1、机 械 创 新 设 计,吴 恒 机械工程学院 联系: 88382619 Emal: ,教 材： 1.机械创新设计， 张春林 等，机械工业出版社，2004年 2.机械创新设计， 黄纯颖 等，高等教育出版社，2004年参考书： 1. 机械创新设计 张美麟 等, 化学工业出版社，2005年 2. 机械创新设计概论 胡家秀 等，机械工业出版社，2005年,第一章 绪 论,引 言第一节 创造与发明并不神秘第二节 创新需要勇气和毅力第三节 创新人才的培养第四节 机械创新设计,机械的主要优点：既能承担人力所不能或不便进行的工作，又能较人工生产改进产品质量，特别是能够大大提高劳动生产率和改善劳动条件。使用机器
2、，才能集中进行大量生产，并对生产进行严格的分工与科学的管理，实现产品的标准化、系列化和通用化，尤其是便于实现高度的机械化、电气化和自动化。机械工业能够担负起为国民经济各部门提供技术装备和促进改造的重要任务，在国家工业现代化建设进程中，起着主导和决定性的作用。,当今世界正经历着一场新的技术革命，新概念、新理论、新方法、新工艺不断出现，使得机械工业得到了迅猛的发展。现代机械日益向高速、重载、高精度、高效率、低噪声等方向发展，对机械提出的要求也越来越苛刻。有的需用于宇宙空间，有的要在深海作业，有的小到能沿人体血管爬行，有的又是庞然大物，有的速度数倍于音速如此等等。为了适应这种情况，新的研究课题与日俱
3、增，新的研究方法日新月异。 机械为主、机电结合。这样对学生知识面要求广，涉及的课程多，包括力学系列课程，机械设计基础系列课程，电工电子、计算机控制、程序设计系列课程等。,863计划先进制造技术领域2007年度专题课题,信息技术领域生物和医药技术领域新材料技术领域先进制造技术领域先进能源技术领域资源环境技术领域海洋技术领域现代农业技术领域现代交通技术领域地球观测与导航技术领域,先进制造领域 ：智能机器人技术,结合国家未来战略需求与当前国际智能机器人发展趋势，重点研究智能机器人前沿技术与核心部件，攻克家用服务、特殊环境、微创精细手术操作、制造等应用领域的智能机器人系统集成技术，取得一批具有自主知识
4、产权和显示度的创新成果，为我国智能机器人产品化与产业化发展提供技术储备，培育未来机器人新兴产业。,（一）探索导向类课题 1. 机器人机构 主要研究内容：（1）高性能的机器人传动部件或执行部件；（2）仿生机器人机构；（3）微机器人机构。 说明与要求：面向服务机器人或工业机器人发展的需求，重点支持高端机器人的传动部件和先进机器人结构的前沿技术探索，鼓励原始创新性研究。,2. 机器人驱动 主要研究内容（1）面向机器人的高功率质量比、微小型伺服驱动技术；（2）新型低成本高精度伺服驱动技术；（3）满足机器人长时间作业需求的供电电源管理技术和智能自主快速充电技术。 说明与要求：重点研究机器人驱动系统的共性
5、技术和关键技术，支撑高端机器人或微小型机器人的发展，鼓励原始创新性研究。,3. 机器人感知 主要研究内容（1）仿生感知技术及系统； （2）非结构环境下的信息获取与识别技术； （3）面向服务机器人应用的网络化和智能空间技术（4）人机和谐共处的多模式交互方法及技术。 说明与要求：重点支持以上研究内容的前沿技术探索，鼓励原始创新性研究。要求课题能够获得发明专利等自主知识产权，完成实用样机或原型样机，主要技术指标达到国外同类产品或系统的水平，并在机器人系统中进行应用或试验验证。,4. 机器人智能控制 主要研究内容 （1）动态环境实时建模和导航技术； （2）在线行为优化技术； （3）可重构容错控制技术；
6、 （4）机器人自主学习控制技术。 说明与要求：重点支持面向机器人自主行为控制的前沿技术探索，鼓励原始创新性研究，提高机器人在人类日常生活环境中自主完成使命的能力，为实现具有自主行为能力的机器人实用系统奠定基础。要求课题能够获得发明专利等自主知识产权，并在机器人系统中进行应用或试验验证。,5. 机器人新概念及应用 主要研究内容：（1）集生物学、电子学与机械学于一体的具有复杂生物行为的机器人系统；（2）在某些新领域和行业应用机器人技术的新方法和新系统。 说明与要求：本方向重点支持具有突破性新概念、新思想的机器人系统或机器人应用的前沿技术探索，鼓励原始创新性研究。要求课题能够获得发明专利等自主知识产
7、权，完成实用样机或原型样机，并进行试验验证或应用。,（二）目标导向类课题 1仿人机器人技术 研究目标：围绕仿人机器人的前沿技术，突破仿人机器人的环境识别及复杂运动规划等关键技术，完成系统集成和关键技术验证。 主要研究内容：重点研究仿人机器人环境识别、复杂运动规划、作业与操作、系统集成等关键技术。 说明与要求：要求课题明确仿人机器人系统平均无故障行走和作业时间。,2面向工业应用的智能机器人技术 研究目标：结合机械、医药、食品、家电、轻工、交通和石化等行业的需求，针对应用背景明确、企业需求迫切的加工、焊接、包装、搬运自动化装备的自主创新和产业化，研究相关机器人作业单元和自动化生产线的核心单元技术和
8、系统集成技术，开展示范应用，促进我国工业智能化装备的应用和发展。,主要研究内容 （1）高速包装、搬运机器人自动化成套装备：结合医药、食品、家电、轻工和化工等行业的产品后包装、物流和仓储自动化需求，研究高速洁净包装机器人和高速重载搬运机器人的关键技术，包括机器人本体设计技术，运动学标定技术，特种执行器设计技术，污染避免技术，散乱物料识别技术，多机器人协调控制技术，以及系统集成技术。 （2）机器人作业单元：面向大型结构件或复杂零件的焊接、抛磨等需求，研究准结构环境下的机器人作业单元的本体设计技术，高可靠性多轴运动控制技术,实时标定技术，视觉伺服跟踪技术，人机交互技术及相关工艺。,3危险作业机器人实
9、用系统技术 研究目标：面向国家特殊行业，如核工业、石油化工、环保等对特种机器人系统的迫切需求，重点研制出能够在辐射、易燃易爆、有毒污染、灾难灾害等危险、恶劣环境中代替人完成作业任务的机器人实用系统，并开展示范应用，进一步拓展机器人的应用领域。 主要研究内容：围绕能够在辐射或易燃易爆或有毒污染等危险环境下作业的机器人系统的开发，研究在相关环境下完成特定使命的机器人抗辐射、防爆防腐技术，电源管理技术，自主控制技术，以及任务载荷集成技术。,科学技术的最基本特征就是不断进步，不断创新。创新是人类文明进步的原动力。创新人类科学的发展产生了巨大影响，而科学的发展则成为推动人类社会进步和社会变革的第一动力。
10、 人类历史上有无数的发现、发明和创新对人类的生产、生活产生了非常深远的影响，极大地推动了生产力的发展，人们的生活水平不断地得以提高。一谈到创造发明、发现，人们开始可能会认为是很神秘的事，以为创新发明是学者专家的专利品，一般人很难办到，那么先看看下面这些实例吧。,第一节 创造与发明并不神秘,实例1,传说鲁班在山上砍柴时，不小心手被草割破了，一般人可能会自认倒霉，而他却对此产生了好奇心，他仔细观察这种草后，发现这草的边上有一排锯齿，根据这个发现，鲁班发明了至今仍在使用的锯子；传说瓦特在观察到水烧开后蒸汽能将壶盖顶起，依据这个原理他产生了蒸汽动力的设想，并最终发明了蒸汽机，导致了第一次工业革命；还有
11、大家非常熟悉的阿基米德在发现浮力定理，从而检验出皇冠是否为纯金的故事；牛顿从树上的苹果会掉下来的现象发现万有引力的故事，这些故事为他们的发明增添了一层神秘的传奇色彩。,实例2,有一位青年，一次看到了一对姐弟吵架的情形，因为姐姐要使用电熨斗，而弟弟却要用电灯看书，两人为了争抢电源而吵了起来。他就想到“如果能够做一个有两面插座的插头，那不就解决问题了吗？”于是他就以200日元的资本，生产这种自己发明的有复式插座的插头，从而开始了他的事业，这位青年名叫松下幸之助。,实例3,1583年伽里略在教堂做礼拜时，看到教堂内有一根长绳下面吊着吊灯，这种装置叫摆。他发现吊灯在小幅度摆动时，虽然摆的幅度逐渐减小，
12、但摆动一次所需的时间是一样的。这个特性就是摆的等时性，依据这个原理，荷兰物理学家惠更斯制造出了带摆的钟。,实例4,1895年，德国物理学家伦琴在做阴极射线实验时，发现有种未知的射线能使荧光板发光，而且无意之中他还发现这种奇怪的射线能映射出手骨头的影像，他将这未知的射线称为X射线。伦琴因此于1901年获首次诺贝尔物理学奖。,第二节 创新需要勇气和毅力,大多数发明家在创新发明之前都是非常普通的，很多创新发明往往是通过一次偶然事件触发灵感而开启智慧之窗而获得的。那么创新发明是轻而易举的事吗？再看看下面这些例子。,实例,发明之王爱迪生为了找到实用的电灯灯丝材料，经历了无数次的实验，用到了6000多种植
13、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白炽电灯，为漫漫长夜带来光明，他还对电灯和用电设施加以不断改进，产生了一系列新的发明，像电线插座、电表、保险丝、配电盘、电力机车等等；法拉第虽然出身贫民家庭，连学校都没有进过，但他经过自学对科学研究产生了浓厚的兴趣，并在大科学家戴维的帮助下，来到研究所担任戴维的助手兼差役，在经过长达18年的大量实验、研究之后，终于发现了电磁感应现象；居里夫人在发现放射性元素之后，花了五个多月的时间，终于从一吨沥青铀矿石中提炼出了0.1克纯镭。达尔文经过5年的环球考察之后，又用了20多年的研究才完成巨著物种起源，揭开了生物进化之迷。我国数学家陈景润废寝
14、忘食，全身心的投入，历经十几个春秋，才摘取了哥德巴赫猜想这一数学皇冠上的明珠。,这些实例说明，任何一个创新发明都是人们经过长期的探索，不仅需要坚韧不拔的意志和毅力，而且有些是以生命为代价换来的。如果没有冲破传统观念和不怕失败的勇气，没有不怕牺牲的冒险精神，没有坚韧不拔的意志和毅力，他们就不可能到达光辉的彼岸。,案例：杂交水稻的研究、应用,1961年的一天，湖南省安江农校教师袁隆平在试验田发现一株“鹤立鸡群”的水稻，它植株高大，穗大粒多，袁隆平如获至宝，他将种子收集起来，第二年种下进行试验，希望能培养出高产的稻种，可当稻穗后，后代却参差不齐，竟没有一株像原来的单株好。 失望之余，经过反复思索，产
15、生了一个大胆的设想：只有搞杂交水稻，利用杂种优势才能提高产量。当时，经典遗传学理论认为，稻麦等自花授粉作物没有杂种优势。而袁隆平却认为杂种优势是生物界的普遍规律，自花授粉作物与异花授粉作物的区别不过是繁殖方法有所不同。刚过而立之年的袁隆平向传统的遗传学理论提出了挑战。他设想利用“水稻的雄性不孕性”培育杂交水稻的方案，经过10多年的研究，先后用1000多个品种，做了3000多个杂交组合实验，结果却不令人满意，经过综合分析后，他发现几千个试验所用的杂交材料亲缘关系都太近，于是提出了用远缘的野生稻种与杂交稻种进行杂交的关键性设想，接着，他的助手李必湖在海南岛发现了一株花粉败育的野生稻“野败”，为杂交
16、水稻研究成功打开了突破口。1973年，三系稻种“南优2号”培育成功，1976年开始在全国大面积推广，比常规水稻平均增产20。,三系杂交水稻的成功举世惊叹，袁隆平被全世界誉为“杂交水稻之父”。但他没有骄傲，更没有止步，而是进一步研究成功了简化种子生产程序、降低成本、进一步提高产量的两系法杂交水稻，两系法成功后，袁隆平又提出了更高的奋斗目标研究优质高产的超级杂交稻，该项目的第一期目标已实现，并获得“2000年中国10大科技进展”的第一项成果奖。袁隆平为了研究杂交水稻，风餐露宿，足迹踏遍了祖国的大江南北，历时40多年，研究成功了杂交优选技术。利用杂交优选技术，我国的粮食产量在耕地没有增加的情况下，从
17、1950年的13000万吨增长到1998年的49000万吨，依靠科技进步，袁隆平为有效的解决13亿中国人民的吃饭问题立下奇功，成为世界的奇迹。,几点启示：,（1）技术上的重大突破往往需要理论的指导，而破除迷信、敢于质疑是科技创新的前提，如果袁隆平不敢向传统遗传学理论挑战，是不可能去研究杂交水稻的，反过来，杂交水稻的培育成功，也证明了袁隆平设想的正确性。（2）正确的思维方式和试验方法是科技创新的有力武器，在研究过程中，即要大胆探索，也要合理设想和试验，不断调整和寻求突破口。杂交水稻从“三系法”到“两系法”再到“超级杂交稻”，循序渐进，将新的设想和理论通过科学的试验来完成。（3）科学技术的探索和创
18、新永无止境，现已71岁高龄的袁隆平仍在为超级杂交水稻的研究而辛勤耕耘，充分显示了一位科学家为祖国为科学献身的高尚品德。（4）科学技术是第一生产力，科技成果的应用可以极大的提高生产力水平。而对人类有益的科技成果则具有强大的生命力，袁隆平也当之无愧地获得了首届中国最高科技奖。,第三节 创新人才的培养,创造性 教育本身是一种创造性的活动。要提高学生的素质和创造能力，要培养和鼓励学生“怀疑”、“探索”、“创新”等科学的精神，只有青出于蓝而胜于蓝，才能促进科技的高速发展和人类社会的不断进步。研究的独立性、成果的创造性决定着教育的质量。综合性 学生不仅要学习和掌握知识，更重要的是综合运用知识解决问题，不仅
19、要学习专业知识，也要融合科学、艺术等方面的知识，掌握科学思维和艺术思维方法，培养综合素质和文化素养，陶冶学生的情操，促进德、智、体、美全面发展。终身性 信息时代和知识经济的到来，使得知识的更替周期不断缩短，科学技术的不断创新，要求人们必须不断学习才能顺应时代的发展，一次性的学校教育已逐步转化为全社会的终身教育，教育成为一个人一辈子都不可能结束的过程。,创造性人才的培养,1.培养创新意识 创新发明并非少数杰出人才的专利，许多人进行创新发明的故事，使我们相信人人都有创造力，人人都可以搞创新。 创新往往应具有敏锐的洞察力，要善于从偶然现象中找到必然，要善于从同样的事件中想到不同的事情。例如：很多人都
20、知道当灶里的煤火燃烧不旺时，只需拿根铁棍拨弄一下，火苗就会从拨开的洞眼中窜出，火一下子就会旺起来。而山东有位叫王月山的炊事员就想到了做煤球煤饼时，主动在上面均匀地戳几个洞，不仅火烧得旺，而且可节省燃煤，大家熟悉的蜂窝煤就这样发明了。 事物总在不断发展和完善，要善于观察、发现矛盾和需要。发现不足、提出问题。往往成为创新的起点。而创新是人们经过长期探索、付出非凡的劳动才能成功。这就需要有坚定的毅力，克服重重困难的精神，所有的创新发明都来自于人类的大脑。要培养独立思考、勇于探索的意识，而不是只会记住正确答案的知识复印机。每个人都可以用SWIH法（What，Why，When，Where，Who，How
21、）对不同事情进行设问，思考、思考、再思考，人人都会产生创新设想。,2掌握创新原理和创新技法 要提高创新能力应培养良好的创造心理，掌握创新原理和创造技法。 科学技术的发展动力在于不断创新，不断发现。而创新创造本身也存在一定的理论和规律，也具有其科学的原理和方法。 创新原理和创造技法是以总结创造学理论创新思维规律为基础，通过大量的创造活动概括总结出来的原理、技巧和方法，了解和掌握创新原理和创新技法，往往能更自觉、更巧妙进行创新活动。 人的创造能力可以通过学习和训练得到激发和提高，通过改进自己的思维习惯，通过独立思考，多想多练，通过训练自己集中注意力、发挥想象力，进行扩散思维、求异思维训练等等，能够
22、提高创新思维能力，而将思维运用到实际中去，才可能起到良好的效果。,3加强创新实践 形成创新能力，除了学习理论，更重要的在于实践。正如不下水学不会游泳，不开车就不可能真正学会驾驶汽车一样，所有的创造力训练离不开大量的创造实践。,创新实践可分为3个阶段：,（1）了解问题：目标是什么？未知量、已知量是那些？情况如何？能满足情况的需要吗？能否决定未知量，是否足够，是否重复或抵触？可以画张图，引入合适的标志，把情况的各部分加以分解。 （2）设计方案：遇到过这个问题吗？知道相关的问题吗？可能运用什么原理？通过不同的方法设计各种方案，并进行优化。 （3）执行方案：实施设计方案，在每一步骤中对方案修改完善，必
23、要时重新设计方案，以取得最好的成效。 任何一个创新几乎都要经过上述3个阶段，一般最困难的是第二阶段，最关键的往往是第三阶段。,必须通过设置一系列设计实践环节，进行大量的动手安装、维护、设计制作等实践活动，培养综合分析和创新设计的能力。 如果你在学外语，就要大胆地说；如果你在学游泳，就得下到水里去。不要幻想只要背下厚厚的几本书而不操作就能学会电脑。人类社会所有的创新和发明，都是通过人们的双手而实现的，一个人的设想，如果不将它们物化，即使构想再好，那也可能只是水中月。实践、实践、再实践，你才会取得成功。,第四节 机械创新设计,设计是人类改造自然的一种基本活动，设计是复杂的思维过程，设计的本质是创新
24、。设计的目的是将预定的目标，经过分析决策，通过一定的信息（文字、数据、图形）而形成设计方案，并通过制造、实施使设计成为产品。通过设计，不断为社会提供新颖、优质高效、价廉物美的产品，提高产品的竞争力和经济效益。根据设计的内容特点，一般将设计分为下面3种：,1开发性设计 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，开发设计出以往没有过的新产品。2变型设计 在工作原理和功能结构不改变的情况下，对已有产品的结构、参数、尺寸等方面进行变异，设计出适用范围更广的系列化产品。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一个新部件，使产品更能满足使用
25、要求。 开发设计以开创、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。创新是各种类型设计的共同点。,一、机械的功能要求,（1）运动要求：如运动规律、轨迹、行程、速度、加速度、转 速、调速范围、运动的精确性等。（2）动力要求：传递的功率、转矩、力、加速性能、效率等。（3）安全要求：强度、刚度、稳定性、热力学性能、摩擦特性、振动、机械工作的安全性及操作人员的安全性等。（4）经济要求：设计和制造的经济性、使用和维护的经济性等。（5）可靠性和寿命要求：包括零部件和机械实现预期功能的可靠性，零部件和机械的耐磨性、疲劳强度、失效和使用寿命等。（6）机动性要求：对尺寸、体积、重量、功率的要求。（7
26、）环境保护要求：防止污染（噪声、废气、废水、废尘），防止“三漏”（漏气、漏水、漏油），无公害和绿色产品等。 (8）产品造型要求：如美观、人性化，外观、色彩与环境 的协调等。,不同机械，因工作条件、使用环境及目标要求的不同，对具体的功能要求也有很大的差异。例如：仪器仪表、机床的主要功能要求是运动的精确性，因此要求较高的加工精度；而汽车则对机动性、环保等功能要求较高；工程机械往往要求动力性能要好；食品机械则要求不污染被加工产品等等。而有些功能要求会存在矛盾，如安全与经济，一般来说，侧重安全，机械零部件的尺寸重量就会大一些；两侧重经济，则设计的零部件的尺寸重量会小一些等，在机械设计时，应考虑对机械的各种功能要求，考虑整个系统的运行，进行多方案的设计，然后应用优化理论和方法，对各候选方案进行优化设计。,二、设计思路和设计过程,1产品规划阶段明确设计任务和要求，提出设计任务书2原理方案设计阶段确定工作原理，分解子系统，绘制方案简图3技术方案设计进行总体设计和结构设计，完成产品全部生产图纸，编制设计说明书、工艺卡等技术文件4改进设计,
