導語：機械創(chuàng)新思維方法與機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

【摘要】創(chuàng)新的含義是更新或創(chuàng)造出新東西，機械創(chuàng)新設(shè)計必須改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝，或者創(chuàng)造新性能和新功能。機械創(chuàng)新思維方法包括適應性創(chuàng)新、產(chǎn)品變參數(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品原始創(chuàng)新，三種類型中創(chuàng)新程度最強的是產(chǎn)品原始創(chuàng)新，其困難創(chuàng)新程度最高。機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法可以通過組合機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計、再生運動鏈原理創(chuàng)新設(shè)計和機構(gòu)運動副演變原理創(chuàng)新設(shè)計來完成，它們在數(shù)控機床、建筑機械和農(nóng)業(yè)機械等領(lǐng)域得到廣泛的應用。典型機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的應用，一是曲柄搖塊機構(gòu)與二桿機構(gòu)疊加應用于電動玩具飛馬跳躍，二是通過瓦特鏈型六桿機構(gòu)，演繹出步行行走機器人動作機構(gòu)，選出最優(yōu)方案；以及通過對游梁式抽油機構(gòu)的改造，提高抽油機的生產(chǎn)效率。

【關(guān)鍵詞】機械；創(chuàng)新思維；機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計；應用

機械創(chuàng)新設(shè)計區(qū)別于常規(guī)設(shè)計，是設(shè)計者經(jīng)過市場調(diào)研，然后進行總體設(shè)計，再實施試驗和試制，最終實現(xiàn)批量生產(chǎn)而完成的，它是把創(chuàng)新思維和創(chuàng)新構(gòu)思運用于實際的設(shè)計過程，能夠在產(chǎn)品新穎性和實用性上有所突破的一種原始創(chuàng)新實踐活動。機械創(chuàng)新設(shè)計模式有二種，一是對原有的機構(gòu)和產(chǎn)品分析，進行技術(shù)、性能的構(gòu)思，完成從有到新過程；二是對產(chǎn)品和機構(gòu)的技術(shù)、性能進行重大改進，完成從無到有過程。它們均有如下特點：一是改善、調(diào)整現(xiàn)有的機械產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)、實用性和安全性；二是發(fā)明出新工藝、新產(chǎn)品和新機器；三是具備原創(chuàng)性和獨創(chuàng)性，也就是原始創(chuàng)新性；四是涉及多學科性，機械創(chuàng)新設(shè)計與機械、液壓、電氣、氣動、光電和控制等技術(shù)相融合相交叉。

1機械創(chuàng)新思維方法

機械設(shè)計問題通常分為常規(guī)解決問題和發(fā)明創(chuàng)造問題，只有解決發(fā)明創(chuàng)造問題，才能實現(xiàn)原始創(chuàng)新，創(chuàng)新設(shè)計就是在原有的設(shè)計中加入創(chuàng)新元素或創(chuàng)新性的約束，然后在總設(shè)計方案中保證原有的設(shè)計屬性，即產(chǎn)品安全性、經(jīng)濟性和可靠性。機械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計常用方法有產(chǎn)品適應性設(shè)計、產(chǎn)品變參數(shù)設(shè)計和產(chǎn)品原始創(chuàng)新設(shè)計三類，如圖1所示。

1.1創(chuàng)新的適應性設(shè)計

如圖1所示中，從（a）到（b）屬于創(chuàng)新設(shè)計的適應性設(shè)計過程，稱為實用新型設(shè)計過程，或者叫改進設(shè)計過程，是把現(xiàn)有的系統(tǒng)進行改造或增加部分系統(tǒng)，它是基于原有的產(chǎn)品基礎(chǔ)上，不需要進行系統(tǒng)的重建，設(shè)計難度低于原創(chuàng)設(shè)計，如播放機向微觀化的設(shè)計，從最初的手提式收錄機，發(fā)展成為隨身聽，到便攜式CD機，再到MP3，最終變成耳環(huán)播放器，這種適應性設(shè)計是對系統(tǒng)中的子系統(tǒng)進行改進，這種變化體現(xiàn)了隨身聽向盡可能小、盡可能輕薄的方向改良和進化，也是不斷滿足消費者需求的產(chǎn)品觀念。為了迎合市場需求，設(shè)計師選擇改進發(fā)明以確保產(chǎn)品、性能和實用性方面有優(yōu)良的商業(yè)利益，是此類創(chuàng)新性設(shè)計占據(jù)設(shè)計主導地位的最主要原因。

1.2產(chǎn)品變參數(shù)設(shè)計

產(chǎn)品的變參數(shù)設(shè)計又叫產(chǎn)品變型設(shè)計，是指設(shè)計過程中已經(jīng)改變了產(chǎn)品的形狀、體積、材料和操作控制方式等技術(shù)參數(shù)，從而設(shè)計出新產(chǎn)品。產(chǎn)品變參數(shù)設(shè)計不改變產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，如圖1中從（a）到（c）所示，原有的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)沒變，只對子系統(tǒng)由C、D、E作相應的調(diào)整，改變?yōu)镃1、D1、E1，如開發(fā)不同品牌的汽車，只是開發(fā)新的汽車產(chǎn)品或改進現(xiàn)有的汽車產(chǎn)品，只是從概念、造型上進行創(chuàng)新設(shè)計，還有汽車內(nèi)部形態(tài)方面進行創(chuàng)新設(shè)計，汽車原有的五大結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（冷卻系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等）并沒有改變。

1.3產(chǎn)品原始創(chuàng)新設(shè)計

產(chǎn)品原始創(chuàng)新設(shè)計也稱為開發(fā)性設(shè)計，或叫發(fā)明設(shè)計，如圖1（d）所示，從圖1中（a）到（d），它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生變化，子系統(tǒng)C、D、E成為F、G、H，它是在對原有的產(chǎn)品在給定的任務、約束條件下提出全新的、具有原始創(chuàng)造性的設(shè)計方案，此種設(shè)計方案就是發(fā)明創(chuàng)造設(shè)計。設(shè)計一種全新的產(chǎn)品是對原有系統(tǒng)的原創(chuàng)性革新，可能會帶來巨大的經(jīng)濟效益，這些新的產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝的改進和創(chuàng)新，決定著投入大量資金，也會帶來非常高的風險。這種風險使得在原始創(chuàng)新上很少有企業(yè)愿意投入大量資金用于研發(fā)，研發(fā)工程師原始創(chuàng)新積極性受到限制，但原始創(chuàng)新將一定是開發(fā)具有自主知識主權(quán)產(chǎn)品的必由之路。如在洗衣機的發(fā)明過程中，技術(shù)路線為單筒洗衣機→雙功能雙筒洗衣機→單筒洗脫雙功能洗衣機→洗脫烘一體化洗衣機→無洗滌劑和無水洗衣機→高溫氣流洗衣機等，洗衣機的原始創(chuàng)新設(shè)計過程中，實際上是技術(shù)系統(tǒng)由“單循環(huán)系統(tǒng)→雙循環(huán)系統(tǒng)→多循環(huán)系統(tǒng)→復合循環(huán)系統(tǒng)”的方向發(fā)展而成的。同時還能在超系統(tǒng)中容入某個子系統(tǒng)，形成專用的技術(shù)系統(tǒng)，以此組合的系統(tǒng)將具有更高質(zhì)量系統(tǒng)功能。在手機與平板電腦充電中，將電池從手機和平板電腦中剝離出來，成為移動電源這一超系統(tǒng)，移動電源的發(fā)明就解決了手機、平板電腦耗用電量的矛盾。

2機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法有多種多樣，常用的方法有再生運動鏈原理、機構(gòu)運動副演變原理和機構(gòu)組合原理等。

2.1組合機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

機構(gòu)組合的類型由反饋式組合、并聯(lián)組合和串聯(lián)組合等常用的三種機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法。顧名思義，把每個獨立的單自由度基本機構(gòu)按串聯(lián)順序而獲得的組合機構(gòu)叫串聯(lián)組合機構(gòu)，后一個機構(gòu)輸入必須為前一個機構(gòu)的輸出運動。如圖2（a）所示。由前置凸輪機構(gòu)和后置曲柄滑塊機構(gòu)來構(gòu)成的一種組合機構(gòu)[1]，就是應用于振動大篩機構(gòu)中，依靠凸輪旋轉(zhuǎn)運動來帶動曲柄的滑塊實現(xiàn)往復運動。圖2組合機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計并聯(lián)組合機構(gòu)是由若干個子機構(gòu)由同一個輸入機構(gòu)或構(gòu)件來完成輸入，它們的輸出運動又同時輸入到一個多自由度的子機構(gòu)，從而形成自由度為1的機構(gòu)系統(tǒng)[2]，如圖2（b）所示，例如由一個凸輪機構(gòu)與兩個四桿機構(gòu)組合輸出運動，兩四桿機構(gòu)又與一個五桿機構(gòu)組合，這就是雙色膠版印刷機上的接紙機構(gòu)應用實例。如果把一個單自由度基本機構(gòu)輸入由多自由度基本機構(gòu)的輸出來完成，而形成的組合機構(gòu)叫作反饋式組合機構(gòu)，而且把單自由度的輸出運動再反饋給前置的多自由度機構(gòu)。如圖2（c）所示，它在精密齒輪加工中有大量的應用，其中之一就是對滾齒機系統(tǒng)進行分度校正，多自由度（F=2）的蝸輪蝸桿機構(gòu)前置，單自由度（F=1）的凸輪機構(gòu)后置，蝸桿既沿軸向移動還能繞自身的軸線轉(zhuǎn)動，凸輪機構(gòu)再將蝸桿的軸向移動實現(xiàn)反饋輸入運動。

2.2再生運動鏈原理創(chuàng)新設(shè)計

運動鏈再生法既能解決一般機構(gòu)創(chuàng)新問題，也能進行變異創(chuàng)新，就是對原有的機構(gòu)運動鏈按已知條件進行演繹設(shè)計，它也是一種效率非常高的創(chuàng)新設(shè)計方法。對原始系統(tǒng)進行類型創(chuàng)新或變異創(chuàng)新的方法，首先進行運動鏈簡圖轉(zhuǎn)化，形成一般運動鏈機構(gòu)，再按照約束來給予賦值條件，能夠演繹出無數(shù)個再生運動鏈，可以選擇一個效率最高和最優(yōu)的再生運動鏈創(chuàng)新機構(gòu)。例如在對六桿抽油機機構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計過程中，把原始運動簡圖轉(zhuǎn)化成一般化運動鏈，可以演繹出符合要求的60多種創(chuàng)新機構(gòu)方案，再對虛擬機進行滿足解決方案的創(chuàng)新機構(gòu)，進行運動仿真和動力分析，最終獲得符合要求的新型抽油機機構(gòu)，也能為各種抽油機創(chuàng)新機構(gòu)設(shè)計提供實驗數(shù)據(jù)。例如在應用再生運動鏈法可以對大車行走機構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計，首先把大車行走機構(gòu)的原始圖按約束條件進行一般化運動鏈綜合，獲得10多種機構(gòu)方案，根據(jù)大車行走機構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)方案要求，進行圖譜的優(yōu)化篩選，最后獲得一種滿足輪壓載荷要求的最佳方案，最終實現(xiàn)新型三輪大車行走機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計。

2.3機構(gòu)運動副演變原理創(chuàng)新設(shè)計

一般以四桿機構(gòu)為原始機構(gòu)，例如對構(gòu)件機架形狀、構(gòu)件尺寸、運動副尺寸等變換或演化，以此來獲得多種功能的創(chuàng)新機構(gòu)。例如對轉(zhuǎn)動副尺寸進行擴大，轉(zhuǎn)動副變成偏心輪，使四桿機構(gòu)演變成曲柄搖桿機構(gòu)，在四桿機構(gòu)中改變移動副尺寸，就成為曲柄滑塊機構(gòu)，使之變成沖壓機構(gòu)完成零件沖壓制造，還可以用頂鍛機構(gòu)來完成零件的鍛造；通過機架的變換，也能使曲柄滑塊機構(gòu)成為擺動導桿機構(gòu)，牛頭刨床的主運動就是利用擺動導桿機構(gòu)[3]，也可以通過設(shè)計桿的長度變化，調(diào)整回轉(zhuǎn)的角度，擺動導桿機構(gòu)在電氣開關(guān)機構(gòu)上實現(xiàn)應用，解決了開關(guān)的自動控制問題；在曲柄滑塊機構(gòu)中，取不同的連桿為機架時，則成為曲柄搖塊機構(gòu)，曲柄搖塊機構(gòu)應用于各種液壓和氣動裝置上，自動卸載翻斗式機構(gòu)就是曲柄搖塊機構(gòu)的應用實例，能實現(xiàn)裝載貨物的自動卸載功能，這種油缸式曲柄搖塊機構(gòu)，在各種農(nóng)業(yè)機械、建筑機械以及許多數(shù)控機床中得到了廣泛的應用。

3機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計應用

3.1電動玩具飛馬跳躍

電動玩具飛馬的主體運動機構(gòu)能模仿馬奔騰前進的運動過程，如圖3所示，它是疊加式機構(gòu)組合在玩具制造中的應用實例之一，是將曲柄搖塊機構(gòu)上疊加在兩桿機構(gòu)來實現(xiàn)的，以此來完成某種輸出運動-模仿馬奔騰前進[4]，實現(xiàn)機構(gòu)復雜動作的創(chuàng)新設(shè)計，此機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中，將曲柄搖塊機構(gòu)EFG安裝在兩桿機構(gòu)（桿1、桿2）的轉(zhuǎn)動導桿2上組合而成的，該疊加機構(gòu)運動時分別由曲柄3輸入轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)動構(gòu)件2旋轉(zhuǎn)，在曲柄搖桿機構(gòu)中，導桿4的搖擺實現(xiàn)馬升降、跳躍和俯仰運動，飛馬中心上H點軌跡如圖3所示，馬的前進運動是由兩桿機構(gòu)為基本運動，跳躍運動是由曲柄搖塊機構(gòu)來完成的，實際上模仿馬飛奔騰跳躍運動是由曲柄3轉(zhuǎn)動、構(gòu)件2轉(zhuǎn)動和導桿4搖擺三種運動合成而完成的。

3.2仿腿步行機構(gòu)設(shè)計及應用

在設(shè)計仿腿步行機構(gòu)設(shè)計時，始終要求身體在腿的運動中保持平穩(wěn)，足部相對于身體的軌跡一定要滿足人行走的軌跡，如圖4（a）所示的形狀，而且創(chuàng)新設(shè)計的仿腿機構(gòu)盡可能模仿人腿的行走狀態(tài)，創(chuàng)新設(shè)計出一種六桿機構(gòu)-瓦特鏈型機構(gòu)，將瓦特鏈機構(gòu)的不同構(gòu)件作為機架，就能將圖4（b）所示的原始機構(gòu)演繹成3種不同的仿腿行走機構(gòu)（方案a、方案b、方案c），經(jīng)過尺寸綜合分析和比較，最終確定瓦特鏈中的方案b作為仿腿步行行走機構(gòu)為最優(yōu)方案。圖4仿腿步行機構(gòu)設(shè)計應用瓦特鏈六桿機構(gòu)的設(shè)計原理和綜合數(shù)據(jù)分析，對四桿式游梁式抽油機進行技術(shù)改造，通過游梁式抽油機的機構(gòu)進行改進，使之成為六桿式改進型機構(gòu)，從而使所得六桿式改進型機構(gòu)的輸出擺角增大4倍，大幅提高了抽油機的沖程，實現(xiàn)抽油機工作效率提升，這就是瓦特鏈游梁式抽油機。在關(guān)注各種機器改造時，根據(jù)工作要求和約束條件，進行優(yōu)化設(shè)計之后也能創(chuàng)新設(shè)計出多種滿足性能要求以及不同需要的機構(gòu)和機器。

4結(jié)束語

創(chuàng)新思維和創(chuàng)新設(shè)計必須應用專業(yè)技能、實際經(jīng)驗和奇思妙想等進行艱難的開拓和創(chuàng)新，機械創(chuàng)新設(shè)計和應用也追求原始創(chuàng)新和原始發(fā)明創(chuàng)造為最終目標，能夠?qū)崿F(xiàn)機器在性能和參數(shù)具有獨創(chuàng)性，而且在性能、工況和效率上實現(xiàn)最優(yōu)化。創(chuàng)新機構(gòu)設(shè)計的主要目標是使創(chuàng)新機構(gòu)的結(jié)構(gòu)區(qū)別于原始機構(gòu)，但同時也要求創(chuàng)新機構(gòu)的輸出值和原始機構(gòu)盡量相同，在創(chuàng)新設(shè)計的初始階段，充分應用聯(lián)想法、類比法和仿生法等，在初步創(chuàng)新模型基礎(chǔ)上，再運用系統(tǒng)分析法、組合創(chuàng)新法和反求設(shè)計法對具體機構(gòu)或機器進行技術(shù)創(chuàng)新，在新技術(shù)、新工藝和新產(chǎn)品有重大突破，實現(xiàn)從無到有的發(fā)明創(chuàng)造，使創(chuàng)新設(shè)計的產(chǎn)品更實用和新穎，且綜合性能更優(yōu)化。

參考文獻

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作者：蔣建強 單位：蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院機電技術(shù)學院