创新设计：机构的进化之路

（1）简单机构运动特点的利用

利用简单机构的运动特点完成某一动作过程，是机构创新的一种有效方法。

1）平行四边形移动式抓取机构

如图5.46所示的平行四边形移动式抓取机构，当活塞1上的推杆2上移时，通过圆形齿轮3带动平行四边形机构OABO1，使手爪5，6作平行移动，而夹紧工件。图5.46（b）为通过蜗杆、蜗轮带动平行四边形移动式抓取机构。

图5.46　平行四边形移动式抓取机构

2）铸锭供料机构

如图5.47所示为铸锭供料机构，它的主机构是双摇杆机构1—2—3—6，该机构利用连杆的特殊构形的位置与姿态，将加热炉中出料后的铸锭8运送到升降台7上。其中，构件4，5构成了液动机构。这种机构利用连杆机构运动特性构成了一种巧妙的出料机构。

（2）两构件相对运动关系的应用

利用两构件相对运动关系来完成独特的动作过程，使机构创新有一种全新的思路。如图5.48所示的铰链四杆机构，利用摇杆和连杆的特殊形状和运动关系得到一个分送工件的机构。图中，在Ⅰ位置上将一个圆柱形工件接住；在Ⅱ位置上将圆柱形工件送出，并且挡住料斗内其余工件，在Ⅲ位置上将圆柱形工件送到滑板S处滑下。这一构思是将铰链四杆机构中的连杆的运动功能与摇杆的运动功能两者有机地结合起来，达到分送工件的作用。这是通过简单的机构中两构件相对运动关系完成较为复杂的动作过程，其构思很巧妙。

图5.47　铸锭供料双摇杆机构

图5.48　分送工件的铰链四杆机构

（3）链传动的变异与创新

链条是人们很熟悉的常用的机械传动构件之一。链传动作为有中间挠性件的机械传动，其应用历史十分悠久，传统的链传动如图5.49所示，主要由链条和主动轮、从动轮组成。实际应用场合往往还配有张紧、润滑、安全保护等装置。

实际上链条作为机构元件应用，有着很广阔的发展空间，如突破传统的结构形式，可充分发挥链传动的优势，推动含有链条这种挠性结构元件的创新设计。

图5.49　链传动

1）传统结构形式的突破

链传动的传统模式是一根链条包绕在链轮上，用来把主动轴的回转运动（动力）传递到从动轴上。那么能否突破这种模式，由主动链轮驱动安放在轨道里的链条，由链条的链节或输出机构，输出复杂轨迹的运动，开创链传动新的应用领域。能否打破习惯上把链条局限在传动元件或输送元件的范围内研究的局限性，把链条这一特殊的机械挠性件看作机械元件来研究。

2）创新设计

①把传动链装入一几何形状的导轨中，再配上与之相啮合的链轮作为主动轮，组成导轨链传动。主动轮可以作内啮合布置（见图5.50），还可以作外啮合布置（见图5.51）。

图5.50　导轨链传动

图5.51　链条作为运动输出部件

从图5.50可知，销轴的两端装有滚轮2，滚轮2与导轨1配合，以保证链条有与导轨相同的几何轨迹，链轮4仍与滚子3啮合。其滚子链条是在标准滚子链结构上派生出来的，是一种延长销轴滚子链。导轨链传动中没有从动轮，其运动输出直接利用链条本身就能得到各种几何形状的仿形运动，如将导轨链传动设计成各种输出机构，则可以实现给定的各种复杂规律（包括运动轨迹变化和速度变化）的运动输出。

②导轨链传动的运动输出机构很多，有如图5.51所示的直接利用链条本身输出运动的机构，还有如图5.52所示的利用滑块导槽机构、曲柄连杆机构、槽轮间隙机构输出运动的机构。其中，图5.52（a）为配置有滑块导槽机构的导轨链传动，它可以用来输出直线往复运动，这种结构的导轨链传动在要求作长冲程的直线往复运动时有很大的优越性。如在石油行业的采油作业中，就采用了台导轨链传动的新式抽油机。

图5.52　导轨链传动的运动输出机构

（b）1—曲柄；2—连杆；3—导槽机构；4—槽轮；（c）1，3—槽轮机构；2—导槽机构；4—导轨链

3）其他创新结构形式的链传动

①在传统的链传动基础上，把一个链轮（也可以是两个链轮）换成非圆链轮，则可组成如图5.53所示的非圆链轮（椭圆链轮）传动。非圆链轮传动是一种变速链传动，可把作匀速回转的主动轮的运动变成按某种规律变速回转的从动轮的运动。

非圆链轮可视需要设计与加工成各种形状，如把自行车中的大链轮改为非圆链轮，可使骑车者在某一区域感到轻松与省力。

②采用链条齿圈传动。链条齿圈传动的结构如图5.54所示，链条因是传动链围在大直径圆筒上并予以固定后组成，该传动宜在大直径圆柱体作低速回转的机械上采用，具有良好的经济性。

图5.53　椭圆链轮传动

图5.54　链条齿圈传动

（4）用成型固定构件实现复杂动作过程

糖果、饼干、香烟、香皂等的裹包和颗粒状、液体状食品的制袋充填等包装机械、食品机械的工艺动作，都比较复杂。如按通常的工艺动作过程分解方法，对每个动作采用一个执行机构来完成，那么机械中的机构形式就很多，结构将会很复杂。

如图5.55所示为象鼻成型器折弯成型式充填封口切断机示意图。平张的卷筒薄膜1经导辊至象鼻成型器2（它是一个呈象鼻形状的固定模板）被折弯呈圆筒状，然后借助于等速回转的纵封辊4加压封合并连续向下牵引，使其成连续的圆筒状。物料由料斗3落入已封底的袋筒内。经不等速回转的横封辊5，将该袋筒的上口封合，再经回转切刀7切断后排出机外。其袋形即为对接纵缝三面封口的扁平形。象鼻成型器将平张的薄膜逐渐折弯成圆筒形，使制袋机构大为简化。

图5.55　象鼻成型器折弯成型式充填封口切断机示意图

（5）应用交叉学科创造新的机构

为了使机构具有新颖、独特和高效，往往要摆脱纯机械模式，而采用光、电、液等工作原理来创造新机构。

①图5.56所示为“光电动机”，其受光面是太阳能电池，8只太阳能电池组成三角形与电动机的转子连接在一起。电动机一转动，太阳能电池也跟着旋转，动力就由电动机转子轴输出。由于受光面连成一个三角形，所以光的入射方向改变，也不会影响启动。这种将光能变为机械能的特殊机构，其构思很巧妙。

②图5.57为用于微型机械装配作业的微型抓取机构。该装置通过手臂3和弹性关节2组合而成的多关节“杆”机构，将压电晶体激励器4的微量伸缩（无负荷状态约为3μm/150 V）放大，以实现钳爪1的开闭。该多关节机构是从0.15 mm厚的镀青铜板上刻蚀方法制造出来的，每个钳爪有一片过关节机构，该钳爪全长23 mm，质量为4 g，钳爪的接近量为20μm/150V，所能夹持工件的质量（实测值）最大约为80 mg。

图5.56　光电动机

图5.57　微型抓取机构

（6）机构类型变异创新设计

对于一个设计经验不多的设计人员来讲，在机构的构思和设计时要凭空想出一个能达到预期动作要求的新机构是非常困难的。可以凭借已有知识的学习，借助机构类型创新和变异的设计方法构思新的机构，以满足新的设计要求。

如图5.58为机构类型创新设计过程，根据该过程，设计人员可推导出所有与原始机构具有相同构造功能的新机构。

下面通过一个教练加紧机构创新设计的实例来说明机构类型创新的步骤与方法。

图5.58　机构类型创新设计过程

1）原始机构

原始机构就是原有机构，如图5.59所示为一常用的铰链夹紧机构。在该机构中，1为机架，2和3分别为液压缸和活塞杆，5为连杆，4和6为连架杆。其中，6是执行构件，用于夹紧工件7。

图5.59　铰链夹紧机构

2）一般化运动链

一般化运动链的设计目的是为了产生包含不同类型构件和运动副的原动机构，形成具有一定数目构件和运动副的一般运动副，一些表面看似不相同的机构，可能具有相同的运动链。

一般化的原则为：所有“非连杆”转化为连杆，所有“非转动副”转化为转动副，而且要求机构的自由度保持不变，各构件与运动副的邻接保持不变，并将固定杆的约束解除，使机构成为一般化运动链。

按上述一般化原则，将铰链夹紧机构运动简图抽象为一般化运动链，将活塞杆3和液压缸2以标记为P的Ⅱ级组代替，并释放固定杆，由此所得的铰链夹紧机构的一般化运动链如图5.60所示。

图5.60　一般化运动链

3）设计约束

按照铰链夹紧机构的工作特性与具体要求，可定出下列设计约束，作为新机构型的依据。

①连杆总数N和运动副总数J均保持不变，即N=6，J=7；②必须含有一个液压缸；

③必须有一个固定杆，即机架；

④液压缸必须与机架连接或本身作为机架；

⑤活塞杆一端与液压缸组成移动副，其另一端不能与固定杆铰接；

⑥应有一双副杆作为执行件，它不能与活塞杆铰接，但必须与固定杆铰接。

4）运动链的发散

通过运动链的发散，将与图5.60所示运动链有相同的构件和运动副的运动链全部找寻出来，即可寻出铰链夹紧机构对应的单自由度、六杆、七转动副的非同构运动链，如图5.61所示的1型和2型两种形式。除此之外，还有2型的两种变异形式3型和4型。

图5.61　非同构运动链

5）再生运动链

按铰链夹紧机构的设计规则，可求得如图5.61所示的4种运动链衍生出的各种再生运动链。其步骤为：

图5.62　再生运动链(www.xing528.com)

①选固定杆的一端与液压缸铰接，或者将液压缸本身作为固定杆；

②使活塞杆的一端与液压缸组成移动副，但另一端不能与固定杆相连；

③选一个双副杆作为执行件，它不能与活塞杆相连，但必须与固定杆铰接。

设以C表示固定杆（机架），E表示执行件，G表示活塞杆，P表示由液压缸与活塞杆组成的移动副，则由六杆运动链1型衍生出如图5.62所示的1"—4"共6种再生运动链；由六杆组合运动链2型衍生出如图5.63（a）所示的7"—10"共4种再生运动链；由六杆组合运动链3型衍生出如图5.63（b）所示的11"—20"共10种再生运动链；由六杆组合运动链4型衍生出如图5.63（c）所示的21"一种再生运动链。

6）新型铰链夹紧机构运动简图

利用一般化原则的逆推程序，将由运动链再生获得的21种铰链夹紧机构型还原为具体机构，除去原有机构型，其余20种即为所有的新型铰链夹紧机构。设计者可根据主要技术性能指标及具体结构条件，通过分析比较，从中选取合理的结构形式，进而用机构尺度综合和优化设计方法确定该机构尺寸。

（7）基于机构组合原理的创新

1）串联组合

图5.63　再生运动链

如图5.44所示的织布机开口机构，它由曲柄滑块机构和转动导杆机构，通过M点和滑块4用铰链串联而成，当曲柄1以等角速转动时，构件5就能实现每转180°后停歇的运动要求。

2）并联组合

如图5.39所示的星形发动机是由6个曲柄滑块组成的机构，6个活塞的往复运动同时通过连杆传给公用曲柄A，其输出传动是6个曲柄滑块机构输出传动的代数和，与单缸发动机相比，其输出扭矩波动小，并可以部分或全部地消除振动力。

3）机构的叠合

把一个机构叠装在另一机构的构件上，两机构各自进行运动，其输出运动则由两机构运动叠加而成。如图5.64所示的电动玩具马的主体运动机构，它模仿马的奔驰运动形态。这种电动马由曲柄摇块机构叠加在两杆机构的杆4上，两杆机构为运载机构，使马绕以O—O轴为圆心的圆周向前奔驰，而曲柄摇块机构中的导杆2的摇摆和伸缩则使马获得跃上、窜下、前俯、后仰的姿态。

图5.64　机构的叠合

（8）机构创新设计实例

1）虎钳的快速夹紧机构

如图5.65所示为一种快速夹紧机构，它可以提高虎钳夹持工件的效率。这种快速夹紧机构采用了一对具有相同曲面的转动凸轮和固定凸轮，手柄转动凸轮快进到预定位置。然后，螺旋机构进行夹紧，虎钳的钳口位置可以借助夹压间距调节手轮进行调节，以适应不同的材料厚度，同时也可调整夹紧力，该机构可用作铣床、镗床、装配夹具等的夹压机构，是一种夹紧力调节简单的快速夹紧装置。

图5.65　虎钳的快速夹紧机构

2）无死点机构

在曲柄滑块机构中，当滑块为主动件时，机构有死点出现。如何构思一个无死点机构?

①若采用图5.66（a）所示结构形式，则无死点出现。再如蒸汽机动力设备是90°开式双汽缸结构，这样的结构也可避开死点（见图5.66（b））。

图5.66　无死点机构

②图5.67所示为一种巧妙的无死点机构，其巧妙之处是滑板与活塞杆相连接，利用滑板上的曲线形长孔及与之配合的曲柄销驱动曲柄轮转动，在曲柄销的左右死点位置上，由于滑板的曲线形长孔的斜面与曲柄销接触，所以就能消除一般曲柄机构的死点问题。曲线形长孔的倾斜方向确定了曲柄轴的旋转方向，并使其保持固定的旋转方向。

3）深孔钻床进刀装置

钻探孔是一件较麻烦的工作。如图5.68所示为深孔钻床进刀装置，该装置在一次钻孔的自动循环中能多次进刀和退刀。在每次进刀终了时，钻头就自动退离工件并排出切屑。然后，钻头又在动力系统的作用下快速回到切削位置。

图5.67　巧妙无死点机构

图5.68　深孔钻床进刀装置

钻头的进给和快速移动，分别由电动机A和B通过齿轮系驱动螺杆来完成。在每次完成钻削进刀量以后，进给电动机A反转，同时，电动机B则在转矩控制系统（没画出）的作用下启动，使钻头快速退出工件。与此同时，电磁离合器D被结合，使螺杆C通过蜗轮系统而驱动凸轮E转动。当钻头快速移动到终端时，由一机构（没画出）使进给电动机A停止，且使电动机B反转。这样，钻头就快速移向工件，此时，凸轮E以相反的方向转动。当凸轮E回到其原来的正常位置时，凸轮E使开关F动作，使电动机B停止，同时离合器D脱开。这时，进给电动机A被重新启动，以进行下一次的钻削。

由于进给电动机A在钻头向工件快速趋近时不转动，所以当电动机B停止时，能保证钻头的前端与工件前一次钻削的孔底之间存在一个小的间隙。这样，就不会出现由于钻头快速移动的过进给而造成损坏钻头的现象。

活齿传动是利用一组中间可动件来实现传动的新型传动机构，简称活齿传动。活齿传动属于刚性啮合传动。它可用作直线传动，也可用作回转传动。活齿传动中啮合件的轮廓曲线也是根据等速共轭原理形成的，一般均为特殊包络线曲线。其中，以圆形针齿和具有直线齿廓的活齿，实现近似等速共轭运动的活齿针轮传动，最有实用价值。

如图5.69所示的活齿传动是一种利用偏心圆驱动径向销形活齿，使之与固定针齿相啮合的一种活齿传动。其全部传动装置由偏心圆微波器（J）、活齿齿轮（H）和固定针齿齿轮（G）组成。

图5.69　活齿传动简图

活齿传动原理是利用偏心圆激波器，周期性地激励可沿径向往复运动的销形活齿，使活齿的楔形齿头与固定针齿啮合，形成蛇腹蠕动式的切向波，实现驱动关系，并使J—H—G三构件具有一定规律的相对运动。如任意固定三构件中的一个构件，其余两构件可互为主、从动件，实现恒定传动比的减速或增速传动。如果以任意两构件作主动件，则第三构件获得差速传动。

设活齿传动中三构件的转速分别为nJ，nH，nG，根据相对运动原理，可求得活齿传动的传动比计算公式为

式中　zG——固定针齿齿轮齿数；

zH——活齿齿轮齿数。

若固定不同的构件，可到相应的传动比计算公式。若活齿传动的针齿齿轮固定，偏心圆波激波器为主动件，运动活齿齿轮输出，即nG=0，则传动比计算公式为

4）谐波齿轮传动

如图5.70所示的谐波齿轮传动，它是利用一个或几个构件可控制的弹性变形来实现机械运动的传递。谐波齿轮由固定的刚性内齿轮b，可变形的柔轮g，波发生器H（一般装在柔性齿轮内，相当于转臂）组成。其传动原理为：设波发生器H为主动件，当H顺时针转动时，柔轮与刚轮的啮合区也随着波动，因而使柔轮产生一个移动的波形，传递所需的机械运动。若波发生器滚轮为2，而zb=202，zg=200，则当波发生器转一周时，其柔轮沿相反方向转过2/200周，则得减速传动，其传动比为100。

图5.70　谐波齿轮传动

谐波齿轮传动与蜗轮传动、行星齿轮传动、摆线针轮传动相比有许多优点：

①因谐波齿轮传动中齿与齿的啮合是面接触，加上同时参加啮合齿数比较多（即重合度大，一般可达总齿数的30%～40%），因而单位载荷比较小，承载能力较其他传动方式高。

②结构简单，为同轴传动，故容易装配，成本低，而且由于谐波齿轮传动承载能力高，在传递同等负载的条件下，结构可以做得较小，再加上本身零件数量少，因而比普通齿轮减速器体积小20%～50%，质量相应也减轻了。

③谐波齿轮传动中齿轮的相对滑动速度较低，特别是受力最大的长轴处齿间不存在滑移，因此磨损小、轮齿寿命长、传动效率高，传动装置的总效率可达80%～90%。

④单级谐波齿轮传动的传动比，可达i=50～500，依赖三组构件达到如此大的传动比，是任何其他机械传动方式所不能达到的。若采用行星轮式发生器，传动比可达150～4 000；若采用复波传动，传动比可达107。

⑤谐波齿轮传动中，齿轮的齿侧间隙可以调整到零，加上同时参加啮合的齿数多，所以运动精度高、传动平稳、无冲击。

⑥因为传动效率高，用谐波齿轮传动代替圆柱齿轮、蜗轮蜗杆传动装置具有明显的节能优点。

⑦可用于化工系统中无泄漏密封传动（见图5.71），这是其他传动装置不能实现的传动。

5）柔性及顺应型抓取机械手

用挠性带绕在被抓取的物件上，把物件抓住，可以分散物件单位面积上的压力而不易损坏物件。在如图5.72（a）所示的机构中，挠性带2的一端有接头1，另一端是夹紧接头9，它通过固定台8的沟槽后固定在驱动接头4上。当活塞杆5向右移动将挠性带拉紧的同时，又通过缩放连杆3推动夹紧接头9向左收紧挠性带，从而把物件夹紧。它是一种用挠性带包在被抓取物表面的柔软手爪。当活塞杆向左移动时，将带松开。如图5.72（b）所示的机构，采用柔性杠杆作手爪，当活塞杆向右移动时，将手爪放开；反之，则夹紧。

图5.71　无泄漏密封传动的谐波齿轮传动

图5.72　挠性带柔软手抓取机械手

如图5.73所示为用一个自由度实现柔软性抓取的仿物体轮廓的柔性抓取机构，无论什么截面的二维物体，它都能包络，而且能可靠地抓取。当握紧电动机1运转时，接通离合器2，将缆绳收紧，使其各链节包络工件：当放松电动机3运转时，接通离合器2，将缆绳放松，而松开工件。

图5.73　仿物体轮廓的柔性抓取机构

6）儿童玩具

如图5.74所示，通过某些特定构件可巧妙组合成一种儿童玩具。

7）无链传动自行车

如图5.75所示的自行车，采用曲柄摇杆机构代替了链传动，以摇杆为主动件，当脚踏摇杆时，自行车便可行进。

自行车有许多创新结构形式，如折叠式自行车、上坡省力自行车、自带打气筒自行车等。

8）仿动物动作机构

如图5.76所示为仿动物动作机构，它能由连杆机构产生弯曲与摇摆合成运动，因而可实现动物起立与摇头的动作。

图5.74　儿童玩具

图5.75　无链传动自行车

图5.76　能仿动物动作的机构