《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐》課件 第六章 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐

第六章

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐目錄6.1方案設(shè)計(jì)6.1.1組建團(tuán)隊(duì)6.1.2主題擬定與調(diào)研

6.1.3方案對(duì)比與評(píng)價(jià)6.1.4

運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析

6.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.2.2零部件設(shè)計(jì)與校核6.2.3零部件的精度設(shè)計(jì)6.2.4控制程序設(shè)計(jì)6.2.5圖樣繪制6.2.6結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié)

目錄6.3工藝設(shè)計(jì)6.3.1經(jīng)濟(jì)性分析6.3.2加工和制造6.3.3機(jī)械加工工藝過(guò)程設(shè)計(jì)6.3.4樣機(jī)測(cè)試與調(diào)試6.3.5項(xiàng)目總結(jié)6.4項(xiàng)目成果的提煉6.4.1專利申請(qǐng)6.4.2論文撰寫6.4.3學(xué)科競(jìng)賽6.4.4創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練

6.1方案設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)以團(tuán)隊(duì)形式進(jìn)行,從方案構(gòu)思到產(chǎn)品制造及其推廣的全生命周期,涉及方案設(shè)計(jì)、

技術(shù)設(shè)計(jì)、

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、

加工工藝等多個(gè)方面。實(shí)踐活動(dòng)可選擇某一方向或主題展開(kāi),選題充分考慮每名隊(duì)員學(xué)生感興趣的課題和方向,以需求為牽引,技術(shù)為推動(dòng),注重基于問(wèn)題、

基于興趣的探究式題目,側(cè)重從工程實(shí)際問(wèn)題入手,把解決工程問(wèn)題融于實(shí)踐過(guò)程,培養(yǎng)個(gè)人積極思考、

主動(dòng)探究的學(xué)習(xí)方法。實(shí)踐過(guò)程分為方案設(shè)計(jì)、

技術(shù)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)三個(gè)階段,以團(tuán)隊(duì)形式完成一個(gè)產(chǎn)品從方案構(gòu)思到產(chǎn)品制造及其推廣的全生命周期6.1方案設(shè)計(jì)?6.1.1組建團(tuán)隊(duì)現(xiàn)代機(jī)械裝置日益復(fù)雜,一個(gè)人很難完成整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作,通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作,合理利用每一個(gè)成員的知識(shí)和技能協(xié)同工作,從而解決問(wèn)題,達(dá)到共同的設(shè)計(jì)目標(biāo)。例如,一輛汽車由8000~20000個(gè)零件組成,需要不同專業(yè)的設(shè)計(jì)人員共同配合設(shè)計(jì)完成。組建團(tuán)隊(duì)要合理確定團(tuán)隊(duì)組成,并設(shè)置團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人一名,可自薦或由團(tuán)體成員集體選出,負(fù)責(zé)項(xiàng)目的總體協(xié)調(diào)工作。

團(tuán)隊(duì)組成需考慮成員之間的互補(bǔ)性,能夠良好溝通、

分享信息并相互信任。6.1方案設(shè)計(jì)?6.1.2主題擬定與調(diào)研實(shí)踐項(xiàng)目由團(tuán)隊(duì)成員共同確定,可以是實(shí)際生活中需要解決的問(wèn)題、

了解到的專業(yè)技術(shù)問(wèn)題,也可以是學(xué)校組織的各項(xiàng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽主題。

合理的項(xiàng)目題目是項(xiàng)目順利開(kāi)展的關(guān)鍵,要仔細(xì)考慮和選擇。

6.1方案設(shè)計(jì)?6.1.2主題擬定與調(diào)研以下是一些建議：1.結(jié)合市場(chǎng)需求：對(duì)于產(chǎn)品來(lái)說(shuō),痛點(diǎn)一般是指尚未被滿足的而又被廣泛渴望的需求。

2.團(tuán)隊(duì)成員的研究興趣和擅長(zhǎng)領(lǐng)域：在選擇創(chuàng)新項(xiàng)目的主題和方向時(shí),也可根據(jù)自己的興趣和擅長(zhǎng)的領(lǐng)域來(lái)選擇,這樣能夠更好地發(fā)揮自己的實(shí)力和優(yōu)勢(shì)。3.結(jié)合各競(jìng)賽類比賽主題：每個(gè)比賽都有不同的要求和賽制,如主題范圍、

規(guī)則、

方向要求和時(shí)間限制等。6.1方案設(shè)計(jì)?6.1.2主題擬定與調(diào)研4.考慮實(shí)際可行性：選擇項(xiàng)目的主題和方向時(shí),一定要充分調(diào)研,確定實(shí)際可行性。

針對(duì)實(shí)踐不同階段的要求,要具備足夠的時(shí)間和資源來(lái)完成,確認(rèn)是否有足夠的知識(shí)和技能來(lái)實(shí)現(xiàn)等。在進(jìn)行調(diào)研與查新的過(guò)程中,首先需要確定研究的領(lǐng)域或問(wèn)題,并制訂相應(yīng)的研究目標(biāo)和計(jì)劃。隨后,可以通過(guò)文獻(xiàn)、

書籍、

新聞、

會(huì)議等各種途徑收集相關(guān)信息,給出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息和直觀圖表說(shuō)明。6.1方案設(shè)計(jì)?6.1.2主題擬定與調(diào)研5.現(xiàn)有技術(shù)檢索初步確定設(shè)計(jì)方向和研究目標(biāo)后，應(yīng)充分調(diào)研現(xiàn)有技術(shù)背景和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,了解該領(lǐng)域技術(shù)現(xiàn)狀,可以通過(guò)文獻(xiàn)、專利檢索,在充分了解現(xiàn)有技術(shù)和產(chǎn)品現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上去進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。6.1方案設(shè)計(jì)6.1.3方案對(duì)比與評(píng)價(jià)

制訂方案的基本步驟如下。(1)明確目標(biāo)和需求

通過(guò)調(diào)查研究和收集信息,了解市場(chǎng)需求、

現(xiàn)有技術(shù)手段、

競(jìng)爭(zhēng)情況,了解現(xiàn)有的資源和限制條件。

明確設(shè)計(jì)目標(biāo)和需求,有助于確定方案的重點(diǎn)和具體內(nèi)容。(2)提出可行方案

在前期功能分解的基礎(chǔ)上,隊(duì)員已掌握了方案的多樣性和組合性，那么在選擇方案時(shí),每名隊(duì)員都應(yīng)該提出自己的意見(jiàn)。

通過(guò)方案對(duì)比與評(píng)價(jià),尤其是對(duì)比實(shí)現(xiàn)各部分功能的原理,確定最佳的設(shè)計(jì)方案。(3)制訂計(jì)劃和預(yù)算

在確定方案后,需要制訂詳細(xì)的計(jì)劃和預(yù)算,并確保方案按照預(yù)期實(shí)施。

計(jì)劃執(zhí)行過(guò)程中需要制訂監(jiān)督機(jī)制,這有助于跟蹤進(jìn)度和結(jié)果,并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。6.1方案設(shè)計(jì)6.1.3方案對(duì)比與評(píng)價(jià)

對(duì)團(tuán)隊(duì)成員確定的備選方案,可以從功能、

經(jīng)濟(jì)性、

可靠性、

安全性、

外觀等方面進(jìn)行評(píng)價(jià),分別設(shè)定評(píng)價(jià)指標(biāo)。

評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)盡量全面而有代表性,能綜合反映整體目標(biāo)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、

外部環(huán)境等各方面的要求。

6.1方案設(shè)計(jì)6.1.4運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析

無(wú)論是了解現(xiàn)有機(jī)械的運(yùn)動(dòng)性能,還是機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì),機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析都是設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要一步。

該環(huán)節(jié)可結(jié)合“理論力學(xué)”、“機(jī)械原理”課程相關(guān)知識(shí),分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方案,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等相關(guān)計(jì)算。結(jié)合“材料力學(xué)”“機(jī)械設(shè)計(jì)”相關(guān)知識(shí),對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行受力分析,即得到零件所受到的載荷。6.1方案設(shè)計(jì)6.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體框架中,首先面向執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),以確保其能夠滿足機(jī)器所需的核心功能;針對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)的工作特性,確定動(dòng)力系統(tǒng),以確保其能夠?yàn)閳?zhí)行系統(tǒng)提供穩(wěn)定且高效的動(dòng)力支持;基于執(zhí)行系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)之間的運(yùn)動(dòng)形式和動(dòng)力需求,選擇適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)兩者間的轉(zhuǎn)換。結(jié)合上述各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)滿足使用要求的操縱和控制系統(tǒng),以確保整個(gè)系統(tǒng)的高效運(yùn)行與穩(wěn)定性。6.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

執(zhí)行系統(tǒng)包括機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和執(zhí)行構(gòu)件,是利用機(jī)械能改變作業(yè)對(duì)象的性質(zhì)、

狀態(tài)、形狀或位置,或?qū)ψ鳂I(yè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)、

度量等,以進(jìn)行生產(chǎn)或達(dá)到其他預(yù)定要求的裝置。執(zhí)行系統(tǒng)通常處在機(jī)械系統(tǒng)的末端,直接與作業(yè)對(duì)象接觸,其輸出是機(jī)械系統(tǒng)的主要輸出,其功能是機(jī)械系統(tǒng)的主要功能。6.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力系統(tǒng)包括動(dòng)力機(jī)及其配套裝置,是機(jī)械系統(tǒng)工作的動(dòng)力源。

按能量轉(zhuǎn)換性質(zhì)的不同,動(dòng)力機(jī)可分為一次動(dòng)力機(jī)和二次動(dòng)力機(jī)。

一次動(dòng)力機(jī)是把自然界的能源(一次能源)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)械,如內(nèi)燃機(jī)、

汽輪機(jī)、

燃?xì)廨啓C(jī)等,其中內(nèi)燃機(jī)廣泛用于各種車輛、

船舶、

農(nóng)業(yè)機(jī)械、

工程機(jī)械等移動(dòng)作業(yè)機(jī)械,汽輪機(jī)、

燃?xì)廨啓C(jī)多用于大功率高速驅(qū)動(dòng)的機(jī)械。

二次動(dòng)力機(jī)是把二次能源(如電能、

液能、

氣能)轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的機(jī)械,如電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)、

氣壓馬達(dá)等,在各類機(jī)械中都有廣泛應(yīng)用,其中尤以電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最為普遍。

由于經(jīng)濟(jì)上的原因,動(dòng)力機(jī)輸出的運(yùn)動(dòng)通常為轉(zhuǎn)動(dòng),而且轉(zhuǎn)速較高。6.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)系統(tǒng)是把動(dòng)力機(jī)的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)的中間裝置。

傳動(dòng)系統(tǒng)有減速或增速、變速、改變運(yùn)動(dòng)規(guī)律、或形式傳遞動(dòng)力主要功能。如圖6-5所示的垃圾自動(dòng)分類分揀機(jī),包括傳送、

篩分和分揀三個(gè)傳動(dòng)部分。6.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)都是為了使動(dòng)力系統(tǒng)、

傳

動(dòng)

系

統(tǒng)、

執(zhí)

行

系

統(tǒng)

彼

此

協(xié)

調(diào)

運(yùn)行,并準(zhǔn)確可靠地完成整機(jī)功能的裝置。操縱系統(tǒng)多指通過(guò)人工操作以實(shí)現(xiàn)上述要求的裝置,通常包括起動(dòng)、

離合、

制動(dòng)、

變速、

換向等裝置。

控制系統(tǒng)是指通過(guò)人工操作或測(cè)量元件獲得的控制信號(hào),經(jīng)由控制器,使控制對(duì)象改變其工作參數(shù)或運(yùn)行狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)上述要求的裝置,如伺服機(jī)構(gòu)、

自動(dòng)控制裝置等。6.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.2.2零部件的設(shè)計(jì)與校核

1.零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)零部件結(jié)構(gòu)常規(guī)設(shè)計(jì)方法是指采用一定的理論分析和計(jì)算,結(jié)合人們?cè)陂L(zhǎng)期的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出的方法、

公式、

圖表等進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。2.強(qiáng)度校核采用相應(yīng)的判定條件設(shè)計(jì)零件的形狀并完成主要尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算之后,即可初步擬訂各部分零件的結(jié)構(gòu)和尺寸,很多零件還需進(jìn)一步按照相應(yīng)判定條件進(jìn)行零部件尺寸參數(shù)的驗(yàn)算,即校核。6.2.2零部件的設(shè)計(jì)與校核

3.零部件的精度設(shè)計(jì)機(jī)器是由零件組裝而成的,完成零件的設(shè)計(jì)與校核,確定了各部分零件的結(jié)構(gòu)和尺寸后,還需要進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際需要進(jìn)行加工精度設(shè)計(jì)。

加工精度是指加工后零件表面的實(shí)際尺寸、

形狀、

位置三種幾何參數(shù)與圖樣要求的理想幾何參數(shù)的符合程度。4.控制程序設(shè)計(jì)控制程序是指用來(lái)管理和控制計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源的一組指令和數(shù)據(jù),負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)組成部分的工作,使其能夠按照預(yù)定的規(guī)則和順序運(yùn)行。

控制程序設(shè)計(jì)是指針對(duì)某種自動(dòng)化系統(tǒng)或設(shè)備,編寫用于控制其運(yùn)行和行為的軟件程序的過(guò)程。

6.2工藝設(shè)計(jì)

6.2工藝設(shè)計(jì)

6.2.2零部件的設(shè)計(jì)與校核

5.工程圖樣按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行裝配圖和零件圖的繪制,確定各零件結(jié)構(gòu)、

尺寸、

布局及裝配關(guān)系。采用CAD軟件進(jìn)行圖樣的繪制,先繪制裝配圖以核對(duì)零件之間位置和布局關(guān)系,以及分析加工、

裝配工藝的正確性。

確定裝配圖之后,再進(jìn)行零件圖的繪制,可參照國(guó)家制圖標(biāo)準(zhǔn)和“工程制圖”課程的相關(guān)要求。6.2.2零部件的設(shè)計(jì)與校核

6.電氣工程圖(1)電路布局

電氣工程圖中的電路布局要確保能量與信息流通的順暢。(2)元件選型

電氣元件的選型需綜合考慮元件的可靠性、

耐久性、能效比、

成本及供應(yīng)鏈穩(wěn)定性等因素。(3)信號(hào)傳輸與通信協(xié)議

在機(jī)械產(chǎn)品的電氣系統(tǒng)中,信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性至關(guān)重要,要充分考慮模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的差異,以及有線傳輸與無(wú)線傳輸?shù)倪m用場(chǎng)景。

根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際需求,應(yīng)用CAN總線、Modbus、EtherCAT等通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)設(shè)備的有效連接與高效通信。(4)安全性

在電氣工程圖的設(shè)計(jì)過(guò)程中,要考慮過(guò)載保護(hù)、

短路保護(hù)、

接地措施及電磁兼容性等安全方面的問(wèn)題,遵循電氣安全標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)要求,確保電氣工程圖的設(shè)計(jì)符合規(guī)范,保證機(jī)械產(chǎn)品的安全使用。6.2工藝設(shè)計(jì)

6.3.1經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)濟(jì)性是指組織經(jīng)營(yíng)活動(dòng)過(guò)程中獲得一定數(shù)量和質(zhì)量的產(chǎn)品、服務(wù)和其他成果時(shí)所耗費(fèi)的資源最少。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程需要考慮如何降低成本,實(shí)現(xiàn)均衡生產(chǎn),提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。這里所說(shuō)的成本是指機(jī)械產(chǎn)品壽命周期成本,如圖6-11所示。

6.3項(xiàng)目成果的提煉6.3.2加工和制造

實(shí)物加工制造與裝配是按照前期設(shè)計(jì)方案,采用選擇的材料和工具對(duì)物體進(jìn)行加工和制造并組裝成樣機(jī)實(shí)物的過(guò)程。加工和制造需要使用各種加工設(shè)備與工具,如銑床、車床、鉆床、切割機(jī)等。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求,對(duì)材料進(jìn)行切割、打磨、鉆孔等操作,制造出所需的零件。加工和制造是實(shí)物加工制造與裝配過(guò)程的核心環(huán)節(jié),需要按照所設(shè)計(jì)的零件圖和預(yù)定的加工工藝完成,尤其要注意加工精度的要求,同時(shí)進(jìn)行其他零部件的采購(gòu)。完成零件的加工后,根據(jù)裝配圖,將零部件進(jìn)行裝配,并進(jìn)行調(diào)整和細(xì)節(jié)的處理。組裝需要使用各種工具,如扳手、鉗子、螺釘旋具等。6.3項(xiàng)目成果的提煉6.3.1專利申請(qǐng)專利包括發(fā)明專利、實(shí)用新型專利和外觀設(shè)計(jì)專利三大類,本節(jié)主要介紹發(fā)明專利和實(shí)用新型專利撰寫。專利申請(qǐng)前應(yīng)了解發(fā)明專利和實(shí)用新型專利的受理費(fèi)用和審查周期,這有助于申請(qǐng)人更好地規(guī)劃和安排專利申請(qǐng)策略。發(fā)明專利的受理費(fèi)用通常高于實(shí)用新型專利,審查周期通常也比實(shí)用新型專利長(zhǎng)。對(duì)于符合加快審查領(lǐng)域的專利項(xiàng)目,申請(qǐng)人也可以考慮選擇申請(qǐng)加快審查;一項(xiàng)內(nèi)容也可以選擇同時(shí)申請(qǐng)發(fā)明專利和實(shí)用新型專利。6.3項(xiàng)目成果的提煉6.3