机械创新设计的四个阶段与原理

（1）机构创新的概念和流程

机构创新设计是指充分发挥设计者的创造能力，利用人类已有的相关科学技术成果（理论、方法、技术和原理等），进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构的一种实践活动。

机构创新的目的是由所要求的功能出发，改进、完善现有机构或创造发明新的机构实现预期的功能，并使其具有更好的工作品质和经济特性。

机械创新设计的一般流程如图2.14所示。机构创新一般分为以下4 个阶段：

第一个阶段，确定机械的基本工作原理。其间可能涉及机械学对象的不同层次、不同类型的机构组合，或不同学科知识、技术的问题。

第二个阶段，机构结构类型的综合及其优选。优选的结构类型对机械整体性能和经济性具有重大影响，在优选过程中往往创造出新的机构。结构类型综合及其优选是机械设计过程中最富有创造性、最具有活力的阶段，也是十分复杂和困难的事情。

第三个阶段，机构运动尺寸综合及其运动参数选择。其难点在于求得非线性方程组的完全解，为优选方案提供了较大的空间。随着优化法、代数消元法等数学方法引入机构学研究中，这个问题有了突破性进展。

第四个阶段，机构动力学参数综合及其动力参数优选。其难点在于动力参数量大，参数值变化域广的多维非线性动力学方程组的求解。

图2.14　机械创新设计的一般流程

（2）机构创新设计的原理

1）机构组合原理与创新

机构的组合原理是指将几个基本机构按一定的原则或规律组合成一个复杂的机构。这个复杂的机构一般有两种形式：一种是集中基本的机构融合成性能更加完善、运动形式更加多样的新机构；另一种是几种基本机构组合在一起，组合体的各基本机构同时保持各自的特性，但需要各机构的运动和动作协调配合，以实现组合的目的。

机构的组合方式可分为以下4 种：

①串联式机构组合

串联式机构组合是指若干单自由度的基本机构A，B，C，…顺序串联，每一个前置机构的输出运动是后置机构的输入，联接点设置在前置机构中作简单运动的与机架相联的构件上，这种联接称为Ⅰ型串联；联接点设置在前置机构中作平面复杂运动的构件上（非连架杆），称为Ⅱ型串联，如图2.15所示。

图2.14　机械创新设计的一般流程

（2）机构创新设计的原理

1）机构组合原理与创新

机构的组合原理是指将几个基本机构按一定的原则或规律组合成一个复杂的机构。这个复杂的机构一般有两种形式：一种是集中基本的机构融合成性能更加完善、运动形式更加多样的新机构；另一种是几种基本机构组合在一起，组合体的各基本机构同时保持各自的特性，但需要各机构的运动和动作协调配合，以实现组合的目的。

机构的组合方式可分为以下4 种：

①串联式机构组合

串联式机构组合是指若干单自由度的基本机构A，B，C，…顺序串联，每一个前置机构的输出运动是后置机构的输入，联接点设置在前置机构中作简单运动的与机架相联的构件上，这种联接称为Ⅰ型串联；联接点设置在前置机构中作平面复杂运动的构件上（非连架杆），称为Ⅱ型串联，如图2.15所示。

图2.15　串联式机构组合

推荐的串联组合方法有以下种类：

A.前置子机构为连杆机构

连杆机构的输出构件一般为连架杆。它能实现往复摆动、往复移动和变速转动输出，可产生急回效果。常采用的后置机构有：

a.连杆机构。连杆机构可利用变速转动的输入获得等速转动的输出，还可利用杠杆原理，确定合适的铰接位置，在不减小机构传动角的情况下实现增程和增力的作用。

b.凸轮机构。可获得变速转动、移动的凸轮，使后置子机构的从动件获得更多的运动规律。

c.齿轮机构。利用摆动或移动输入，获得齿轮的大幅度摆动或齿条的大行程移动，还可利用变速转动的输入进一步通过后置的齿轮机构进行增速或减速。

d.槽轮机构。利用变速转动输入，减小槽轮转位的速度波动。

e.棘轮机构。利用往复摆动或移动拨动棘轮间歇转动。

连杆机构的输出构件还可以是平面复合运动的连杆，它能实现平面复合运动轨迹输出。这种串联的特点是利用连杆上的某些点的特殊轨迹（直线、圆弧、“8”字自交曲线等），使后置子机构的输出构件获得某些特殊的运动规律，如停歇、行程重复等。对于Ⅱ型串联，后置子机构常采用连杆机构，从而组合成多杆机构，也可采用其他类型基本机构作为后置子机构，从而获得理想的创新效果。

B.前置子机构为凸轮机构

凸轮机构作为前置子机构时，优点是能输出任意运动规律的移动或摆动，缺点是行程太小。后置子机构利用凸轮机构输出的运动规律改善其运动特性，或使其运动行程增大。后置子机构可以是连杆机构、齿轮机构、槽轮机构或凸轮机构等。

C.前置子机构为齿轮机构

齿轮机构的基本型作为前置子机构，输出转动或移动，后置子机构可以是各种类型的基本机构，如齿轮机构、连杆机构、凸轮机构等，可获得各种减速、增速以及其他的功能。

此外，前置子机构还可以是非圆齿轮机构、槽轮机构等。

②并联式机构组合

两个或多个基本机构并列布置，称为机构并联组合。每个基本机构具有各自的输入构件，而具有共同的输出构件，称作Ⅰ型并联；各个基本机构具有共同的输入和输出构件，称为Ⅱ型并联；各个基本机构具有共同的输入构件，却具有各自的输出构件，称为Ⅲ型并联，如图2.16所示。

图2.15　串联式机构组合

推荐的串联组合方法有以下种类：

A.前置子机构为连杆机构

连杆机构的输出构件一般为连架杆。它能实现往复摆动、往复移动和变速转动输出，可产生急回效果。常采用的后置机构有：

a.连杆机构。连杆机构可利用变速转动的输入获得等速转动的输出，还可利用杠杆原理，确定合适的铰接位置，在不减小机构传动角的情况下实现增程和增力的作用。

b.凸轮机构。可获得变速转动、移动的凸轮，使后置子机构的从动件获得更多的运动规律。

c.齿轮机构。利用摆动或移动输入，获得齿轮的大幅度摆动或齿条的大行程移动，还可利用变速转动的输入进一步通过后置的齿轮机构进行增速或减速。

d.槽轮机构。利用变速转动输入，减小槽轮转位的速度波动。

e.棘轮机构。利用往复摆动或移动拨动棘轮间歇转动。

连杆机构的输出构件还可以是平面复合运动的连杆，它能实现平面复合运动轨迹输出。这种串联的特点是利用连杆上的某些点的特殊轨迹（直线、圆弧、“8”字自交曲线等），使后置子机构的输出构件获得某些特殊的运动规律，如停歇、行程重复等。对于Ⅱ型串联，后置子机构常采用连杆机构，从而组合成多杆机构，也可采用其他类型基本机构作为后置子机构，从而获得理想的创新效果。

B.前置子机构为凸轮机构

凸轮机构作为前置子机构时，优点是能输出任意运动规律的移动或摆动，缺点是行程太小。后置子机构利用凸轮机构输出的运动规律改善其运动特性，或使其运动行程增大。后置子机构可以是连杆机构、齿轮机构、槽轮机构或凸轮机构等。

C.前置子机构为齿轮机构

齿轮机构的基本型作为前置子机构，输出转动或移动，后置子机构可以是各种类型的基本机构，如齿轮机构、连杆机构、凸轮机构等，可获得各种减速、增速以及其他的功能。

此外，前置子机构还可以是非圆齿轮机构、槽轮机构等。

②并联式机构组合

两个或多个基本机构并列布置，称为机构并联组合。每个基本机构具有各自的输入构件，而具有共同的输出构件，称作Ⅰ型并联；各个基本机构具有共同的输入和输出构件，称为Ⅱ型并联；各个基本机构具有共同的输入构件，却具有各自的输出构件，称为Ⅲ型并联，如图2.16所示。

图2.16　并联机构组合

并联机构组合的特点是：两个子机构并列布置，并行传递运动。如果按输出运动特性分类，又可分为简单型和复杂型。简单型要求并联的两个子机构类型、形状和尺寸完全相同，并且对称布置。它主要用于改善机构的受力状态、动力特性、自身的动平衡以及解决机构运动中的死点问题和输出运动的可靠性等问题。并联的两个子机构常采用连杆机构或齿轮机构，它们共同的输入或输出构件一般是两个子机构共同具有的同一个构件，输出或输入运动的性质是简单的移动、转动或摆动。

复杂型并联机构输出复杂的、合成的运动，或者是两个简单的但要求协调配合的运动。并联的两个子机构可以是不同类型的基本机构或同一类型但具有不同结构尺寸的基本机构，也可以是经过串联组合的机构。这种并联形式主要用于实现复杂的运动或动作，它的输出形式一般是按功能要求而设定，如果是用于运动的合成，则一个子机构的输出构件是连架杆，输出简单运动；而另一个子机构的构件与前一个子机构的输出构件通过运动副联接，使其按预定的要求实现复杂运动的输出。

Ⅰ型并联式组合相当于运动的合成，其主要功能是对输出构件运动形式的补充、加强和改善。Ⅱ型并联式组合是将一个运动分解为两个运动，再将这两个运动合成为一个运动输出，其主要功能与Ⅰ型并联组合类似，也能改善输出构件的运动形式和轨迹，同时还可改善机构的受力状态，获得机构动平衡。Ⅲ型并联式组合是将一个运动分解为两个输出运动，其主要功能是实现两个运动输出，而这两个运动又相互配合，可完成较复杂的运动，满足复杂的工艺要求。

③复合式机构组合

一个具有两个自由度的基础机构A 和附加机构B 并联在一起可组合成复合式组合机构。基础机构的两个输入运动：一个来自机构的主动构件，另一个来自机构的附加机构。附加机构的输入有两种情况，如图2.17（a）、（b）所示。

图2.16　并联机构组合

并联机构组合的特点是：两个子机构并列布置，并行传递运动。如果按输出运动特性分类，又可分为简单型和复杂型。简单型要求并联的两个子机构类型、形状和尺寸完全相同，并且对称布置。它主要用于改善机构的受力状态、动力特性、自身的动平衡以及解决机构运动中的死点问题和输出运动的可靠性等问题。并联的两个子机构常采用连杆机构或齿轮机构，它们共同的输入或输出构件一般是两个子机构共同具有的同一个构件，输出或输入运动的性质是简单的移动、转动或摆动。

复杂型并联机构输出复杂的、合成的运动，或者是两个简单的但要求协调配合的运动。并联的两个子机构可以是不同类型的基本机构或同一类型但具有不同结构尺寸的基本机构，也可以是经过串联组合的机构。这种并联形式主要用于实现复杂的运动或动作，它的输出形式一般是按功能要求而设定，如果是用于运动的合成，则一个子机构的输出构件是连架杆，输出简单运动；而另一个子机构的构件与前一个子机构的输出构件通过运动副联接，使其按预定的要求实现复杂运动的输出。

Ⅰ型并联式组合相当于运动的合成，其主要功能是对输出构件运动形式的补充、加强和改善。Ⅱ型并联式组合是将一个运动分解为两个运动，再将这两个运动合成为一个运动输出，其主要功能与Ⅰ型并联组合类似，也能改善输出构件的运动形式和轨迹，同时还可改善机构的受力状态，获得机构动平衡。Ⅲ型并联式组合是将一个运动分解为两个输出运动，其主要功能是实现两个运动输出，而这两个运动又相互配合，可完成较复杂的运动，满足复杂的工艺要求。

③复合式机构组合

一个具有两个自由度的基础机构A 和附加机构B 并联在一起可组合成复合式组合机构。基础机构的两个输入运动：一个来自机构的主动构件，另一个来自机构的附加机构。附加机构的输入有两种情况，如图2.17（a）、（b）所示。

图2.17　复合式机构组合

复合式机构组合一般是不同类型的基本机构组合，并且各种基本机构有机地融合为一体，成为一种新机构，如齿轮连杆机构、凸轮连杆机构等。其主要功能是可输出任意运动规律，如有规律的停歇、逆转、加速、减速、前进及倒退等。复合式机构组合的基础机构多为二自由度机构，如差动齿轮机构、五连杆机构或空间运动副的空间运动机构；附加机构为各种基本机构，如单自由度的连杆机构、凸轮机构和齿轮机构等。

④叠加式机构组合

将一个机构安装在另一个机构的某个运动构件上的组合形式，称为叠加式机构组合。其输出的运动是若干个机构输出运动的合成。这种组合的运动关系有两种情况：一种是各机构的运动关系是相互独立的，称为运动独立式，常见于各种机械手；另一种则是各机构之间的运动有一定的相互影响，称为运动相关式，如摇头电风扇的传动机构。如图2.18所示为叠加式机构组合的运动传递框图，在此基础上还可继续叠加C，D 等一系列机构。(www.xing528.com)

图2.17　复合式机构组合

复合式机构组合一般是不同类型的基本机构组合，并且各种基本机构有机地融合为一体，成为一种新机构，如齿轮连杆机构、凸轮连杆机构等。其主要功能是可输出任意运动规律，如有规律的停歇、逆转、加速、减速、前进及倒退等。复合式机构组合的基础机构多为二自由度机构，如差动齿轮机构、五连杆机构或空间运动副的空间运动机构；附加机构为各种基本机构，如单自由度的连杆机构、凸轮机构和齿轮机构等。

④叠加式机构组合

将一个机构安装在另一个机构的某个运动构件上的组合形式，称为叠加式机构组合。其输出的运动是若干个机构输出运动的合成。这种组合的运动关系有两种情况：一种是各机构的运动关系是相互独立的，称为运动独立式，常见于各种机械手；另一种则是各机构之间的运动有一定的相互影响，称为运动相关式，如摇头电风扇的传动机构。如图2.18所示为叠加式机构组合的运动传递框图，在此基础上还可继续叠加C，D 等一系列机构。

图2.18　叠加式机构组合

叠加式机构组合主要能实现特定的输出，完成复杂的运动。设计时的主要问题是根据所要求的运动和动作如何选择各个子机构的类型和解决输入运动的控制。通常把各个子机构设计成单自由度，使其运动的输入输出形式简单，达到容易控制的目的。本着这样的原则，针对不同的运动要求，常用的子机构为：

a.实现水平位移常选择移动式油缸或气缸，齿轮齿条机构，或者履带传动等。

b.实现垂直移动常选移动式油缸、气缸、X 形连杆机构，或螺旋机构实现升降。

c.实现转动常采用齿轮机构，带、链等挠性传动机构。

d.实现平动常用平行四边形导引机构。

e.实现伸缩、俯仰、摆动，常选择摆动油缸或曲柄摇块机构。

2）机构组合创新实例

例2.1　槽轮机构常用于转位和分度机械装置中，但它的运动和动力特性不是很理想，尤其在槽轮槽数较少的外槽轮机构中，其角速度和角加速度的波动均达到很大数值，造成工作台转位不稳定。为改善这种情况，采用双曲柄与槽轮机构串联组合方式，对双曲柄机构进行尺寸综合时，要求摇杆（从动曲柄）E 点的速度变化能中和槽轮的转速突变，使槽轮能近似等速转动。机构简图和槽轮速度曲线如图2.19 和图2.20所示。

图2.18　叠加式机构组合

叠加式机构组合主要能实现特定的输出，完成复杂的运动。设计时的主要问题是根据所要求的运动和动作如何选择各个子机构的类型和解决输入运动的控制。通常把各个子机构设计成单自由度，使其运动的输入输出形式简单，达到容易控制的目的。本着这样的原则，针对不同的运动要求，常用的子机构为：

a.实现水平位移常选择移动式油缸或气缸，齿轮齿条机构，或者履带传动等。

b.实现垂直移动常选移动式油缸、气缸、X 形连杆机构，或螺旋机构实现升降。

c.实现转动常采用齿轮机构，带、链等挠性传动机构。

d.实现平动常用平行四边形导引机构。

e.实现伸缩、俯仰、摆动，常选择摆动油缸或曲柄摇块机构。

2）机构组合创新实例

例2.1　槽轮机构常用于转位和分度机械装置中，但它的运动和动力特性不是很理想，尤其在槽轮槽数较少的外槽轮机构中，其角速度和角加速度的波动均达到很大数值，造成工作台转位不稳定。为改善这种情况，采用双曲柄与槽轮机构串联组合方式，对双曲柄机构进行尺寸综合时，要求摇杆（从动曲柄）E 点的速度变化能中和槽轮的转速突变，使槽轮能近似等速转动。机构简图和槽轮速度曲线如图2.19 和图2.20所示。

图2.19　双曲柄机构和槽轮机构的串联组合

1—曲柄；2—连杆；3—摇杆（从动曲柄）；4—槽轮

例2.2　如图2.21所示为牛头刨床导杆机构。其前置机构ABD 为转动导杆机构，输出杆BE 作非匀速转动，从而使滑块7 实现近似匀速往复运动，曲柄1 为主动件，绕固定铰链A 匀速转动，使该机构的从动件3 输出非匀速转动。六杆构件BCDEFG 为后置子机构，主动构件为曲柄BE，即前置子机构的输出构件3，因构件3 输入的是非匀速转动，故中和了后续机构的转速变化，故当曲柄1 匀速转动时，滑块7 在某段区间内能实现近似匀速往复移动。

图2.19　双曲柄机构和槽轮机构的串联组合

1—曲柄；2—连杆；3—摇杆（从动曲柄）；4—槽轮

例2.2　如图2.21所示为牛头刨床导杆机构。其前置机构ABD 为转动导杆机构，输出杆BE 作非匀速转动，从而使滑块7 实现近似匀速往复运动，曲柄1 为主动件，绕固定铰链A 匀速转动，使该机构的从动件3 输出非匀速转动。六杆构件BCDEFG 为后置子机构，主动构件为曲柄BE，即前置子机构的输出构件3，因构件3 输入的是非匀速转动，故中和了后续机构的转速变化，故当曲柄1 匀速转动时，滑块7 在某段区间内能实现近似匀速往复移动。

图2.20　槽轮角速度变化曲线

图2.20　槽轮角速度变化曲线

图2.21　牛头刨床导杆机构

1—曲柄AD；2—滑块2；3—导杆BD；4—摇杆CF；5—滑块5；6—连杆GF；7—滑块7

例2.3　如图2.22所示为具有停歇功能的六杆机构。在前置机构ABCD 中，连杆2 上E点的轨迹有一段近似直线（如图中虚线所示）。以点F 为转动中心的导杆6，其导向槽与E 点轨迹的近似直线段重合，当E 点沿直线部分运动时导杆停歇。

例2.4　如图2.23所示为六杆机构。在一个循环内，滑块6 可实现两个不同的行程。在前置机构ABCD 中，连杆2 上E 点的轨迹是一个自交横向8 字形的曲线，如图示的虚线。与连杆2 铰接在E 点的连杆5 又和沿固定导轨移动的滑块6 在F 点铰接。这样，曲柄AB 回转一周，滑块6 可往复移动两次。

图2.21　牛头刨床导杆机构

1—曲柄AD；2—滑块2；3—导杆BD；4—摇杆CF；5—滑块5；6—连杆GF；7—滑块7

例2.3　如图2.22所示为具有停歇功能的六杆机构。在前置机构ABCD 中，连杆2 上E点的轨迹有一段近似直线（如图中虚线所示）。以点F 为转动中心的导杆6，其导向槽与E 点轨迹的近似直线段重合，当E 点沿直线部分运动时导杆停歇。

例2.4　如图2.23所示为六杆机构。在一个循环内，滑块6 可实现两个不同的行程。在前置机构ABCD 中，连杆2 上E 点的轨迹是一个自交横向8 字形的曲线，如图示的虚线。与连杆2 铰接在E 点的连杆5 又和沿固定导轨移动的滑块6 在F 点铰接。这样，曲柄AB 回转一周，滑块6 可往复移动两次。

图2.22　具有停歇功能的六杆机构

1—曲柄AB；2—连杆BC；3—摇杆CD；4—机架；5—滑块；6—导杆

图2.22　具有停歇功能的六杆机构

1—曲柄AB；2—连杆BC；3—摇杆CD；4—机架；5—滑块；6—导杆

图2.23　实现从动件双行程的六杆机构

1—曲柄AB；2—连杆BC；3—摇杆CD；4—机架；5—连杆EF；6—滑块

例2.5　如图2.24所示为V 形发动机的双曲柄滑块机构。它是典型的Ⅰ型并联机构，两气缸V 形布置，它们的轴线通过双曲柄1 的回转中心，当分别向两个活塞输入运动时，则曲柄1 可实现无死点的定轴回转运动，并且具有良好的平衡、减振作用。

例2.6　如图2.25所示为缝纫机针杆机构。它是可实现从动件作复杂平面运动的二自由度机构，由凸轮机构和曲柄滑块机构并联组合而成，原动件分别为曲柄1 和凸轮5，从动件是针杆3。针杆3 可实现上下往复移动和摆动的复杂平面运动。若想改变摆角，可通过调整偏心凸轮的偏心距来实现。

例2.7　如图2.26所示为钉扣机针杆传动机构。它由曲柄滑块机构ABCD 和摆动导杆机构EFG 并联组合而成，原动件分别是曲柄1 和曲柄6，从动件是针杆。当给曲柄1 和曲柄6 输入不同的运动时，整个机构可实现平面复杂运动，完成钉扣的预定动作。

图2.23　实现从动件双行程的六杆机构

1—曲柄AB；2—连杆BC；3—摇杆CD；4—机架；5—连杆EF；6—滑块

例2.5　如图2.24所示为V 形发动机的双曲柄滑块机构。它是典型的Ⅰ型并联机构，两气缸V 形布置，它们的轴线通过双曲柄1 的回转中心，当分别向两个活塞输入运动时，则曲柄1 可实现无死点的定轴回转运动，并且具有良好的平衡、减振作用。

例2.6　如图2.25所示为缝纫机针杆机构。它是可实现从动件作复杂平面运动的二自由度机构，由凸轮机构和曲柄滑块机构并联组合而成，原动件分别为曲柄1 和凸轮5，从动件是针杆3。针杆3 可实现上下往复移动和摆动的复杂平面运动。若想改变摆角，可通过调整偏心凸轮的偏心距来实现。

例2.7　如图2.26所示为钉扣机针杆传动机构。它由曲柄滑块机构ABCD 和摆动导杆机构EFG 并联组合而成，原动件分别是曲柄1 和曲柄6，从动件是针杆。当给曲柄1 和曲柄6 输入不同的运动时，整个机构可实现平面复杂运动，完成钉扣的预定动作。

图2.24　V 形双缸发动机

1—双曲柄AB-AD；2—连杆BC；3—滑块3；4—机架；5—连杆DE；6—滑块6

图2.24　V 形双缸发动机

1—双曲柄AB-AD；2—连杆BC；3—滑块3；4—机架；5—连杆DE；6—滑块6

图2.25　缝纫机针杆运动机构

1—曲柄AB；2—连杆BC；3—针杆；4—机架；5—凸轮；6—摇杆DF；7—滚子

图2.25　缝纫机针杆运动机构

1—曲柄AB；2—连杆BC；3—针杆；4—机架；5—凸轮；6—摇杆DF；7—滚子

图2.26　钉扣机针杆传动

1—曲柄AB；2—连杆BC；3—针杆；4—导杆；5—滑块；6—曲柄EF

例2.8　如图2.27所示为丝织机的开口机构。它由曲柄摇杆机构ABCD 和两个摇杆滑块机构GEFH 组成。当曲柄1 转动时，通过摇杆3 带动两个摇杆滑块机构运动，使滑块6，7 实现上下移动，从而完成丝织机的开口动作。

图2.26　钉扣机针杆传动

1—曲柄AB；2—连杆BC；3—针杆；4—导杆；5—滑块；6—曲柄EF

例2.8　如图2.27所示为丝织机的开口机构。它由曲柄摇杆机构ABCD 和两个摇杆滑块机构GEFH 组成。当曲柄1 转动时，通过摇杆3 带动两个摇杆滑块机构运动，使滑块6，7 实现上下移动，从而完成丝织机的开口动作。

图2.27　丝织机开口机构

1—曲柄AB；2—连杆BC；3—摇杆；4—连杆EG；5—连杆FH；6—滑块6；7—滑块7；8—机架

图2.27　丝织机开口机构

1—曲柄AB；2—连杆BC；3—摇杆；4—连杆EG；5—连杆FH；6—滑块6；7—滑块7；8—机架