第2章　機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)概述

2.1　機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的內(nèi)容

2.1.1　有關(guān)機(jī)構(gòu)的幾個(gè)名詞術(shù)語

在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中，機(jī)構(gòu)、最簡機(jī)構(gòu)、基本機(jī)構(gòu)、機(jī)構(gòu)的組合是使用得最多的術(shù)語，以下分別說明。

①機(jī)構(gòu)　機(jī)器中執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置統(tǒng)稱為機(jī)構(gòu)。

②最簡機(jī)構(gòu)　把2個(gè)構(gòu)件和1個(gè)運(yùn)動(dòng)副組成的開鏈機(jī)構(gòu)稱為最簡單的機(jī)構(gòu)，簡稱最簡機(jī)構(gòu)。其要素是組成機(jī)構(gòu)的最少構(gòu)件為2且為開鏈機(jī)構(gòu)。圖2-1所示機(jī)構(gòu)為最簡機(jī)構(gòu)的兩種形式。其中，電動(dòng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等定軸旋轉(zhuǎn)機(jī)械的機(jī)構(gòu)簡圖常用圖2-1（a）所示的最簡機(jī)構(gòu)表示；往復(fù)移動(dòng)的電磁鐵機(jī)構(gòu)和液壓缸機(jī)構(gòu)等常用圖2-1（b）所示的最簡機(jī)構(gòu)表示。

機(jī)構(gòu)學(xué)中，圖2-1（a）所示的最簡機(jī)構(gòu)應(yīng)用比較廣泛，機(jī)械的原動(dòng)機(jī)常用最簡機(jī)構(gòu)表示。

③基本機(jī)構(gòu)　把含有3個(gè)構(gòu)件以上、不能再進(jìn)行拆分的閉鏈機(jī)構(gòu)稱為基本機(jī)構(gòu)。其要素是閉鏈且不可拆分性。如各類四桿機(jī)構(gòu)、五桿機(jī)構(gòu)、3構(gòu)件高副機(jī)構(gòu)（凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、摩擦輪機(jī)構(gòu)、瞬心線機(jī)構(gòu)）、3構(gòu)件間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和螺旋機(jī)構(gòu)、3構(gòu)件的帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等都是基本機(jī)構(gòu)。任何復(fù)雜的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)都是由基本機(jī)構(gòu)組合而成的。這些基本機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)、疊加連接和封閉連接，組成各種各樣的機(jī)械，完成各種各樣的動(dòng)作。所以，研究基本機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及它們之間的組合方法，是研究機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的本質(zhì)。

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

④機(jī)構(gòu)的組合　各基本機(jī)構(gòu)通過某些方法組合在一起，形成一個(gè)較復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，這類機(jī)械是工程中應(yīng)用最廣泛，也是最普通的。

基本機(jī)構(gòu)的組合方式有兩類：一是各基本機(jī)構(gòu)之間沒有互相連接，而是各自單獨(dú)動(dòng)作，但各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系必須滿足一定協(xié)調(diào)關(guān)系的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。

圖2-3所示的自動(dòng)輸送機(jī)械系統(tǒng)中，液壓機(jī)構(gòu)2把物料5從傳送帶Ⅰ上自左向右推動(dòng)到傳送帶Ⅱ上，液壓機(jī)構(gòu)4把物料從傳送帶Ⅱ上自下往上推動(dòng)到指定位置。兩套液壓機(jī)構(gòu)互不連接地單獨(dú)工作，其運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)由控制系統(tǒng)完成，實(shí)現(xiàn)既定的工作目標(biāo)。這類機(jī)械系統(tǒng)的應(yīng)用很廣泛，設(shè)計(jì)中的主要問題是機(jī)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。目前，采用自動(dòng)控制的方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置越來越多。

二是各基本機(jī)構(gòu)通過某些連接方式組成一個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，機(jī)構(gòu)之間的連接方式主要是串聯(lián)組合、并聯(lián)組合、疊加組合和封閉組合四種，其中串聯(lián)組合是應(yīng)用最普通的組合。圖2-4所示的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中，帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、蝸桿機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)滾子從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)和正切機(jī)構(gòu)互相串聯(lián)，形成一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物料的分揀作用。實(shí)際機(jī)械裝置中，各種基本機(jī)構(gòu)采用不同的連接方法進(jìn)行機(jī)構(gòu)的組合設(shè)計(jì)，可得到許許多多的新型機(jī)械。這類機(jī)械是應(yīng)用最廣泛的機(jī)械。

只要掌握基本機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)特性，再考慮到機(jī)械系統(tǒng)的具體工作要求，選擇適當(dāng)?shù)幕緳C(jī)構(gòu)類型和數(shù)量，對(duì)其進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，就能為創(chuàng)造性設(shè)計(jì)新機(jī)構(gòu)提供一條最佳途徑。

2.1.2　機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的內(nèi)容

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的內(nèi)容可分為三大類，即機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)的應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)組合的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

（1）機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是指利用各種機(jī)構(gòu)的綜合方法，設(shè)計(jì)出能實(shí)現(xiàn)特定運(yùn)動(dòng)規(guī)律、特定運(yùn)動(dòng)軌跡或特定運(yùn)動(dòng)要求的新產(chǎn)品的過程。每一種新機(jī)構(gòu)的問世，都會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，并促進(jìn)人類社會(huì)的發(fā)展。如瓦特機(jī)構(gòu)、斯蒂芬森機(jī)構(gòu)促進(jìn)了蒸汽機(jī)車的發(fā)展，斯特瓦特機(jī)構(gòu)導(dǎo)致了新型的航天運(yùn)動(dòng)模擬器、車輛運(yùn)動(dòng)模擬器和并聯(lián)機(jī)床的誕生。

圖2-5所示為瓦特機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。所以每創(chuàng)新出一種新機(jī)構(gòu)，都會(huì)促進(jìn)生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。

（2）機(jī)構(gòu)的應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)的應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)是指在不改變機(jī)構(gòu)類型的條件下，通過機(jī)構(gòu)中的機(jī)架變換、構(gòu)件形狀變異、運(yùn)動(dòng)副的形狀變異、運(yùn)動(dòng)副自由度的等效替換等手段，設(shè)計(jì)出滿足生產(chǎn)需要的新產(chǎn)品的過程。

一個(gè)很簡單的機(jī)構(gòu)，通過一些變換，可以設(shè)計(jì)出各種不同形狀的機(jī)械裝置，滿足各種機(jī)械的工作需要。

圖2-6（a）所示為一個(gè)常見的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)副B的銷釘擴(kuò)大后，可演化出圖2-6（b）所示的偏心盤機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可廣泛應(yīng)用在短曲柄的沖壓裝置中。對(duì)運(yùn)動(dòng)副B、C進(jìn)行變異后，可得到圖2-6（c）所示的泵機(jī)構(gòu)。如對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)副B、C，移動(dòng)副及其構(gòu)件形狀同時(shí)進(jìn)行變異，可得到圖2-6（d）所示的剪床機(jī)構(gòu)。相同機(jī)構(gòu)采用不同的變異方式，可獲得許多機(jī)構(gòu)簡圖相同，但其機(jī)械結(jié)構(gòu)和用途不同的機(jī)械裝置。這類設(shè)計(jì)稱為機(jī)構(gòu)的應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

由于機(jī)構(gòu)的類型有限，只有通過應(yīng)用創(chuàng)新，才能不斷擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

（3）機(jī)構(gòu)組合的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)組合的創(chuàng)新設(shè)計(jì)通常有兩種模式：一是各種基本機(jī)構(gòu)單獨(dú)工作，通過機(jī)械手段和控制手段實(shí)現(xiàn)它們之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，形成一個(gè)完整的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，完成特定的工作任務(wù)。二是各種基本機(jī)構(gòu)或桿組通過特定的連接方式，組合成一個(gè)能完成特定工作要求的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，從而完成特定的工作任務(wù)。