第2章　機械創新設計概述

2.1　機械創新設計的內容

2.1.1　有關機構的幾個名詞術語

在機械創新設計過程中，機構、最簡機構、基本機構、機構的組合是使用得最多的術語，以下分別說明。

①機構　機器中執行機械運動的裝置統稱為機構。

②最簡機構　把2個構件和1個運動副組成的開鏈機構稱為最簡單的機構，簡稱最簡機構。其要素是組成機構的最少構件為2且為開鏈機構。圖2-1所示機構為最簡機構的兩種形式。其中，電動機、鼓風機、發電機等定軸旋轉機械的機構簡圖常用圖2-1（a）所示的最簡機構表示；往復移動的電磁鐵機構和液壓缸機構等常用圖2-1（b）所示的最簡機構表示。

機構學中，圖2-1（a）所示的最簡機構應用比較廣泛，機械的原動機常用最簡機構表示。

③基本機構　把含有3個構件以上、不能再進行拆分的閉鏈機構稱為基本機構。其要素是閉鏈且不可拆分性。如各類四桿機構、五桿機構、3構件高副機構（凸輪機構、齒輪機構、摩擦輪機構、瞬心線機構）、3構件間歇運動機構和螺旋機構、3構件的帶傳動機構和鏈傳動機構等都是基本機構。任何復雜的機構系統都是由基本機構組合而成的。這些基本機構可以進行串聯、并聯、疊加連接和封閉連接，組成各種各樣的機械，完成各種各樣的動作。所以，研究基本機構的運動規律以及它們之間的組合方法，是研究機構創新設計的本質。

圖2-2所示的單自由度鉸鏈四桿機構和二自由度的五桿機構都是基本機構，它們都是閉鏈且具有不可拆分性。

④機構的組合　各基本機構通過某些方法組合在一起，形成一個較復雜的機械系統，這類機械是工程中應用最廣泛，也是最普通的。

基本機構的組合方式有兩類：一是各基本機構之間沒有互相連接，而是各自單獨動作，但各機構的運動關系必須滿足一定協調關系的機構系統。

圖2-3所示的自動輸送機械系統中，液壓機構2把物料5從傳送帶Ⅰ上自左向右推動到傳送帶Ⅱ上，液壓機構4把物料從傳送帶Ⅱ上自下往上推動到指定位置。兩套液壓機構互不連接地單獨工作，其運動的協調由控制系統完成，實現既定的工作目標。這類機械系統的應用很廣泛，設計中的主要問題是機構的選型設計與運動的協調設計。目前，采用自動控制的方法進行運動協調設計的機械裝置越來越多。

二是各基本機構通過某些連接方式組成一個機構系統，機構之間的連接方式主要是串聯組合、并聯組合、疊加組合和封閉組合四種，其中串聯組合是應用最普通的組合。圖2-4所示的機構系統中，帶傳動機構、蝸桿機構、擺動滾子從動件凸輪機構、鉸鏈四桿機構和正切機構互相串聯，形成一個復雜的機械系統，實現物料的分揀作用。實際機械裝置中，各種基本機構采用不同的連接方法進行機構的組合設計，可得到許許多多的新型機械。這類機械是應用最廣泛的機械。

只要掌握基本機構的運動規律和運動特性，再考慮到機械系統的具體工作要求，選擇適當的基本機構類型和數量，對其進行組合設計，就能為創造性設計新機構提供一條最佳途徑。

2.1.2　機構創新設計的內容

機構創新設計的內容可分為三大類，即機構的創新設計、機構的應用創新設計和機構組合的創新設計。

（1）機構的創新設計

機構的創新設計是指利用各種機構的綜合方法，設計出能實現特定運動規律、特定運動軌跡或特定運動要求的新產品的過程。每一種新機構的問世，都會帶來巨大的經濟和社會效益，并促進人類社會的發展。如瓦特機構、斯蒂芬森機構促進了蒸汽機車的發展，斯特瓦特機構導致了新型的航天運動模擬器、車輛運動模擬器和并聯機床的誕生。

圖2-5所示為瓦特機構的應用。所以每創新出一種新機構，都會促進生產的發展和科學技術的進步。

（2）機構的應用創新設計

機構的應用創新設計是指在不改變機構類型的條件下，通過機構中的機架變換、構件形狀變異、運動副的形狀變異、運動副自由度的等效替換等手段，設計出滿足生產需要的新產品的過程。

一個很簡單的機構，通過一些變換，可以設計出各種不同形狀的機械裝置，滿足各種機械的工作需要。

圖2-6（a）所示為一個常見的曲柄滑塊機構，經過運動副B的銷釘擴大后，可演化出圖2-6（b）所示的偏心盤機構，該機構可廣泛應用在短曲柄的沖壓裝置中。對運動副B、C進行變異后，可得到圖2-6（c）所示的泵機構。如對轉動副B、C，移動副及其構件形狀同時進行變異，可得到圖2-6（d）所示的剪床機構。相同機構采用不同的變異方式，可獲得許多機構簡圖相同，但其機械結構和用途不同的機械裝置。這類設計稱為機構的應用創新設計。

由于機構的類型有限，只有通過應用創新，才能不斷擴大其應用范圍。

（3）機構組合的創新設計

機構組合的創新設計通常有兩種模式：一是各種基本機構單獨工作，通過機械手段和控制手段實現它們之間的運動協調，形成一個完整的機構系統，完成特定的工作任務。二是各種基本機構或桿組通過特定的連接方式，組合成一個能完成特定工作要求的機構系統，從而完成特定的工作任務。