工程训练创新设计_刘杨_9787568081405

本书是高等院校本科生参加中国大学生工程实践与创新能力大赛(简称工创大赛)的指导教材，主要应用于工程基础赛道中的驱动车赛项。本书共分为14个章节，分别是绪论、平面机构的分析、平面连杆机构及其设计、凸轮机构及其设计、齿轮机构及其设计、轮系及其设计、机械系统的运转及速度波动的调节、机械系统设计基础、机构创新设计概念、基于势能车的SOLIDWORKS建模仿真、基于势能车的MATLAB凸轮设计、基于小车绕桩轨迹反求转向控制凸轮轮廓、3D打印技术及应用、激光切割技术及应用。本书既涵盖参加工创大赛所需的机械原理、机械设计等基础理论，又注重SOLIDWORKS、MATLAB等设计软件在工创大赛驱动车建模设计中的应用，还包含对3D打印、激光切割等设备在驱动车加工制造过程中实际操作的讲解。本书可作为机械工程等工科类专业本科生的教材和参考书，也可作为工创大赛驱动车赛项的参考资料。

序言中国大学生工程实践与创新能力大赛（简称工创大赛）是由*高等教育司主办的三大赛事之一，是列入《*评审评估和竞赛清单（2021年版）》（教政法厅函〔2021〕2号）的重要赛事，是全国大学生工程训练综合能力竞赛的升级和完善。工创大赛重点考查学生利用跨学科基本理论、基本知识，解决面向实际问题的设计、制造与创新能力，强调工程思维、工程创新、工程伦理与团队合作等综合素质，重视挑战性和综合性。工创大赛按照大工程基础学科综合创新跨学科交叉创新的构架，以需求驱动和技术应用场景创新设置为导向，紧贴国家工程领域发展前沿，是深化新工科建设、推进工程教育改革的重要载体。工创大赛凸显了育、实、创，即坚持育人为本、强调工程实践、鼓励工程创新的核心要素。工创大赛每两年举办一届，做到了以赛促学服务学生成长成才，以赛促改服务新工科综合改革，以赛促建服务制造强国建设。本书是由东北大学工程训练中心的刘杨、李爽、赵月、杨雪峰、王殿宽等教师基于工程训练课程及工创大赛中的工程基础赛项命题编写的。本书介绍了工创大赛发展史、机械原理、机械设计、SOLIDWORKS建模仿真、基于MATLAB的机械结构设计、3D打印技术和激光切割技术及应用等内容。本书既涵盖参加工创大赛所需的机械原理、机械设计等基础理论，又注重SOLIDWORKS、MATLAB等设计软件在工创大赛驱动车建模设计中的应用，还包含对3D打印、激光切割等设备在驱动车加工制造过程中实际操作的讲解。本书注重培养学生的工程实践技能，强调大学生思创融合与团队合作等综合素质能力，夯实后备人才的工程基础。本书可作为机械工程等工科类专业本科生的教材和参考书，也可作为工创大赛驱动车赛项的参考资料。我国正处于从教育大国迈进教育强国、从制造大国走向制造强国的关键时期，需要当代大学生勇敢地肩负起艰巨而光荣的历史使命，让个人理想与国家发展紧密相连。工创大赛坚持立德树人，在工程训练的基础上，突出实践和创新，增强工科学生的使命担当，引导学生爱国爱民、实学实干。希望青年才俊们坚定理想信念，树立远大志向，牢记初心使命，扛起历史责任，不断学习、不断实践、不断创新，努力成为国家和社会需要的、德智体美劳全面发展的、堪当民族复兴重任的时代新人。中国科学院院士东北大学教授闻邦椿2022年4月前言中国大学生工程实践与创新能力大赛是列入《*评审评估和竞赛清单(2021年版)》(教政法厅函〔2021〕2号)的重要赛事，是全国大学生工程训练综合能力竞赛的升级和完善。该大赛，以下简称工创大赛，服务于国家创新驱动发展与制造强国战略，强化工程伦理意识，坚持基础创新并举、理论实践融通、学科专业交叉、校企协同创新、理工人文结合，力求成为具有鲜明中国特色的高端工程创新赛事，建设引领世界工程实践教育发展方向的精品工程，构建面向工程实际、服务社会需求、校企协同创新的实践育人平台，助力工程技术后备人才的培养，开启中国大学生工程实践与创新教育新征程。为了更好地帮助大学生夯实基础工程知识，锻炼基本实践技能，参与工创大赛，本书围绕工程基础赛道中的驱动车赛项自主设计并制作一台具有方向控制功能的自行走势能(或热能)驱动车展开，主要讲解小车设计和制作过程中所用到的一般理论知识与设计制作过程，主要内容包括：竞赛命题介绍、机械原理基础、机械设计基础、机械创新设计、SOLIDWORKS建模仿真、基于MATLAB的凸轮结构设计、3D打印技术及应用、激光切割技术及应用。本书力图从以下几个方面体现编写特点。(1) 用案例引导教学、丰富教学，理论联系实际，便于学生理解、记忆和使用。(2) 本书将比赛过程中运用的机械基础知识进行了提炼，便于机械类及近机械类工科学生的学习，从而为他们参与相关竞赛打下良好的理论基础，本书第9章介绍的机构创新设计概念，涉及机械设计理论与方法的创新、机械结构的创新等，更加注重学生创新思维和创新能力的培养。(3) 本书根据工创大赛带队的指导教师的实践经历做了进一步完善，增添了运用SOLIDWORKS、MATLAB软件进行势能小车设计的案例分析，理论与实践紧密结合，方便学生更快地进行实战。(4) 本书在工程训练课程的基础上详细讲解了3D打印技术和激光切割技术在相关竞赛中的应用，因赛施教、个性培养，将理论与实践相结合，能有效开发学生的创新思维。本书由刘杨、李爽、赵月、杨雪峰和王殿宽负责编写，其中第1章由赵月编写，第2章至第7章及第9章由刘杨编写，第8章由李爽编写，第10章和第11章由杨雪峰编写，第12章至第14章由王殿宽编写。全书由刘杨负责统稿。特别感谢闻邦椿院士在百忙之中对全书进行了仔细审阅，提出了宝贵的意见和建议，并为本书作序。在编写过程中，编者还得到了同事们及东北大学机械工程与自动化学院2020级研究生蔡小雨、陈云高、赵晨诚、黄勇等同学的支持和帮助，向他们表示衷心的感谢。本书得到了东北大学百种优质教材建设的资助，特此感谢。限于编者水平，书中难免存在不妥与疏漏之处，恳请读者批评指正。编者2022年4月

第1章绪论(1)

1.1中国大学生工程实践与创新能力大赛简介(1)

1.2中国大学生工程实践与创新能力大赛发展历程(1)

1.3无碳小车设计说明(22)

1.4大学生科技创新活动的能力培养(25)

第2章平面机构的分析(29)

2.1结构分析(29)

2.2运动分析(43)

2.3力分析(48)

第3章平面连杆机构及其设计(55)

3.1平面连杆机构的特点与基本形式(55)

3.2平面连杆机构的基本性质(59)

3.3平面连杆机构的设计(63)

第4章凸轮机构及其设计(65)

4.1凸轮机构概述(65)

4.2凸轮轮廓曲线的设计(69)

4.3凸轮机构基本尺寸的设计(73)

第5章齿轮机构及其设计(78)

5.1齿轮机构的分类(78)

5.2齿廓啮合(80)

5.3渐开线齿廓及其啮合特点(81)

5.4渐开线标准直齿圆柱齿轮基本参数和几何尺寸(83)

5.5渐开线直齿圆柱齿轮机构的啮合传动(86)

5.6渐开线圆柱齿轮的加工及其根切现象(89)

第6章轮系及其设计(94)

6.1轮系及其分类(94)

6.2轮系传动比的计算(96)

6.3行星轮系设计中的若干问题(103)

第7章机械系统的运转及速度波动的调节(106)

7.1机械的运转过程(106)

7.2机械系统的等效动力学模型(109)

7.3周期性速度波动及其调节(113)

第8章机械系统设计基础(115)

8.1概述(115)

8.2轴的设计(121)

8.3滚动轴承(132)

8.4螺纹连接(149)

8.5键、花键、销、无键连接(161)

第9章机构创新设计概念(170)

9.1创造性思维与创造能力的培养(170)

9.2机构创新方法简介(171)

9.3机构创新设计的内容(172)

9.4基本机构及其运动变换(174)

第10章基于势能车的SOLIDWORKS建模仿真(185)

10.1SOLIDWORKS设计基础(185)

10.2草图绘制(201)

10.3草图编辑(220)

10.4势能车零件建模(228)

第11章基于势能车的MATLAB凸轮设计(239)

11.1MATLAB语言概述(239)

11.2凸轮机构及其设计(246)

第12章基于小车绕桩轨迹反求转向控制凸轮轮廓(271)

12.1利用NX软件进行绕桩轨迹的绘制(271)

12.2通过绘制的轨迹曲线反求凸轮轮廓(304)

12.3利用凸轮坐标数据在NX软件中构建凸轮(326)

12.4凸轮机构设计时应注意的问题(335)

第13章3D打印技术及应用(336)

13.13D打印技术特点和影响(336)

13.2熔融沉积成形技术应用实践(337)

第14章激光切割技术及应用(347)

14.1激光切割技术概述(347)

14.2影响激光切割质量的因素(347)

14.3E系列激光雕刻机操作面板的使用(350)

14.4E系列激光雕刻机基本操作流程(352)

参考文献(354)

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