机械创新设计的途径.doc

南京工程学院机械创新设计的途径机构设计是机械设计的核心，应具有创造性，包括新奇性和适宜性等。现在，人们对创造学理论和方法的研究愈来愈多，已经提供了丰富的思维方式和创造技法据统计创造技法。为了方便研究、掌握和运用，人们正在探讨创造科学的分类和系统化。在机构学领域里，已有一些论著着眼探讨机构创新设计的问题。本文将讨论机构创新设计的思维类型和创新设计的技法。一、机构创新设计思维方式机构创新设计依赖于创造性的思维，世界上现存的机构，都是创造性思维的成果，创造性思维是人们在已有的知识和经验的基础上，从某些事实中寻求新关系，找出新解答，创出新成果的思维过程。创造性思维的广度、深度、速度以及成功的程度，在很大程度上决定于创造性思维的方式。良好的思维方式可使人思路开放，创造层出不穷；拙劣的方式则可能思路堵塞，成为创造的障碍。有志于创造的人，应当熟悉和探索各种创造性的思维方式。机械创新设计的思维方式有：发散思维、收敛思维、理想思维。二、机构创新设计的途径方法1、联想法对于缺乏经脸的设计人员，在进行机构创意设计时，不能凭空构思，这时就要借鉴现有机构的运动链类型，充分发挥联想，进行类型创新，其创新程序如图1所示，按此程序，先要把类似的现有机构抽象为一般化运动链；再经排列组合构型，得组合运动链；考虑设计约束，构造再生运动链；最后，产生新机构的设计方案。现以越野摩托车尾部悬挂机构的创新设计为例，图2为其现有的一种原始机构，解除原有的设计约束，并运用一般化原理，即得图3中a所示的一般化运动链，这是一种六杆、七副的一般化运动链，一般化规则，可归纳如下：a、所有“非刚性构件”转化为刚性杆，所有“非转动副”转化为转动副；b、机构自由度维持不变；c、各机构与运动副的领接保持不变。本例中另一种六杆七副运动链如图3中b所示。对尾部悬挂机构拟定的设计约束有:必须固定一杆为机架（图中3中1），必有一吸震器（图3中5），要有一个装置后轮的摆动杆（图3中6），且三者应是不同的构件，考虑这些约束，拟出10种再生运动链，如图4所示，排除种a、e、g、i 4种，即得图5所示合适的新机构。上述机构创新设计法 ，可称为还原创新法。任何发明都有其原点和起点，原点是预期的功能要求，是唯一的，而起点是实现这一功能的方法，自然就会有许多种，还原创新法，就是跳出原创起点，重新返回创造原点，另辟蹊径，获得新的创造。联想是此事物想到彼事物的过程，还原创新法符合联想创造原理。联想类型很多，大致可分为8种:接近联想、相似联想、对比联想 、因果联想、质疑联想、强制联想、离奇联想、审美联想。它们几乎都可用于机构创新设计上，比如，从缝衣联想到缝纫机，从洗衣联想到洗衣机等，就是相似联想；电影放映机和缝纫机似乎是风马牛不相及，但卢米埃尔兄弟却从缝纫机的一动一停的间歇送布动作联想到电影胶片也需要这种间歇动作，从而发明了电影放映机。这是一种强制联想。2、类比法类比就是对2个对象（同类或异类）相同或相似性进行考察，从某些方面的相同或相似，找出其他方面的相同或相似。类比法也是一种富有创造性的技法，其核心是异中求同或同中见异。类比法按原理可分为直接类比、拟人类比、象征类比、幻想类比、仿生类比、因果类比、对称类比和综合类比，也是8类。机械手、机器人的创造，是拟人类比；飞机、轮船，分别是仿禽天空飞行，仿鱼水中游泳发明的，仿生类比产生了大量仿生机构，举不胜举。机构学领域中的同性异形机构也是通过类 比法创造的，例如图6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6中b，c所示2个机构，在运动特性上完全与其相同，是3个同性异形机构。3、变异法机构的运动取决于杆和副的形状、尺度和位置。机构的变异，就是通过杆和副的形状、尺度、位置以及数量的变化，生成新的机构形式。（1）干组扩展法杆组扩展法是依据机构组成原理，用类比法选择出基本机构雏形后，增加若干杆组（即基本组）建构新机构的机构创新法。增加杆组，实际上就是增加杆件数和运动副数。譬如，要设计一个具有大行程速比系数（急回特性系数）的机构，一般都先选有急回特性的四杆机构（如图7所示曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构导杆或导块机构等），再附加可用的杆组（例如牛头刨、插床等要实现往复快回动作，就可采用RRP，RPP，PRP3 类II级杆组），就可获得多种II级六杆机构，如图7所示。（2）运动倒置法运动倒置法亦即变换机架法，四杆机构经过运动倒置能生成多种不同功能的机构，定轴轮系经过运动倒置可演化为行星齿轮机构，都是运动倒置法的众所周知的实例。用运动倒置法，使机构发生变异，是机构构形创新的方便方法之一。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（见图8）。（3）运动副变换法通过运动副变换（转动副与移动副、高副与低副等的互相变换）、可产生新的机构型式。转动副和移动副对换产生新型机构的示例如图9所示，其中a为某手套自动机的传动机构，将C处移动副和D处转动副对换，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端，整个机构也由II级变为III级。低、高副相互变换，获得新型机构的示例也很普遍，图7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10所示机构即为其中一种方案。当然，这种新机构方案也是很多的。4、组合法由若干基本机构按一定方式组合起来的，可实现各种各样复杂运动要求的机构组合系统称为组合机构。组合法，是奇妙的机构创新技法之一。机构组合方式可归纳为4种：串联、并联、反馈和迭联。（1）串联组合法串联组合法是由单自由度基本机构（以下简称子机构）依次联接而形成的组合机构，如图11中a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）并联组合法并联组合法以一差动机构为基础子机构f0附加若干单自由度子机构f1，f2等构造组合机构的方法，如图11中b和c所示，这种组合可实行运动的合成或分解，其组合效应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。（3）反馈式组合法反馈式组合法也以差动机构作为基础机构f0，其f0的一个输入运动是由整个机构的输出运动经附加子机构f1反馈运动回缓得到的，如图11中d所示。（4）迭联组合法迭联组合法以“运载”的方式将附加子机构f0装置在基础子机构f0的运动构件上而构造新机构，如图11中e所示，可以得到各种复杂的或特定的运动，其基础子机构 f0可以是单自由度机构，也可以是差动机构。组合法，是富有成效的机构创新方法，可用来实现同类或异类机构的组合，创造各式各样的新机构5、臻美法臻美法也即理想化法，是按理想思维实现机构创新的，常用的有缺点列举法，希望点列举法、求奇法、补美法等。例如折叠伞机构的创造，就是运用缺点列举法对传动伞进行分析，列举一系列缺点，并针对伞太长、体积大、不便携带等缺点，进行构思创造出来的。再如齿形带传动机构的创造 ，可以说是利用希望点列举法创新出来的，原有的带传动和链传动，虽都有各自的优点，但也有各自严重的缺陷，于是人们想创造一种更理想的远距离传动，能综合上述2种传动的优点，并更理想化；能实现恒定的传动比，预紧力小从而压轴力小允许更高的线速、更大的传递动率，柔性好从而带轮直径更小寿命更高等。结果，发明了齿带传动机构。综上所述，机构创新设计法有多种，它们是