2.2　机械创新设计的一般原则

原理方案确定的工艺动作是否能够实现，是否能够实现得好，机构设计是关键。

机构种类繁多，除了纯机械式的传统机构，如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、挠性构件机构外，还有利用液、气、声、光、电、磁等工作原理理论设计制成的所谓“广义机构”，如液压机构、气动机构、声电机构、光电机构、电磁机构、记忆合金机构、机电组合机构、微动机构、微型机构、信息机构等。机构的结构不同、类型不同、工作原理不同，其性能、效率、安全性、可靠性、可操作性和经济性也各不相同。不同的机构可以实现不同的运动，也可以实现相同的运动；同一机构经过巧妙的改造能够获得和原来不相同的运动或动力特性；一个机械产品的工艺动作有时也许只需用一个很简单的机构就可以实现，有时也许需要一些复杂的机构，甚至需要多个机构共同协调运动才能实现。因此，如何独具匠心地创造出新机构，如何独出心裁地将多个机构集成在一起，使之成为一个能理想地完成设计任务的功能载体，是机构创新设计中一个富有挑战性的关键环节。

与原理方案设计一样，机构创新有法而无定法。说有法是因为许许多多潜心从事机构学研究的学者和工程技术人员，在长期的生产实践和理论研究中为我们归纳总结出了大量的经验，形成了比较丰富和系统的机构创新设计的理论，这些理论能够帮助设计者在机构的创新过程中思维得到较好的发散和收敛，使机构创新成为可能。说无法是因为在机构的具体创新过程中，设计者必须根据设计的特点自己建立创造目标，并根据目标的特点从技术上、结构上去分析许多因素，考虑各种观点，综合运用各种创新思维和创新技法进行推理和探索，并通过实践进行修正和完善，从而才有可能使自己的预见和设想得到印证，使机构创新成为现实。因此，机构创新除了要求创新者掌握一定的创新理论和技法外，还要求创新者必须较好地掌握相关基础知识及相关理论，必须具有较强的机构分析和综合的能力以及较丰富的机构设计的实际经验。特别是在科技技术飞速发展的今天，机构创新涉及的技术领域不断扩展，各门学科交叉不断加剧，机构的门类变得越来越多，机构的种类和形式已经从传统机构的基础上迅速地得到拓展和延伸，这无疑对机构创新者的知识水平、知识结构和创造能力提出了更大的挑战。当然，这也为创新者创造新机构开辟了更加广阔的空间。

机构创新虽然没有固定的模式可以遵循，但创新的方向不外乎两个。

①构造全新的新机构。这类创新设计也称为机构的构型设计。

②对已知机构进行变性创造。这类创新设计也称为机构的变异设计。

的确，要创造一种以前人们从未见过的新机构是一件非常困难的事，但是，如果能从现有的机构中发现一些尚未被人察觉的某些性能，并将其加以巧妙地利用，就有可能创造出一种新机构，这也可能是当今机构创造发明的重要方法之一。此外，设计者必须广泛地关注当今科学研究在各个领域中的发展，从中捕捉那些能产生运动的新原理、新技术、新方法、新材料和新结构，并及时将其转化应用于机构创新设计中，这也可能是机构发明创造的另一种重要方法。当然，大量的机构创新通常总是在有目的地选择已知机构（选型）的基础上，综合运用组合、变性、移植、还原等创造原理，通过联想、类比、求异、模仿、颠倒、替代等创新技术措施来实现的。因此，充分掌握好的已知基本机构的类型、特点及性能是机构创新的必要条件，也是机构创新的重要理论基础。

由于机构运动形式的多样性与复杂性，能实现同一运动功能的机构不止一种。建立机构评价和评优的标准成为确保原理方案能高质量实现的重要环节。因此，研究与机构创新设计相关的机构形式设计的一般原则和常用基本机构的特性及一般评价标准非常必要。

机构的形式设计是要解决以下关键问题：构造什么样的机构去实现原理方案所提出来的运动要求。这是机构设计中最富有创造性、最直接影响方案的可靠性与经济性的重要环节。因此，机构形式设计，在保证机构能满足基本运动要求的同时，还应满足机构设计的一些一般性原则，这些原则也是评价机构性能好坏的重要标准之一。这些一般性的原则如下。

（1）机构应尽可能的简单

机构越简单越好。所谓简单，是指机构的构件与运动副数量最少，即机构的运动链应最短。运动链短的机构有以下优点。

①构件、运动副数量少，可降低生产成本、减轻产品的质量。

②构件数量少，有利于提高产品的刚度，减少产生振动的环节，提高产品的可靠性。

③运动副少，有利于减少运动副摩擦带来的功率损耗，提高机械传动效率及使用寿命。

④运动副少，能有效地减少运动副的累积误差，提高产品的工作精度。

在对多种机构进行筛选比较时，如果每种机构均能满足方案的设计要求，尽管简单机构可能运动误差比复杂机构稍大，也宁可选运动误差稍大的简单机构而不选用运动误差小甚至理论上完全没有运动误差的复杂机构。例如，图2-7所示能实现直线轨迹的连杆机构，其中图2-7（a）中，由于AB=BC=BE，E点能精确实现直线轨迹。图2-7（b）为E点能实现近似直线轨迹的曲柄摇杆机构。图2-7（c）为E点能精确实现直线轨迹的八杆机构。由于八杆机构运动副数量多，运动累积误差大，在同一制造精度的条件下，八杆机构的实际运动误差为四杆机构的2～3倍。

（2）机构尺寸应尽可能的小

在满足相同工作要求的前提下，不同的机构，其尺寸、质量和结构的紧凑性是大不相同的。例如，在传递相同功率并且设计合理的条件下，行星轮系的外形尺寸及质量比定轴轮系小；在从动件要求作较大行程的直线移动的条件下，齿轮齿条机构比凸轮机构更容易实现体积小、质量轻的目标。但如果要求原动件做匀速转动、从动件作较大行程的往复直线运动，齿轮齿条构件需增加换向机构，从而增加了结构的复杂程度，这时采用连杆机构可能更为合适。例如，图2-8所示为三种曲柄长度为滑块行程的四分之一的机构，图2-8（a）为连杆齿轮齿条机构（5个构件、4个低副、2个高副）。图2-8（b）为六杆机构（6个构件、2个低副）。图2-8（c）为带导向销的等腰对心式曲柄滑块机构（4个构件，4个低副，1个高副）。仅仅从要求机构最简单，且又能满足相同行程的角度出发，图2-8（c）所示方案由于构件和运动副数量均最少，结构最简单、体积也小，应该是三个方案中相对较好的。

（3）注意运动副的类型选择

运动副元素是在相对运动时产生摩擦和磨损的主要原因，运动副的数量和类型对机构运动、传动效率和机构的使用寿命都起着十分重要的作用。

在一般情况下，转动副易于制造，容易保证运动副元素的制造精度和配合精度，采用标准轴承，精度和效率较高。移动副制造困难，不易保证配合精度，效率较低容易自锁，移动副的导轨需要足够的导向长度，质量较大。在进行机构构型设计时，应尽量少用不必要的移动副，在有可能的条件下，可用转动副代替移动副，如图2-9（a）所示。或用无导轨的直线运动机构取代或减少移动副的数量，如图2-9（b）所示。

高副机构能用较少的构件实现从动件的复杂运动。但高副元素接触应力较大，运动副元素一般需用贵重的特殊材料制作，设计和制造精度要求较高，通常需要特殊的加工工艺和设备，由于易于磨损，需要较好的润滑条件，故通常只用于轻载的场合。在机构形式设计时，设计人员应根据设计要求权衡各方面的利弊得失，选择合适的机构类型。

（4）选择合适的原动机，尽可能减少运动转换机构的数量

机构的形式设计不可避免地要考虑采用何种原动机，因为执行机构的输入运动是由原动机经过变速或运动形式转换而获得的。原动机的运动参数和运动输入形式直接影响整个机构传动系统的繁简程度。目前工程中常用的原动机主要有三类。

①内燃机　这类原动机主要有汽油机和柴油机。由于内燃机目前主要采用曲柄滑块机构（长短幅外旋轮线缸体、三角形旋转活塞式发动机由于高速时输出扭矩小，其可靠性及经济性尚需进一步改进等原因，目前应用尚不普遍），利用燃气的爆炸力推动活塞带动曲柄转动，内燃机活塞在曲柄滑块机构的两个运动循环中只有部分行程对外做功，另外的行程需依靠飞轮惯性和其他活塞工作维持转动，因此，曲柄转速是不均匀的。此外，内燃机的输出功率随其转速降低而减小，燃气的利用率降低，因此，内燃机不适合在低速状态下工作，用内燃机来驱动低速执行机构必须要采用减速设备，内燃机主要适用于没有电力供应或需在远距离运动中提供动力且对运动精度要求不高的场合。

②气、液压马达，活塞式气、液缸，摆动式气、液缸　上述原动机可对外输出转动、往复直线运动、往复摆动，借助控制设备也能实现间歇运动。用它们作为执行构件获驱动执行构件可以简化机构的传动链。但上述原动机必须使用一定的设备来为气、液体增压和传输，成本及维护管理费用较高。用高压气体的原动机，运动迅速、反应快，有过载保护功能，但工作时速度稳定性差，难以获得大功率输出，噪声大，特别适合于易燃、易爆、多尘、强振、潮湿、温度变化大，有集中供气源的场合。用高压液体的原动机工作平稳，振荡和噪声小，易于实现频繁换向和启动，有过载保护功能，低速时能获得大功率输出，但是由于油液黏性受温度影响大，不适合于高、低温工况条件下工作。液压元件加工和配合精度要求较高，维护运行成本较高，且对环境有一定污染。

③电动机　电动机种类繁多，包括异步电动机、直流电动机、滑差电动机、直线电动机、双向电动机、步进电动机、伺服电动机等。电动机体积小、质量轻、运行平稳、噪声低、效率高、价格便宜、易于控制和调速。一般的电动机可向外输出转动，直线电动机可输出往复直线运动，双向电动机可输出往复摆动，伺服电动机和步进电动机容易实现各种速度的正反向间歇运动。电动机的类型不同，机械特性也不同。电动机的转速变化范围大，输出功率从零点几瓦到上万千瓦。因此，电动机是工程设计中最常用的原动机。

随着电子技术的飞速发展，机械系统由传统的刚性机械系统逐渐向由伺服控制系统直接控制电动机轴驱动执行构件的柔性机械系统发展，从而大大简化了机械传动系统的传动链，使机构能实现更复杂、更精确的运动。设计者在进行机构形式设计时，应充分认识这种由机械与电子技术相互渗透带来设计思想方法上的变化，利用机电互补、机电结合、机电组合等方法，充分发挥机电一体化的优越性，创造出性能更优良的机械产品。

（5）应使机构具有良好的传力条件和动力特性

在进行机构形式设计时，应选择效率高的机构类型，并保证机构具有较大的传动角和较大的机械增益，从而可以减小机构中构件的截面尺寸和质量，减小原动机的功率。

对于高速运动的机构，要注意构件的运动形式对机构带来的不利影响。较大偏心质量的回转构件和大质量的往复运动构件在机构运动时会产生较大的动负荷，引起较大的冲击和振动，因此要注意构件质量的平衡。机构中作一般平面运动或空间运动构件质量产生的惯性力和惯性力矩实现完全平衡比较困难，应尽量避免选择具有这种构件的机构。当必须采用时，除了采取平衡措施外，还应尽量避免其在高速或容易发生共振的频率条件下运动。

机构进行尺度综合时，在能满足设计要求的条件下，应尽可能缩小机构的“体积”和外形尺寸，尽可能减小构件的运动空间，从而降低机构运动时产生的动负荷和能耗。

机构形式设计要注意运动副组合带来的过约束。图2-10所示为几种导轨构型，其过约束数计算如下。

图2-10（a）中由于导轨由三个平面副构成，每个平面副的约束数为3，而导轨只能保留一个移动自由度，即约束只能为5，故其过约束数为4。

图2-10（b）所示导轨由两个圆柱副构成，每个圆柱副的约束为4，故过约束数为3。

图2-10（c）所示导轨由三个圆柱平面副构成，每个圆柱平面副的约束为2，故导轨中存在的过约束数为1。

图2-10（d）所示导轨由一个圆柱副和一个球体平面副构成，球体平面副的约束为1，故导轨中存在的过约束数为0。

由此看来，运动副组合不恰当将造成机构中产生过约束。过约束会造成机械装配困难，增大运动副中的摩擦与磨损，从而降低机构的寿命。过约束甚至会产生楔紧而使机构无法运动。然而在很多机构中广泛地存在着过约束的问题，例如，为了平衡行星轮运动时产生的离心惯性力，改善轮齿的受力，实现功率分流；为了用较小体积的机构实现大功率传递，行星轮系中常用多个行星轮，从而产生了过约束问题。让某些构件“弹性浮动”，使机构成为一个自适应系统，可以大幅度降低对构件制造精度的要求，减轻过约束带来的不利影响，降低生产成本和装配难度，提高机构的传动性能和使用寿命。

低副中两运动副元素构件的相对运动存在着可逆性，即组成运动副的中空构件与插入构件位置互换不影响机构的相对运动关系，但这种位置互换可能引起构件受力的改变。例如，图2-11（a）所示机构将滑块与导杆位置互换后，虽然作用力的位置相同，大小也未变，但各物体的受力却发生了改变。图2-11（b）所示的复合铰链，将中空构件与插入构件互换可以得到另外不同的结构形式，原来构件1为多副杆，而构件2、3、4为单副杆。经变化后，构件1、4为单副杆，而构件2、3变为多副杆。显然，从制造、安装和构件受力的角度看，将单副杆2、3变为多副杆并不是一个好的选择，因此，应尽可能地减少多副杆数量，并让强度好、刚度高的构件作为多副杆，而且最好使其作为机架，这样有利于提高机构的刚度和运动精度，改善构件的受力。

对于有转动副的移动副，转动副在移动副上的位置也是一个应当认真注意的问题。如图2-12所示的滑块，转动副在移动构件上的位置的改变将直接影响到移动副中摩擦力的大小。因此，应尽量使转动副位于两移动副元素的直线上，从而可以减少移动副中的摩擦，提高机构的传动效率。