機械創(chuàng)新設(shè)計 課件

1、機 械 創(chuàng) 新 設(shè) 計吳 恒 機械工程學院 聯(lián)系: 88382619 Emal: 教 材： 1.機械創(chuàng)新設(shè)計， 張春林 等，機械工業(yè)出版社，2004年 2.機械創(chuàng)新設(shè)計， 黃純穎 等，高等教育出版社，2004年參考書： 1. 機械創(chuàng)新設(shè)計 張美麟 等, 化學工業(yè)出版社，2005年 2. 機械創(chuàng)新設(shè)計概論 胡家秀 等，機械工業(yè)出版社，2005年 第一章 緒 論引 言第一節(jié) 創(chuàng)造與發(fā)明并不神秘第二節(jié) 創(chuàng)新需要勇氣和毅力第三節(jié) 創(chuàng)新人才的培養(yǎng)第四節(jié) 機械創(chuàng)新設(shè)計 機械的主要優(yōu)點：既能承擔人力所不能或不便進行的工作，又能較人工生產(chǎn)改進產(chǎn)品質(zhì)量，特別是能夠大大提高勞動生產(chǎn)率和改善勞動條件。使用機器，才能

2、集中進行大量生產(chǎn)，并對生產(chǎn)進行嚴格的分工與科學的管理，實現(xiàn)產(chǎn)品的標準化、系列化和通用化，尤其是便于實現(xiàn)高度的機械化、電氣化和自動化。機械工業(yè)能夠擔負起為國民經(jīng)濟各部門提供技術(shù)裝備和促進改造的重要任務(wù)，在國家工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)進程中，起著主導(dǎo)和決定性的作用。 當今世界正經(jīng)歷著一場新的技術(shù)革命，新概念、新理論、新方法、新工藝不斷出現(xiàn)，使得機械工業(yè)得到了迅猛的發(fā)展?，F(xiàn)代機械日益向高速、重載、高精度、高效率、低噪聲等方向發(fā)展，對機械提出的要求也越來越苛刻。有的需用于宇宙空間，有的要在深海作業(yè)，有的小到能沿人體血管爬行，有的又是龐然大物，有的速度數(shù)倍于音速如此等等。為了適應(yīng)這種情況，新的研究課題與日俱增，新

3、的研究方法日新月異。 機械為主、機電結(jié)合。這樣對學生知識面要求廣，涉及的課程多，包括力學系列課程，機械設(shè)計基礎(chǔ)系列課程，電工電子、計算機控制、程序設(shè)計系列課程等。先進制造領(lǐng)域 ：智能機器人技術(shù) 結(jié)合國家未來戰(zhàn)略需求與當前國際智能機器人發(fā)展趨勢，重點研究智能機器人前沿技術(shù)與核心部件，攻克家用服務(wù)、特殊環(huán)境、微創(chuàng)精細手術(shù)操作、制造等應(yīng)用領(lǐng)域的智能機器人系統(tǒng)集成技術(shù)，取得一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)和顯示度的創(chuàng)新成果，為我國智能機器人產(chǎn)品化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供技術(shù)儲備，培育未來機器人新興產(chǎn)業(yè)。（一）探索導(dǎo)向類課題 1. 機器人機構(gòu) 主要研究內(nèi)容：（1）高性能的機器人傳動部件或執(zhí)行部件；（2）仿生機器人機構(gòu)；（3

4、）微機器人機構(gòu)。 說明與要求：面向服務(wù)機器人或工業(yè)機器人發(fā)展的需求，重點支持高端機器人的傳動部件和先進機器人結(jié)構(gòu)的前沿技術(shù)探索，鼓勵原始創(chuàng)新性研究。 3. 機器人感知 主要研究內(nèi)容（1）仿生感知技術(shù)及系統(tǒng)； （2）非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的信息獲取與識別技術(shù)； （3）面向服務(wù)機器人應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化和智能空間技術(shù)（4）人機和諧共處的多模式交互方法及技術(shù)。 說明與要求：重點支持以上研究內(nèi)容的前沿技術(shù)探索，鼓勵原始創(chuàng)新性研究。要求課題能夠獲得發(fā)明專利等自主知識產(chǎn)權(quán)，完成實用樣機或原型樣機，主要技術(shù)指標達到國外同類產(chǎn)品或系統(tǒng)的水平，并在機器人系統(tǒng)中進行應(yīng)用或試驗驗證。 4. 機器人智能控制 主要研究內(nèi)容 （1）動態(tài)環(huán)

5、境實時建模和導(dǎo)航技術(shù)； （2）在線行為優(yōu)化技術(shù)； （3）可重構(gòu)容錯控制技術(shù)； （4）機器人自主學習控制技術(shù)。 說明與要求：重點支持面向機器人自主行為控制的前沿技術(shù)探索，鼓勵原始創(chuàng)新性研究，提高機器人在人類日常生活環(huán)境中自主完成使命的能力，為實現(xiàn)具有自主行為能力的機器人實用系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。要求課題能夠獲得發(fā)明專利等自主知識產(chǎn)權(quán)，并在機器人系統(tǒng)中進行應(yīng)用或試驗驗證。 5. 機器人新概念及應(yīng)用 主要研究內(nèi)容：（1）集生物學、電子學與機械學于一體的具有復(fù)雜生物行為的機器人系統(tǒng)；（2）在某些新領(lǐng)域和行業(yè)應(yīng)用機器人技術(shù)的新方法和新系統(tǒng)。 說明與要求：本方向重點支持具有突破性新概念、新思想的機器人系統(tǒng)或機器人

6、應(yīng)用的前沿技術(shù)探索，鼓勵原始創(chuàng)新性研究。要求課題能夠獲得發(fā)明專利等自主知識產(chǎn)權(quán)，完成實用樣機或原型樣機，并進行試驗驗證或應(yīng)用。 2面向工業(yè)應(yīng)用的智能機器人技術(shù) 研究目標：結(jié)合機械、醫(yī)藥、食品、家電、輕工、交通和石化等行業(yè)的需求，針對應(yīng)用背景明確、企業(yè)需求迫切的加工、焊接、包裝、搬運自動化裝備的自主創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化，研究相關(guān)機器人作業(yè)單元和自動化生產(chǎn)線的核心單元技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)，開展示范應(yīng)用，促進我國工業(yè)智能化裝備的應(yīng)用和發(fā)展。 主要研究內(nèi)容 （1）高速包裝、搬運機器人自動化成套裝備：結(jié)合醫(yī)藥、食品、家電、輕工和化工等行業(yè)的產(chǎn)品后包裝、物流和倉儲自動化需求，研究高速潔凈包裝機器人和高速重載搬運機器

7、人的關(guān)鍵技術(shù)，包括機器人本體設(shè)計技術(shù)，運動學標定技術(shù)，特種執(zhí)行器設(shè)計技術(shù)，污染避免技術(shù)，散亂物料識別技術(shù)，多機器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)，以及系統(tǒng)集成技術(shù)。 （2）機器人作業(yè)單元：面向大型結(jié)構(gòu)件或復(fù)雜零件的焊接、拋磨等需求，研究準結(jié)構(gòu)環(huán)境下的機器人作業(yè)單元的本體設(shè)計技術(shù)，高可靠性多軸運動控制技術(shù),實時標定技術(shù)，視覺伺服跟蹤技術(shù)，人機交互技術(shù)及相關(guān)工藝。 科學技術(shù)的最基本特征就是不斷進步，不斷創(chuàng)新。創(chuàng)新是人類文明進步的原動力。創(chuàng)新人類科學的發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響，而科學的發(fā)展則成為推動人類社會進步和社會變革的第一動力。 人類歷史上有無數(shù)的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明和創(chuàng)新對人類的生產(chǎn)、生活產(chǎn)生了非常深遠的影響，極大地推動了生產(chǎn)

8、力的發(fā)展，人們的生活水平不斷地得以提高。一談到創(chuàng)造發(fā)明、發(fā)現(xiàn)，人們開始可能會認為是很神秘的事，以為創(chuàng)新發(fā)明是學者專家的專利品，一般人很難辦到，那么先看看下面這些實例吧。第一節(jié) 創(chuàng)造與發(fā)明并不神秘實例1 傳說魯班在山上砍柴時，不小心手被草割破了，一般人可能會自認倒霉，而他卻對此產(chǎn)生了好奇心，他仔細觀察這種草后，發(fā)現(xiàn)這草的邊上有一排鋸齒，根據(jù)這個發(fā)現(xiàn)，魯班發(fā)明了至今仍在使用的鋸子；傳說瓦特在觀察到水燒開后蒸汽能將壺蓋頂起，依據(jù)這個原理他產(chǎn)生了蒸汽動力的設(shè)想，并最終發(fā)明了蒸汽機，導(dǎo)致了第一次工業(yè)革命；還有大家非常熟悉的阿基米德在發(fā)現(xiàn)浮力定理，從而檢驗出皇冠是否為純金的故事；牛頓從樹上的蘋果會掉下來的

9、現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)萬有引力的故事，這些故事為他們的發(fā)明增添了一層神秘的傳奇色彩。實例2 有一位青年，一次看到了一對姐弟吵架的情形，因為姐姐要使用電熨斗，而弟弟卻要用電燈看書，兩人為了爭搶電源而吵了起來。他就想到“如果能夠做一個有兩面插座的插頭，那不就解決問題了嗎？”于是他就以200日元的資本，生產(chǎn)這種自己發(fā)明的有復(fù)式插座的插頭，從而開始了他的事業(yè)，這位青年名叫松下幸之助。實例3 1583年伽里略在教堂做禮拜時，看到教堂內(nèi)有一根長繩下面吊著吊燈，這種裝置叫擺。他發(fā)現(xiàn)吊燈在小幅度擺動時，雖然擺的幅度逐漸減小，但擺動一次所需的時間是一樣的。這個特性就是擺的等時性，依據(jù)這個原理，荷蘭物理學家惠更斯制造出了帶擺的

10、鐘。實例4 1895年，德國物理學家倫琴在做陰極射線實驗時，發(fā)現(xiàn)有種未知的射線能使熒光板發(fā)光，而且無意之中他還發(fā)現(xiàn)這種奇怪的射線能映射出手骨頭的影像，他將這未知的射線稱為X射線。倫琴因此于1901年獲首次諾貝爾物理學獎。第二節(jié) 創(chuàng)新需要勇氣和毅力 大多數(shù)發(fā)明家在創(chuàng)新發(fā)明之前都是非常普通的，很多創(chuàng)新發(fā)明往往是通過一次偶然事件觸發(fā)靈感而開啟智慧之窗而獲得的。那么創(chuàng)新發(fā)明是輕而易舉的事嗎？再看看下面這些例子。 這些實例說明，任何一個創(chuàng)新發(fā)明都是人們經(jīng)過長期的探索，不僅需要堅韌不拔的意志和毅力，而且有些是以生命為代價換來的。如果沒有沖破傳統(tǒng)觀念和不怕失敗的勇氣，沒有不怕犧牲的冒險精神，沒有堅韌不拔的意

11、志和毅力，他們就不可能到達光輝的彼岸。案例：雜交水稻的研究、應(yīng)用1961年的一天，湖南省安江農(nóng)校教師袁隆平在試驗田發(fā)現(xiàn)一株“鶴立雞群”的水稻，它植株高大，穗大粒多，袁隆平如獲至寶，他將種子收集起來，第二年種下進行試驗，希望能培養(yǎng)出高產(chǎn)的稻種，可當?shù)舅牒螅蟠鷧s參差不齊，竟沒有一株像原來的單株好。 失望之余，經(jīng)過反復(fù)思索，產(chǎn)生了一個大膽的設(shè)想：只有搞雜交水稻，利用雜種優(yōu)勢才能提高產(chǎn)量。當時，經(jīng)典遺傳學理論認為，稻麥等自花授粉作物沒有雜種優(yōu)勢。而袁隆平卻認為雜種優(yōu)勢是生物界的普遍規(guī)律，自花授粉作物與異花授粉作物的區(qū)別不過是繁殖方法有所不同。剛過而立之年的袁隆平向傳統(tǒng)的遺傳學理論提出了挑戰(zhàn)。他設(shè)想利

12、用“水稻的雄性不孕性”培育雜交水稻的方案，經(jīng)過10多年的研究，先后用1000多個品種，做了3000多個雜交組合實驗，結(jié)果卻不令人滿意，經(jīng)過綜合分析后，他發(fā)現(xiàn)幾千個試驗所用的雜交材料親緣關(guān)系都太近，于是提出了用遠緣的野生稻種與雜交稻種進行雜交的關(guān)鍵性設(shè)想，接著，他的助手李必湖在海南島發(fā)現(xiàn)了一株花粉敗育的野生稻“野敗”，為雜交水稻研究成功打開了突破口。1973年，三系稻種“南優(yōu)2號”培育成功，1976年開始在全國大面積推廣，比常規(guī)水稻平均增產(chǎn)20。幾點啟示：（1）技術(shù)上的重大突破往往需要理論的指導(dǎo)，而破除迷信、敢于質(zhì)疑是科技創(chuàng)新的前提，如果袁隆平不敢向傳統(tǒng)遺傳學理論挑戰(zhàn)，是不可能去研究雜交水稻的，

13、反過來，雜交水稻的培育成功，也證明了袁隆平設(shè)想的正確性。（2）正確的思維方式和試驗方法是科技創(chuàng)新的有力武器，在研究過程中，即要大膽探索，也要合理設(shè)想和試驗，不斷調(diào)整和尋求突破口。雜交水稻從“三系法”到“兩系法”再到“超級雜交稻”，循序漸進，將新的設(shè)想和理論通過科學的試驗來完成。（3）科學技術(shù)的探索和創(chuàng)新永無止境，現(xiàn)已71歲高齡的袁隆平仍在為超級雜交水稻的研究而辛勤耕耘，充分顯示了一位科學家為祖國為科學獻身的高尚品德。（4）科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力，科技成果的應(yīng)用可以極大的提高生產(chǎn)力水平。而對人類有益的科技成果則具有強大的生命力，袁隆平也當之無愧地獲得了首屆中國最高科技獎。第三節(jié) 創(chuàng)新人才的培養(yǎng)創(chuàng)造

14、性 教育本身是一種創(chuàng)造性的活動。要提高學生的素質(zhì)和創(chuàng)造能力，要培養(yǎng)和鼓勵學生“懷疑”、“探索”、“創(chuàng)新”等科學的精神，只有青出于藍而勝于藍，才能促進科技的高速發(fā)展和人類社會的不斷進步。研究的獨立性、成果的創(chuàng)造性決定著教育的質(zhì)量。綜合性 學生不僅要學習和掌握知識，更重要的是綜合運用知識解決問題，不僅要學習專業(yè)知識，也要融合科學、藝術(shù)等方面的知識，掌握科學思維和藝術(shù)思維方法，培養(yǎng)綜合素質(zhì)和文化素養(yǎng)，陶冶學生的情操，促進德、智、體、美全面發(fā)展。終身性 信息時代和知識經(jīng)濟的到來，使得知識的更替周期不斷縮短，科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新，要求人們必須不斷學習才能順應(yīng)時代的發(fā)展，一次性的學校教育已逐步轉(zhuǎn)化為全社會的

15、終身教育，教育成為一個人一輩子都不可能結(jié)束的過程。創(chuàng)造性人才的培養(yǎng) 1.培養(yǎng)創(chuàng)新意識 創(chuàng)新發(fā)明并非少數(shù)杰出人才的專利，許多人進行創(chuàng)新發(fā)明的故事，使我們相信人人都有創(chuàng)造力，人人都可以搞創(chuàng)新。 創(chuàng)新往往應(yīng)具有敏銳的洞察力，要善于從偶然現(xiàn)象中找到必然，要善于從同樣的事件中想到不同的事情。例如：很多人都知道當灶里的煤火燃燒不旺時，只需拿根鐵棍撥弄一下，火苗就會從撥開的洞眼中竄出，火一下子就會旺起來。而山東有位叫王月山的炊事員就想到了做煤球煤餅時，主動在上面均勻地戳幾個洞，不僅火燒得旺，而且可節(jié)省燃煤，大家熟悉的蜂窩煤就這樣發(fā)明了。 事物總在不斷發(fā)展和完善，要善于觀察、發(fā)現(xiàn)矛盾和需要。發(fā)現(xiàn)不足、提出問題

16、。往往成為創(chuàng)新的起點。而創(chuàng)新是人們經(jīng)過長期探索、付出非凡的勞動才能成功。這就需要有堅定的毅力，克服重重困難的精神，所有的創(chuàng)新發(fā)明都來自于人類的大腦。要培養(yǎng)獨立思考、勇于探索的意識，而不是只會記住正確答案的知識復(fù)印機。每個人都可以用SWIH法（What，Why，When，Where，Who，How）對不同事情進行設(shè)問，思考、思考、再思考，人人都會產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)想。 2掌握創(chuàng)新原理和創(chuàng)新技法 要提高創(chuàng)新能力應(yīng)培養(yǎng)良好的創(chuàng)造心理，掌握創(chuàng)新原理和創(chuàng)造技法。 科學技術(shù)的發(fā)展動力在于不斷創(chuàng)新，不斷發(fā)現(xiàn)。而創(chuàng)新創(chuàng)造本身也存在一定的理論和規(guī)律，也具有其科學的原理和方法。 創(chuàng)新原理和創(chuàng)造技法是以總結(jié)創(chuàng)造學理論創(chuàng)新思

17、維規(guī)律為基礎(chǔ)，通過大量的創(chuàng)造活動概括總結(jié)出來的原理、技巧和方法，了解和掌握創(chuàng)新原理和創(chuàng)新技法，往往能更自覺、更巧妙進行創(chuàng)新活動。 人的創(chuàng)造能力可以通過學習和訓練得到激發(fā)和提高，通過改進自己的思維習慣，通過獨立思考，多想多練，通過訓練自己集中注意力、發(fā)揮想象力，進行擴散思維、求異思維訓練等等，能夠提高創(chuàng)新思維能力，而將思維運用到實際中去，才可能起到良好的效果。3加強創(chuàng)新實踐 形成創(chuàng)新能力，除了學習理論，更重要的在于實踐。正如不下水學不會游泳，不開車就不可能真正學會駕駛汽車一樣，所有的創(chuàng)造力訓練離不開大量的創(chuàng)造實踐。創(chuàng)新實踐可分為3個階段： （1）了解問題：目標是什么？未知量、已知量是那些？情況如

18、何？能滿足情況的需要嗎？能否決定未知量，是否足夠，是否重復(fù)或抵觸？可以畫張圖，引入合適的標志，把情況的各部分加以分解。 （2）設(shè)計方案：遇到過這個問題嗎？知道相關(guān)的問題嗎？可能運用什么原理？通過不同的方法設(shè)計各種方案，并進行優(yōu)化。 （3）執(zhí)行方案：實施設(shè)計方案，在每一步驟中對方案修改完善，必要時重新設(shè)計方案，以取得最好的成效。 任何一個創(chuàng)新幾乎都要經(jīng)過上述3個階段，一般最困難的是第二階段，最關(guān)鍵的往往是第三階段。 必須通過設(shè)置一系列設(shè)計實踐環(huán)節(jié)，進行大量的動手安裝、維護、設(shè)計制作等實踐活動，培養(yǎng)綜合分析和創(chuàng)新設(shè)計的能力。 如果你在學外語，就要大膽地說；如果你在學游泳，就得下到水里去。不要幻想只

19、要背下厚厚的幾本書而不操作就能學會電腦。人類社會所有的創(chuàng)新和發(fā)明，都是通過人們的雙手而實現(xiàn)的，一個人的設(shè)想，如果不將它們物化，即使構(gòu)想再好，那也可能只是水中月。實踐、實踐、再實踐，你才會取得成功。第四節(jié) 機械創(chuàng)新設(shè)計設(shè)計是人類改造自然的一種基本活動，設(shè)計是復(fù)雜的思維過程，設(shè)計的本質(zhì)是創(chuàng)新。設(shè)計的目的是將預(yù)定的目標，經(jīng)過分析決策，通過一定的信息（文字、數(shù)據(jù)、圖形）而形成設(shè)計方案，并通過制造、實施使設(shè)計成為產(chǎn)品。通過設(shè)計，不斷為社會提供新穎、優(yōu)質(zhì)高效、價廉物美的產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的競爭力和經(jīng)濟效益。根據(jù)設(shè)計的內(nèi)容特點，一般將設(shè)計分為下面3種：1開發(fā)性設(shè)計 在工作原理、結(jié)構(gòu)等完全未知的情況下，針對新任務(wù)提出新方案，開發(fā)設(shè)計出以往沒有過的新產(chǎn)品。2變型設(shè)計 在工作原理和功能結(jié)構(gòu)不改變的情況下，對已有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、尺寸等方面進行變異，設(shè)計出適用范圍更廣的系列化產(chǎn)品。3適應(yīng)性設(shè)計 亦稱反求設(shè)計。針對已有的產(chǎn)品設(shè)計，在消化吸收的基礎(chǔ)上，對產(chǎn)品作局部變更或設(shè)計一個新部件，使產(chǎn)品更能滿足使用要求。 開發(fā)設(shè)計以開創(chuàng)、探索創(chuàng)新，變型設(shè)計通過變異創(chuàng)新，適應(yīng)性設(shè)計在吸取中創(chuàng)新。創(chuàng)新是各種類型設(shè)計的共同點。 一、機械的功能要求（1）運動要求：如運動規(guī)律、軌跡、行程、速度、加速度、轉(zhuǎn) 速、調(diào)速范圍、運動的