机构创新设计实验
一、实验目的
1、进行通常轴系结构设计；
2、进行创意轴系结构设计；
3、掌握机构设计的方法——机构的选型和机构的构型；
4、了解机构设计的原则。
二、概述
［一］机构创新设计
一个好的机械原理方案能否实现，机构设计是关键。机构设计中最富有创造性、最关键的环节，是机构形式的设计。常用机构形式的设计方法有两大类，即机构的选型和机构的构型。
(一) 机构形式设计的原则
机构形式设计具有多样性和复杂性，满足同一原理方案的要求，可采用不同的机构类型。在进行机构形式设计时，除满足基本的运动形式、运动规律或运动轨迹要求外，还应遵循以下几项原则。
1、机构尽可能简单
(1)机构运动链尽量简短
(2)适当选择运动副
(3)适当选择原动机
(4)选用广义机构
2、尽量缩小机构尺寸
机械的尺寸和重量随所选用的机构类型不同而有很大差别。众所周知，在相同的传动比情况下，周转轮系减速器的尺寸和重量比普通定轴轮系减速器要小得多。在连杆机构和齿轮机构中，也可利用齿轮传动时节圆作纯滚动的原理或利用杠杆放大或缩小的原理等来缩小机构尺寸。
一般说来，圆柱凸轮机构尺寸比较紧凑，尤其是在从动件行程较大的情况下。盘状凸轮机构的尺寸也可借助杠杆原理相应缩小。
3、应使机构具有较好的动力学特性
机构在机械系统中不仅传递运动，而且还要起到传递和承受力(或力矩) 的作用，因此要选择有较好的动力学特性的机构。
(1)采用传动角较大的机构
(2)采用增力机构
(3)采用对称布置的机构
(二) 机构的选型
所谓机构的选型，是指利用发散思维的方法，将前人创造发明出的各种机构按照运动特性或实现的功能进行分类，然后根据原理方案确定的执行构件所需要的运动特性或实现功能进行搜索、选择、比较和评价，选出合适的机构形式。
1、按运动形式要求选择机构
机构选型一般先按执行构件的运动形式要求选择机构，同时还应考虑机构的功能特点和原动机的形式。
机械系统中，电动机输出轴的运动为转动，经过速度变换后，执行机构的原动件的运动形式亦为转动时，而完成各分功能的执行构件的运动形式却是各种各样的。当机构执行动作的功用很明确，如夹紧、分度、定位、制动、导向等功用
时，设计者可遵照这些功用查阅有关机构手册，分析相应功能的各类机构，进行选择。
实现同一功能或运动形式要求的机构可以有多种类型，选型时应尽可能将现有的各种机构搜索到，以便选出最优方案。
2、机构方案的评价
评价指标和评价体系
满足同一运动形式或功能要求的机构方案有很多，对这些方案应从运动性能、工作性能、动力性能等方面进行综合评价。
所谓评价体系，是通过一定范围内的专家咨询，确定评价指标及其评定方法。对于不同的设计任务，应根据具体情况，拟定不同的评价体系。针对具体设计任务，科学地选取评价指标和建立评价体系是一项十分细致和复杂的工作，也是设计者面临的重要问题。只有建立科学的评价体系，才可以避免个人决定的主观片面性，减少盲目性，从而提高设计的质量和效率。
（三）机构的构型
当应用选型的方法初选出的机构形式不能完全实现预期的要求，或虽能实现功能要求但存在着结构复杂、运动精度不够或动力性能欠佳等缺点时，设计者可以采用创新构型的方法，重新构筑机构的形式，这是比机构选型更具有创造性的工作。
机构创新构型的基本思路是：以通过选型初步确定的机构方案为雏型，通过组合、变异、再生等方法进行突破，获得新的机构。
常用的几种方法如下：
1、利用组合原理构型新机构
组合机构的类型很多，每种组合机构具有各自特有的型组合、尺寸综合及分析设计方法。组合机构结构比较复杂，设计计算繁复，研究起来比较困难。随着计算机和现代设计方法的发展，极大地推动了组合机构的研究发展，目前许多场合都采用了它，尤其在各种自动机器和自动生产线上得到广泛应用。
2、利用机构的变异构型新机构
为了实现一定的工艺动作要求，或为了使机构具有某些特殊的性能，改变现有机构的结构，演变发展出新机构的设计，称为机构变异构型。机构变异构型的方法很多，以下是几种常用的变异构型的方法：
（1）机构的倒置
机构的运动构件与机架的转换，称为机构的倒置。按照运动相对性原理，机构倒置后各构件间的相对运动关系不变，但可以得到不同特性的机构。
（2）机构的扩展
以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个新机构，称为机构的扩展。机构扩展后，原有各构件间的相对运动关系不变，但所构成的新机构的某些性能与原机构有很大差别。
（3）机构局部结构的改变
改变机构的局部结构，可以获得有特殊运动特性的机构。
改变机构的局部结构最常见的情况是，机构的主动件被另一自由度为1的机构或构件组合所置换。
（4）机构结构的移植和模仿
将一机构中的某种结构应用于另一种机构中的设计方法，称为结构的移植。利用某一结构特点设计新机构，称为结构的模仿。
要有效地利用结构的移植和模仿构型出新的机构，必须注意了解、掌握一些机构之间实质上的共同点，以便在不同条件下灵活运用。例如，圆柱齿轮的半径无限增大时，齿轮演变为齿条，运动形式由转动演变为直线移动。运动形式虽然改变了，但齿廓啮合的工作原理没有改变。这种变异方式，可视为移植中的变异。掌握了机构之间的这一实质性的共同点，可以开拓直线移动机构的设计途径。
（5）运动副的变异
改变机构中运动副的形式，可构型出不同运动性能的机构。运动副的变换方式有很多种，常用的有高副与低副之间的变换、运动副尺寸的变换和运动副类型的变换。
3、利用再生运动链法构型新机构
在设计一个新机构时，要构想出能达到预期动作要求的机构，往往非常困难。如果借鉴现有机构的运动链形式，进行类型创新和变异可得到新的机构类型，这种设计方法称为再生运动链法。
4、广义机构创新设计
随着科学技术的迅速发展，利用液、气、声、光、电、磁等工作原理的机构应用日益广泛。这类机构统称为广义机构。在广义机构中，由于利用了一些新的工作介质和工作原理，较传统机构更能方便地实现运动和动力的转换，并能实现某些传统机构难以完成的复杂运动。
［二］轴系结构设计实验箱的基本配置
创意组合式轴系结构设计实验箱，基本零件中共有68种125件，另配有标准件7类166件，该套轴系是目前国内同类产品中较为齐全、数量最多、覆盖教材内容较广的产品，其设计先进，加工精细，提供装配方案最多(三十一种) 有利于开阔丰富学生的视野，对开展轴系结构设计和轴系结构分析，培养学生的机械设计能力具有明显的效果。
该套轴系结构设计实验箱，能方便地组合三十一种以上轴系结构方案，具有内容系统方案多样的特点，同时还可利用两块底板处于不同的位置(同一平面或垂直平面) ，实现创意组合及相互传动，突破原有产品单一的平面组合内容，扩大了使用范围，丰富了教学内容，更能启发学生的创新思维，加深对轴系内容学习的兴趣，为今后的机械创新设计打下一定的基础。
［三］实验内容
机构设计的实验内容分为两个：
实验一、通常轴系结构设计
实验时，先根据实验箱中提供的图纸，按装配图及零件明细表，将零件及标准紧固件选配齐全，分先后步骤在底板上一步步进行组装，达到完全符合装配图为止，再转动轴类旋转零件，是否转动灵活、检查装配是否正确。然后，全班以各小组为单位，进行轴系结构分析、讨论，并选派代表进行讲解。最后，拆卸轴系结构，并将零件及标准紧固件整理归实验箱，放回实验箱。
实验二、创意轴系结构设计
按照机构创新设计的方法，小组进行创意轴系结构设计，提出设计方案，画出装配图简图。然后按通常轴系结构设计实验步骤进行创意轴系结构设计实验。
三、实验报告要求
1、写出实验目的。
2、画出轴系结构设计的装配图。
3、 根据机构创新设计原理，进行通常轴系结构设计／创意轴系结构设计分
析。
四、思考问题
1、机构形式设计的原则是什么？
2、怎样进行机构的选型？
3、怎样利用组合原理构型新机构？
4、怎样利用机构的变异构型新机构？机构的变异构型有那些方法？
5、怎样利用再生运动链法构型新机构？
6、什么是广义机构？怎样进行广义机构创新设计？
五、注意事项：
1、该套零件全部采用铝合金制作，在选用时不得任意敲打、锤挫，以免伤害零件表面影响今后使用。
2、该套轴系零件加工精密，配有专用的实验箱存放。实验时要爱惜零件，不得丢失。每箱零件只能单独装箱存放不得与其它箱内零件混杂在一起，否则，不利于下次实验使用。
3、每套实验箱配备有说明书和装配图，图纸需爱惜使用不得弄脏、损坏和丢失，实验完成后将说明书和图纸一起存放在箱中。
七、附：轴系结构图
机构创新设计实验
一、实验目的
1、进行通常轴系结构设计；
2、进行创意轴系结构设计；
3、掌握机构设计的方法——机构的选型和机构的构型；
4、了解机构设计的原则。
二、概述
［一］机构创新设计
一个好的机械原理方案能否实现，机构设计是关键。机构设计中最富有创造性、最关键的环节，是机构形式的设计。常用机构形式的设计方法有两大类，即机构的选型和机构的构型。
(一) 机构形式设计的原则
机构形式设计具有多样性和复杂性，满足同一原理方案的要求，可采用不同的机构类型。在进行机构形式设计时，除满足基本的运动形式、运动规律或运动轨迹要求外，还应遵循以下几项原则。
1、机构尽可能简单
(1)机构运动链尽量简短
(2)适当选择运动副
(3)适当选择原动机
(4)选用广义机构
2、尽量缩小机构尺寸
机械的尺寸和重量随所选用的机构类型不同而有很大差别。众所周知，在相同的传动比情况下，周转轮系减速器的尺寸和重量比普通定轴轮系减速器要小得多。在连杆机构和齿轮机构中，也可利用齿轮传动时节圆作纯滚动的原理或利用杠杆放大或缩小的原理等来缩小机构尺寸。
一般说来，圆柱凸轮机构尺寸比较紧凑，尤其是在从动件行程较大的情况下。盘状凸轮机构的尺寸也可借助杠杆原理相应缩小。
3、应使机构具有较好的动力学特性
机构在机械系统中不仅传递运动，而且还要起到传递和承受力(或力矩) 的作用，因此要选择有较好的动力学特性的机构。
(1)采用传动角较大的机构
(2)采用增力机构
(3)采用对称布置的机构
(二) 机构的选型
所谓机构的选型，是指利用发散思维的方法，将前人创造发明出的各种机构按照运动特性或实现的功能进行分类，然后根据原理方案确定的执行构件所需要的运动特性或实现功能进行搜索、选择、比较和评价，选出合适的机构形式。
1、按运动形式要求选择机构
机构选型一般先按执行构件的运动形式要求选择机构，同时还应考虑机构的功能特点和原动机的形式。
机械系统中，电动机输出轴的运动为转动，经过速度变换后，执行机构的原动件的运动形式亦为转动时，而完成各分功能的执行构件的运动形式却是各种各样的。当机构执行动作的功用很明确，如夹紧、分度、定位、制动、导向等功用
时，设计者可遵照这些功用查阅有关机构手册，分析相应功能的各类机构，进行选择。
实现同一功能或运动形式要求的机构可以有多种类型，选型时应尽可能将现有的各种机构搜索到，以便选出最优方案。
2、机构方案的评价
评价指标和评价体系
满足同一运动形式或功能要求的机构方案有很多，对这些方案应从运动性能、工作性能、动力性能等方面进行综合评价。
所谓评价体系，是通过一定范围内的专家咨询，确定评价指标及其评定方法。对于不同的设计任务，应根据具体情况，拟定不同的评价体系。针对具体设计任务，科学地选取评价指标和建立评价体系是一项十分细致和复杂的工作，也是设计者面临的重要问题。只有建立科学的评价体系，才可以避免个人决定的主观片面性，减少盲目性，从而提高设计的质量和效率。
（三）机构的构型
当应用选型的方法初选出的机构形式不能完全实现预期的要求，或虽能实现功能要求但存在着结构复杂、运动精度不够或动力性能欠佳等缺点时，设计者可以采用创新构型的方法，重新构筑机构的形式，这是比机构选型更具有创造性的工作。
机构创新构型的基本思路是：以通过选型初步确定的机构方案为雏型，通过组合、变异、再生等方法进行突破，获得新的机构。
常用的几种方法如下：
1、利用组合原理构型新机构
组合机构的类型很多，每种组合机构具有各自特有的型组合、尺寸综合及分析设计方法。组合机构结构比较复杂，设计计算繁复，研究起来比较困难。随着计算机和现代设计方法的发展，极大地推动了组合机构的研究发展，目前许多场合都采用了它，尤其在各种自动机器和自动生产线上得到广泛应用。
2、利用机构的变异构型新机构
为了实现一定的工艺动作要求，或为了使机构具有某些特殊的性能，改变现有机构的结构，演变发展出新机构的设计，称为机构变异构型。机构变异构型的方法很多，以下是几种常用的变异构型的方法：
（1）机构的倒置
机构的运动构件与机架的转换，称为机构的倒置。按照运动相对性原理，机构倒置后各构件间的相对运动关系不变，但可以得到不同特性的机构。
（2）机构的扩展
以原有机构作为基础，增加新的构件，构成一个新机构，称为机构的扩展。机构扩展后，原有各构件间的相对运动关系不变，但所构成的新机构的某些性能与原机构有很大差别。
（3）机构局部结构的改变
改变机构的局部结构，可以获得有特殊运动特性的机构。
改变机构的局部结构最常见的情况是，机构的主动件被另一自由度为1的机构或构件组合所置换。
（4）机构结构的移植和模仿
将一机构中的某种结构应用于另一种机构中的设计方法，称为结构的移植。利用某一结构特点设计新机构，称为结构的模仿。
要有效地利用结构的移植和模仿构型出新的机构，必须注意了解、掌握一些机构之间实质上的共同点，以便在不同条件下灵活运用。例如，圆柱齿轮的半径无限增大时，齿轮演变为齿条，运动形式由转动演变为直线移动。运动形式虽然改变了，但齿廓啮合的工作原理没有改变。这种变异方式，可视为移植中的变异。掌握了机构之间的这一实质性的共同点，可以开拓直线移动机构的设计途径。
（5）运动副的变异
改变机构中运动副的形式，可构型出不同运动性能的机构。运动副的变换方式有很多种，常用的有高副与低副之间的变换、运动副尺寸的变换和运动副类型的变换。
3、利用再生运动链法构型新机构
在设计一个新机构时，要构想出能达到预期动作要求的机构，往往非常困难。如果借鉴现有机构的运动链形式，进行类型创新和变异可得到新的机构类型，这种设计方法称为再生运动链法。
4、广义机构创新设计
随着科学技术的迅速发展，利用液、气、声、光、电、磁等工作原理的机构应用日益广泛。这类机构统称为广义机构。在广义机构中，由于利用了一些新的工作介质和工作原理，较传统机构更能方便地实现运动和动力的转换，并能实现某些传统机构难以完成的复杂运动。
［二］轴系结构设计实验箱的基本配置
创意组合式轴系结构设计实验箱，基本零件中共有68种125件，另配有标准件7类166件，该套轴系是目前国内同类产品中较为齐全、数量最多、覆盖教材内容较广的产品，其设计先进，加工精细，提供装配方案最多(三十一种) 有利于开阔丰富学生的视野，对开展轴系结构设计和轴系结构分析，培养学生的机械设计能力具有明显的效果。
该套轴系结构设计实验箱，能方便地组合三十一种以上轴系结构方案，具有内容系统方案多样的特点，同时还可利用两块底板处于不同的位置(同一平面或垂直平面) ，实现创意组合及相互传动，突破原有产品单一的平面组合内容，扩大了使用范围，丰富了教学内容，更能启发学生的创新思维，加深对轴系内容学习的兴趣，为今后的机械创新设计打下一定的基础。
［三］实验内容
机构设计的实验内容分为两个：
实验一、通常轴系结构设计
实验时，先根据实验箱中提供的图纸，按装配图及零件明细表，将零件及标准紧固件选配齐全，分先后步骤在底板上一步步进行组装，达到完全符合装配图为止，再转动轴类旋转零件，是否转动灵活、检查装配是否正确。然后，全班以各小组为单位，进行轴系结构分析、讨论，并选派代表进行讲解。最后，拆卸轴系结构，并将零件及标准紧固件整理归实验箱，放回实验箱。
实验二、创意轴系结构设计
按照机构创新设计的方法，小组进行创意轴系结构设计，提出设计方案，画出装配图简图。然后按通常轴系结构设计实验步骤进行创意轴系结构设计实验。
三、实验报告要求
1、写出实验目的。
2、画出轴系结构设计的装配图。
3、 根据机构创新设计原理，进行通常轴系结构设计／创意轴系结构设计分
析。
四、思考问题
1、机构形式设计的原则是什么？
2、怎样进行机构的选型？
3、怎样利用组合原理构型新机构？
4、怎样利用机构的变异构型新机构？机构的变异构型有那些方法？
5、怎样利用再生运动链法构型新机构？
6、什么是广义机构？怎样进行广义机构创新设计？
五、注意事项：
1、该套零件全部采用铝合金制作，在选用时不得任意敲打、锤挫，以免伤害零件表面影响今后使用。
2、该套轴系零件加工精密，配有专用的实验箱存放。实验时要爱惜零件，不得丢失。每箱零件只能单独装箱存放不得与其它箱内零件混杂在一起，否则，不利于下次实验使用。
3、每套实验箱配备有说明书和装配图，图纸需爱惜使用不得弄脏、损坏和丢失，实验完成后将说明书和图纸一起存放在箱中。
七、附：轴系结构图