机械创新设计与实践

第1章 机械创新设计大赛与综合能力培养 1

1.1 全国大学生机械创新设计大赛简介 1

1.2 历届全国大学生机械创新设计大赛的命题与要求 1

1.3 作品的选评 4

1.4 综合能力培养与科技制作 5

1.4.1 课外科技制作的内容与作用 5

1.4.2 课外科技制作与综合能力培养 6

1.4.3 做好大学阶段学习规划，积极参与科技制作 7

1.5 其他相关学科竞赛和创新项目申请 9

1.5.1 挑战杯课外科技作品制作大赛 10

1.5.2 全国工程训练综合能力竞赛 10

1.5.3 全国大学生创新训练项目 11

1.5.4 全国三维数字化创新设计大赛 12

第2章 机械创新设计大赛的组织、培训与管理 13

2.1 全国机械创新设计大赛流程 13

2.2 机械创新设计研究团队建设 14

2.2.1 指导教师团队建设 15

2.2.2 科技制作学生团队建设 16

2.2.3 基于导师制和项目制培养学生团队 17

2.2.4 团队学生选拔与分工 17

2.3 大赛的组织与动员 18

2.4 理论与实验教学改革 19

2.5 管理过程注意事项 22

第3章 机械创新设计最优方案分析与拟定 24

3.1 机械产品设计史 24

3.2 机械产品研发流程 25

3.3 机械专业学生创新能力与素质 26

3.4 机械产品选型与创新点提炼 27

3.5 机械运动方案设计 31

3.6 机构设计要点 31

3.7 机构特点及应用 32

3.7.1 常用机构功能 32

3.7.2 组合机构设计 35

3.7.3 机构的变异与演化 36

3.8 基于功能元求解的机械系统设计 38

3.8.1 创新思维方法 38

3.8.2 功能元对应基本机构 39

3.9 基于杆组的结构分解法 41

3.10 机械产品的可行性和综合评价 46

3.11 先进机构学理论 47

3.11.1 受控机构 47

3.11.2 变胞机构 47

第4章 机械优化设计与仿真 49

4.1 机械优化设计 49

4.2 优化设计的数学模型 51

4.2.1 设计变量 51

4.2.2 目标函数 52

4.2.3 约束条件 53

4.2.4 最优解分析 53

4.3 优化设计问题分析举例 54

4.4 机构运动仿真与程序设计 55

4.4.1 计算机仿真技术简介 55

4.4.2 机构运动仿真的目的和意义 56

4.5 基于Visual Basic.Net的四杆机构仿真 57

4.5.1 Visual Basic.Net简介 57

4.5.2 机构运动仿真编程基础 58

4.6 全铰链四杆机构运动仿真 61

4.6.1 变量定义 61

4.6.2 函数设计 62

第5章 机械产品的动力学分析与仿真 65

5.1 Adams软件简介 65

5.2 Adams入门 66

5.2.1 Adams/View的用户界面简介 66

5.2.2 Adams/View的一般使用方法 68

5.2.3 Adams/PostProcessor的用户界面简介 72

5.2.4 Adams/PostProcessor的一般使用方法 73

5.3 机构动力学仿真案例 76

5.3.1 问题描述 76

5.3.2 建立运动学模型 77

5.3.3 仿真 81

5.3.4 后处理 81

第6章 机电控制系统设计 84

6.1 电动机的选型 84

6.1.1 三相交流异步电动机的选型原则、步骤及实例 86

6.1.2 直流电动机的选型原则、步骤及实例 90

6.1.3 步进电机的选型原则、步骤及实例 94

6.2 电动机控制电路设计 100

6.2.1 永磁有刷直流电动机的PWM调速电路设计实例 100

6.2.2 混合式两相步进电机的驱动电路设计实例 105

6.2.3 三相交流异步电动机直接启动控制电路设计实例 106

第7章 产品数控加工与制造、装配 112

7.1 各种数控机床的适应加工范围 112

7.2 数控加工的工艺设计 113

7.2.1 数控加工工艺内容的选择 114

7.2.2 零件的数控加工工艺性分析 114

7.2.3 数控加工的工艺过程设计 116

7.2.4 数控机床加工工序和加工路线的设计 117

7.2.5 数控加工专用技术文件的编写 122

7.2.6 数控加工综合举例 125

7.3 零件加工制造过程中的注意事项 128

7.4 产品调试与问题分析 129

第8章 后期参赛准备工作 131

8.1 视频与海报制作 131

8.2 申报书写作 132

8.2.1 立项背景 133

8.2.2 研究内容和研究意义 134

8.2.3 项目的科学性和可行性论证 134

8.2.4 产品创新点与重难点总结 134

8.3 如何写说明书或论文 135

8.4 陈述与答辩 137

8.4.1 答辩的PPT设计与制作 138

8.4.2 作品陈述内容及注意事项 138

8.4.3 答辩的注意事项及技巧 139

第9章 机械创新作品案例 142

9.1 概述 142

9.2 创新作品一：救援变形金刚 142

9.2.1 摘要与关键词 142

9.2.2 多功能伤病员输送装置市场调查研究 143

9.2.3 救援变形金刚的设计理念 143

9.2.4 机械系统功能分析与实现 144

9.2.5 结束语 148

9.2.6 总结 148

9.3 创新作品二：斗牛士健身车 149

9.3.1 摘要和关键词 149

9.3.2 健身车市场调查研究 149

9.3.3 斗牛士健身车的设计理念 150

9.3.4 机械系统结构分析与功能实现 152

9.3.5 基于机构分析的关键零部件设计 154

9.3.6 结束语 155

9.3.7 总结 156

9.4 创新作品三：节能划船健身器 156

9.4.1 摘要和关键词 156

9.4.2 市场现有划船健身器的调查研究 156

9.4.3 划船健身器方案设计 157

9.4.4 传动系统设计 160

9.4.5 储能部分设计 161

9.4.6 系统安装 162

9.4.7 结论 162

9.4.8 总结 162

9.5 创新作品四：酷跑双轮车 163

9.5.1 摘要和关键词 163

9.5.2 现有产品市场调查研究 163

9.5.3 酷跑双轮车设计思路 164

9.5.4 酷跑双轮车功能分析 165

9.5.5 结论 170

9.5.6 总结 170

附录 国家级大学生创新训练项目申报书——斗牛士健身车 171

参考文献 178

后记 180

本书以培养机械工程专业学生机械产品创新设计与制造及其相关综合能力与素质为主要目标，针对学生参与机械创新设计大赛的各个流程和技术环节，进行了细致而科学的归纳总结。

全书共分9章，第1章介绍机械创新设计大赛与综合能力培养；第2章论述机械创新设计大赛的组织、培训与管理；第3章重点讲解机械创新设计最优方案分析与拟定，总结典型机构和应用；第4章讲述机械优化设计与仿真；第5章介绍机械产品的动力学分析与仿真；第6章归纳和举例分析机电控制系统常用电动机选型和控制电路设计要点；第7章总结产品数控加工与制造、装配；第8章论述与竞赛相关的论文写作、答辩环节注意事项等；第9章以4个典型机械作品为例，介绍了机械创新设计内容、主要步骤和方法。

本书可作为机械专业学生学习“机械创新与优化设计”课程的教材，也可作为有关教师和学生参与各级各类机械创新设计大赛的参考书。

本书内容共4篇8章,包括机械创新设计基础、机械机构创新设计与图例、机械结构创新设计与图例、机械创新设计综合实例。在介绍创新理念在机械设计方面应用的基础上,广泛列举了370多个机构创新设计实例、机械结构创新设计图例及4个综合性创新设计应用实例。

本书第1篇包括绪论和机械创新设计概述等基础性内容。第2篇包括机构的创新设计方法、机构创新设计及图例、机构组合创新设计及图例和仿生原理及创新设计图例,充分列举了创新设计在平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系、间歇运动机构、螺旋机构、挠性传动机构、组合机构、仿生机构的应用实例。第3篇主要列举了创新设计在机械结构中的应用实例。第4篇主要列举了4个机械创新设计的综合图例。

本书可以作为简明机械设计指南,供机械设计人员及相关技术人员学习、查阅和参考,还可以作为《机械设计》的配套教材,满足高等院校机械设计课程和机械设计基础课程的教学要求。

第1章设计素养、制造工艺与机械创新

1.1设计素养

1.2广义设计与机械设计

1.2.1广义设计

1.2.2机械设计

1.3机械制造工艺

1.4机械创新

1.4.1从车床的起源与发展看机械创新

1.4.2机械创新的类型

1.4.3机械创新的方法

1.4.4机械创新的思维方式和应具备的能力

复习思考题

第2章工业设计

2.1什么是工业设计

2.1.1工业设计的定义

2.1.2工业设计的分类

2.1.3工业设计的意义

2.1.4工业设计的相关领域

2.1.5工业设计的历史

2.2怎样做工业设计

2.2.1设计程序

2.2.2设计评价

2.2.3产品设计的构成元素

2.3设计师的素质

复习思考题

第3章概念设计和标志设计

3.1什么是概念设计

3.1.1概念设计的定义

3.1.2概念设计的意义

3.1.3概念设计的分类

3.2怎样做概念设计

3.2.1发现问题

3.2.2分析问题

3.2.2解决问题

3.3概念设计评价

3.4设计举例： 标志设计

3.4.1标志设计的类型

3.4.2标志设计的表现形式

复习思考题

第4章Inventor简介

4.1Inventor概述

4.2Inventor支持的文件类型

4.3Inventor基本使用环境

4.4Inventor工作界面一览

4.4.1草图环境

4.4.2零件(模型)环境

4.4.3部件环境

4.4.4工程图环境

4.4.5表达视图环境

4.5模型的浏览、动态观察和导航

4.5.1模型的显示

4.5.2模型的动态观察

4.5.3导航工具

4.6直接操纵

4.7工作界面定制与系统环境设置

4.7.1文档设置

4.7.2系统环境常规设置

4.7.3用户界面颜色设置

4.7.4显示设置

复习思考题

第5章草图的绘制、编辑和约束

5.1草图概述

5.2绘制草图

5.2.1点和直线

5.2.2圆、椭圆和圆弧

5.2.3矩形和多边形

5.2.4二维倒角和圆角

5.2.5文本和几何图元文本

5.2.6样条曲线

5.2.7投影几何图元

5.2.8插入AutoCAD文件

5.2.9插入图像

5.3编辑草图

5.3.1草图几何图元的修改

5.3.2镜像特征与阵列特征

5.4约束草图

5.4.1草图几何约束

5.4.2草图尺寸标注

5.5草绘实例

5.5.1草绘实例1——无碳小车底板

5.5.2草绘实例2——无碳小车驱动轴

复习思考题

第6章零件图——特征的创建和编辑

6.1草图特征

6.1.1拉伸特征

6.1.2旋转特征

6.1.3放样特征

6.1.4扫掠特征

6.1.5螺旋扫掠特征

6.2放置特征

6.2.1打孔特征

6.2.2圆角特征

6.2.3倒角特征

6.2.4抽壳特征

6.2.5拔模特征

6.2.6螺纹特征

6.2.7加强筋和肋板

6.3定位特征

6.3.1工作平面

6.3.2工作轴

6.3.3工作点

6.3.4用户坐标系

6.4阵列特征

6.4.1镜像特征

6.4.2矩形阵列特征

6.4.3环形阵列特征

6.5无碳小车特征造型实例

6.5.1零件造型实例1——无碳小车底板

6.5.2零件造型实例2——无碳小车驱动轴

6.5.3零件造型实例3——无碳小车轴承支架

6.5.4零件造型实例4——无碳小车主动轮

6.6无碳小车典型工程零件图

复习思考题

第7章Inventor装配仿真

7.1无碳小车的装配仿真

7.1.1后轮部件装配

7.1.2前轮部件装配

7.1.3转向杆部件装配

7.1.4偏心轮部件装配

7.1.5立杆部件装配

7.1.6无碳小车总装配

7.2装配模型的编辑

7.2.1节流阀的装配

7.2.2旋转平移缩放视图

7.2.3编辑装配约束

7.2.4装配干涉分析

7.2.5可见性控制

7.2.6装配零部件尺寸测量

7.2.7装配过程中改变零件颜色的方法

7.2.8装配过程中改变零件结构的方法

7.2.9装配过程中查看零部件的内部结构的方法

复习思考题

第8章Inventor表达视图的创建

8.1无碳小车后轮表达视图的创建

8.2无碳小车总装配表达视图的创建

8.3编辑表达视图

复习思考题

第9章Inventor Studio演示

9.1节流阀工作原理动画演示

9.2齿轮泵工作原理动画演示

复习思考题

第10章创建工程装配视图

10.1创建工程装配视图环境

10.2工程装配视图的制作

10.3工程装配视图的修改

10.4工程装配视图标注尺寸

10.5工程装配视图标注序号

10.6工程装配视图标注明细栏

复习思考题

第11章项目驱动的整机设计

11.1项目的命题要求

11.2设计中的技术准备

11.3设计方案

11.3.1一级齿轮减速为基础的设计方案

11.3.2两级齿轮减速为基础的设计方案

11.4小车行走的调试

11.4.1小车前轮左右偏摆的对称性调试

11.4.2小车前轮左右偏摆角度的调试

11.4.3小车起始摆放位置的调试

11.5绕“8”字轨迹小车的设计探讨

11.5.1项目的命题要求

11.5.2小车“8”字运行轨迹的设计与制作

11.5.3前轮转向应具备的两个重要调节功能

11.5.4绕“8”字小车的设计方案

11.5.5小车行走的调试

复习思考题

参考文献 2100433B