机械创新思维方法与机构创新设计探讨

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【摘要】创新的含义是更新或创造出新东西，机械创新设计必须改变产品结构和工艺，或者创造新性能和新功能。机械创新思维方法包括适应性创新、产品变参数创新和产品原始创新，三种类型中创新程度最强的是产品原始创新，其困难创新程度最高。机构创新设计方法可以通过组合机构创新设计、再生运动链原理创新设计和机构运动副演变原理创新设计来完成，它们在数控机床、建筑机械和农业机械等领域得到广泛的应用。典型机构创新设计的应用，一是曲柄摇块机构与二杆机构叠加应用于电动玩具飞马跳跃，二是通过瓦特链型六杆机构，演绎出步行行走机器人动作机构，选出最优方案；以及通过对游梁式抽油机构的改造，提高抽油机的生产效率。

【关键词】机械；创新思维；机构创新设计；应用

机械创新设计区别于常规设计，是设计者经过市场调研，然后进行总体设计，再实施试验和试制，最终实现批量生产而完成的，它是把创新思维和创新构思运用于实际的设计过程，能够在产品新颖性和实用性上有所突破的一种原始创新实践活动。机械创新设计模式有二种，一是对原有的机构和产品分析，进行技术、性能的构思，完成从有到新过程；二是对产品和机构的技术、性能进行重大改进，完成从无到有过程。它们均有如下特点：一是改善、调整现有的机械产品技术参数、实用性和安全性；二是发明出新工艺、新产品和新机器；三是具备原创性和独创性，也就是原始创新性；四是涉及多学科性，机械创新设计与机械、液压、电气、气动、光电和控制等技术相融合相交叉。

1机械创新思维方法

机械设计问题通常分为常规解决问题和发明创造问题，只有解决发明创造问题，才能实现原始创新，创新设计就是在原有的设计中加入创新元素或创新性的约束，然后在总设计方案中保证原有的设计属性，即产品安全性、经济性和可靠性。机械产品创新设计常用方法有产品适应性设计、产品变参数设计和产品原始创新设计三类，如图1所示。

1.1创新的适应性设计

如图1所示中，从（a）到（b）属于创新设计的适应性设计过程，称为实用新型设计过程，或者叫改进设计过程，是把现有的系统进行改造或增加部分系统，它是基于原有的产品基础上，不需要进行系统的重建，设计难度低于原创设计，如播放机向微观化的设计，从最初的手提式收录机，发展成为随身听，到便携式CD机，再到MP3，最终变成耳环播放器，这种适应性设计是对系统中的子系统进行改进，这种变化体现了随身听向尽可能小、尽可能轻薄的方向改良和进化，也是不断满足消费者需求的产品观念。为了迎合市场需求，设计师选择改进发明以确保产品、性能和实用性方面有优良的商业利益，是此类创新性设计占据设计主导地位的最主要原因。

1.2产品变参数设计

产品的变参数设计又叫产品变型设计，是指设计过程中已经改变了产品的形状、体积、材料和操作控制方式等技术参数，从而设计出新产品。产品变参数设计不改变产品的结构，如图1中从（a）到（c）所示，原有的结构系统没变，只对子系统由C、D、E作相应的调整，改变为C1、D1、E1，如开发不同品牌的汽车，只是开发新的汽车产品或改进现有的汽车产品，只是从概念、造型上进行创新设计，还有汽车内部形态方面进行创新设计，汽车原有的五大结构系统（冷却系统、燃油供给系统、点火系统、启动系统和润滑系统等）并没有改变。

1.3产品原始创新设计

产品原始创新设计也称为开发性设计，或叫发明设计，如图1（d）所示，从图1中（a）到（d），它的系统结构已经发生变化，子系统C、D、E成为F、G、H，它是在对原有的产品在给定的任务、约束条件下提出全新的、具有原始创造性的设计方案，此种设计方案就是发明创造设计。设计一种全新的产品是对原有系统的原创性革新，可能会带来巨大的经济效益，这些新的产品和生产工艺的改进和创新，决定着投入大量资金，也会带来非常高的风险。这种风险使得在原始创新上很少有企业愿意投入大量资金用于研发，研发工程师原始创新积极性受到限制，但原始创新将一定是开发具有自主知识主权产品的必由之路。如在洗衣机的发明过程中，技术路线为单筒洗衣机→双功能双筒洗衣机→单筒洗脱双功能洗衣机→洗脱烘一体化洗衣机→无洗涤剂和无水洗衣机→高温气流洗衣机等，洗衣机的原始创新设计过程中，实际上是技术系统由“单循环系统→双循环系统→多循环系统→复合循环系统”的方向发展而成的。同时还能在超系统中容入某个子系统，形成专用的技术系统，以此组合的系统将具有更高质量系统功能。在手机与平板电脑充电中，将电池从手机和平板电脑中剥离出来，成为移动电源这一超系统，移动电源的发明就解决了手机、平板电脑耗用电量的矛盾。

2机构创新设计方法

机构创新设计方法有多种多样，常用的方法有再生运动链原理、机构运动副演变原理和机构组合原理等。

2.1组合机构创新设计

机构组合的类型由反馈式组合、并联组合和串联组合等常用的三种机构创新设计方法。顾名思义，把每个独立的单自由度基本机构按串联顺序而获得的组合机构叫串联组合机构，后一个机构输入必须为前一个机构的输出运动。如图2（a）所示。由前置凸轮机构和后置曲柄滑块机构来构成的一种组合机构[1]，就是应用于振动大筛机构中，依靠凸轮旋转运动来带动曲柄的滑块实现往复运动。图2组合机构创新设计并联组合机构是由若干个子机构由同一个输入机构或构件来完成输入，它们的输出运动又同时输入到一个多自由度的子机构，从而形成自由度为1的机构系统[2]，如图2（b）所示，例如由一个凸轮机构与两个四杆机构组合输出运动，两四杆机构又与一个五杆机构组合，这就是双色胶版印刷机上的接纸机构应用实例。如果把一个单自由度基本机构输入由多自由度基本机构的输出来完成，而形成的组合机构叫作反馈式组合机构，而且把单自由度的输出运动再反馈给前置的多自由度机构。如图2（c）所示，它在精密齿轮加工中有大量的应用，其中之一就是对滚齿机系统进行分度校正，多自由度（F=2）的蜗轮蜗杆机构前置，单自由度（F=1）的凸轮机构后置，蜗杆既沿轴向移动还能绕自身的轴线转动，凸轮机构再将蜗杆的轴向移动实现反馈输入运动。

2.2再生运动链原理创新设计

运动链再生法既能解决一般机构创新问题，也能进行变异创新，就是对原有的机构运动链按已知条件进行演绎设计，它也是一种效率非常高的创新设计方法。对原始系统进行类型创新或变异创新的方法，首先进行运动链简图转化，形成一般运动链机构，再按照约束来给予赋值条件，能够演绎出无数个再生运动链，可以选择一个效率最高和最优的再生运动链创新机构。例如在对六杆抽油机机构进行创新设计过程中，把原始运动简图转化成一般化运动链，可以演绎出符合要求的60多种创新机构方案，再对虚拟机进行满足解决方案的创新机构，进行运动仿真和动力分析，最终获得符合要求的新型抽油机机构，也能为各种抽油机创新机构设计提供实验数据。例如在应用再生运动链法可以对大车行走机构进行创新设计，首先把大车行走机构的原始图按约束条件进行一般化运动链综合，获得10多种机构方案，根据大车行走机构的拓扑结构方案要求，进行图谱的优化筛选，最后获得一种满足轮压载荷要求的最佳方案，最终实现新型三轮大车行走机构创新设计。

2.3机构运动副演变原理创新设计

一般以四杆机构为原始机构，例如对构件机架形状、构件尺寸、运动副尺寸等变换或演化，以此来获得多种功能的创新机构。例如对转动副尺寸进行扩大，转动副变成偏心轮，使四杆机构演变成曲柄摇杆机构，在四杆机构中改变移动副尺寸，就成为曲柄滑块机构，使之变成冲压机构完成零件冲压制造，还可以用顶锻机构来完成零件的锻造；通过机架的变换，也能使曲柄滑块机构成为摆动导杆机构，牛头刨床的主运动就是利用摆动导杆机构[3]，也可以通过设计杆的长度变化，调整回转的角度，摆动导杆机构在电气开关机构上实现应用，解决了开关的自动控制问题；在曲柄滑块机构中，取不同的连杆为机架时，则成为曲柄摇块机构，曲柄摇块机构应用于各种液压和气动装置上，自动卸载翻斗式机构就是曲柄摇块机构的应用实例，能实现装载货物的自动卸载功能，这种油缸式曲柄摇块机构，在各种农业机械、建筑机械以及许多数控机床中得到了广泛的应用。

3机构创新设计应用

3.1电动玩具飞马跳跃

电动玩具飞马的主体运动机构能模仿马奔腾前进的运动过程，如图3所示，它是叠加式机构组合在玩具制造中的应用实例之一，是将曲柄摇块机构上叠加在两杆机构来实现的，以此来完成某种输出运动-模仿马奔腾前进[4]，实现机构复杂动作的创新设计，此机构创新设计中，将曲柄摇块机构EFG安装在两杆机构（杆1、杆2）的转动导杆2上组合而成的，该叠加机构运动时分别由曲柄3输入转动和转动构件2旋转，在曲柄摇杆机构中，导杆4的摇摆实现马升降、跳跃和俯仰运动，飞马中心上H点轨迹如图3所示，马的前进运动是由两杆机构为基本运动，跳跃运动是由曲柄摇块机构来完成的，实际上模仿马飞奔腾跳跃运动是由曲柄3转动、构件2转动和导杆4摇摆三种运动合成而完成的。

3.2仿腿步行机构设计及应用

在设计仿腿步行机构设计时，始终要求身体在腿的运动中保持平稳，足部相对于身体的轨迹一定要满足人行走的轨迹，如图4（a）所示的形状，而且创新设计的仿腿机构尽可能模仿人腿的行走状态，创新设计出一种六杆机构-瓦特链型机构，将瓦特链机构的不同构件作为机架，就能将图4（b）所示的原始机构演绎成3种不同的仿腿行走机构（方案a、方案b、方案c），经过尺寸综合分析和比较，最终确定瓦特链中的方案b作为仿腿步行行走机构为最优方案。图4仿腿步行机构设计应用瓦特链六杆机构的设计原理和综合数据分析，对四杆式游梁式抽油机进行技术改造，通过游梁式抽油机的机构进行改进，使之成为六杆式改进型机构，从而使所得六杆式改进型机构的输出摆角增大4倍，大幅提高了抽油机的冲程，实现抽油机工作效率提升，这就是瓦特链游梁式抽油机。在关注各种机器改造时，根据工作要求和约束条件，进行优化设计之后也能创新设计出多种满足性能要求以及不同需要的机构和机器。

4结束语

创新思维和创新设计必须应用专业技能、实际经验和奇思妙想等进行艰难的开拓和创新，机械创新设计和应用也追求原始创新和原始发明创造为最终目标，能够实现机器在性能和参数具有独创性，而且在性能、工况和效率上实现最优化。创新机构设计的主要目标是使创新机构的结构区别于原始机构，但同时也要求创新机构的输出值和原始机构尽量相同，在创新设计的初始阶段，充分应用联想法、类比法和仿生法等，在初步创新模型基础上，再运用系统分析法、组合创新法和反求设计法对具体机构或机器进行技术创新，在新技术、新工艺和新产品有重大突破，实现从无到有的发明创造，使创新设计的产品更实用和新颖，且综合性能更优化。

参考文献

[1]张美麟.机械创新设计-机构构型方案的创新设计[M].北京:化学工业出版社,2005.

[2]申永胜.机械原理教程-组合机构[M].北京:清华大学出版社,2014.

[3]蔡军.非圆齿轮—摆动导杆机构的应用与运动学分析[J].机械传动,2017(2):139-142.

[4]王良斌,王保华.机械设计基础[M].北京:北京邮电大学出版社,2019.

作者：蒋建强 单位：苏州经贸职业技术学院机电技术学院