零件结构是机械产品的皮肤,其创新是可见的,广告效应和产品附加值大。针对当前教科书理论体系存在的不足,从功能实现、产品全生命周期、脆性和弹性材料利用3个方面总结了零件结构创新的10类方法。整合出主要由创新人才、创造力及题目的定义,心理层面的创新方法,通用创新方法,机械产品的创新方法,机构组合、演化、穷举和宽泛的创新方法,零件结构的创新方法,创新实例分析等组成的机械创新方法理论体系。基于零件结构创新方法分析鲁班锁,其基本单元为运动副全部为移动副的四体机构。

进一步完善了创新方法与机械创新的理论体系。分析了阻碍创新的大意、轻信、贪婪和浮躁四大陷阱。提出了心理活动、通用方法、某一领域内和具体研究对象的四层创新方法结构体系;总结出了7类通用创新方法——移花接木、博采众家、捕捉灵感、转移阵地、移山填海、惩前毖后和丰富理论。补充了攻心法、简化法和放手法。提出了机械、机构、构体、一约束副、二约束副、自由数等符合语义的概念定义。以简单机构演化和组合出其他机构的观点为基础,对4类机构组合方法的概念进行了诠释和图示。根据动力传递路线判断同一个组合机构是串连式还是并连式。以舟机构和楫机构分别命名了装载式组合机构的俩基本机构。提出了根据基本机构数和固结构体数计算复杂机构自由数的方法。

针对机械原理和机械设计的专业术语,定义了19个概念,如带式链、泵的两个特征、储能块等;修改了25个概念或分类方法,如凸轮、齿轮机构、轮系、键连结、轴和轴承等;使15个概念符合语言学要求,如疲劳磨损所造成的点损、减小载荷波动的改造等。提出了基于啮合力分析的主动斜齿圆柱齿轮所受轴向力方向判断依据。研究成果使该学科的概念更容易被初学者接受。

双永磁轮非接触永磁力直线驱动装置是一种依靠永磁力进行长距离直线传动的磁力驱动装置。双永磁驱动轮与铁质导轨齿条之间没有直接的表面接触,通过控制伺服电机带动永磁驱动轮转动,依靠永磁体对铁质导轨齿条凸齿产生的磁力实现装置的直线驱动。首先,根据双永磁轮磁力驱动装置的结构建立磁力数学模型;其次,利用有限元方法对驱动装置的水平驱动力和竖直干扰力进行仿真分析,将仿真结果与单永磁轮驱动装置的仿真结果进行对比分析。对比分析的结果说明,双永磁轮非接触永磁力直线驱动装置不仅消除了纵向竖直干扰力的干扰,增大了驱动装置的水平驱动力,同时消除了驱动装置在驱动过程中的反向间隙,使导轨在水平方向受力平衡,大大提高了驱动装置的驱动效率。

为解决高速电动机风磨损耗大,高速时转子所受机械应力大,滚动轴承发热严重等问题,提出了一种以气浮轴承为关键支承技术的超高速实心转子电动机结构,在高真空环境下计算其各部分损耗及瞬态热,通过有限元分析了电动机主要部分温度分布,结果表明:电动机转速1.0×105 r/min时,电枢绕组、励磁绕组、转子的最高温度在允许范围内,验证了高真空环境下以气浮轴承为支承技术的超高速实心转子电动机结构的可行性。

提出了一种柔性机器人用永磁变刚度机构。由于电动机转矩有限,在不用增加绳索拉力的情况下,通过该机构实现了柔性机器人关节更强的变刚度能力。该永磁变刚度机构主要由磁弹簧单元和滑轮绳索单元构成。通过虚位移法建立了弹簧磁力和绳索拉力解析模型,通过实验对永磁体间磁力和绳索上的拉力进行测量,测量结果和模型计算结果基本吻合。其结果表明,永磁体间磁力、绳索拉力和刚度随永磁体间气隙减小呈非线性增加,随永磁体长度和平均半径的增加而增加,保持三角形结构高不变,绳索拉力和刚度随着三角形结构底长的增加而增加,减小滑轮半径,可以进一步增加绳索刚度变化范围。

对一种3自由度等刚度永磁弹簧的尺寸参数特性进行仿真与实验研究。该永磁弹簧由3组环形永磁体和柱形永磁体均匀对称布置构成。根据永磁弹簧的结构,利用ANSOFT软件对永磁弹簧尺寸参数进行有限元分析,对径向磁力进行仿真计算,并利用实验验证,仿真结果与实验测量结果基本吻合。由分析结果得出随着环形永磁体平均半径的增加,弹簧径向磁力减小。随着柱形永磁体的半径和轴向长度、环形永磁体的轴向长度的增加,弹簧径向磁力增加。随着环形永磁体和柱形永磁体间的竖直方向气隙长度的增加,弹簧径向磁力呈抛物线趋势变化。为3自由度等刚度永磁弹簧的设计提供了依据。

文章采用磁力驱动器实时控制激光束中轴与辅助气体喷嘴中轴相对位置,通过实验分析了驱动器轨迹跟踪特性。结果表明,在进行轨迹跟踪实验时,其中一个方向周期性的出现不平滑点。因此设计了无磁环的轨迹跟踪对照组实验,对照组实验结果表明,无磁环时,轨迹跟踪特性较好,但电流在峰值处会出现尖点。通过两组对比实验,分析了轨迹跟踪特性周期性出现不平滑点的原因是由于均布在同一圆上的3组永磁体安装不严格对称引起的。

立体光固化成型技术（SLA）以产品尺寸精度高、表面质量优良、能打印出结构复杂模型而广泛用于各个领域。SLA所用材料为液态光敏树脂和石蜡,其缺点是打印成本高昂,制约了该技术的广泛应用。文中从降低SLA打印成本出发,通过优化3D数学模型,采用抽壳的方式降低昂贵的实体材料用量,提高相对经济的支撑材料用量,达到降低产品成本的目的。对该分析方法进行量化分析、实验验证、对比分析,结果表明该节材方法可有效降低SLA打印成本,有益于该SLA打印技术的广泛应用。

提出采用对三维模型抽壳的方法来达到模型内部中空的目的。其中空部分由支撑材料石蜡（VisiJet S300）进行填充,通过增加支撑材料密度来减小打印实体变形;同时,由于模型内部中空,与未抽壳的打印模型相比,在STL文件分层数相同的情形下,其分层面接触面积远远小于未抽壳模型,层间应力极小,从而有效防止变形;另一方面,模型固化及二次固化中易发生的线性收缩在抽壳实体中未对变形有显著地影响。文中对该方法进行了实验验证、对比分析,结果表明该方式可有效降低打印实体变形。