導(dǎo)語：機(jī)械創(chuàng)新思維方法與機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

【摘要】創(chuàng)新的含義是更新或創(chuàng)造出新東西，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)必須改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝，或者創(chuàng)造新性能和新功能。機(jī)械創(chuàng)新思維方法包括適應(yīng)性創(chuàng)新、產(chǎn)品變參數(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品原始創(chuàng)新，三種類型中創(chuàng)新程度最強(qiáng)的是產(chǎn)品原始創(chuàng)新，其困難創(chuàng)新程度最高。機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法可以通過組合機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、再生運(yùn)動(dòng)鏈原理創(chuàng)新設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副演變?cè)韯?chuàng)新設(shè)計(jì)來完成，它們?cè)跀?shù)控機(jī)床、建筑機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。典型機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的應(yīng)用，一是曲柄搖塊機(jī)構(gòu)與二桿機(jī)構(gòu)疊加應(yīng)用于電動(dòng)玩具飛馬跳躍，二是通過瓦特鏈型六桿機(jī)構(gòu)，演繹出步行行走機(jī)器人動(dòng)作機(jī)構(gòu)，選出最優(yōu)方案；以及通過對(duì)游梁式抽油機(jī)構(gòu)的改造，提高抽油機(jī)的生產(chǎn)效率。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械；創(chuàng)新思維；機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)；應(yīng)用

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)區(qū)別于常規(guī)設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)者經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研，然后進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，再實(shí)施試驗(yàn)和試制，最終實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)而完成的，它是把創(chuàng)新思維和創(chuàng)新構(gòu)思運(yùn)用于實(shí)際的設(shè)計(jì)過程，能夠在產(chǎn)品新穎性和實(shí)用性上有所突破的一種原始創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)模式有二種，一是對(duì)原有的機(jī)構(gòu)和產(chǎn)品分析，進(jìn)行技術(shù)、性能的構(gòu)思，完成從有到新過程；二是對(duì)產(chǎn)品和機(jī)構(gòu)的技術(shù)、性能進(jìn)行重大改進(jìn)，完成從無到有過程。它們均有如下特點(diǎn)：一是改善、調(diào)整現(xiàn)有的機(jī)械產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)、實(shí)用性和安全性；二是發(fā)明出新工藝、新產(chǎn)品和新機(jī)器；三是具備原創(chuàng)性和獨(dú)創(chuàng)性，也就是原始創(chuàng)新性；四是涉及多學(xué)科性，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)與機(jī)械、液壓、電氣、氣動(dòng)、光電和控制等技術(shù)相融合相交叉。

1機(jī)械創(chuàng)新思維方法

機(jī)械設(shè)計(jì)問題通常分為常規(guī)解決問題和發(fā)明創(chuàng)造問題，只有解決發(fā)明創(chuàng)造問題，才能實(shí)現(xiàn)原始創(chuàng)新，創(chuàng)新設(shè)計(jì)就是在原有的設(shè)計(jì)中加入創(chuàng)新元素或創(chuàng)新性的約束，然后在總設(shè)計(jì)方案中保證原有的設(shè)計(jì)屬性，即產(chǎn)品安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)常用方法有產(chǎn)品適應(yīng)性設(shè)計(jì)、產(chǎn)品變參數(shù)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品原始創(chuàng)新設(shè)計(jì)三類，如圖1所示。

1.1創(chuàng)新的適應(yīng)性設(shè)計(jì)

如圖1所示中，從（a）到（b）屬于創(chuàng)新設(shè)計(jì)的適應(yīng)性設(shè)計(jì)過程，稱為實(shí)用新型設(shè)計(jì)過程，或者叫改進(jìn)設(shè)計(jì)過程，是把現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行改造或增加部分系統(tǒng)，它是基于原有的產(chǎn)品基礎(chǔ)上，不需要進(jìn)行系統(tǒng)的重建，設(shè)計(jì)難度低于原創(chuàng)設(shè)計(jì)，如播放機(jī)向微觀化的設(shè)計(jì)，從最初的手提式收錄機(jī)，發(fā)展成為隨身聽，到便攜式CD機(jī)，再到MP3，最終變成耳環(huán)播放器，這種適應(yīng)性設(shè)計(jì)是對(duì)系統(tǒng)中的子系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，這種變化體現(xiàn)了隨身聽向盡可能小、盡可能輕薄的方向改良和進(jìn)化，也是不斷滿足消費(fèi)者需求的產(chǎn)品觀念。為了迎合市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)師選擇改進(jìn)發(fā)明以確保產(chǎn)品、性能和實(shí)用性方面有優(yōu)良的商業(yè)利益，是此類創(chuàng)新性設(shè)計(jì)占據(jù)設(shè)計(jì)主導(dǎo)地位的最主要原因。

1.2產(chǎn)品變參數(shù)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品的變參數(shù)設(shè)計(jì)又叫產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)，是指設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)改變了產(chǎn)品的形狀、體積、材料和操作控制方式等技術(shù)參數(shù)，從而設(shè)計(jì)出新產(chǎn)品。產(chǎn)品變參數(shù)設(shè)計(jì)不改變產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，如圖1中從（a）到（c）所示，原有的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)沒變，只對(duì)子系統(tǒng)由C、D、E作相應(yīng)的調(diào)整，改變?yōu)镃1、D1、E1，如開發(fā)不同品牌的汽車，只是開發(fā)新的汽車產(chǎn)品或改進(jìn)現(xiàn)有的汽車產(chǎn)品，只是從概念、造型上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，還有汽車內(nèi)部形態(tài)方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，汽車原有的五大結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（冷卻系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等）并沒有改變。

1.3產(chǎn)品原始創(chuàng)新設(shè)計(jì)

產(chǎn)品原始創(chuàng)新設(shè)計(jì)也稱為開發(fā)性設(shè)計(jì)，或叫發(fā)明設(shè)計(jì)，如圖1（d）所示，從圖1中（a）到（d），它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生變化，子系統(tǒng)C、D、E成為F、G、H，它是在對(duì)原有的產(chǎn)品在給定的任務(wù)、約束條件下提出全新的、具有原始創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)方案，此種設(shè)計(jì)方案就是發(fā)明創(chuàng)造設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)一種全新的產(chǎn)品是對(duì)原有系統(tǒng)的原創(chuàng)性革新，可能會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，這些新的產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和創(chuàng)新，決定著投入大量資金，也會(huì)帶來非常高的風(fēng)險(xiǎn)。這種風(fēng)險(xiǎn)使得在原始創(chuàng)新上很少有企業(yè)愿意投入大量資金用于研發(fā)，研發(fā)工程師原始創(chuàng)新積極性受到限制，但原始創(chuàng)新將一定是開發(fā)具有自主知識(shí)主權(quán)產(chǎn)品的必由之路。如在洗衣機(jī)的發(fā)明過程中，技術(shù)路線為單筒洗衣機(jī)→雙功能雙筒洗衣機(jī)→單筒洗脫雙功能洗衣機(jī)→洗脫烘一體化洗衣機(jī)→無洗滌劑和無水洗衣機(jī)→高溫氣流洗衣機(jī)等，洗衣機(jī)的原始創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中，實(shí)際上是技術(shù)系統(tǒng)由“單循環(huán)系統(tǒng)→雙循環(huán)系統(tǒng)→多循環(huán)系統(tǒng)→復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)”的方向發(fā)展而成的。同時(shí)還能在超系統(tǒng)中容入某個(gè)子系統(tǒng)，形成專用的技術(shù)系統(tǒng)，以此組合的系統(tǒng)將具有更高質(zhì)量系統(tǒng)功能。在手機(jī)與平板電腦充電中，將電池從手機(jī)和平板電腦中剝離出來，成為移動(dòng)電源這一超系統(tǒng)，移動(dòng)電源的發(fā)明就解決了手機(jī)、平板電腦耗用電量的矛盾。

2機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法有多種多樣，常用的方法有再生運(yùn)動(dòng)鏈原理、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副演變?cè)砗蜋C(jī)構(gòu)組合原理等。

2.1組合機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)組合的類型由反饋式組合、并聯(lián)組合和串聯(lián)組合等常用的三種機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。顧名思義，把每個(gè)獨(dú)立的單自由度基本機(jī)構(gòu)按串聯(lián)順序而獲得的組合機(jī)構(gòu)叫串聯(lián)組合機(jī)構(gòu)，后一個(gè)機(jī)構(gòu)輸入必須為前一個(gè)機(jī)構(gòu)的輸出運(yùn)動(dòng)。如圖2（a）所示。由前置凸輪機(jī)構(gòu)和后置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來構(gòu)成的一種組合機(jī)構(gòu)[1]，就是應(yīng)用于振動(dòng)大篩機(jī)構(gòu)中，依靠凸輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)曲柄的滑塊實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。圖2組合機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)并聯(lián)組合機(jī)構(gòu)是由若干個(gè)子機(jī)構(gòu)由同一個(gè)輸入機(jī)構(gòu)或構(gòu)件來完成輸入，它們的輸出運(yùn)動(dòng)又同時(shí)輸入到一個(gè)多自由度的子機(jī)構(gòu)，從而形成自由度為1的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)[2]，如圖2（b）所示，例如由一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)與兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)組合輸出運(yùn)動(dòng)，兩四桿機(jī)構(gòu)又與一個(gè)五桿機(jī)構(gòu)組合，這就是雙色膠版印刷機(jī)上的接紙機(jī)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例。如果把一個(gè)單自由度基本機(jī)構(gòu)輸入由多自由度基本機(jī)構(gòu)的輸出來完成，而形成的組合機(jī)構(gòu)叫作反饋式組合機(jī)構(gòu)，而且把單自由度的輸出運(yùn)動(dòng)再反饋給前置的多自由度機(jī)構(gòu)。如圖2（c）所示，它在精密齒輪加工中有大量的應(yīng)用，其中之一就是對(duì)滾齒機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分度校正，多自由度（F=2）的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)前置，單自由度（F=1）的凸輪機(jī)構(gòu)后置，蝸桿既沿軸向移動(dòng)還能繞自身的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪機(jī)構(gòu)再將蝸桿的軸向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)反饋輸入運(yùn)動(dòng)。

2.2再生運(yùn)動(dòng)鏈原理創(chuàng)新設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)鏈再生法既能解決一般機(jī)構(gòu)創(chuàng)新問題，也能進(jìn)行變異創(chuàng)新，就是對(duì)原有的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈按已知條件進(jìn)行演繹設(shè)計(jì)，它也是一種效率非常高的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。對(duì)原始系統(tǒng)進(jìn)行類型創(chuàng)新或變異創(chuàng)新的方法，首先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)鏈簡圖轉(zhuǎn)化，形成一般運(yùn)動(dòng)鏈機(jī)構(gòu)，再按照約束來給予賦值條件，能夠演繹出無數(shù)個(gè)再生運(yùn)動(dòng)鏈，可以選擇一個(gè)效率最高和最優(yōu)的再生運(yùn)動(dòng)鏈創(chuàng)新機(jī)構(gòu)。例如在對(duì)六桿抽油機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中，把原始運(yùn)動(dòng)簡圖轉(zhuǎn)化成一般化運(yùn)動(dòng)鏈，可以演繹出符合要求的60多種創(chuàng)新機(jī)構(gòu)方案，再對(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行滿足解決方案的創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和動(dòng)力分析，最終獲得符合要求的新型抽油機(jī)機(jī)構(gòu)，也能為各種抽油機(jī)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如在應(yīng)用再生運(yùn)動(dòng)鏈法可以對(duì)大車行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，首先把大車行走機(jī)構(gòu)的原始圖按約束條件進(jìn)行一般化運(yùn)動(dòng)鏈綜合，獲得10多種機(jī)構(gòu)方案，根據(jù)大車行走機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案要求，進(jìn)行圖譜的優(yōu)化篩選，最后獲得一種滿足輪壓載荷要求的最佳方案，最終實(shí)現(xiàn)新型三輪大車行走機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2.3機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副演變?cè)韯?chuàng)新設(shè)計(jì)

一般以四桿機(jī)構(gòu)為原始機(jī)構(gòu)，例如對(duì)構(gòu)件機(jī)架形狀、構(gòu)件尺寸、運(yùn)動(dòng)副尺寸等變換或演化，以此來獲得多種功能的創(chuàng)新機(jī)構(gòu)。例如對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)副尺寸進(jìn)行擴(kuò)大，轉(zhuǎn)動(dòng)副變成偏心輪，使四桿機(jī)構(gòu)演變成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，在四桿機(jī)構(gòu)中改變移動(dòng)副尺寸，就成為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，使之變成沖壓機(jī)構(gòu)完成零件沖壓制造，還可以用頂鍛機(jī)構(gòu)來完成零件的鍛造；通過機(jī)架的變換，也能使曲柄滑塊機(jī)構(gòu)成為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，牛頭刨床的主運(yùn)動(dòng)就是利用擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)[3]，也可以通過設(shè)計(jì)桿的長度變化，調(diào)整回轉(zhuǎn)的角度，擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在電氣開關(guān)機(jī)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，解決了開關(guān)的自動(dòng)控制問題；在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，取不同的連桿為機(jī)架時(shí)，則成為曲柄搖塊機(jī)構(gòu)，曲柄搖塊機(jī)構(gòu)應(yīng)用于各種液壓和氣動(dòng)裝置上，自動(dòng)卸載翻斗式機(jī)構(gòu)就是曲柄搖塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例，能實(shí)現(xiàn)裝載貨物的自動(dòng)卸載功能，這種油缸式曲柄搖塊機(jī)構(gòu)，在各種農(nóng)業(yè)機(jī)械、建筑機(jī)械以及許多數(shù)控機(jī)床中得到了廣泛的應(yīng)用。

3機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1電動(dòng)玩具飛馬跳躍

電動(dòng)玩具飛馬的主體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能模仿馬奔騰前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)過程，如圖3所示，它是疊加式機(jī)構(gòu)組合在玩具制造中的應(yīng)用實(shí)例之一，是將曲柄搖塊機(jī)構(gòu)上疊加在兩桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，以此來完成某種輸出運(yùn)動(dòng)-模仿馬奔騰前進(jìn)[4]，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)復(fù)雜動(dòng)作的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，此機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，將曲柄搖塊機(jī)構(gòu)EFG安裝在兩桿機(jī)構(gòu)（桿1、桿2）的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿2上組合而成的，該疊加機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)分別由曲柄3輸入轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件2旋轉(zhuǎn)，在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，導(dǎo)桿4的搖擺實(shí)現(xiàn)馬升降、跳躍和俯仰運(yùn)動(dòng)，飛馬中心上H點(diǎn)軌跡如圖3所示，馬的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)是由兩桿機(jī)構(gòu)為基本運(yùn)動(dòng)，跳躍運(yùn)動(dòng)是由曲柄搖塊機(jī)構(gòu)來完成的，實(shí)際上模仿馬飛奔騰跳躍運(yùn)動(dòng)是由曲柄3轉(zhuǎn)動(dòng)、構(gòu)件2轉(zhuǎn)動(dòng)和導(dǎo)桿4搖擺三種運(yùn)動(dòng)合成而完成的。

3.2仿腿步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

在設(shè)計(jì)仿腿步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，始終要求身體在腿的運(yùn)動(dòng)中保持平穩(wěn)，足部相對(duì)于身體的軌跡一定要滿足人行走的軌跡，如圖4（a）所示的形狀，而且創(chuàng)新設(shè)計(jì)的仿腿機(jī)構(gòu)盡可能模仿人腿的行走狀態(tài)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一種六桿機(jī)構(gòu)-瓦特鏈型機(jī)構(gòu)，將瓦特鏈機(jī)構(gòu)的不同構(gòu)件作為機(jī)架，就能將圖4（b）所示的原始機(jī)構(gòu)演繹成3種不同的仿腿行走機(jī)構(gòu)（方案a、方案b、方案c），經(jīng)過尺寸綜合分析和比較，最終確定瓦特鏈中的方案b作為仿腿步行行走機(jī)構(gòu)為最優(yōu)方案。圖4仿腿步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用瓦特鏈六桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和綜合數(shù)據(jù)分析，對(duì)四桿式游梁式抽油機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，通過游梁式抽油機(jī)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使之成為六桿式改進(jìn)型機(jī)構(gòu)，從而使所得六桿式改進(jìn)型機(jī)構(gòu)的輸出擺角增大4倍，大幅提高了抽油機(jī)的沖程，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)工作效率提升，這就是瓦特鏈游梁式抽油機(jī)。在關(guān)注各種機(jī)器改造時(shí)，根據(jù)工作要求和約束條件，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之后也能創(chuàng)新設(shè)計(jì)出多種滿足性能要求以及不同需要的機(jī)構(gòu)和機(jī)器。

4結(jié)束語

創(chuàng)新思維和創(chuàng)新設(shè)計(jì)必須應(yīng)用專業(yè)技能、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和奇思妙想等進(jìn)行艱難的開拓和創(chuàng)新，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)和應(yīng)用也追求原始創(chuàng)新和原始發(fā)明創(chuàng)造為最終目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器在性能和參數(shù)具有獨(dú)創(chuàng)性，而且在性能、工況和效率上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是使創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)區(qū)別于原始機(jī)構(gòu)，但同時(shí)也要求創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的輸出值和原始機(jī)構(gòu)盡量相同，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)的初始階段，充分應(yīng)用聯(lián)想法、類比法和仿生法等，在初步創(chuàng)新模型基礎(chǔ)上，再運(yùn)用系統(tǒng)分析法、組合創(chuàng)新法和反求設(shè)計(jì)法對(duì)具體機(jī)構(gòu)或機(jī)器進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，在新技術(shù)、新工藝和新產(chǎn)品有重大突破，實(shí)現(xiàn)從無到有的發(fā)明創(chuàng)造，使創(chuàng)新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更實(shí)用和新穎，且綜合性能更優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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作者：蔣建強(qiáng) 單位：蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院