现代机械设计方法对机械创新的应用
机械五班 刘汉仁1114010518
摘要
我参加了2014年5月10举办的第三届上海市大学生机械工程创新大赛,通过在现代机械设计方法课上的学习,把一些理论用到了实践中。本文中,主要讲了我们在作品设计制造过程中的问题以及解决方法,例外附上了作品设计说明书。 关键词:
现代设计方法;TRIZ 理论;机械创新设计;
前言
设计的核心是创新。创新能力已是当今企业核心竞争力的重要标志,也是设计人员能力与价值观的体现。TRIZ 是解决发明问题的理论,是实现发明创造、创新设计、概念设计的最有效方法。TRIZ 是基于知识的、面向人的解决发明问题的系统化方法学,其核心是技术系统进化原理。通过TRIZ 理论的学习,能帮助设计人员打破思维定势,避免思维惰性,挖掘自身的潜能,开发人们的创新、创造或者发明意识实现技术创新。其内容包括冲突的概念及分类、设计中物理冲突的解决原理和方法、设计中技术冲突的解决原理和方法。
正好我参加了2014年5月10举办的第三届上海市大学生机械工程创新大赛, 下面说一下作品在设计制造过程中的体会。
1.1作品设计过程中的问题及解决方法:
作品方案从2013年的11月开始制定,第一个方案实现起来比较简单,但是功能单一,且很多地方在运动过程中有干涉。为了使作品的功能多样化,我们制定了第二个方案,就在马上要按它出图纸的时候,经过计算分析,发现其中有严重的问题,如果按照第二个方案制作,将会有非常大的误差。之后就制定了第三个方案,虽然误差依然存在,但经过计算,只要作品足够小,误差能够接受。方案确定后已经是2014年的3月了。
1.2作品制造过程中的问题及解决方法:
图纸全部是我一个人画的,送去工厂的时候,加工师傅没看懂,图基本上无法加工,于是来来回回改了两次。零件的加工我基本上是没有参与,只是去那里看看加工进度和帮下小忙。后面的装配过程基本上是我们完成的,这个过程中出现了非常多的问题,原始方案也在不断的改进。
我们组的作品照片,
从中照片中看到我们的作品使用了很多万向节,很多问题都是它引起的。
三维模型图
最开始安装C 1E 和C 2F 杆的时候,发现OO 1和0F 、OE 的距离太短,使那两根杆的长度过短,从而使的竖着的那根杆不能动,同时C 1、C 2那两个万向节卡死了,这与我们使用它的目的完全相反了,于是我们做了一些改进。首先,通过计算和三维仿真,确定了OO 1、OF 、OE 以及杆它们之间的长度关系,然后为了使万向节不会卡死,我们设计了一些小的零件,使它们在和其他零件连接的时候能够自己转动。在安装A 、B 那两个万向节的时候,发现A 和折杆干涉了,于是把折杆折的方向折了90°,既消除了因为使用万向节导致回转中心不在同一平面的误差,又使其能够灵活的转动。最后在调试的过程中,发现G 、D 那两处的滑块滑动的时候不灵活,还有卡死的现象,于是把那三根杆都换成了圆杆,并把滑块换成了径向轴承,最后这个问题还是没有解决。因为G 那个滑块既要水平动,同时还要竖直动,在滑动的过程中由于驱动它的力是斜的,使它自锁了。这可能是因为BD 和AG 杆的长度不合理。还有那个支座,原本想使它们都用顶尖支撑,好都能移动,结果发现它们固定不牢,于是把D 那里给固定了,其余两个使用了强力磁铁,下面铺了块铁板。
我们的作品由于设计的时候尺寸没有经过计算和优化,使得画出来的图只有很少的一部分,原本理论上是能画出一个完整的出来的,还导致了在运动过程之中出现了自锁现象。这都是很大的失误,以后都是需要特别注意的地方,也让我意识到对于现代设计方法相关知识的严重欠缺。
1.3作品成绩:
在比赛中,我们组取得了上海市大学生机械工程创新大赛三等奖。
2.1作品设计说明书
圆锥曲线仪
上海理工大学
设计者:周海明,刘汉仁,张亮亮,廉颇超
设计目的:
在高中数学中圆锥曲线是我们学习的一大专题,而有时候画出标准的
曲线对解题有重要影响,或者说会影响人的先入为主的想法。同样,在大学机械系我们经常要画投影图,而圆是我们机械中必不可少的因素。而要画出标准的曲线目前市场上只有椭圆规和圆规;所以为了画圆锥曲线的标准化、直观化,我们设计了圆锥曲线仪。
工作原理:
原理:利用圆锥曲线的第二定义:到定点的距离和到定直线的距离成比例的点的轨迹就是圆锥曲线。装置主要的目的就是实现A 、B 两杆的成比例进给。
实现A 、B 成比例的原理如下图:当ON 与MP 成比例时,KM 绕K 点运动时,O 点跟P 点在水平方向上的运动成比例。
在图1中,a,b 两点对应图2中的o,p 两点,a 点在F 杆上滑动,b 点固定,F 杆固定相当于准线。利用对称的方法,当图1中的E 杆在A 、B 所在的平面投影是A 、B 两杆的平分线时,就把红色的那个杆分解到另一个面上。当C 与D 的长度成比例时,E 杆绕着c 点运动,驱动C 、D 成比例进给。G 两杆保证E 杆在A 、B 所在的平面投影是A 、B 两杆的平分线。E 杆折了一下,相当于把图2中的KM 杆变成了KZYX 那样的折杆,使OP 、OM 杆因为使用了万向节而导致的不在同一个面上转动的误差得到消除。在图1中,C 杆使用的是两根杆连接成一个杆,这样使得C 、D 两杆的比例范围变大,实现能画出多种离心率不同的圆锥曲线。
(说明:
1:图中铰D 、E 、F 、G 同一平面,此处通过设计尺寸达到
2:图中万向节尺寸一样)
保证空间杆在底面的投影在DE 、FG 的叫平分线上:
万向节尺寸一样,则O1C1、O1C2相等且C1E 、C2F 相等
所以三角形O1C1E 全等于三角形O1C2F
所以O1E=O1F
又三角形OO1E 与三角形OO1F 共OO1边,且OE=OF
所以三角形OO1E 与三角形OO1F 全等
所以三角形O1EF 为等腰三角形,所以OO1在底面的投影过EF 的中点 所以 空间杆在底面的投影在DE 、FG 的角平分线上。
这个得到保证后,四杆机构OBD (加滑块D )和四杆机构OAG (加滑块G )就能实现把两平行的四杆机构对称的分布在空间中,机构示意图如上图所示。 设计计算:
动点到准线的距离为OG ,动点到定点的距离为
OD
OD 与OG 的比例与BD 与AG 的比例相同,所以只要调节两节杆AG 的长度就可以绘出不同的圆锥曲线。
AG 的最大值300mm ,最小值150mm ;BD 的值为200mm ;
所以能绘出离心率的范围e=(2/3,4/3)
即通过调节可以确定离心率e (=c/a)……式1
且点D 点到准线GI 的距离可调节确定d (=a^2/c-c)……式2
由式1,2可解得a,c 的值。
则调定定点D 到准线GI 的距离和BD 与AG 的比例后能绘得唯一的圆锥曲线。 注:
1:为了保证铰D 、E 、F 、G 同一平面,需在万向节的下面垫垫片或做阶梯销,具体尺寸根据设计的杆的厚度及平面杆的厚度的和决定。
2:空间杆OA 的折点需根据短万向节O1C1E 和O1C2F 来决定。
3:空间杆上固定点B 到O 的距离最好取空间杆的中点,这样可以绘制的椭圆与渐近线的范围能在合适的范围。
此仪器的性能:
主要创新点及优点:
1:本仪器在绘制椭圆的基础上增加了绘制渐近线和抛物线两种功能;
2:仪器中巧妙的利用两个曲柄滑块机构实现了离心率的连续性变化(相当无级变速);
3:仪器将两平行曲柄滑块机构的进给分解到空间不同平面上;
4:作品中将空间杆折叠且水平面里的万向节通过做阶梯销消除了万向节的尺寸影响;
作品照片:
参考文件:
人民教育出版社 课程教材研究所 中学数学课程教材研发中心编著. 普通高中课程标准实验教科书-数学-选修2-1. 北京:人民教育出版社,2007.
王新华主编. 机械设计基础. 北京:化学工业出版社,2013.
闻邦椿主编. 机械设计手册. 北京:机械工业出版社,2010.
刘鸿文主编. 简明材料力学(第2版). 北京:高等教育出版社,2008. 郝桐生主编. 理论力学(第3版). 北京:高等教育出版社,2003.
于永泗、齐民主编. 机械工程材料(第9版). 大连:大连理工大学出版社,
2012.
现代机械设计方法对机械创新的应用
机械五班 刘汉仁1114010518
摘要
我参加了2014年5月10举办的第三届上海市大学生机械工程创新大赛,通过在现代机械设计方法课上的学习,把一些理论用到了实践中。本文中,主要讲了我们在作品设计制造过程中的问题以及解决方法,例外附上了作品设计说明书。 关键词:
现代设计方法;TRIZ 理论;机械创新设计;
前言
设计的核心是创新。创新能力已是当今企业核心竞争力的重要标志,也是设计人员能力与价值观的体现。TRIZ 是解决发明问题的理论,是实现发明创造、创新设计、概念设计的最有效方法。TRIZ 是基于知识的、面向人的解决发明问题的系统化方法学,其核心是技术系统进化原理。通过TRIZ 理论的学习,能帮助设计人员打破思维定势,避免思维惰性,挖掘自身的潜能,开发人们的创新、创造或者发明意识实现技术创新。其内容包括冲突的概念及分类、设计中物理冲突的解决原理和方法、设计中技术冲突的解决原理和方法。
正好我参加了2014年5月10举办的第三届上海市大学生机械工程创新大赛, 下面说一下作品在设计制造过程中的体会。
1.1作品设计过程中的问题及解决方法:
作品方案从2013年的11月开始制定,第一个方案实现起来比较简单,但是功能单一,且很多地方在运动过程中有干涉。为了使作品的功能多样化,我们制定了第二个方案,就在马上要按它出图纸的时候,经过计算分析,发现其中有严重的问题,如果按照第二个方案制作,将会有非常大的误差。之后就制定了第三个方案,虽然误差依然存在,但经过计算,只要作品足够小,误差能够接受。方案确定后已经是2014年的3月了。
1.2作品制造过程中的问题及解决方法:
图纸全部是我一个人画的,送去工厂的时候,加工师傅没看懂,图基本上无法加工,于是来来回回改了两次。零件的加工我基本上是没有参与,只是去那里看看加工进度和帮下小忙。后面的装配过程基本上是我们完成的,这个过程中出现了非常多的问题,原始方案也在不断的改进。
我们组的作品照片,
从中照片中看到我们的作品使用了很多万向节,很多问题都是它引起的。
三维模型图
最开始安装C 1E 和C 2F 杆的时候,发现OO 1和0F 、OE 的距离太短,使那两根杆的长度过短,从而使的竖着的那根杆不能动,同时C 1、C 2那两个万向节卡死了,这与我们使用它的目的完全相反了,于是我们做了一些改进。首先,通过计算和三维仿真,确定了OO 1、OF 、OE 以及杆它们之间的长度关系,然后为了使万向节不会卡死,我们设计了一些小的零件,使它们在和其他零件连接的时候能够自己转动。在安装A 、B 那两个万向节的时候,发现A 和折杆干涉了,于是把折杆折的方向折了90°,既消除了因为使用万向节导致回转中心不在同一平面的误差,又使其能够灵活的转动。最后在调试的过程中,发现G 、D 那两处的滑块滑动的时候不灵活,还有卡死的现象,于是把那三根杆都换成了圆杆,并把滑块换成了径向轴承,最后这个问题还是没有解决。因为G 那个滑块既要水平动,同时还要竖直动,在滑动的过程中由于驱动它的力是斜的,使它自锁了。这可能是因为BD 和AG 杆的长度不合理。还有那个支座,原本想使它们都用顶尖支撑,好都能移动,结果发现它们固定不牢,于是把D 那里给固定了,其余两个使用了强力磁铁,下面铺了块铁板。
我们的作品由于设计的时候尺寸没有经过计算和优化,使得画出来的图只有很少的一部分,原本理论上是能画出一个完整的出来的,还导致了在运动过程之中出现了自锁现象。这都是很大的失误,以后都是需要特别注意的地方,也让我意识到对于现代设计方法相关知识的严重欠缺。
1.3作品成绩:
在比赛中,我们组取得了上海市大学生机械工程创新大赛三等奖。
2.1作品设计说明书
圆锥曲线仪
上海理工大学
设计者:周海明,刘汉仁,张亮亮,廉颇超
设计目的:
在高中数学中圆锥曲线是我们学习的一大专题,而有时候画出标准的
曲线对解题有重要影响,或者说会影响人的先入为主的想法。同样,在大学机械系我们经常要画投影图,而圆是我们机械中必不可少的因素。而要画出标准的曲线目前市场上只有椭圆规和圆规;所以为了画圆锥曲线的标准化、直观化,我们设计了圆锥曲线仪。
工作原理:
原理:利用圆锥曲线的第二定义:到定点的距离和到定直线的距离成比例的点的轨迹就是圆锥曲线。装置主要的目的就是实现A 、B 两杆的成比例进给。
实现A 、B 成比例的原理如下图:当ON 与MP 成比例时,KM 绕K 点运动时,O 点跟P 点在水平方向上的运动成比例。
在图1中,a,b 两点对应图2中的o,p 两点,a 点在F 杆上滑动,b 点固定,F 杆固定相当于准线。利用对称的方法,当图1中的E 杆在A 、B 所在的平面投影是A 、B 两杆的平分线时,就把红色的那个杆分解到另一个面上。当C 与D 的长度成比例时,E 杆绕着c 点运动,驱动C 、D 成比例进给。G 两杆保证E 杆在A 、B 所在的平面投影是A 、B 两杆的平分线。E 杆折了一下,相当于把图2中的KM 杆变成了KZYX 那样的折杆,使OP 、OM 杆因为使用了万向节而导致的不在同一个面上转动的误差得到消除。在图1中,C 杆使用的是两根杆连接成一个杆,这样使得C 、D 两杆的比例范围变大,实现能画出多种离心率不同的圆锥曲线。
(说明:
1:图中铰D 、E 、F 、G 同一平面,此处通过设计尺寸达到
2:图中万向节尺寸一样)
保证空间杆在底面的投影在DE 、FG 的叫平分线上:
万向节尺寸一样,则O1C1、O1C2相等且C1E 、C2F 相等
所以三角形O1C1E 全等于三角形O1C2F
所以O1E=O1F
又三角形OO1E 与三角形OO1F 共OO1边,且OE=OF
所以三角形OO1E 与三角形OO1F 全等
所以三角形O1EF 为等腰三角形,所以OO1在底面的投影过EF 的中点 所以 空间杆在底面的投影在DE 、FG 的角平分线上。
这个得到保证后,四杆机构OBD (加滑块D )和四杆机构OAG (加滑块G )就能实现把两平行的四杆机构对称的分布在空间中,机构示意图如上图所示。 设计计算:
动点到准线的距离为OG ,动点到定点的距离为
OD
OD 与OG 的比例与BD 与AG 的比例相同,所以只要调节两节杆AG 的长度就可以绘出不同的圆锥曲线。
AG 的最大值300mm ,最小值150mm ;BD 的值为200mm ;
所以能绘出离心率的范围e=(2/3,4/3)
即通过调节可以确定离心率e (=c/a)……式1
且点D 点到准线GI 的距离可调节确定d (=a^2/c-c)……式2
由式1,2可解得a,c 的值。
则调定定点D 到准线GI 的距离和BD 与AG 的比例后能绘得唯一的圆锥曲线。 注:
1:为了保证铰D 、E 、F 、G 同一平面,需在万向节的下面垫垫片或做阶梯销,具体尺寸根据设计的杆的厚度及平面杆的厚度的和决定。
2:空间杆OA 的折点需根据短万向节O1C1E 和O1C2F 来决定。
3:空间杆上固定点B 到O 的距离最好取空间杆的中点,这样可以绘制的椭圆与渐近线的范围能在合适的范围。
此仪器的性能:
主要创新点及优点:
1:本仪器在绘制椭圆的基础上增加了绘制渐近线和抛物线两种功能;
2:仪器中巧妙的利用两个曲柄滑块机构实现了离心率的连续性变化(相当无级变速);
3:仪器将两平行曲柄滑块机构的进给分解到空间不同平面上;
4:作品中将空间杆折叠且水平面里的万向节通过做阶梯销消除了万向节的尺寸影响;
作品照片:
参考文件:
人民教育出版社 课程教材研究所 中学数学课程教材研发中心编著. 普通高中课程标准实验教科书-数学-选修2-1. 北京:人民教育出版社,2007.
王新华主编. 机械设计基础. 北京:化学工业出版社,2013.
闻邦椿主编. 机械设计手册. 北京:机械工业出版社,2010.
刘鸿文主编. 简明材料力学(第2版). 北京:高等教育出版社,2008. 郝桐生主编. 理论力学(第3版). 北京:高等教育出版社,2003.
于永泗、齐民主编. 机械工程材料(第9版). 大连:大连理工大学出版社,
2012.