【文章內(nèi)容簡介】 要介紹。關(guān)鍵詞機(jī)械 創(chuàng)新 設(shè)計(jì) 機(jī)構(gòu) 再生 原理一、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)概述引言機(jī)械設(shè)計(jì)是指根據(jù)使用要求對(duì)機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、力和能量的傳遞方式、各個(gè)零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計(jì)算并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過程。一般來說，機(jī)械設(shè)計(jì)分為以下幾步：第一步就是敢發(fā)現(xiàn)問題，感悟需求；第二步是弄清問題的本質(zhì)；第三步是尋求問題的科學(xué)原理解，解決問題都是要遵循科學(xué)原理或利用科學(xué)規(guī)律、現(xiàn)象；第四步是選定科學(xué)原理解，規(guī)劃工藝動(dòng)作，規(guī)劃功能；第五步是機(jī)械系統(tǒng)的構(gòu)思，尺度綜合；第六步是機(jī)械系統(tǒng)的評(píng)價(jià)選優(yōu)；第七步是對(duì)被選定機(jī)械系統(tǒng)作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；第八步是造型包裝設(shè)計(jì)。創(chuàng)新是以新思維、新發(fā)明和新描述為特征的一種概念化過程。起源于拉丁語，它原意有三層含義，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(shí)能力和實(shí)踐能力，是人類主觀能動(dòng)性的高級(jí)表現(xiàn)形式，是推動(dòng)民族進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的不竭動(dòng)力。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)是充分發(fā)揮設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的內(nèi)涵狹義的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)是指規(guī)劃構(gòu)思出新穎有價(jià)值的機(jī)械產(chǎn)品的活動(dòng)過程，它的標(biāo)志是設(shè)計(jì)產(chǎn)品具有新穎性。廣義的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)該包括設(shè)計(jì)思想方法、手段的創(chuàng)新。一般情況下，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)被理解為狹義的。從機(jī)械的定義、機(jī)械設(shè)計(jì)過程看機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(jì)。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(dòng)作的新規(guī)劃，用工藝動(dòng)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(jì)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(jì)的實(shí)質(zhì)內(nèi)容是“新”字，構(gòu)成一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品的某一部分相對(duì)于舊有產(chǎn)品而言，具有新穎價(jià)值，其設(shè)計(jì)過程中就進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)只是機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，對(duì)產(chǎn)品規(guī)劃構(gòu)思的某些部分作了新穎有價(jià)值的設(shè)計(jì)。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)只是機(jī)械設(shè)計(jì)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，前者不能取代后者。本文將針對(duì)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(jì)方面的應(yīng)用。二、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新新機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)任何一個(gè)設(shè)計(jì)，其首要工作應(yīng)明確設(shè)計(jì)目的和設(shè)計(jì)任務(wù)以及設(shè)計(jì)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(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，是后續(xù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。最基本的功能分析是確定輸入、輸出運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)鏈，且這些僅含連桿與轉(zhuǎn)動(dòng)副的所有單鉸運(yùn)動(dòng)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(jì)一個(gè)能較精確地實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律(將轉(zhuǎn)動(dòng)變換為移動(dòng))的傳動(dòng)系統(tǒng)——凸輪控制機(jī)構(gòu)。則可確定凸輪為原動(dòng)件，滑塊為輸出構(gòu)件，該凸輪要求恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)滑塊沿固定導(dǎo)軌移動(dòng)。而滑塊要按規(guī)定的行程作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。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(dòng)鏈，而滿足需求的最簡單運(yùn)動(dòng)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(dòng)副，則應(yīng)對(duì)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副的替代，不難發(fā)現(xiàn)替代后運(yùn)動(dòng)鏈為1R1P1Z[4]形式(R為轉(zhuǎn)動(dòng)副、P為移動(dòng)副、Z為凸輪高副)。同時(shí)可明確輸入運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)件1為驅(qū)動(dòng)件(即為凸輪)，輸出運(yùn)動(dòng)為移動(dòng)，構(gòu)件3為輸出件(滑塊)，構(gòu)件2為相對(duì)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(dòng)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(dòng)鏈替代后的機(jī)構(gòu)若要滿足力或運(yùn)動(dòng)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(dòng)鏈并使機(jī)構(gòu)中同時(shí)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(dòng)副替代方法，可將瓦特鏈中的構(gòu)件2與轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(jì)出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，如圖23所示。圖中l(wèi)為主動(dòng)凸輪，通過主動(dòng)凸輪帶動(dòng)齒輪3擺動(dòng)，再通過齒輪齒條的嚙合，實(shí)現(xiàn)滑塊5的往復(fù)移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)三元素桿3既是與凸輪連接的從動(dòng)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(dòng)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(dòng)凸輪1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，利用凸輪傳動(dòng)使齒輪3實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)，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(duì)于機(jī)架6成往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，再通過齒輪3與滑塊4的鉸接，最終形成滑塊4相對(duì)于機(jī)架6的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)輸出。圖25b方案是以構(gòu)件4為機(jī)架，通過凸輪驅(qū)動(dòng)輸入轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過凸輪1將轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)機(jī)架4作往復(fù)移動(dòng)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(jì)全過程可分如下5步：(1)明確所設(shè)計(jì)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(dòng)副的單鉸運(yùn)動(dòng)鏈；(3)是根據(jù)原型單鉸運(yùn)動(dòng)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(duì)其各類運(yùn)動(dòng)鏈型綜合而獲得所有獨(dú)立異構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈；(4)是根據(jù)設(shè)計(jì)的功能需求與約束條件，選取滿足條件的運(yùn)動(dòng)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(jì)，得到機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)簡圖[5]?，F(xiàn)以一個(gè)凸輪控制機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為例作簡單討論。已知一凸輪控制機(jī)構(gòu)使一個(gè)大質(zhì)量M，按給定的行程D作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，要求根據(jù)創(chuàng)新綜合方法，提出其它設(shè)計(jì)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(jì)的基本