第2章　机械创新设计概述

2.1　机械创新设计的内容

2.1.1　有关机构的几个名词术语

在机械创新设计过程中，机构、最简机构、基本机构、机构的组合是使用得最多的术语，以下分别说明。

①机构　机器中执行机械运动的装置统称为机构。

②最简机构　把2个构件和1个运动副组成的开链机构称为最简单的机构，简称最简机构。其要素是组成机构的最少构件为2且为开链机构。图2-1所示机构为最简机构的两种形式。其中，电动机、鼓风机、发电机等定轴旋转机械的机构简图常用图2-1（a）所示的最简机构表示；往复移动的电磁铁机构和液压缸机构等常用图2-1（b）所示的最简机构表示。

机构学中，图2-1（a）所示的最简机构应用比较广泛，机械的原动机常用最简机构表示。

③基本机构　把含有3个构件以上、不能再进行拆分的闭链机构称为基本机构。其要素是闭链且不可拆分性。如各类四杆机构、五杆机构、3构件高副机构（凸轮机构、齿轮机构、摩擦轮机构、瞬心线机构）、3构件间歇运动机构和螺旋机构、3构件的带传动机构和链传动机构等都是基本机构。任何复杂的机构系统都是由基本机构组合而成的。这些基本机构可以进行串联、并联、叠加连接和封闭连接，组成各种各样的机械，完成各种各样的动作。所以，研究基本机构的运动规律以及它们之间的组合方法，是研究机构创新设计的本质。

图2-2所示的单自由度铰链四杆机构和二自由度的五杆机构都是基本机构，它们都是闭链且具有不可拆分性。

④机构的组合　各基本机构通过某些方法组合在一起，形成一个较复杂的机械系统，这类机械是工程中应用最广泛，也是最普通的。

基本机构的组合方式有两类：一是各基本机构之间没有互相连接，而是各自单独动作，但各机构的运动关系必须满足一定协调关系的机构系统。

图2-3所示的自动输送机械系统中，液压机构2把物料5从传送带Ⅰ上自左向右推动到传送带Ⅱ上，液压机构4把物料从传送带Ⅱ上自下往上推动到指定位置。两套液压机构互不连接地单独工作，其运动的协调由控制系统完成，实现既定的工作目标。这类机械系统的应用很广泛，设计中的主要问题是机构的选型设计与运动的协调设计。目前，采用自动控制的方法进行运动协调设计的机械装置越来越多。

二是各基本机构通过某些连接方式组成一个机构系统，机构之间的连接方式主要是串联组合、并联组合、叠加组合和封闭组合四种，其中串联组合是应用最普通的组合。图2-4所示的机构系统中，带传动机构、蜗杆机构、摆动滚子从动件凸轮机构、铰链四杆机构和正切机构互相串联，形成一个复杂的机械系统，实现物料的分拣作用。实际机械装置中，各种基本机构采用不同的连接方法进行机构的组合设计，可得到许许多多的新型机械。这类机械是应用最广泛的机械。

只要掌握基本机构的运动规律和运动特性，再考虑到机械系统的具体工作要求，选择适当的基本机构类型和数量，对其进行组合设计，就能为创造性设计新机构提供一条最佳途径。

2.1.2　机构创新设计的内容

机构创新设计的内容可分为三大类，即机构的创新设计、机构的应用创新设计和机构组合的创新设计。

（1）机构的创新设计

机构的创新设计是指利用各种机构的综合方法，设计出能实现特定运动规律、特定运动轨迹或特定运动要求的新产品的过程。每一种新机构的问世，都会带来巨大的经济和社会效益，并促进人类社会的发展。如瓦特机构、斯蒂芬森机构促进了蒸汽机车的发展，斯特瓦特机构导致了新型的航天运动模拟器、车辆运动模拟器和并联机床的诞生。

图2-5所示为瓦特机构的应用。所以每创新出一种新机构，都会促进生产的发展和科学技术的进步。

（2）机构的应用创新设计

机构的应用创新设计是指在不改变机构类型的条件下，通过机构中的机架变换、构件形状变异、运动副的形状变异、运动副自由度的等效替换等手段，设计出满足生产需要的新产品的过程。

一个很简单的机构，通过一些变换，可以设计出各种不同形状的机械装置，满足各种机械的工作需要。

图2-6（a）所示为一个常见的曲柄滑块机构，经过运动副B的销钉扩大后，可演化出图2-6（b）所示的偏心盘机构，该机构可广泛应用在短曲柄的冲压装置中。对运动副B、C进行变异后，可得到图2-6（c）所示的泵机构。如对转动副B、C，移动副及其构件形状同时进行变异，可得到图2-6（d）所示的剪床机构。相同机构采用不同的变异方式，可获得许多机构简图相同，但其机械结构和用途不同的机械装置。这类设计称为机构的应用创新设计。

由于机构的类型有限，只有通过应用创新，才能不断扩大其应用范围。

（3）机构组合的创新设计

机构组合的创新设计通常有两种模式：一是各种基本机构单独工作，通过机械手段和控制手段实现它们之间的运动协调，形成一个完整的机构系统，完成特定的工作任务。二是各种基本机构或杆组通过特定的连接方式，组合成一个能完成特定工作要求的机构系统，从而完成特定的工作任务。