【文章內(nèi)容簡介】 第一，更新；第二，創(chuàng)造新的東西；第三，改變。創(chuàng)新是人類特有的認(rèn)識能力和實(shí)踐能力，是人類主觀能動性的高級表現(xiàn)形式，是推動民族進(jìn)步和社會發(fā)展的不竭動力。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計是充分發(fā)揮設(shè)計者的創(chuàng)造力和智慧，利用人類已有的相關(guān)科學(xué)理論、方法和原理，進(jìn)行新的構(gòu)思，設(shè)計出新穎、有刨造性及實(shí)用性的機(jī)構(gòu)和機(jī)械產(chǎn)品[1]。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵狹義的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計是指規(guī)劃構(gòu)思出新穎有價值的機(jī)械產(chǎn)品的活動過程，它的標(biāo)志是設(shè)計產(chǎn)品具有新穎性。廣義的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)該包括設(shè)計思想方法、手段的創(chuàng)新。一般情況下，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計被理解為狹義的。從機(jī)械的定義、機(jī)械設(shè)計過程看機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)涵主要在以下幾方面[2]： 1)產(chǎn)品功能的創(chuàng)新設(shè)計。包括滿足人類需求的全新功能的產(chǎn)品和增加新功能的產(chǎn)品的創(chuàng)造。2)完成產(chǎn)品功能的新的科學(xué)原理的運(yùn)用。3)實(shí)現(xiàn)工藝動作的新規(guī)劃，用工藝動作完成產(chǎn)品功能是機(jī)械產(chǎn)品的重要特征。4)機(jī)械系統(tǒng)的創(chuàng)新組合。5)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新，包括基本機(jī)構(gòu)的演變創(chuàng)新和機(jī)構(gòu)的組合創(chuàng)新。6)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。機(jī)器由具體的功能結(jié)構(gòu)結(jié)合而成，結(jié)構(gòu)元素的變化構(gòu)成機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計最為具體的部分。7)檢測控制系統(tǒng)創(chuàng)新。8)產(chǎn)品造形創(chuàng)新。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計的實(shí)質(zhì)內(nèi)容是“新”字，構(gòu)成一個機(jī)械產(chǎn)品的某一部分相對于舊有產(chǎn)品而言，具有新穎價值，其設(shè)計過程中就進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計只是機(jī)械設(shè)計過程中，對產(chǎn)品規(guī)劃構(gòu)思的某些部分作了新穎有價值的設(shè)計。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計只是機(jī)械設(shè)計中的一個環(huán)節(jié)，前者不能取代后者。本文將針對機(jī)構(gòu)創(chuàng)新這一點(diǎn)，闡述機(jī)構(gòu)學(xué)相關(guān)理論在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計方面的應(yīng)用。二、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計中的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新新機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計任何一個設(shè)計，其首要工作應(yīng)明確設(shè)計目的和設(shè)計任務(wù)以及設(shè)計出機(jī)構(gòu)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能。機(jī)械系統(tǒng)的功能分析是機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)，是后續(xù)設(shè)計的基礎(chǔ)。最基本的功能分析是確定輸入、輸出運(yùn)動形式和相關(guān)約束條件，從而總結(jié)出為實(shí)現(xiàn)所需功能所需的機(jī)構(gòu)自由度、各類型構(gòu)件數(shù)目、機(jī)構(gòu)中各類運(yùn)動副的分配情況等[3]。在進(jìn)行機(jī)械裝置的功能分析之后，可根據(jù)現(xiàn)有的單鉸運(yùn)動鏈圖譜找出滿足機(jī)構(gòu)自由度要求和基本功能要求的單鉸運(yùn)動鏈，且這些僅含連桿與轉(zhuǎn)動副的所有單鉸運(yùn)動鏈原型可作為下一步創(chuàng)新綜合的基礎(chǔ)。例如，要求設(shè)計一個能較精確地實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動規(guī)律(將轉(zhuǎn)動變換為移動)的傳動系統(tǒng)——凸輪控制機(jī)構(gòu)。則可確定凸輪為原動件，滑塊為輸出構(gòu)件，該凸輪要求恒速轉(zhuǎn)動，以驅(qū)動滑塊沿固定導(dǎo)軌移動。而滑塊要按規(guī)定的行程作往復(fù)運(yùn)動。按以上要求分析，機(jī)構(gòu)的自由度為l，應(yīng)選擇F=l的運(yùn)動鏈，而滿足需求的最簡單運(yùn)動鏈為平面四桿鏈。由于機(jī)構(gòu)中存在凸輪高副，且輸出為移動副，則應(yīng)對四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動副的替代，不難發(fā)現(xiàn)替代后運(yùn)動鏈為1R1P1Z[4]形式(R為轉(zhuǎn)動副、P為移動副、Z為凸輪高副)。同時可明確輸入運(yùn)動為轉(zhuǎn)動，構(gòu)件1為驅(qū)動件(即為凸輪)，輸出運(yùn)動為移動，構(gòu)件3為輸出件(滑塊)，構(gòu)件2為相對固定的機(jī)架，從而得到其機(jī)構(gòu)簡圖如圖21所示。滾子4并非運(yùn)動鏈中的構(gòu)件，在此只是起到減少凸輪副磨擦損耗的作用。圖21平面四桿運(yùn)動鏈替代后的機(jī)構(gòu)若要滿足力或運(yùn)動的擴(kuò)大功能，則可分別選擇瓦特鏈與斯蒂芬森鏈為原型的六桿運(yùn)動鏈并使機(jī)構(gòu)中同時存在凸輪高副和齒輪高副。先來討論瓦特鏈的形式，如圖22所示。根據(jù)運(yùn)動副替代方法，可將瓦特鏈中的構(gòu)件2與轉(zhuǎn)動副B和C替代為凸輪副HS，構(gòu)件l則為凸輪；構(gòu)件4與轉(zhuǎn)動副E和G替代為齒輪副HS，構(gòu)件3為齒輪，構(gòu)件5為齒條也即是滑塊。接下來確定出三元素桿6為機(jī)架，即可設(shè)計出機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，如圖23所示。圖中l(wèi)為主動凸輪，通過主動凸輪帶動齒輪3擺動，再通過齒輪齒條的嚙合，實(shí)現(xiàn)滑塊5的往復(fù)移動輸出，達(dá)到預(yù)期功能。圖22 替代后的瓦特鏈圖23 根據(jù)瓦特鏈創(chuàng)作的機(jī)構(gòu)再來看斯蒂芬森鏈，如圖24所示?？蓪?gòu)件2和轉(zhuǎn)動副B和C替代為凸輪副HS，構(gòu)件1則為凸輪；構(gòu)件5與轉(zhuǎn)動副E和F替代為齒輪副HS，構(gòu)件3為齒輪，構(gòu)件6為齒條。此時三元素桿3既是與凸輪連接的從動桿，又是齒輪。三元素桿6則既可能成為帶固定齒條的機(jī)架(如圖25a所示)，也可能成為與機(jī)架通過移動副連接的齒條滑塊(如圖25b所示)。從而可能得出兩種不同結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)。圖24替代后的斯蒂芬森鏈圖25 根據(jù)斯蒂芬森鏈創(chuàng)新出的機(jī)構(gòu)圖25a方案是以構(gòu)件6為帶固定齒條的機(jī)架，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩驅(qū)動凸輪1轉(zhuǎn)動時，利用凸輪傳動使齒輪3實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動，由于齒輪3與機(jī)架6所含齒條的嚙合，齒輪3的中心相對于機(jī)架6成往復(fù)直線運(yùn)動，再通過齒輪3與滑塊4的鉸接，最終形成滑塊4相對于機(jī)架6的往復(fù)直線運(yùn)動輸出。圖25b方案是以構(gòu)件4為機(jī)架，通過凸輪驅(qū)動輸入轉(zhuǎn)動，再通過凸輪1將轉(zhuǎn)動傳遞給齒輪3，齒輪3與滑塊齒條6嚙合，使滑塊齒條6相對機(jī)架4作往復(fù)移動輸出。在上述方案中為減少凸輪上的磨擦損耗均采用了滾子結(jié)構(gòu)?；谠瓩C(jī)構(gòu)的再生創(chuàng)新與綜合另一種基于現(xiàn)有裝置的再生創(chuàng)新綜合，其設(shè)計全過程可分如下5步：(1)明確所設(shè)計機(jī)器的功能要求，并作相關(guān)調(diào)研；(2)根據(jù)已有的機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換成僅含構(gòu)件和轉(zhuǎn)動副的單鉸運(yùn)動鏈；(3)是根據(jù)原型單鉸運(yùn)動鏈的基本特性進(jìn)行構(gòu)型綜合，即在機(jī)構(gòu)自由度保持不變的情況下，根據(jù)需要可適當(dāng)調(diào)整原機(jī)構(gòu)桿件數(shù)，并對其各類運(yùn)動鏈型綜合而獲得所有獨(dú)立異構(gòu)的運(yùn)動鏈；(4)是根據(jù)設(shè)計的功能需求與約束條件，選取滿足條件的運(yùn)動鏈，并進(jìn)行機(jī)構(gòu)的演化與創(chuàng)新；(5)最后進(jìn)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，得到機(jī)械裝置的運(yùn)動簡圖[5]?，F(xiàn)以一個凸輪控制機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計為例作簡單討論。已知一凸輪控制機(jī)構(gòu)使一個大質(zhì)量M，按給定的行程D作往復(fù)運(yùn)動，要求根據(jù)創(chuàng)新綜合方法，提出其它設(shè)計方案，并要求比原機(jī)構(gòu)能獲得更大的機(jī)械效益。首先應(yīng)明確機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本功能是用機(jī)械效益大的凸輪控制機(jī)構(gòu)去驅(qū)動連接點(diǎn)P，同時機(jī)構(gòu)的自由度應(yīng)為1。為簡化問題，僅研究驅(qū)動點(diǎn)P之前的傳動機(jī)構(gòu)，它是F=1的凸輪搖桿機(jī)構(gòu)，其對應(yīng)運(yùn)動鏈如圖26所示。圖26 傳動部分運(yùn)動鏈圖接下來進(jìn)行運(yùn)動鏈的綜合。因創(chuàng)新機(jī)構(gòu)需要獲得更大的機(jī)械效益，故應(yīng)考慮增加機(jī)構(gòu)桿件數(shù)。為保證自由度不變，最少應(yīng)增加2個桿件，則得到新裝置應(yīng)為六桿運(yùn)動鏈，它僅有2種獨(dú)立異構(gòu)型式，即瓦特鏈與斯蒂芬森鏈。以斯蒂芬森鏈為例，根據(jù)功能需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)的演化。因該裝置為凸輪控制機(jī)構(gòu)