新
二、 创新设计的概念
1、设计的概念：是指根据社会或市场的需要， 利用已有的知识和经验，依靠人们思维和劳动， 借助各种平台（数学方法、实验设备、计算机 等）进行反复判断、决策、量化，最终实现把 人、物、信息资源转化为产品的过程。
机械创新设计
第一节 创新与创新方法
一、创新的概念
1、发现：是指原本早已存在的事物，经过人们不断 努力和探索后被人们认知的具体结果。
2、发明：是指人们提出或完成原本不存在的、经过 人们不断努力和探索后提出的或完成的具 体结果。
2.5、创造：也是一种完成新成果的过程，但可能具有一定的 参照物，而不强调原本不存在的事物。
连杆机构 凸轮机构
常用的机构
齿轮机构 间歇运动机构 带传动和链传动机构 螺旋机构
组合机构
按照组成机构元素的相互运动平面的平行与否，机构可分为：
机构 Mechanisms
平面机构
Planar Mechanisms
空间机构
Spatial Mechanisms
机械创新设计的内容
1、机构的创新设计 （1）设计出新机构；
3、创新：是指提出或完成具有独特性、新颖性和实 用性的理论或产品的过程。
4、创新与创造关系：无本质差别，创新是创造的具体 实现。但创新更强调创造成果的
5、创新分类：
新颖性、独特性和实用性
知识创新
人们认识世界、改造世界 的基本理论的总结
技术创新 应用创新
针对具体的事物，提出并完成具有 新颖性、独特性和实用性的新产品
专利： 往复齿轮发动机
将曲轴传动改成齿条 带动齿轮旋转运动
配配重重
配重
曲轴
8、机、气、液机构组合
气缸或液压缸系统与连杆系统的组合， 也可称其为气、液驱动连杆机构。
由动作缸和活塞杆组合而成，主动件 一般均为活塞杆，对于比较复杂的工艺动 作，可采用多缸来完成。
第四节 多功能平口钳的创新设计案例分析
案例分析：多功能平口钳
结论：
无论设计方法如何，常规设计仍然 是最基本的设计方法，是机械设计课程 的根本内容。有关常规设计的基本理论、 基本方法与基本技能不应减少。
三、不同设计方法的实例分析
设计实例一：薯条加工机的设计 设计实例二：椰肉加工机的设计 设计实例三：内平动齿轮传动装
置的设计
设计实例一：薯条加工机的设计
1、常规设计： 2、现代设计： 3、创新设计：
(3)传动部分 传动部分介于原 动机与执行部分之间，用以 传递运动及动力。当原动部 分的速度大小不能满足执行 部分的需要时，传动部分用 机 以实现运动的增速或减速。
(4)控制和操纵部分 该部分的作 器 用是使机器上的原动部分、执行 部分和传动部分协调工作。控制 部分是指通过测量元件取得机器 运行的一定信息，并转换为控制 信息，交由控制器发出信号到操 纵部分，使被控制对象的运动情 况发生变化。
5、连续转动到平面运动的变换与实现机构 行星齿轮机构——行星轮
6、直线移动到直线移动的运动变换与实现机构
双滑块机构 移动凸轮机构
双滑块机构 双滑块机构（椭圆仪）
移动凸轮机构
7、直线移动到定轴转动或摆动的运动变换与 实现机构
2.曲柄滑块机构——滑块主动
1.齿轮齿条机构——齿条主动
齿条主动
滑块主动
2、创新设计：是指在设计领域中，提出的新 的设计理念、新的设计理论或设计方法，从而 得到具有独特性和新颖性的产品。
三、 创造性思维与创造能力的培养
1、创造性思维与潜创造能力
逻辑 灵感 思维 思维
知识
2、创新的涌动力
存在于人类自身的 潜创造能力，只有 在一定压力和一定 条件下才会释放出 能量。
四、 创新方法简介
1、 常规设计方法
第一道工序：清洗：设计清洗机
第二道工序：削皮：设计削皮机
红薯固定，刀旋转，完成削皮的 红薯
刀
任务。
第三道工序：切片后再切条。
需要设计清洗、削皮、切条三套设备，由 于红薯形状 和大小差异很大，控制削皮的厚度较难，导致浪费严重， 生产率也低。
2、现代设计： 在设计思想没有改变时，通过计算机仿真、 优化设计等，可减少削皮的损失、提高生产 率，但仍然不理想。
北京化工大学
全国一等奖
第三节 机械的控制系统
一、机械控制系统的类型
1、机械式控制系统 2、液压控制 3、气压控制 4、电气控制 5、智能控制
二 、 机械控制系统的发展趋势
• 以计算机技术、微电子技术、信息技术、 软件工程技术、无线电通讯技术之综合运 用为手段，朝着智能化、数字化、集成化 的方向发展。
可靠性设计、优化设 计、有限元设计、计算机 辅助设计、虚拟设计等都 是常用的现代设计方法。
现代设计方法在强调运用计算机、 工程设计与分析软件和现代设计理念 的同时，其基本的设计内容是建立在 常规设计的基础上。
在强调现代设计方法的时候，不 可忽视常规设计方法的重要性。
3、创新设计方法
机械创新设计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 术知识，进行创新构思、设计出具有新 颖性、创造性及实用性机械产品的一种 实践活动。
2、创新涌动力的培养 来源于社会因素或自我因素的影响，潜创造
力转换为涌动力。 社会因素包括工作环境中的外部或内部压力 自我因素主要是强烈的事业心 所以，塑造良好的工作环境和培养强烈的事
业心是出现创新涌动力的最好保证。 潜创造力+创新涌动力+灵感 = 创新成果
第二章 机械创新设计的技术基础
第一节 机器的组成分析 第二节 机械运动形态及其变换 第三节 机械运动及其控制 第四节 机械系统及其发展