大學(xué)生機(jī)械裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法實(shí)踐

張建國(guó), 杜可可

(1.河南工程學(xué)院 安全工程系,河南 鄭州 451191；2.河南工程學(xué)院 機(jī)械工程系，河南 鄭州 451191)

創(chuàng)新能推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步，是否擁有大批具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才，決定了整個(gè)國(guó)家在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中的地位.培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、使學(xué)生掌握一定的創(chuàng)新技能和方法，是高等院校一項(xiàng)重要的教學(xué)改革內(nèi)容.機(jī)械裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)是培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新能力的一種有效手段.

概念設(shè)計(jì)是機(jī)械裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)設(shè)計(jì)者面對(duì)一項(xiàng)機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，經(jīng)驗(yàn)是產(chǎn)生設(shè)計(jì)概念的最佳方法.設(shè)計(jì)者可以通過(guò)分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)、收集資料、修理裝置以及研究大眾化產(chǎn)品的工作原理等途徑來(lái)獲取經(jīng)驗(yàn).但是，對(duì)于還在大學(xué)學(xué)習(xí)的大學(xué)生來(lái)說(shuō)，他們沒(méi)有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，常在概念設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)形成瓶頸，因此，尋求一種行之有效的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法、突破概念設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的瓶頸，成為大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)中亟待解決的問(wèn)題.本文通過(guò)一個(gè)機(jī)械裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例，介紹了一套大學(xué)生易于掌握的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，以促進(jìn)大學(xué)生產(chǎn)生新的概念設(shè)計(jì).

1 機(jī)械裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)的步驟[1-2]

(1)找出具有設(shè)計(jì)者所期望設(shè)計(jì)規(guī)格的現(xiàn)有設(shè)計(jì)，并歸納出這些設(shè)計(jì)的拓?fù)錁?gòu)造特性；

(2)選擇任意現(xiàn)有設(shè)計(jì)，將其轉(zhuǎn)化為其對(duì)應(yīng)的一般化鏈；

(3)運(yùn)用數(shù)綜合程序，綜合出與步驟(2)中得到的一般化鏈具有相同數(shù)目機(jī)件和運(yùn)動(dòng)副的一般化圖譜；

(4)根據(jù)特定化程序，分配機(jī)件和運(yùn)動(dòng)副的類型到每個(gè)一般化鏈，獲得符合設(shè)計(jì)要求與約束的可行特定化鏈圖譜；

(5)將每個(gè)可行特定化鏈具體化為與其對(duì)應(yīng)的機(jī)械裝置簡(jiǎn)圖；

(6)從得到的設(shè)計(jì)圖譜中去掉現(xiàn)有設(shè)計(jì)，獲得新的設(shè)計(jì)圖譜.

2 機(jī)械裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法

圖1 六桿壓緊機(jī)構(gòu)Fig.1 The pressing mechanism of six bars

案例如圖1所示，為氣動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)(平面六桿機(jī)構(gòu)).壓緊桿5是與機(jī)架6相連的移動(dòng)構(gòu)件，氣缸部件1、2為動(dòng)力源，要求氣缸與機(jī)架固接或鉸接.若此設(shè)計(jì)已有專利，要求設(shè)計(jì)者提出滿足此約束條件的新的六桿壓緊機(jī)構(gòu)[3].

2.1 分析歸納機(jī)械裝置的拓?fù)錁?gòu)造特性

機(jī)械裝置的拓?fù)錁?gòu)造反映了機(jī)械裝置機(jī)件和運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)目以及機(jī)件和運(yùn)動(dòng)副之間的鄰接和附隨關(guān)系，是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié).

首先，分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)，歸納出氣動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)的拓?fù)錁?gòu)造特性，用指定的序號(hào)、符號(hào)表示構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)副，本例機(jī)架用KF表示，桿件用KL表示，活塞用KI表示，缸體用KY表示，氣缸用KT表示，轉(zhuǎn)動(dòng)副用JR表示，移動(dòng)副用JP表示.氣動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)的拓?fù)錁?gòu)造特性如下：

①它是具有7個(gè)運(yùn)動(dòng)副的平面六桿機(jī)構(gòu)；

②它有1個(gè)固定桿(機(jī)架6，KF)、1個(gè)壓緊桿(構(gòu)件5，KL5)、2個(gè)連接桿(構(gòu)件3，4，KL3，KL4)以及1個(gè)由活塞(構(gòu)件2，KI)和缸體(構(gòu)件1，KY)組成的氣缸(KT)；

③它有5個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(JR)、2個(gè)移動(dòng)副(JP)；

④它是自由度為1的機(jī)構(gòu).

一個(gè)具有NL個(gè)機(jī)件及NJ個(gè)i型運(yùn)動(dòng)副的機(jī)械裝置(NL，NJ)的拓?fù)錁?gòu)造，可以用拓?fù)錁?gòu)造矩陣MT表示.MT為1個(gè)方陣，其對(duì)角線元素表示機(jī)件的類型；若機(jī)件和機(jī)件用運(yùn)動(dòng)副鄰接，則右上角非對(duì)角線元素表示運(yùn)動(dòng)副類型，用指定符號(hào)表示；左下角非對(duì)角線元素表示該運(yùn)動(dòng)副的標(biāo)號(hào)；假如機(jī)件和機(jī)件互不鄰接，則表示為0.氣動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)的拓?fù)錁?gòu)造矩陣MT為：

氣動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)的拓?fù)錁?gòu)造矩陣表明了機(jī)構(gòu)中構(gòu)件與運(yùn)動(dòng)副的鄰接關(guān)系.其中,對(duì)角線元素表示了機(jī)件的類型，每個(gè)小方陣則表示構(gòu)件與構(gòu)件通過(guò)運(yùn)動(dòng)副的鄰接關(guān)系.拓?fù)錁?gòu)造矩陣表明，機(jī)架KF和缸體KY通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副JR在a點(diǎn)鄰接；機(jī)架KF和活塞KI沒(méi)有鄰接關(guān)系，用0表示；機(jī)架KF和連接桿KL3通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副JR在c點(diǎn)鄰接；機(jī)架KF和連接桿KL4沒(méi)有鄰接關(guān)系，用0表示；機(jī)架KF和壓緊桿KL5通過(guò)移動(dòng)副JP在f點(diǎn)鄰接；缸體KY和活塞KI通過(guò)移動(dòng)副JP在b點(diǎn)鄰接等等.構(gòu)建機(jī)械裝置的拓?fù)錁?gòu)造矩陣具有十分重要的意義，通過(guò)改變機(jī)構(gòu)中構(gòu)件與運(yùn)動(dòng)副的種類及鄰接關(guān)系，可尋求機(jī)械裝置的全部構(gòu)造結(jié)構(gòu).

2.2 將原始機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的一般化鏈

機(jī)械裝置的組成元素千變?nèi)f化，會(huì)給機(jī)械裝置研究帶來(lái)很多困難.如果將機(jī)械裝置轉(zhuǎn)化為具有共性的一般化形式，即只含有一般化轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副和一般化運(yùn)動(dòng)連桿的運(yùn)動(dòng)鏈，就能夠用一種基本方法來(lái)研究和比較不同的機(jī)械裝置[4].

一般化運(yùn)動(dòng)副是一個(gè)通用的運(yùn)動(dòng)副的總稱，它可以是1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、球面副、螺旋副，也可以是其他種類的運(yùn)動(dòng)副.一般化連桿指具有一般化運(yùn)動(dòng)副的連桿，它可以是二副桿、三副桿或四副桿.

機(jī)械裝置轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的一般化鏈時(shí)，運(yùn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)化原則是：平面低副均用轉(zhuǎn)動(dòng)副JR表示；平面高副運(yùn)用高副低代原理轉(zhuǎn)化，即用2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副JR和1個(gè)連桿表示(二副桿).應(yīng)注意的是，一般化運(yùn)動(dòng)副在轉(zhuǎn)化之后，其約束應(yīng)保持不變，鄰接關(guān)系保持不變.二副桿、三副桿、四副桿的表示方法如圖2所示.

圖2 一般化連桿的表示方法(a)二副桿(b)三副桿(c)四副桿Fig.2 The express method of general connecting poles (a) Two poles (b) Three poles (c) Four poles

分析氣動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的連接方式，通過(guò)以下步驟，將氣動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為與其對(duì)應(yīng)的一般化鏈.

①機(jī)架6(構(gòu)件6，KF)和缸體1(構(gòu)件1，KY)以轉(zhuǎn)動(dòng)副(a，JR)連接,和連接桿3(構(gòu)件3，KL3)以轉(zhuǎn)動(dòng)副(c，JR)連接，和壓緊桿5(構(gòu)件5，KL5)以移動(dòng)副(f，JP)連接，是三副桿.

②缸體1(構(gòu)件1，KY)和機(jī)架6以轉(zhuǎn)動(dòng)副(a，JR)連接，和活塞2(構(gòu)件2，KI)以移動(dòng)副(b，JP)連接，是二副桿.

③連接桿3(構(gòu)件3，KL3)和機(jī)架6以轉(zhuǎn)動(dòng)副(c，JR)連接，和連接桿4以轉(zhuǎn)動(dòng)副(d，JR)連接，是二副桿.

④連接桿4(構(gòu)件4，KL4)和連接桿3以轉(zhuǎn)動(dòng)副(d，JR)連接，和壓緊桿5(構(gòu)件5，KL5)以轉(zhuǎn)動(dòng)副(e，JR)連接，是二副桿.

⑤壓緊桿5(構(gòu)件5，KL5)和連接桿4以轉(zhuǎn)動(dòng)副(e，JR)連接，和機(jī)架6以移動(dòng)副(f，JP)連接，是二副桿.

圖3 (6，7)運(yùn)動(dòng)鏈Fig.3 (Six, seven)kinematic chain

首先，根據(jù)以上氣動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的連接方式，繪出氣動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖，如圖3(a)所示.然后，釋放機(jī)架，構(gòu)成1個(gè)首尾相接的、連通的、閉合的、無(wú)任何分離桿且只含簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)副的鏈圖.轉(zhuǎn)化后的氣動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)的一般化運(yùn)動(dòng)鏈如圖3(b)所示，它是一個(gè)具有6個(gè)一般化連桿和7個(gè)一般化轉(zhuǎn)動(dòng)副的一般化運(yùn)動(dòng)鏈，稱為(6，7)運(yùn)動(dòng)鏈.

2.3 運(yùn)用數(shù)綜合找出全部的運(yùn)動(dòng)鏈圖譜

數(shù)綜合就是綜合出與原始一般化運(yùn)動(dòng)鏈的桿數(shù)及運(yùn)動(dòng)副數(shù)相同的全部可能的一般化運(yùn)動(dòng)鏈圖譜.首先，應(yīng)對(duì)原始一般化運(yùn)動(dòng)鏈的組成連桿類型進(jìn)行求解，再進(jìn)行組合，即可找出全部可能的運(yùn)動(dòng)鏈圖譜[4].

若一般化運(yùn)動(dòng)鏈由二副桿(NL2)、三副桿(NL3)、四副桿(NL4)等數(shù)目的連桿組成，則1個(gè)具有NL個(gè)一般化連桿和NJ個(gè)一般化運(yùn)動(dòng)副的一般化鏈的連桿類型可通過(guò)下面2個(gè)方程[4]得到：

NL2+NL3+…+NLi+…+NLm=NL，

(1)

2NL2+3NL3+…+iNLi+…+mNLm=2NJ，

(2)

其中，NLi的i表示連桿的運(yùn)動(dòng)副數(shù)目，如二副桿i=2；m表示連桿的最大運(yùn)動(dòng)副數(shù).并且，運(yùn)動(dòng)副數(shù)NJ須受下面的算式約束：

NL≤NJ≤NL(NL-1)÷2 .

(3)

最大值m即mmax，可根據(jù)下列算式得到：

(4)

根據(jù)方程(1)～(4)，可以得到一般化鏈全部可能的連桿類型.

對(duì)于(6，7)一般化鏈，NL=6，NJ=7，根據(jù)方程(4)，mmax為

mmax=NJ-NL+2=7-6+2=3.

圖4 (6，7)一般化運(yùn)動(dòng)鏈圖譜(a)瓦特鏈 (b)史蒂文遜鏈Fig.4 (Six，seven)generalized kinematics chain map(a) Watt chain (b) Stephenson chain

根據(jù)方程(1)、(2)，

NL2+NL3=6，

2NL2+3NL3=14，

解方程得NL2=4，NL3=2.

即(6，7)一般化鏈由4個(gè)二副桿、2個(gè)三副桿組成.對(duì)4個(gè)二副桿和2個(gè)三副桿進(jìn)行不同組合，刪除具有非正自由度的結(jié)構(gòu)鏈，得到(6，7)一般化運(yùn)動(dòng)鏈圖譜，如圖4所示.其中，圖4(a)稱瓦特鏈，圖4(b)稱史蒂文遜鏈.

2.4 根據(jù)運(yùn)動(dòng)鏈圖譜找出全部的特定化鏈

根據(jù)一定的設(shè)計(jì)要求與約束，在可用的一般化運(yùn)動(dòng)鏈圖譜中分配特定類型的構(gòu)件與運(yùn)動(dòng)副的過(guò)程，稱為特定化.不同的設(shè)計(jì)約束、一個(gè)一般化運(yùn)動(dòng)鏈可以特定化為拓?fù)錁?gòu)造不同的各種機(jī)械裝置.

根據(jù)氣動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)的原始結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)要求與約束如下：

①必須有一個(gè)固定桿作為機(jī)架；

②必須有一個(gè)氣壓缸且缸體與機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)副連接；

③必須有一個(gè)壓緊桿且與機(jī)架移動(dòng)副連接.

圖5 固定桿的特定化鏈圖Fig.5 Specific chain map of fixed poles

根據(jù)圖4所示的瓦特鏈、史蒂文遜鏈，找出全部可能的可行特定化鏈.

2.5 將特定化鏈轉(zhuǎn)化為與其對(duì)應(yīng)的機(jī)械裝置簡(jiǎn)圖

確認(rèn)固定桿(KF)的非同構(gòu)鏈方案如圖5(a)、(b)、(c)、(d)所示，設(shè)計(jì)要求與約束是：三副桿作為機(jī)架和二副桿作為機(jī)架.

運(yùn)動(dòng)鏈變異設(shè)計(jì)的最后環(huán)節(jié)，就是將特定化鏈圖還原成機(jī)械裝置簡(jiǎn)圖.具體化是一般化鏈的逆過(guò)程，指定一般化鏈中運(yùn)動(dòng)副的類型可導(dǎo)出不同機(jī)構(gòu)；指定一般化鏈中連桿的類型可獲得不同的機(jī)構(gòu).如圖5(a)、(b)所示的特定化鏈圖，指定三副桿作為機(jī)架和二副桿作為機(jī)架；指定一般化鏈中運(yùn)動(dòng)副的類型(即改變構(gòu)件與構(gòu)件的不同連接方式)，即可得到圖6(a)瓦特鏈(b～e)4種機(jī)構(gòu)新方案；如圖5(c)、(d)所示的特定化鏈圖，指定三副桿作為機(jī)架和二副桿作為機(jī)架；指定一般化鏈中運(yùn)動(dòng)副的類型(即改變構(gòu)件與構(gòu)件的不同連接方式)，即可得到圖7(a)史蒂文遜鏈(b～j)9種機(jī)構(gòu)新方案.從這些新的機(jī)械裝置簡(jiǎn)圖中，可找出最佳設(shè)計(jì)方案.

圖6 瓦特鏈的機(jī)構(gòu)方案Fig.6 The Watt chain mechanism scheme

3 結(jié)論

氣動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法表明，通過(guò)構(gòu)建機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)鏈圖，尋求全部運(yùn)動(dòng)鏈圖譜，在特定條件下對(duì)圖譜中的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副重新指定及分配，即可得到機(jī)械裝置的全部構(gòu)型方案.通過(guò)機(jī)械裝置的拓?fù)錁?gòu)造矩陣，可運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行匹配運(yùn)算，對(duì)于開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)輔助機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有重要的理論價(jià)值.實(shí)踐證明，運(yùn)動(dòng)鏈變異的機(jī)械裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)，是一種高校大學(xué)生容易掌握的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，使學(xué)生克服了在設(shè)計(jì)概念產(chǎn)生環(huán)節(jié)形成的瓶頸.有了新的設(shè)計(jì)概念，可通過(guò)機(jī)械裝置的三維圖形構(gòu)建、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力分析等環(huán)節(jié)，找出最佳設(shè)計(jì)方案.

圖7 史蒂文遜鏈的機(jī)構(gòu)方案Fig.7 The Steven Johnson chain mechanism scheme

參考文獻(xiàn)：

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