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机械创新设计机械创新设计(MechanicalCreativeDesign，MCD)是指充分发挥设计者的创造力,利用人类已有的相关科学技术成果(含理论、方法、技术原理等),进行创新构思,设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品(装置)的一种实践活动。它包含两个部分:一是改进完善生产或生活中现有机械产品的技术性能、可靠性、经济性、适用性等；二是创造设计出新机器、新产品，以满足新的生产或生活的需要。1．杆组的概念由于平面机构具有确定运动的条件是机构的原动件数目与机构的自由度相等，因此机构由机架，原动件和自由度为零的从动件通过运动副联结而成。将从动件系统拆成若干个不可再分的自由度为零的运动链，称为基本杆组（简称杆组）。根据杆组的定义，组成平面机构杆组的条件是：F=3n－2pl－ph=0其中n为活动构件数，pl为低副数、ph为高副数且都必须是整数。由此可以获得各种类型的杆组。当n=1、pl=1、ph=1时可获得单构件高副杆组。当ph=0时，称之为低副杆组，即F=3n－2pl=0因此根据上式，n应是2的倍数，而pl应是3的倍数，它们的组合有n=2,pl＝3；n=4,pl=6;………。可见最简单的杆组为n=2，pl=3，称为Ⅱ级杆组，由于杆组中转动副和移动副的配置不同，Ⅱ级组共有图8.7的五种形式。图8.7平面低副Ⅱ级杆组n=4，pl=6的杆组形式很多，图8.8所示为常见的Ⅲ级杆组。图8.8平面低副Ⅲ级杆组2．机构的组成原理由上述，可将机构的组成原理概述为：任何平面机构均可以用零自由度的杆组依次连接到原动件和机架上去的方法来组成。8.2.5实验方法与步骤1．正确拆分杆组从机构中拆出杆组具有三个步骤：1）先去掉机构中的局部自由度和虚约束；2）计算机构的自由度，确定原动件；3）从远离原动件的一端开始拆分杆组，每次拆分时，要求先试着拆分Ⅱ级组，没有Ⅱ级组时，再拆分Ⅲ级组等高一级杆组，最后剩下原动件和机架。拆分杆组是否正确的判定方法是：拆去一个杆组或一系列杆组后，剩余的必须为一个完整的机构或若干个与机架相联的原动件，而不能有不成组的零散构件或运动副存在，全部杆组拆完后，应当只剩下与机架相联的原动件。如图8.9所示机构，可先除去K处的局部自由度，然后，按步骤2）计算机构的自由度（F=1），并确定凸轮为原动件；最后根据步骤3），先拆分出构件4和5组成的Ⅱ级组，再拆分出构件6和7及构件3和2组成的两个Ⅱ级组以及由构件8组成的单构件高副杆组，最后剩下原动件1和机架9。图8.9例图2．正确拼装杆组将机构创新模型中的杆组，根据给定的运动学尺寸，在机架上拼接机构，拼接时，首先要分层，一方面是为了使各构件的运动在相互平行的平面内进行，另一方面是为了避免各构件间的运动发生干涉。从最里层装起，依次将各杆组联结到机架上去，杆组内各构件之间的联结已由机构创新模型提供。拼接完成后，试用手动的方式驱动原动件，观察各部分的运动都畅通无阻之后，再与电机相联，检查无误后方可接通电源。3．分析机构的运动学及动力学特性通过观察机构系统的运动，对机构系统的运动学及动力学特性进行分析，一般包括如下几个方面：1）平面机构中是否存在曲柄；2）输出件是否具有急回特性；3）机构的运动是否连续；4）最小传动角（或最大压力角）是否在非工作行程中；5）机械运动过程中是否具有刚性冲击和柔性冲击。1、培养学生运用创造性思维方法，遵循创造性基本原理、法则，运用机构构型的创新设计方法，设计、拼接满足预定运动要求的机构或机构系统；2、要求学生灵活应用以下几种机构构型的创新设计方法，创造性地设计、拼接机构及机构系统。3、加深对执行构件的基本运动和机构的基本功能的了解与掌握；4、培养学生的工程实践动手能力。8.3.4实验原理与方法1.机构构型的主要创新设计方法（一）机构构型的变异创新设计为了满足一定的工艺动作要求，或为了使机构具有某些性能与特点，改变已知机构的结构，在原有机构的基础上，演变发展出新的机构，称此种新机构为变异机构。常用的变异方法有以下几类：1）机构的倒置机构内运动构件与机架的转化，称为机构的倒置。按照运动的相对性原理，机构倒置后各构件间的相对运动关系不变，但可以得到不同的机构。例如，要设计一双足步行机构，要求脚跟对于腰部的轨迹如图8.12中a所示，实现该轨迹的最简单机构是四杆机构，但从连杆曲线图谱中，难以找到合适的四杆机构，于是便改用六杆机构，并得到不同构件为机架的3种机构方案b、c、d。图8.12双足步行机构创新设计2）机构的扩展以原有机构为基础，增加新的构件，构成一个扩大的新机构，称为机构的扩展。机构扩展，原有机构各构件间的相对运动关系不变，但所构成的新机构的某些性能与原机构差别很大。例如要设计一个具有大行程速比系数的机构，一般都先选有急回特性的四杆机构（如曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构、导杆机构和导块机构），再附加杆组，就可获得如图8.13所示的多种六杆机构。图8.13杆组扩展法示例3）机构局部结构的改变改变机构局部结构(包括构件运动机构和机构组成机构)，可以获得有特殊运动性能的机构。4）机构结构的移植与模仿将一机构中的某些机构应用于另一种机构中的设计方法，成为机构的移植。利用某一结构特点设计新的机构，称为结构的模仿。5）机构运动副类型的转换改变机构中的某个或多个运动副的型式，可以设计创新出不同运动性能的机构。通常的变换方式有两种：转动副与移动副之间的变换；高副与低副之间的变换。图8.14中a为某手套自动机的传动机构，将移动副和转动副对换后，即得b所示新型机构。这机构不仅克服了原机构移动副（位于上方）润滑的困难，也避免了易污染产品的弊病。图8.13所示六杆急回机构有一个重大缺点，就是输出速度不均匀，要求等速时不适应。这时，可用凸轮副代替低副来解决，图8.15所示机构即为其中一种方案。图8.14转、移运动副互换图8.15高副替代低副(二)利用机构运动特点创新机构利用现有机构工作原理，充分考虑机构运动特点，各构件相对运动关系及特殊的构件形状等，创新设计出新的机构。1）利用连架杆或连杆运动特点设计新机构；2）利用两构件相对运动关系设计新机构；3）用成型固定构件实现复杂运动过程.图8.16同性异形机构示例图8.16中a所示OAB为一曲柄OA和连杆AB等长的对心曲柄滑块机构，图8.16中b，c所示的2个机构在运动特性上完全与a相同，故这三个机构是3个同性异形机构。(三)基于组成原理的机构创新设计根据机构组成原理，将零自由度的杆组依次连接到原动件和机架上去或者在原有机构的基础上，搭接不同级别的杆组，均可设计出新机构。1)杆组依次连接到原动件和机架上设计新机构；2)将杆组连接到机构上设计新机构；3)根据机构组成原理优选出合适的机构构型、(四)基于组合原理的机构创新设计把一些基本机构按照某种方式组合起来，创新设计出一种与原机构特点不同的新的复合机构。常见的有:串联组合、并联组合、混接式组合等。1）机构的串联组合：将两个或两个以上的单一机构按顺序联接，每一个前置机构的输出运动是后续机构的输入运动，这样的组合方式，称之为机构的串联组合。三个机构Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ串联组合框图如图8.17所示。1132023输入输出图8.17机构的串联组合a)构件固接式串联：若将前一个机构的输出构件和后一个机构的输入构件固接，串联组成一个新的复合机构。不同类型机构的串联组合有各种不同的效果：·将匀速运动机构作为前置机构与另一个机构串联，可以改变机构输出运动的速度和周期；·将一个非匀速运动机构作为前置机构与工作机构串联，则可改变机构的速度特性；·由若干个子机构串联组合得到传力性能较好的机构系统。b)轨迹点串联假若前一个基本机构的输出为平面运动构件上某一点的轨迹，通过该轨迹点与后一个机构串联，这种联接方式称轨迹点串联。图8.18机构串联组合示例如图8.18所示，前置子机构的从动件与后续机构的主动件直接联接，可以用来改变运动形式，实现复合位移函数和运动特性。2）机构的并联组合以一个多自由度机构作为基础机构，将一个或几个自由度为1的机构（可称为附加机构）的输出构件接入基础机构，这种组合方式称为并联组合。图8.19所示为并联组合的几种常见的联接方式的框图。最常见的由并联组合而成的机构有共同的输入（如图（b）、(c)所示）；有的并联组合系统也有两个或多个不同输入（如图(a)所示）；还有一种并联组合系统的输入运动是通过本组合系统的输出构件回授的（如图(e)所示）。12312323（a）（b）（c）2323（d）（e）图8.19并联组合的几种常见方式并联组合可实行运动的合成和分解，其组合效应比串联组合更为多种多样。图8.20a和b所示机构是以一差动机构为基础子机构，再附接若干单自由度子机构来构造组合机构的方法。这种组合可实行运动的合成或分解，其组合比串联组合更为多种多样，也就是更便于用来机构创新设计。(a)(b)图8.20机构并联组合示例3）机构的混接式组合综合运用串联－并联组合方式可组成更为复杂的机构，此种组合方式称之为机构的混接式组合。基于组合原理的机构设计可按下述步骤进行：a)确定执行构件所要完成的运动；b)将执行构件的运动分解成机构易于实现的基本运动或动作，分别拟定能完成这些基本运动或动作的机构构型方案；c)将上述各机构构型按某种组合成一个新的复合机构。图8.21（a）是以“运载”的方式将附加子机构装置在基础子机构的运动构件上面构造新机构，这样可以得到各种复杂的或特定的运动。（b）是以差动机构作为基础机构，该基础机构的一个输入运动是由整个机构的输出运动经附加子机构反馈运动得到的。（a）（b）图8.21机构混接组合示例2.创新设计步骤（一）机械总功能的分解将机械需完成的工艺动作过程进行分解，即将总功能分解成多个分功能或功能元，找出各分功能或功能元的运动规律和动作过程。（二)功能原理方案的分解将总功能分解成多个功能元之后，对功能元进行求解，即将所需的执行动作，用合适的执行机构来实现。将功能元的解进行组合、评价、优选，从而确定其功能原理方案。为了得到能实现功能元的机构，在设计中，需要对执行构件的基本运动和机构的基本功能有一全面的了解。1）执行机构基本运动常用机构执行构件的运动形式有回转运动、直线运动和曲线运动三种，回转和直线运动是最简单的机械运动形式。按运动有无往复性和间歇性，基本运动的形式如表8.1所示。表8.1执行构件的基本运动形式序号运动形式执行机构1单向转动1)曲柄摇杆机构中的曲柄2)转动导杆机构中的转动导杆3)齿轮机构中的齿轮2往复摆动1）曲柄摇杆机构中的摇杆2）摆动导杆机构中的摆动导杆3）摇块机构中的摇块3单向移动1）带传动机构中的输送带移动2）链传动机构中的输送链移动4往复移动1）曲柄滑块机构中的滑块2）牛头刨机构中的刨头5间歇运动1）槽轮机构中的槽轮2）棘轮机构中的棘轮3）凸轮机构4）连杆机构6实现轨迹1）平面连杆机构中的连杆曲线2）行星轮系中行星轮上任意点的轨迹2）机构的基本运动机构的功能是指机构实现运动变换和完成某种功用的能力。利用机构的功能可以组合成总功能的新机械。表8.2表示常用机构的一些基本功能。表8.2机构的基本功能序号基本功能可执行机构1变换运动形式转动转动转动摆动转动移动转动单向间歇传动摆动摆动摆动移动移动移动摆动单向间歇转动1）双曲柄机构2）齿轮机构3）带传动机构4）链传动机构1）曲柄摇杆机构2）曲柄滑块机构3）摆动导杆机构4）摆动从动杆凸轮机构1）曲柄滑块机构2）齿轮齿条机构3）挠性输送机构4）螺旋机构5）正弦机构6）移动推杆凸轮机构1）槽轮机构2）不完全齿轮机构3）空间凸轮间歇运动机构1）双摇杆机构1）正切机构1）双滑块机构2）移动推杆移动凸轮机构1）齿式棘轮机构2）摩擦式棘轮机构2变换运动速度1）齿轮机构（用于增速或减速）2）双曲柄机构3变换运动方向1）齿轮机构2）蜗杆机构3）锥齿轮机构4进行运动合成（或分解）1）差动轮系2）各种2自由度机构5对运动进行操作或控制1）离合器2）凸轮机构3）连杆机构4）杠杆机构6实现给定的运动位置或轨迹1）平面连杆机构2）连杆－齿轮机构3）