基于創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念的變胞機(jī)構(gòu)應(yīng)用研究

林 瑾，郁 敏

(無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214153)

創(chuàng)新設(shè)計(jì)是創(chuàng)新構(gòu)思與設(shè)計(jì)實(shí)踐相結(jié)合的一種活動(dòng)，創(chuàng)新是設(shè)計(jì)的靈魂，同時(shí)也對(duì)設(shè)計(jì)提出了本質(zhì)要求。創(chuàng)新表現(xiàn)在人類社會(huì)歷史發(fā)展的每個(gè)階段，從某種意義上可以說,科技創(chuàng)新是現(xiàn)代化機(jī)械工業(yè)的“心臟”。習(xí)近平在國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上指出：“我國(guó)科技發(fā)展的方向就是創(chuàng)新、創(chuàng)新、再創(chuàng)新?！睓C(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新是科技創(chuàng)新的一個(gè)分支，如何可靠、有效完成機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，滿足產(chǎn)品安全性的可靠、經(jīng)濟(jì)效益最佳、生態(tài)零污染等基本原則，是產(chǎn)品研發(fā)人員奮斗的目標(biāo)。

一、產(chǎn)品創(chuàng)新

當(dāng)下我國(guó)正加速進(jìn)入信息化時(shí)代，科技發(fā)展日新月異，產(chǎn)品設(shè)計(jì)者擁有更多的機(jī)遇，但最終能否設(shè)計(jì)出優(yōu)秀作品并成功推向市場(chǎng)，還需要把控機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)，尤其是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。這是一項(xiàng)比較復(fù)雜、系統(tǒng)的工作，因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很多關(guān)鍵技術(shù)要素決定著機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)水平[1]。

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)是機(jī)械工程的重要組成部分，設(shè)計(jì)質(zhì)量決定了機(jī)器的質(zhì)量，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程如圖1所示。

圖1 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程圖

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程的第三個(gè)環(huán)節(jié)是概念設(shè)計(jì)，也就是進(jìn)行各類機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，這是產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。概念設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)理念作為主線貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程，它包含功能創(chuàng)新設(shè)計(jì)、功能分解結(jié)構(gòu)圖和功能載體方案設(shè)定三個(gè)模塊，是設(shè)計(jì)者創(chuàng)造性思維的體現(xiàn)。概念設(shè)計(jì)是我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的重要推力，也是我國(guó)成為創(chuàng)新型國(guó)家的主要途徑。

概念設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)者在掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，具有創(chuàng)新思維能力。創(chuàng)新思維是概念設(shè)計(jì)的源泉，要形成這種高層次的思維，必然經(jīng)歷三個(gè)典型階段。首先是儲(chǔ)蓄階段。儲(chǔ)蓄需要解決的問題，圍繞問題收集信息，信息量越大，腦細(xì)胞及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中留下的印記越多。其次是探索階段。對(duì)收集的信息進(jìn)行探索，取其精華去其糟粕，多次嘗試解決。最后是頓悟階段。人腦在某些特定情境下，會(huì)突顯新的形象和思想，從而使得問題最終得以解決。

探索階段是概念設(shè)計(jì)的中間環(huán)節(jié)，這是一個(gè)反復(fù)迂回的過程，也是最為關(guān)鍵的階段，是最初儲(chǔ)蓄階段的繼承環(huán)節(jié)，是最后頓悟階段的孕育環(huán)節(jié)。在這個(gè)階段中，設(shè)計(jì)者常常會(huì)遇到思維瓶頸，能否快速有效地發(fā)散思維，決定了能否成功到達(dá)頓悟階段，最終產(chǎn)生有效創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

二、變胞方式

起源于禮品紙盒包裝的變胞機(jī)構(gòu)，是機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，它的提出給傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)學(xué)帶來了生機(jī)與活力，改變了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)學(xué)概念和設(shè)計(jì)方法[2]。變胞機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)自我重構(gòu)，瞬間使得部分構(gòu)件合并、分離或者奇異，具有變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、變構(gòu)件數(shù)、變自由度的特點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)，變胞機(jī)構(gòu)效率高,適應(yīng)性強(qiáng),機(jī)構(gòu)精簡(jiǎn),節(jié)約成本。

近年來，因特殊的變胞方式，變胞機(jī)構(gòu)越來越多地用于新型創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的研發(fā)中。變胞思維的合理應(yīng)用，將有效突破設(shè)計(jì)者在創(chuàng)新思維中的瓶頸問題，大大縮短機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的探索進(jìn)程。

機(jī)構(gòu)常見的變胞方式可以通過幾何約束、力約束或者磁力約束來完成，具體的變胞實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)如表1所示。

表1 常見變胞方式

(一)剛性變胞方式

變胞實(shí)現(xiàn)方式有剛性和柔性兩種，其中剛性變胞包括使用擋塊、頂針、電磁，或者利用機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置進(jìn)行變胞等。在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用這些變胞方式改變機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以達(dá)到機(jī)構(gòu)優(yōu)化和機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的目的。

1.擋塊約束

擋塊約束是幾何約束的一種，可以應(yīng)用于轉(zhuǎn)動(dòng)副或者移動(dòng)副。轉(zhuǎn)動(dòng)副中安裝擋塊后，轉(zhuǎn)動(dòng)副只能在一定角度內(nèi)往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)整周轉(zhuǎn)動(dòng)。若改變擋塊形狀，可以控制轉(zhuǎn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)角度。移動(dòng)副中安裝擋塊，移動(dòng)副的行程受限，擋塊位置靈活調(diào)整，可以調(diào)節(jié)移動(dòng)副的行程，適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同要求。

2.頂針約束

頂針約束也可應(yīng)用于轉(zhuǎn)動(dòng)副或者移動(dòng)副，組成運(yùn)動(dòng)副的兩個(gè)構(gòu)件，一個(gè)含有頂針，另一個(gè)有一缺口，運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)中，當(dāng)頂針遇到缺口位置，兩個(gè)構(gòu)件鎖止。若要兩構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)，需要外力達(dá)到一定程度，克服鎖止力后，方可繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)鎖止力及外力的設(shè)置，可以調(diào)整機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)效果。

3.電磁約束

電磁約束應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)副中，可將電磁離合器安裝在合適的位置上，利用通電或斷電來控制電磁離合器的接合與分離。也可以將電磁鐵安裝在合適位置上，利用通電或斷電控制電磁鐵吸附力的存在或消失。通過電磁約束的存在或消失，達(dá)到機(jī)構(gòu)變胞的目的。

4.死點(diǎn)位置

死點(diǎn)位置在許多類型的機(jī)構(gòu)中都存在，當(dāng)從動(dòng)件上傳動(dòng)角為0度，驅(qū)動(dòng)力對(duì)從動(dòng)件的有效回轉(zhuǎn)力矩為零，機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置。機(jī)構(gòu)啟動(dòng)時(shí)處于死點(diǎn)位置，無論驅(qū)動(dòng)力多大，都無法驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件運(yùn)轉(zhuǎn)。可以利用輔助機(jī)構(gòu)，采用手動(dòng)或電動(dòng)方式助力，實(shí)現(xiàn)由死點(diǎn)位置的再次啟動(dòng)。也可以采取措施，比如安裝飛輪、機(jī)構(gòu)錯(cuò)列等，使得機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中能順利通過死點(diǎn)位置，從動(dòng)件按預(yù)期方向運(yùn)動(dòng)。利用機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置及輔助機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，達(dá)到動(dòng)態(tài)變胞的目的。

(二)柔性變胞方式

柔性變胞方式包括使用彈簧，或者直接使用柔性桿等。

1.彈簧力約束

柔性變胞機(jī)構(gòu)的應(yīng)用比較廣泛，比如在構(gòu)件之間安裝彈簧或者卷簧，使得兩構(gòu)件間預(yù)先存在相對(duì)作用力，兩構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)副在工作時(shí)若受到外力超過預(yù)存力，運(yùn)動(dòng)副可正常工作，若受到外力小于預(yù)存力，兩構(gòu)件相對(duì)固結(jié)。動(dòng)態(tài)改變外力大小，可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)變胞的目的。

2.柔性桿應(yīng)用

柔性變胞機(jī)構(gòu)還可以直接使用柔性桿，柔性桿可以在一定受力下發(fā)生變形，如曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中連桿為柔性桿，搖桿運(yùn)動(dòng)未受限時(shí)，機(jī)構(gòu)為普通曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。若搖桿運(yùn)動(dòng)受限后，曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，柔性桿就會(huì)受力變形，這樣就實(shí)現(xiàn)了不同的構(gòu)態(tài)。

三、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，拓?fù)鋬?yōu)化是重要的參考依據(jù)，其理論研究對(duì)變拓?fù)錂C(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有重要的意義和價(jià)值[3]。變胞機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)不同的典型特征就是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換，因而研究創(chuàng)新變胞機(jī)構(gòu)，主要是研究機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在工作態(tài)時(shí)，變胞機(jī)構(gòu)具有穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在變胞態(tài)時(shí)，其具有穩(wěn)態(tài)之間的躍遷態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]。

通常描述機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法有矩陣法和拓?fù)鋱D法。

(一)拓?fù)鋱D法

拓?fù)鋱D是表示機(jī)械結(jié)構(gòu)的方式之一，如圖2的五桿變胞機(jī)構(gòu)，目前構(gòu)態(tài)中1、2構(gòu)件固結(jié)，視為一體，其拓?fù)鋱D如圖3所示。用圓圈代表機(jī)構(gòu)中的四個(gè)構(gòu)件，用線段代表機(jī)構(gòu)中的四個(gè)運(yùn)動(dòng)副。當(dāng)構(gòu)件4轉(zhuǎn)動(dòng)后碰到右側(cè)固定物，運(yùn)動(dòng)受限，若此時(shí)構(gòu)件1繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)件2會(huì)克服彈簧力，相對(duì)構(gòu)件1發(fā)生運(yùn)動(dòng)，此時(shí)將會(huì)產(chǎn)生新的拓?fù)鋱D形。

圖2 五桿變胞機(jī)構(gòu)

圖3 五桿變胞機(jī)構(gòu)拓?fù)鋱D

用圖形表示機(jī)械結(jié)構(gòu)的方式直觀、明確、便于觀察，缺點(diǎn)是利用圖形進(jìn)行計(jì)算比較復(fù)雜。

(二)矩陣法

描述變胞機(jī)構(gòu)多種構(gòu)態(tài)還可以用矩陣法。矩陣法常用的有鄰接矩陣、并聯(lián)矩陣和全息矩陣，每種矩陣各有特點(diǎn)，表達(dá)重心不同。

1.鄰接矩陣

鄰接矩陣表示構(gòu)件數(shù)量、運(yùn)動(dòng)副數(shù)量及運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)節(jié)間的連接關(guān)系，圖2五桿變胞機(jī)構(gòu)目前構(gòu)態(tài)的鄰接矩陣如式(1)所示。矩陣四行四列，可看出運(yùn)動(dòng)副有四個(gè)，運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)節(jié)間有連接關(guān)系的用數(shù)字“1”表示，不存在連接的用數(shù)字“0”表示，可看出構(gòu)件也是四個(gè)。

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(1)

2.關(guān)聯(lián)矩陣

關(guān)聯(lián)矩陣除了表示構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副數(shù)量之外，側(cè)重描述構(gòu)件與運(yùn)動(dòng)副之間的關(guān)系，圖2五桿變胞機(jī)構(gòu)目前構(gòu)態(tài)的關(guān)聯(lián)矩陣如式(2)所示。用關(guān)聯(lián)矩陣來描述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化過程, 將矩陣中的行代表構(gòu)件，列代表運(yùn)動(dòng)副，在運(yùn)算過程中，對(duì)沒有發(fā)生變化的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副不需要重新編號(hào), 確保設(shè)計(jì)過程中編號(hào)的可傳遞性[5]。相比較鄰接矩陣，關(guān)聯(lián)矩陣表達(dá)構(gòu)件數(shù)目及連接關(guān)系更為直觀。

acde

(2)

3.全息矩陣

全息矩陣表示的信息量較多，它包含必要的構(gòu)件信息、運(yùn)動(dòng)副數(shù)量及編號(hào)，可以表示運(yùn)動(dòng)副的類型、構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副之間的關(guān)系，全息矩陣的數(shù)據(jù)還可以清晰標(biāo)注所有構(gòu)件的幾何尺寸。圖2五桿變胞機(jī)構(gòu)目前構(gòu)態(tài)的全息矩陣如式(3)所示，可以看出全息矩陣分為右上、左下兩個(gè)斜三角形。右上三角形中的非“0”數(shù)據(jù)表示各個(gè)構(gòu)件的長(zhǎng)度，數(shù)字“0”表示運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)節(jié)間不存在連接關(guān)系。左下三角形中的非“0”數(shù)據(jù)表示構(gòu)件的具體編號(hào)，若運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)節(jié)之間不存在連接關(guān)系，則用數(shù)字“0”表示。

(3)

鄰接矩陣和關(guān)聯(lián)矩陣描述變胞機(jī)構(gòu)方法簡(jiǎn)單,表示清晰，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算也比較容易，但不能全面表示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)副屬性以及構(gòu)件屬性。全息矩陣描述較完整，但其表示相對(duì)復(fù)雜，運(yùn)算過程也比較煩瑣。在使用矩陣描述變胞機(jī)構(gòu)時(shí)，若機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副種類相對(duì)單一，側(cè)重研究運(yùn)動(dòng)副拓?fù)渥兓?guī)律，可優(yōu)先選用關(guān)聯(lián)矩陣進(jìn)行構(gòu)態(tài)描述。若機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)副種類較多，同時(shí)需要分析研究構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸，可優(yōu)先選用全息矩陣進(jìn)行構(gòu)態(tài)描述。在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，若能選用合適的矩陣描述機(jī)構(gòu)的構(gòu)態(tài)，可為新型機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)提供有力的數(shù)據(jù)參數(shù)支持。

四、結(jié)論

現(xiàn)代機(jī)械制造領(lǐng)域工作環(huán)境和任務(wù)要求通常具有多變性，變胞機(jī)構(gòu)相較于傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)更能適應(yīng)現(xiàn)代化需求。將變胞機(jī)構(gòu)應(yīng)用于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的探索階段，充分發(fā)揮變胞機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的特點(diǎn)，構(gòu)造出滿足多工位構(gòu)型要求的機(jī)構(gòu)，易于設(shè)計(jì)者打開多維度創(chuàng)新思路，到達(dá)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的頓悟階段，推動(dòng)新型機(jī)構(gòu)的研發(fā)。

變胞機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，可通過拓?fù)鋱D、矩陣、計(jì)算機(jī)軟件等方法進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。相較于拓?fù)鋱D的描述方法，利用矩陣描述變胞機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，更便于下一步的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)驗(yàn)算。變胞機(jī)構(gòu)重構(gòu)后，矩陣相應(yīng)發(fā)生變化，通過公式運(yùn)算推導(dǎo)出躍遷態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為變胞機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。