機械創新設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 要介紹。關鍵詞機械 創新 設計 機構 再生 原理一、機械創新設計概述引言機械設計是指根據使用要求對機械的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構思、分析和計算并將其轉化為具體的描述以作為制造依據的工作過程。一般來說，機械設計分為以下幾步：第一步就是敢發現問題，感悟需求；第二步是弄清問題的本質；第三步是尋求問題的科學原理解，解決問題都是要遵循科學原理或利用科學規律、現象；第四步是選定科學原理解，規劃工藝動作，規劃功能；第五步是機械系統的構思，尺度綜合；第六步是機械系統的評價選優；第七步是對被選定機械系統作結構設計；第八步是造型包裝設計。創新是以新思維、新發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，創造新的東西；第三，改變。創新是人類特有的認識能力和實踐能力，是人類主觀能動性的高級表現形式，是推動民族進步和社會發展的不竭動力。機械創新設計是充分發揮設計者的創造力和智慧，利用人類已有的相關科學理論、方法和原理，進行新的構思，設計出新穎、有刨造性及實用性的機構和機械產品[1]。機械創新設計的內涵狹義的機械創新設計是指規劃構思出新穎有價值的機械產品的活動過程，它的標志是設計產品具有新穎性。廣義的機械創新設計應該包括設計思想方法、手段的創新。一般情況下，機械創新設計被理解為狹義的。從機械的定義、機械設計過程看機械創新設計的內涵主要在以下幾方面[2]： 1)產品功能的創新設計。包括滿足人類需求的全新功能的產品和增加新功能的產品的創造。2)完成產品功能的新的科學原理的運用。3)實現工藝動作的新規劃，用工藝動作完成產品功能是機械產品的重要特征。4)機械系統的創新組合。5)機構創新，包括基本機構的演變創新和機構的組合創新。6)結構創新。機器由具體的功能結構結合而成，結構元素的變化構成機械創新設計最為具體的部分。7)檢測控制系統創新。8)產品造形創新。機械創新設計的實質內容是“新”字，構成一個機械產品的某一部分相對于舊有產品而言，具有新穎價值，其設計過程中就進行了創新設計。機械創新設計只是機械設計過程中，對產品規劃構思的某些部分作了新穎有價值的設計。機械創新設計只是機械設計中的一個環節，前者不能取代后者。本文將針對機構創新這一點，闡述機構學相關理論在機械創新設計方面的應用。二、機械創新設計中的機構創新新機構的創新設計任何一個設計，其首要工作應明確設計目的和設計任務以及設計出機構應實現的功能。機械系統的功能分析是機構創新設計中非常重要的環節，是后續設計的基礎。最基本的功能分析是確定輸入、輸出運動形式和相關約束條件，從而總結出為實現所需功能所需的機構自由度、各類型構件數目、機構中各類運動副的分配情況等[3]。在進行機械裝置的功能分析之后，可根據現有的單鉸運動鏈圖譜找出滿足機構自由度要求和基本功能要求的單鉸運動鏈，且這些僅含連桿與轉動副的所有單鉸運動鏈原型可作為下一步創新綜合的基礎。例如，要求設計一個能較精確地實現預期運動規律(將轉動變換為移動)的傳動系統——凸輪控制機構。則可確定凸輪為原動件，滑塊為輸出構件，該凸輪要求恒速轉動，以驅動滑塊沿固定導軌移動。而滑塊要按規定的行程作往復運動。按以上要求分析，機構的自由度為l，應選擇F=l的運動鏈，而滿足需求的最簡單運動鏈為平面四桿鏈。由于機構中存在凸輪高副，且輸出為移動副，則應對四桿機構進行運動副的替代，不難發現替代后運動鏈為1R1P1Z[4]形式(R為轉動副、P為移動副、Z為凸輪高副)。同時可明確輸入運動為轉動，構件1為驅動件(即為凸輪)，輸出運動為移動，構件3為輸出件(滑塊)，構件2為相對固定的機架，從而得到其機構簡圖如圖21所示。滾子4并非運動鏈中的構件，在此只是起到減少凸輪副磨擦損耗的作用。圖21平面四桿運動鏈替代后的機構若要滿足力或運動的擴大功能，則可分別選擇瓦特鏈與斯蒂芬森鏈為原型的六桿運動鏈并使機構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。根據運動副替代方法，可將瓦特鏈中的構件2與轉動副B和C替代為凸輪副HS，構件l則為凸輪；構件4與轉動副E和G替代為齒輪副HS，構件3為齒輪，構件5為齒條也即是滑塊。接下來確定出三元素桿6為機架，即可設計出機構運動簡圖，如圖23所示。圖中l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，實現滑塊5的往復移動輸出，達到預期功能。圖22 替代后的瓦特鏈圖23 根據瓦特鏈創作的機構再來看斯蒂芬森鏈，如圖24所示。可將構件2和轉動副B和C替代為凸輪副HS，構件1則為凸輪；構件5與轉動副E和F替代為齒輪副HS，構件3為齒輪，構件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架(如圖25a所示)，也可能成為與機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構的機構。圖24替代后的斯蒂芬森鏈圖25 根據斯蒂芬森鏈創新出的機構圖25a方案是以構件6為帶固定齒條的機架，當輸入轉矩驅動凸輪1轉動時，利用凸輪傳動使齒輪3實現往復擺動，由于齒輪3與機架6所含齒條的嚙合，齒輪3的中心相對于機架6成往復直線運動，再通過齒輪3與滑塊4的鉸接，最終形成滑塊4相對于機架6的往復直線運動輸出。圖25b方案是以構件4為機架，通過凸輪驅動輸入轉動，再通過凸輪1將轉動傳遞給齒輪3，齒輪3與滑塊齒條6嚙合，使滑塊齒條6相對機架4作往復移動輸出。在上述方案中為減少凸輪上的磨擦損耗均采用了滾子結構。基于原機構的再生創新與綜合另一種基于現有裝置的再生創新綜合，其設計全過程可分如下5步：(1)明確所設計機器的功能要求，并作相關調研；(2)根據已有的機構將其轉換成僅含構件和轉動副的單鉸運動鏈；(3)是根據原型單鉸運動鏈的基本特性進行構型綜合，即在機構自由度保持不變的情況下，根據需要可適當調整原機構桿件數，并對其各類運動鏈型綜合而獲得所有獨立異構的運動鏈；(4)是根據設計的功能需求與約束條件，選取滿足條件的運動鏈，并進行機構的演化與創新；(5)最后進行機構的結構化設計，得到機械裝置的運動簡圖[5]。現以一個凸輪控制機構的創新設計為例作簡單討論。已知一凸輪控制機構使一個大質量M，按給定的行程D作往復運動，要求根據創新綜合方法，提出其它設計方案，并要求比原機構能獲得更大的機械效益。首先應明確機構設計的基本