基于再生運動鏈法的鎖芯機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

宋萌萌 肖順根,2 林世斌

1.寧德師范學(xué)院信息與機電工程學(xué)院，寧德，3521002.上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，上海，200072

基于再生運動鏈法的鎖芯機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

宋萌萌1肖順根1,2林世斌1

1.寧德師范學(xué)院信息與機電工程學(xué)院，寧德，3521002.上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，上海，200072

在分析現(xiàn)有鎖具機構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用機構(gòu)再生運動鏈設(shè)計法對機構(gòu)進行還原再生，找出滿足拓撲要求與約束要求的非同構(gòu)運動鏈，從而實現(xiàn)新鎖具的機構(gòu)創(chuàng)新。首先應(yīng)用一般化原則將現(xiàn)有玥瑪空轉(zhuǎn)鎖芯機構(gòu)轉(zhuǎn)化為與之對應(yīng)的一般化鏈；然后運用數(shù)綜合理論，對原型的機構(gòu)運動鏈進行還原，找到所有可能的具有相同構(gòu)件數(shù)和運動副數(shù)的一般化運動鏈圖譜；再根據(jù)設(shè)計要求與約束對運動鏈進行元件識別，從而得到可行特定化鏈；最后由可行特定化鏈具體化為新的鎖芯機構(gòu)方案簡圖。利用三維軟件對新設(shè)計的鎖芯機構(gòu)進行三維建模并分析其工作原理，結(jié)果表明設(shè)計的鎖芯機構(gòu)是合理的，并申請了2項國家發(fā)明專利。

空轉(zhuǎn)鎖芯；機構(gòu)再生運動鏈設(shè)計法；一般化原則；數(shù)綜合；三維建模

0 引言

鎖具是人類生活中不可或缺的機械裝置。從早期的繩結(jié)鎖到木鎖，從金屬鎖到現(xiàn)代電子鎖，鎖具結(jié)構(gòu)不斷演變，其設(shè)計概念應(yīng)用了仿生學(xué)原理、杠桿原理，以及編碼原理等。雖然將來會有越來越多的鎖具包含電子元器件，但是機械鎖具的改進一定會繼續(xù)進行下去，因為在未來相當(dāng)長的時期內(nèi)，機械鎖具將不會被其他新型鎖具所取代，它仍將占據(jù)主流地位。鎖具在人們的生活中被用于保護私人財產(chǎn)安全，這使得對它的安全技術(shù)的創(chuàng)新開發(fā)具有非凡的意義。

就金屬機械鎖而言，現(xiàn)代鎖具中的空轉(zhuǎn)鎖芯技術(shù)是一個非常成功的發(fā)明，可以說它是一個里程碑式的發(fā)明。雖然不同廠家在技術(shù)設(shè)計上略有不同，如 “無簧空轉(zhuǎn)/精鋼亂碼鎖”[1]、玥瑪鎖的“空轉(zhuǎn)鎖芯”、旋轉(zhuǎn)彈子鎖、旋轉(zhuǎn)扣槽彈子鎖等，但其空轉(zhuǎn)原理大體上是相同的，并且以上列舉的鎖具發(fā)明都是超B級鎖具。另外陳立蓉等[2-3]設(shè)計了“J型鎖芯”結(jié)構(gòu)防盜鎖[2]和“卡片”式機械鎖[3]。葉片空轉(zhuǎn)鎖的工作原理是，將原配鑰匙插進鎖芯內(nèi)，鑰匙上的“牙花”與鎖芯內(nèi)的葉片級差相吻合，葉片上的級差凹槽就組合成一道直凹槽，在活動銷子上方(外殼)的彈力壓簧作用下，銷子完全滑入凹槽內(nèi)，中殼內(nèi)的活動銷子也同時隨著落下，連接后級形成一體，此時，如果轉(zhuǎn)動鑰匙，形成一體后的鎖芯就會帶動其他機械部分一起旋轉(zhuǎn)[4]，如果是非原配鑰匙或其他物體插進鎖芯，則無法達到前后級完全吻合，只能轉(zhuǎn)動前級，形成空轉(zhuǎn)。

鎖具設(shè)計的核心在于鎖芯機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，再生運動鏈設(shè)計法是創(chuàng)新設(shè)計中較為常用的一種方法，文獻[5-8]將該方法應(yīng)用于齒輪傳動、抽油機、連桿、成形鼓等機構(gòu)中，得到了需求機構(gòu)。本文應(yīng)用機構(gòu)再生運動鏈設(shè)計法對鎖芯機構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計，通過研究鎖芯內(nèi)部機構(gòu)的工作原理并對它進行一般化、數(shù)綜合，得到原始的運動鏈圖譜，找出可行特定化鏈圖譜，創(chuàng)造出新的鎖芯機構(gòu)。

1 再生運動鏈法原理

機構(gòu)再生運動鏈設(shè)計法是以現(xiàn)有裝置為基礎(chǔ)構(gòu)想出機械裝置全部可能的拓撲構(gòu)造的一種創(chuàng)造性設(shè)計法，可以發(fā)明、創(chuàng)造出新型機構(gòu)[9]，它是顏鴻森[10]通過系統(tǒng)總結(jié)機構(gòu)數(shù)綜合理論成果并示例化的機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法。該方法具體分為6個步驟，其設(shè)計流程如圖1所示[11]。

圖1 再生運動鏈設(shè)計法流程圖Fig.1 A flow chart of the design method ofregenerative kinematic chain

2 鎖芯機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計

鎖芯機構(gòu)是鎖具的核心元件，是鎖具驗證鑰匙正確性的關(guān)鍵。對于金屬機械鎖，鎖芯以外的部分可以概括為是一個凸輪機構(gòu)或凸輪機構(gòu)加上幾個基本桿組構(gòu)成。鑰匙插入鎖芯后帶動凸輪機構(gòu)，撥動鎖栓開鎖?，F(xiàn)代機械鎖種類繁多，根據(jù)防盜級別可分為A級、B級。B級鎖中有“無簧空轉(zhuǎn)/精鋼亂碼鎖”、“空轉(zhuǎn)鎖芯”的玥瑪鎖、旋轉(zhuǎn)彈子鎖、旋轉(zhuǎn)扣槽彈子鎖等。

本文主要在現(xiàn)有空轉(zhuǎn)鎖芯的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新設(shè)計，應(yīng)用機構(gòu)再生運動鏈設(shè)計法進行設(shè)計，找出滿足拓撲要求與約束要求的非同構(gòu)運動鏈，獲得全新的鎖芯機構(gòu)。

2.1空轉(zhuǎn)鎖芯的現(xiàn)有設(shè)計

選用玥瑪空轉(zhuǎn)鎖芯的機構(gòu)(圖2)為現(xiàn)有設(shè)計。玥瑪空轉(zhuǎn)鎖芯將傳統(tǒng)的彈子鎖上下彈孔的對孔相互穿插鎖定改為用彈片相互位置滑動加上一個整體鍵子進行鎖定[12]。根據(jù)圖2所示的空轉(zhuǎn)鎖芯，其開鎖過程分析如下：插入正確鑰匙，撥動彈片到相應(yīng)位置；當(dāng)所有彈片的鍵槽齊集于鎖芯槽坑之處時整體鍵子落下；整體鍵子落下后，與它相對固定的銷落入鎖芯的后節(jié)，使鎖芯前節(jié)后節(jié)成為一體，使后節(jié)可以被轉(zhuǎn)動。

圖2 玥瑪空轉(zhuǎn)鎖芯Fig.2 Idle lock core of Yue Ma lock

空轉(zhuǎn)鎖芯的機構(gòu)簡圖見圖3，其拓撲特性如下：它是由6個構(gòu)件和8個運動副構(gòu)成的機構(gòu)；它有1個機架(構(gòu)件5)、1個內(nèi)圈(構(gòu)件1)、1個整體鍵子(構(gòu)件2)、1個彈片(構(gòu)件3)、1個鑰匙凸塊(構(gòu)件4)和1個鎖芯后節(jié)(構(gòu)件6)；它具有4個移動副(b、c、d、g)、2個凸輪副(e、f)和2個轉(zhuǎn)動副(a、h)。

圖3 空轉(zhuǎn)鎖芯機構(gòu)簡圖Fig.3 Mechanism diagram of idle lock core

該鎖芯機構(gòu)的自由度為1，當(dāng)去掉鎖芯后節(jié)即空轉(zhuǎn)時，它的自由度為2，并且它由閉合鏈變?yōu)橐粋€開鏈，構(gòu)件5變成開鏈的一端。其拓撲構(gòu)造矩陣表示為

(1)

一個構(gòu)件數(shù)(或桿件數(shù))為NL、運動副數(shù)為NJ的機械裝置(NL,NJ)的拓撲構(gòu)造矩陣MT為方陣，其對角元素eii=Ki，非對角元素eij=A(i≠j)， Ki表示第i個構(gòu)件，A表示運動副類型或標(biāo)號。eij≠0表示i桿和j桿存在附隨關(guān)系，否則eij=0。例如，e11= K1表示第1個構(gòu)件；若構(gòu)件1和構(gòu)件2鄰接，則元素e12=JP，表示構(gòu)件1和2之間運動副類型為JP，元素e21=d表示該運動副的標(biāo)號為d；若構(gòu)件1和2互不鄰接，則e12=e21=0。JP表示移動副，JR表示轉(zhuǎn)動副，JA表示凸輪副。

2.2一般化過程

根據(jù)一般化原則，對圖3中的機構(gòu)進行一般化。具體過程如下：①將機架(構(gòu)件5)釋放并一般化為二副桿5；②將內(nèi)圈(構(gòu)件1)一般化為四副桿1；③將整體鍵子(構(gòu)件2)一般化為三副桿2；④將彈片(構(gòu)件3)一般化為三副桿3；⑤將鑰匙(構(gòu)件4)一般化為二副桿4；⑥將鎖芯后節(jié)(構(gòu)件6)一般化為二副桿6；⑦將凸輪副(運動副e)一般化為帶有2個轉(zhuǎn)動副i、j的二副桿7；⑧將凸輪副(運動副f)一般化為帶有2個轉(zhuǎn)動副k、m的二副桿8；⑨將所有移動副(b、c、d、g)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動副(b、c、d、g)。

經(jīng)過轉(zhuǎn)化后得到圖4所示的一般化鏈，可知這是一個具有8個一般化連桿和10個一般化運動副的一般化運動鏈。

圖4 空轉(zhuǎn)鎖芯的一般化鏈Fig.4 Generalized chain of idle lock core

2.3數(shù)綜合過程

2.3.1自由度數(shù)與綜合連桿類配的計算

選擇閉合情況下的自由度，顯然自由度為1。

由2.2節(jié)可知，一般化鏈的NL=8、NJ=10、Fp=1(Fp為自由度)。根據(jù)相關(guān)理論[11]，它的連桿類配AL計算過程如下。

連桿類配AL是指鏈中連桿的數(shù)目類型，類型包括二副桿(NL2)、三副桿(NL3)、四副桿(NL4)等數(shù)目組成，表示為

AL=[NL2/NL3/NL4/…]

因為一般化鏈?zhǔn)沁B通、閉合且無分離桿的，所以(NL,NJ)一般化鏈的連桿類配可以由下式求出：

NL2+NL3+…+NLi+…+NLm=NL

(2)

2NL2+3NL3+…+iNLi+…+mNLm=2NJ

(3)

式中，NLi為i副桿的數(shù)目；m為最多副桿所附隨的運動副數(shù)。

并且NJ還受下式制約：

NL≤NJ≤NL(NL-1)/2

(4)

根據(jù)圖論的基本概念可得

(5)

由于NJ滿足NL≤NJ≤2NL-3，經(jīng)計算得mmax=4，因此，求得所有可能的連桿類配為：[5/2/1]，[6/0/2]，[4/4/0]。

2.3.2綜合縮桿類配的計算

縮桿類配ACL=[NC1/NC2/NC3/…](其中NC1表示擁有1個二副桿的縮桿數(shù)量，NC2表示擁有2個二副桿的縮桿數(shù)量，NC3類似)，相當(dāng)于對NL2進行分割，分割后由NC個部分組成，且滿足

NC1+NC2+…+NCr=NC

(6)

NC1+2NC2+…+rNCr=NL2

(7)

其中r≤FP+1，NC滿足

(8)

其中

2Jm=3NL3+4NL4+…+mNLm

(9)

(10)

式中，Nm為多副桿數(shù)目。

由式(6)～式(10)，可以計算出同一連桿類配的所有縮桿類配，得到結(jié)果如下：

2.3.3綜合附隨運動副序列的計算

縮桿鄰接矩陣MCLA定義如下：將運動鏈中串聯(lián)在一起的二副桿視為一個縮桿，在縮桿鄰接矩陣MCLA中，如果對角線元素eii=+4，則表示該連桿的種類為四副桿；如果eii=-5則表示桿i是一個串聯(lián)了5個二副桿的縮桿；非對角線元素eij=w，表示桿i與桿j之間附隨的運動副數(shù)，如兩者之間有1個運動副，則eij=1，同時可知w的值只會是0、1、2，無其他可能。為方便起見，將矩陣MCLA分割為4個子矩陣Mul、Mur、Mll、Mlr，即

式中，Mul為多副桿子方陣；Mur為多副桿與縮桿鄰接關(guān)系子陣；Mll為Mur的轉(zhuǎn)置矩陣；Mlr為縮桿子方陣。

在構(gòu)造Mul之前，必須先綜合出所有的多副桿與多副桿之間的附隨運動序列H={a1,a2,…,ai,…,aNm}，ai的下標(biāo)i為多副桿的標(biāo)號，ai的數(shù)值表示該多副桿與其他多副桿之間的運動副數(shù)的總和，即該對角元素所在的行或列除自身外所有元素之和，即

(11)

令ai的和為2Jd，并且有

2Jd=2Jm-2NC

(12)

對于綜合運動副序列，在計算過程中可以把2Jd分成k部分，相當(dāng)于有k個構(gòu)件，共2Jd個運動副，所以只有k個多副桿分配了運動副，其余多副桿沒有分配運動副，即k≤Nm。同時為避免出現(xiàn)子剛性鏈，k還需滿足下面2個限制條件：①分割的最大部分的附隨運動副數(shù)t應(yīng)小于k且小于多副桿的運動副數(shù)，即t0。進而得到如下綜合結(jié)果：

(1)連桿元素序列為(4，3，3，-1，-2，-2)，且Jm=5，Nm=3，NC=3，Jd=2，k≤3。由限制條件②可得，k≥3，同時t

(2)連桿元素序列為(4，3，3，-1，-1，-1，-1，-1)，且Jm=5，Nm=3，NC=5，Jd=0，所以k=0，H3={0，0，0}。

(3)連桿元素序列為(4，4，-2，-2，-2)，且Jm=4，Nm=2，NC=3，Jd=1，k≤2。由限制條件②可得，k>1，所以k=2同時t

(4)連桿元素序列為(3，3，3，3，-1，-1，-1，-1)，且Jm=6，Nm=4，NC=4，Jd=2，k≤4。由限制條件②可得，k≥3同時t

(5)連桿元素序列為(3，3，3，3，-1，-1，-2)，且Jm=6，Nm=4，NC=3，Jd=3，k≤4。由限制條件②可得，k>3同時t

(6)連桿元素序列為(3，3，3，3，-2，-2)，且Jm=6，Nm=4，NC=2，Jd=4，k≤4。由限制條件②可得，k≥4同時t

2.3.4綜合矩陣Mul的計算

對縮桿鄰接矩陣對角元素為(4，3，3，-1，-2，-2)，所對應(yīng)的Jd=2，2Jd=4，H1={2，1，1}，H2={1，2，1}，對矩陣Mul的對角元素eii=(4，3，3)進行標(biāo)號，其集合定義為SML={1，2，3}，可得其連桿群為

DL={PL1,PL2}
PL1=[1][2][3]，PL2=[1][2/3]

其中，[2/3]表示構(gòu)件2和構(gòu)件3具有相似性，兩個構(gòu)件互換后與其他構(gòu)件的附隨關(guān)系不會改變。

其運動副群為

DJ={PJ1,PJ2}
PJ1=[e12][e13][e23]，PJ2=[e12/e13][e23]

可得連桿相似類為{1}、{2，3}，運動副相似類為{e12，e13}、{e23}。

將Jd個“1”分配給非對角線元素eij，其余元素為“0”，同時每列的和需滿足式(11)。先將2個“1”分配給運動副相似類{e12，e13}，得到(1，1)、(1，0)兩種結(jié)果；對于結(jié)果1(1，1)，沒有排列被破壞，繼續(xù)以此排列群為修正排列群進行分配，可得(1)、(0)，其中(1)不滿足條件；對于結(jié)果2(1，0)，排列PJ2被破壞，去除此排列并修正排列群進行分配，可得(1)、(0)，其中(0)不滿足條件。

與H1對應(yīng)的矩陣為

與H2對應(yīng)的矩陣為

根據(jù)H1到H2計算Mul的方法，同理可得H3到H8對應(yīng)的Mul矩陣，在此不贅述。

2.3.5綜合矩陣Mur的計算

綜合矩陣Mur的求法與綜合矩陣Mul類似，過程相當(dāng)于將2NC分配給Nm個多副桿，設(shè)bi=eii-ai，Hr={b1,b2,…,bi,…,bNm}，其中，bi為矩陣Mur每行元素之和，同時每列之和必須等于2，其限制條件描述如下：

(13)

(14)

當(dāng)連桿類配AL=[5/2/1]、縮桿類配ALC=[1/2]時，易得eii=(4，3，3，-1，-2，-2)，H1={2，1，1}，Nm=3，NC=3。根據(jù)前一部分Mul的計算思路，同理可得

多副桿有兩個排列：[1] [2] [3]和[1] [2/3]，而縮桿的連桿排列群也有兩個排列：[4] [5] [6]和[4] [5/6]，兩者組合后形成4組排列：

DL={PL1,PL2,PL3,PL4}
PL1=[1] [2] [3] [4] [5] [6]
PL2=[1] [2] [3] [4] [5/6]
PL3=[1] [2/3] [4] [5] [6]
PL4=[1] [2/3] [4] [5/6]

其運動副群為

DJ={PJ1,PJ2,PJ3,PJ4}
PJ1= [e14][e15][e16][e24][e25][e26][e34][e35] [e36]
PJ2=[e14][e15/e16][e24][e25/e26][e34] [e35/e36]
PJ3=[e14][e15][e16][e24/e34][e25/e35] [e26/e36]
PJ4=[e14][e15/e16][e24/e34][e25/e36] [e35/e26]

可得連桿相似類為{1}、{2，3}、{4}、{5，6}；運動副相似類為{e14}、{e15，e16}、{e24，e34}、{e25，e26，e35，e36}。

然后，采用類似上節(jié)的方法進行分配后可得矩陣Mur為

相應(yīng)可得AL=[5/2/1]、ALC=[1/2]，H1={2，1，1}時的縮桿鄰接矩陣為

或

其他對應(yīng)的縮桿鄰接矩陣可由上述方法求得。

最后可求得8桿10副對應(yīng)的一般化運動鏈的數(shù)目共有16個。(8，10)一般化運動鏈圖譜如圖5所示，圖譜中a類運動鏈的連桿類配為AL=[4/4/0]，b類運動鏈的連桿類配為AL=[5/2/1]，c類運動鏈的連桿類配為AL=[6/0/2]。

圖5 (8，10)一般化運動鏈圖譜Fig.5 The chart of generalized kinematic chainfor (8，10)

2.4特定化過程

2.4.1設(shè)計約束

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計的拓撲構(gòu)造，歸納設(shè)計要求與約束情況如下：

(1)機架(固定桿)。應(yīng)有一個固定桿為機架；機架應(yīng)與內(nèi)圈有附隨關(guān)系；機架不可能與鑰匙有附隨關(guān)系。

(2)內(nèi)圈桿。內(nèi)圈桿與葉片桿、鑰匙桿存在附隨關(guān)系；內(nèi)圈是一個三副桿或四副桿。

(3)鑰匙。鑰匙是一個二副桿。

(4)彈片。彈片與鑰匙存在附隨關(guān)系，它也應(yīng)為三副桿。

(5)整體鍵子。整體鍵子是鎖芯前后兩節(jié)聯(lián)系的載體，所以它與鎖芯后節(jié)存在附隨關(guān)系；同時，它與彈片存在附隨關(guān)系，但一定與鑰匙不鄰接；因為它溝通前后部分，所以它必然還與前節(jié)中的某一部分鄰接，所以它也是一個多副桿。

(6)凸輪副。鑰匙與彈片間為凸輪副，即二副桿，彈片與鍵子之間也一樣。

2.4.2特定化

根據(jù)上述設(shè)計要求與約束，以及數(shù)綜合得到的一般化運動鏈圖譜，可得圖5所示b類圖中的第2個圖譜b2和第5個圖譜b5均符合設(shè)計要求與約束要求，且第5個圖譜b5也是現(xiàn)有設(shè)計的一般化鏈。針對圖5中圖譜b2所示的(8，10)運動鏈，先將此鏈標(biāo)號，如圖6所示，再找出所有可能的特定化鏈。

圖6 b2一般化鏈的標(biāo)號Fig.6 The label of generalized kinematic chain for b2

由圖6可得此一般化鏈的連桿群為

DL={PL1,PL2}
PL1=[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]
PL2=[1] [2] [3] [4/5] [6] [7] [8]

其運動副群為

DJ={PJ1,PJ2}
PJ1=[a/d] [b] [c] [e/f] [g] [h] [i] [j] [k]
PJ2=[a] [b] [c] [d] [e] [f] [g] [h] [i] [j] [k]

可得連桿相似類為{1}、{2}、{3}、{6}、{7}、{8}、{4，5}；運動副相似類為{a，d}、{e，f}、、{c}、{g}、{h}、{i}、{j}。

(1)鑰匙桿。根據(jù)設(shè)計要求可知鑰匙桿在一個有2個二副桿的縮桿上，所以可以確定，鑰匙桿為連桿8，同時運動副i、j和連桿7相當(dāng)于凸輪副。

(2)彈片桿。由于彈片桿是三副桿且與鑰匙鄰接，所以可知，彈片桿為連桿2，同時運動副h、g和連桿6相當(dāng)于凸輪副。

(3)整體鍵子。易知連桿3為整體鍵子。

(4)內(nèi)圈桿。剩下的一個多副桿1為內(nèi)圈桿。

(5)固定桿和鎖芯后節(jié)。由上述相似類中可以看出，連桿4與連桿5是等價的，所以選擇連桿4為固定桿，連桿5為鎖芯后節(jié)。

(6)轉(zhuǎn)動副與移動副。根據(jù)設(shè)計要求可知，內(nèi)圈與固定桿之間的運動為轉(zhuǎn)動，所以運動副a為轉(zhuǎn)動副；鑰匙與內(nèi)圈之間的運動為移動，所以運動副b為移動副；因為鍵子與鎖芯后節(jié)和機架都是徑向移動的，所以運動副e、f都是移動副。剩下的運動副有(c，d)，設(shè)分配的移動副記為“1”，轉(zhuǎn)動副記為“0”，如此分配共有4種可能，即(1，1)、(1，0)、(0，1)、(0，0)。因此，可得到圖7所示的特定化鏈。

(c)(0，0)的特定化鏈 (d)(0，1)的特定化鏈圖7 特定化鏈表示圖Fig.7 The representation chart of the specific chain

2.5具體化過程

參照原有的鎖芯機構(gòu)設(shè)計，對圖7所示的4種特定化鏈分別繪制出相應(yīng)的機構(gòu)簡圖見圖8。

(a)(1，1)特定化鏈 (b)(1，0)特定化鏈

(c)(0，1)特定化鏈 (d)(0，0)特定化鏈圖8 具體化的機構(gòu)簡圖Fig.8 Specific mechanism diagram

3 新型鎖芯機構(gòu)的模型構(gòu)建

為了說明新設(shè)計機構(gòu)的合理性，以圖8d為例，利用Solidwork三維軟件建立圖8d所示的具體化機構(gòu)簡圖的三維模型。先建立所有零件的三維模型，再建立它們的裝配體。通過基本的拉伸、旋轉(zhuǎn)、切除、掃描等操作進行三維建模，所建立的零件模型如圖9所示。

(a)零件1固定桿 (b)零件2整體鍵子 (c)零件3內(nèi)圈

(d)零件4鎖芯后節(jié) (e)零件5葉片(彈片) (f)零件6鑰匙 圖9 新型鎖芯零件模型Fig.9 Part model of the new lock core

然后建立新型鎖芯機構(gòu)的裝配體，通過零件之間的關(guān)系來選擇配合，鎖芯機構(gòu)的裝配體如圖10所示。

圖10 新型空轉(zhuǎn)鎖芯機構(gòu)裝配圖Fig.10 Mechanism assembly diagram of the new idle lock core

新型空轉(zhuǎn)鎖芯機構(gòu)主要由圖8d所示機構(gòu)經(jīng)過運動副的變異和機構(gòu)的結(jié)構(gòu)變異演化成圖10所示的三維機構(gòu)，該機構(gòu)主要采取旋轉(zhuǎn)式葉片作為移動障礙物，以此來實現(xiàn)對鑰匙的檢驗。

在零件3內(nèi)圈邊緣表面，沿內(nèi)圈的縱切面加工一道槽，旋轉(zhuǎn)的葉片邊緣也有同樣的槽，不過初始位置存在偏角。同時，支架和外圈上存在相應(yīng)的滑塊腔。每個旋轉(zhuǎn)葉片都相當(dāng)于一組彈子，如果有m個角度區(qū)域，n級葉片，理論上就有mn組鑰匙編碼。葉片內(nèi)圓上有凸起與鑰匙上的槽配合，兩者與圓柱凸輪副配合從而帶動葉片轉(zhuǎn)動。

鑰匙上的曲面槽相應(yīng)的偏角與相應(yīng)葉片槽的偏角相適配。當(dāng)鑰匙未插入或者不正確的鑰匙插入時，旋轉(zhuǎn)葉片將偏轉(zhuǎn)不對應(yīng)的角度，使得葉片上的槽無法與內(nèi)圈上的槽吻合，則滑塊無法下降?；瑝K無法下降使得外圈與固定支架鎖定，而內(nèi)圈可自由轉(zhuǎn)動。如果此時是不正確的鑰匙插入，則鎖芯將會空轉(zhuǎn)(即不正確的鑰匙也能轉(zhuǎn)，但是無法驅(qū)動鎖栓)，如圖11所示。

圖11 空轉(zhuǎn)狀態(tài)示意圖Fig.11 Idle state diagram

當(dāng)正確的鑰匙插入鎖芯時，旋轉(zhuǎn)葉片將偏轉(zhuǎn)對應(yīng)的角度，使得葉片上的槽與內(nèi)圈上的槽吻合，滑塊被彈簧壓下?；瑝K壓入內(nèi)圈的槽中，使外圈與固定支架的鎖定被解除，而內(nèi)圈與外圈相互鎖定并且可自由轉(zhuǎn)動。由于外圈與撥動鎖栓的凸輪相連，隨著鑰匙的旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圈帶動外圈的凸輪來驅(qū)動鎖栓，從而鎖被打開，如圖12所示。

圖12 開鎖狀態(tài)示意圖Fig.12 Unlocked state diagram

4 結(jié)論

本文以現(xiàn)有的空轉(zhuǎn)鎖芯為基礎(chǔ)，應(yīng)用機構(gòu)再生運動鏈設(shè)計法進行創(chuàng)新設(shè)計。首先對其機構(gòu)簡圖進行一般化，然后應(yīng)用數(shù)綜合理論對所得的8桿10副一般化鏈進行數(shù)綜合。數(shù)綜合的結(jié)果一共得到16個一般化運動鏈圖譜，并可分為三類：a類為二副桿4個，三副桿4個；b類為二副桿5個，三副桿2個，四副桿1個；c類為二副桿6個，四副桿2個。隨后根據(jù)之前得到的設(shè)計要求與約束，對一般化鏈圖譜進行特定化，得到 4個可行特定化鏈，最后對所得的特定化鏈進行具體化，進而得到新的鎖芯機構(gòu)簡圖。

為了便于分析新機構(gòu)的工作原理與該方案的可行性，利用三維軟件對其進行三維建模。最后，通過對模型的分析，表明新設(shè)計的鎖芯機構(gòu)是成功的，并且對新設(shè)計的鎖芯機構(gòu)申請了2項國家發(fā)明專利。

[1] 趙杰,張繼陽.真安鎖業(yè):“精鋼亂碼”圓夢居有“鎖”安[J].中國發(fā)明與專利, 2014(2):110-115.

ZHAO Jie, ZHANG Jiyang. True Security Lock Industry: Dream Home Is Safe as a Result of “Steel Distortion”[J]. China Invention & Patent, 2014(2):110-115.

[2] 陳立蓉,楊隨先,陳自強.“J型鎖芯”結(jié)構(gòu)防盜鎖的設(shè)計[J].機械,2015(4):62-65.

CHEN Lirong, YANG Suixian, CHEN Ziqiang. Research on an Innovative Design of J-type Antitheft Lock[J]. Machinery, 2015(4):62-65.

[3] 陳立蓉,楊隨先,陳自強.“卡片”式機械鎖創(chuàng)新設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造,2016(4):73-79.

CHEN Lirong, YANG Suixian, CHEN Ziqiang. An Innovative Design on “Card-type” Mechanical Lock[J]. Machinery Design & manufacture, 2016(4):73-79.

[4] 李文石.鎖具史圖說[M].上海:上海書店出版社,2007.

LI Wenshi. Locks History Description[M]. Shanghai: Shanghai Bookstore Publishing House, 2007.

[5] POZHBELKO V.A Unified Structure Theory of Multibody Open-, Closed-, and Mixed-loop Mechanical Systems with Simple and Multiple Joint Kinematic Chains [J]. Mechanism & Machine Theory, 2016, 100: 1-16.

[6] CHU Jinkui, ZOU Yanhuo. An Algorithm for Structural Synthesis of Planar Simple and Multiple Joint Kinematic Chains [J]. Proceedings of Institution of Mechanical Engineers Part C—Journal of Mechanical Engineering Science， 2014, 228 (12) :2178-2192.

[7] ZOU Yanhuo, CHU Jinkui. A Method for Isomorphism Identication of the Gear Train Kinematic Chains [J]. Journal of Information and Computational Science, 2014, 11 (7):2125-2134.

[8] 張寧, 姚立綱, 張 煒.基于再生運動鏈法的游梁式抽油機機構(gòu)創(chuàng)新[J].機械設(shè)計與研究, 2014,30(5):41-49.

ZHANG Ning, YAO Ligang, ZHANG Wei. Regenerating Kinematic Chain and Its Utilization in the Innovative Design for Beam Pumping Unit Mechanism[J]. Machine Design and Research,2014,30(5):41-49.

[9] 褚金奎, 鄒炎火. 平面含復(fù)鉸及齒輪-連桿運動鏈的拓撲描述和 結(jié)構(gòu)自動綜合[J].機械工程學(xué)報, 2015, 51(13):95-115.

CHU Jinkui, ZOU Yanhuo. Topological Graph Descriptions and Structural Automatic Synthesis of Planar Multiple Joint and Geared-linkage Kinematic Chains[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(13):95-115.

[10] 顏鴻森.機械裝置的創(chuàng)造性設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

YAN Hongsen. The Creative Design of Mechanical Devices [M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2002.

[11] 王德倫,高媛.機械原理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

WANG Delun, GAO Yuan. Mechanical Principle[M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2012.

[12] 鄒慧君,張青.機械原理課程設(shè)計手冊[M].北京:高等教育出版社,2010.

ZHOU Huijun, ZHANG Qing. Mechanical Principles Course Design Manual[M]. Beijing: Higher Education Press,2010.

CreativeDesignofLockCylinderMechanismsBasedonRegenerationMovementChainMethod

SONG Mengmeng1XIAO Shungen1,2LIN Shibin1

1.School of information,Mechanical and Electrical Engineering,Ningde Normal University,Ningde，F(xiàn)ujian,352100 2.School of Mechatronic Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai，200072

On the basis of analyses of the existing lock mechanisms, mechanism was restored the regenerative institutions using regeneration movement chain method to identify different kinematic chain mechanisms to meet topology requirements and constraint requirements in order to achieve mechanism innovation of new locks. First, existing Yue Ma idling cylinder body was transformed for corresponding generalized chain by using the principles of generalization; then a prototype kinematic chain was restored using the number synthesis theory in order to find all possible generalized kinematic chain patterns that had the same numbers of components and kinematics; then the movement chain identified the components according to design requirements and constraints , thus a viable specific chain was obtained, and finally the specific chain was transformed into a new organization sketch of lock cylinder. A new 3D model of lock mechanisms was established by using 3D software, and the working principles were analyzed. The results indicate that the lock cylinder mechanisms designed are reasonable, and successfully apply two national invention patents.

idling lock cylinder; mechanical regeneration movement chain method; general principle; number synthesis; three-dimensional modeling

TH112

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.21.015

2016-08-15

福建省自然科學(xué)基金資助項目(2015J01643);福建省中青年教師教育科研項目(JA15545);福建省高校杰出青年科研人才培育計劃資助資助(閩教科〔2015〕54號)

(編輯蘇衛(wèi)國)

宋萌萌，女，1982年生。寧德師范學(xué)院信息與機電工程學(xué)院講師。主要研究方向為機械設(shè)計和智能控制等。發(fā)表論文9篇。E-mail:544824964@qq.com。肖順根，男，1983年生。寧德師范學(xué)院信息與機電工程學(xué)院副教授，上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院博士研究生。林世斌，男，1993年生。寧德師范學(xué)院信息與機電工程學(xué)院本科生。