150717_惠氏急回機(jī)構(gòu)

1、150717_惠氏急回機(jī)構(gòu)名棉紡織工廠的徒工，為何世界知名美術(shù)館是以他為名？難道他有什么過人之處嗎？奧秘是什么？這座位于英 國曼徹斯特的惠特沃斯美術(shù)館，經(jīng)過改造整修后，于今年年 初重新開放，占地面積將增加一倍。此館建立于 1889 年， 館藏來自于約瑟夫惠特沃斯（Jose phWhitworth ）的捐贈(zèng)，美術(shù)館的名字也源于約瑟夫- 惠特沃斯。該館乃世界知名美術(shù)館，館藏有國際著名的英國水彩畫、紡 織品、壁紙、現(xiàn)代和歷史版畫，素描，油畫和雕塑等?；萏?沃斯十四歲時(shí)到叔父的棉紡織工廠當(dāng)了一名徒工，但他并不 滿足一輩子當(dāng)一名普通的機(jī)械工，沒多久就改換到有機(jī)械之 父之稱的莫茲利所開辦工廠里做工，從那里

2、學(xué)到了制作機(jī)床 的各種技術(shù)。經(jīng)不斷自我鞭策勤奮進(jìn)取，后來有能力當(dāng)發(fā)明 家，他還發(fā)明了惠特沃斯步槍，靠軍火發(fā)財(cái)？不！英國軍隊(duì) 沒有采用。他讓螺紋標(biāo)準(zhǔn)化，靠制定標(biāo)準(zhǔn)發(fā)財(cái)？不！標(biāo)準(zhǔn)是 國家制定的，他只做建議。他還研制出各式精密測(cè)量儀器， 靠儀器發(fā)財(cái)？不！那個(gè)市場(chǎng)不大。總之，惠特沃斯是英國發(fā) 明家，更是十九世紀(jì)最優(yōu)秀的機(jī)械技師。這里就是要介紹 項(xiàng)被取名為惠氏急回機(jī)構(gòu) （Whitworth quick return mechanism）的專利技術(shù)發(fā)明，一個(gè)幫他致富的秘密武器。后續(xù)還會(huì)討論惠氏急回機(jī)構(gòu)有關(guān)細(xì)節(jié)，這里主要是談為何這項(xiàng)技術(shù)能幫他賺大錢，不然他哪來的能耐捐贈(zèng)美術(shù)館呢。 當(dāng)時(shí)，別家工廠刨床加工，帶

3、有刨刀的滑枕基本上是住復(fù)運(yùn)動(dòng)，來 回時(shí)間是相同的，而惠特沃斯用他發(fā)明的急回機(jī)構(gòu)所制作的 刨床，滑枕的返回行程速度快于工作行程速度。由于采用單 刃刨刀加工，且在滑枕回程時(shí)不切削，加快返回速度并不影 響安全，卻能提高生產(chǎn)效率。由于別家工廠的生產(chǎn)率較低， 例如一般要花一個(gè)月生產(chǎn)的工業(yè)批量產(chǎn)品，惠特沃斯只花三 周就做完了，于是許多大量或急件的工業(yè)批量產(chǎn)品都轉(zhuǎn)由惠特沃斯的工廠來生產(chǎn)，一下子訂單量就比別人多了許多，你說，他能不賺大錢嗎？！岳飛經(jīng)道金牌 ，急回行程命休矣； 惠特沃斯經(jīng)機(jī)構(gòu)小發(fā)明， 急回行程命大發(fā)。 急回行程， 東西方差異何其大，這已是題外話?；菔霞被貦C(jī)構(gòu)示意圖與惠氏急回機(jī)構(gòu) 3D 圖本系列前

4、一個(gè)博文【投幣式搖搖馬】中，曾介紹牛頭刨床里的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，這里則要介紹轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與惠氏急回機(jī) 構(gòu)。其實(shí)，惠氏急回機(jī)構(gòu)就是轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用化身，只 要解開轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)之迷，自然就明白惠氏急回機(jī)構(gòu)了，如 右圖左下方所示為惠氏急回機(jī)構(gòu)示意圖， 簡圖中的構(gòu)件 2、3、4 和機(jī)架 1 組成了轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，另外，構(gòu)件 4、5、6 和水 平機(jī)架則組成了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，可使滑枕帶動(dòng)刀具往復(fù)運(yùn) 動(dòng)，常見于小型刨床機(jī)構(gòu)里。又如右圖所示的惠氏急回機(jī)構(gòu)3D 圖，它為了小型化需求，刻意將機(jī)架 1 的 A 點(diǎn)與 B 點(diǎn)角 色對(duì)調(diào)，無形中，搭配水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)的滑枕就跟著往上設(shè)置， 而使得機(jī)器整體空間布置更為緊致，以滿足空

5、間狹小的限制 要求。要了解轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，可以從已知的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)下 手進(jìn)行，兩者運(yùn)動(dòng)特性皆有著急回現(xiàn)象，而構(gòu)件的邏輯安排 也屬雷同，它們都是將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件 1 換作機(jī)架，現(xiàn)在則是把機(jī)架長度設(shè)計(jì)成小于曲柄長度（擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)剛好相反），這樣就促使曲柄 2 進(jìn)行整周轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 隨之以滑塊帶動(dòng)構(gòu)件 4 繞 A 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。簡單講，在轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中，曲柄2與構(gòu)件 4 都可以作整周轉(zhuǎn)動(dòng)。接著要細(xì)講惠氏急回機(jī)構(gòu)最特 別的地方，如示意圖所示，一方面曲柄 2 以順時(shí)針繞固定 B軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 一方面以滑塊 3 帶動(dòng)構(gòu)件 4 導(dǎo)桿繞 A 點(diǎn)做回 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng) CD 轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿從水平 D 點(diǎn)極右往下左轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，曲 柄

6、2 所經(jīng)過的回轉(zhuǎn)角度大故速度慢，這是刨刀進(jìn)刀的行程，這退刀所而當(dāng) CD 轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿從水平 D 點(diǎn)極左往上右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 經(jīng)過之曲柄回轉(zhuǎn)角度小故速度快，以達(dá)刨床工作時(shí)形成切削 速度慢，但回程速度快之急回機(jī)構(gòu)。因?yàn)槲覀兪稚蠜]有滑塊 的積木，但事情還是得做，所幸在整個(gè)曲柄觸發(fā)連動(dòng)行程中 只需完成轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的約八分之一圓周運(yùn)動(dòng)，這部分作用 對(duì)動(dòng)力車來講就足夠了，其它轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的機(jī)制存在已否 都不再重要，這可視作行程近似的觀念。又，曲柄觸發(fā)連動(dòng) 行程期間，曲柄是從轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿底邊呈接觸式滑形狀態(tài)，這相 當(dāng)于有一塊虛擬滑塊套在轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿上頭，讓曲柄驅(qū)使轉(zhuǎn)動(dòng)。藉助行程近似觀念與虛擬滑塊兩大概念，或許可以重新作為 轉(zhuǎn)

7、動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的詮釋。就讓轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)引領(lǐng)我們，順著中國高鐵的引進(jìn)消化吸收 再創(chuàng)新的心法，共同一起動(dòng)手操作積木。首先，從零開始思 考，機(jī)構(gòu)動(dòng)力車在車輪、平臺(tái)、動(dòng)力三方面，由于有著相同 平臺(tái)化的底盤骨架，除了輪子不用重新發(fā)明，底盤骨架平臺(tái) 也不用再重新發(fā)明，就只剩下動(dòng)力單方面著眼進(jìn)行設(shè)計(jì)，這 樣就可以快速有效地把轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)安裝在新款車的 框架里，這也是機(jī)構(gòu)動(dòng)力車集團(tuán)軍能夠經(jīng)濟(jì)有效創(chuàng)新智造的 奧秘，當(dāng)然還要經(jīng)過多番的嘗試與犯錯(cuò)。千萬別忘了，我們 將藉助行程近似觀念與虛擬滑塊兩大概念，重新詮釋轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo) 桿機(jī)構(gòu)，以下就是創(chuàng)新智造出來具有轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)特色的新 款機(jī)構(gòu)動(dòng)力車。保有轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)特色處于待命狀

8、態(tài)的新款 機(jī)構(gòu)動(dòng)力車上圖是運(yùn)用轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)特色設(shè)計(jì)而成的新款機(jī)構(gòu)動(dòng)力車，而且該車并不具備惠氏急回機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。這臺(tái)車的動(dòng)力灰色 中齒輪是安排在后輪軸上，因此是一臺(tái)后輪驅(qū)動(dòng)車。這里已 經(jīng)直接用智高灰色長連桿積木充當(dāng)卡榫連桿，它在上圖呈傾 斜狀，剛好將其尾端當(dāng)卡榫，并卡住了后輪軸上的中齒輪， 這樣就形成處于待命狀態(tài)的情況。另外，我們用五孔連桿積 木充當(dāng)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)里的 4 號(hào)構(gòu)件，也就是充當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿， 它在上圖呈水平狀置于中框骨架里面，并以中框骨架充當(dāng) 號(hào)構(gòu)件，而 2 號(hào)曲柄則設(shè)置其中，這 AB 端機(jī)架長度為三孔 距離，是小于曲柄 2 的四孔距離，滿足轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架 長度限定條件。又，隨曲柄固接

9、一個(gè)小齒輪，它可以運(yùn)用如 上圖呈水平布置的長齒條來轉(zhuǎn)動(dòng)，因此該長齒條就成了后端 觸發(fā)桿件，使曲柄成為主動(dòng)件，因此，在車后頭水平方向戳長齒條尾端，會(huì)起得轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄的驅(qū)使虛擬滑塊作用，并 藉由轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向機(jī)制，就能起得了 4 號(hào)導(dǎo)桿的轉(zhuǎn)動(dòng) 作用，使得該導(dǎo)桿往上一轉(zhuǎn)一滑，它會(huì)頂起那根斜向前方的榫連桿，這就松開了卡榫，實(shí)際情況就如下圖所示。此時(shí)榫脫離了后輪軸上灰色中齒輪的齒牙，進(jìn)而拋開束縛，現(xiàn) 在已松動(dòng)后輪軸上的中齒輪了，說時(shí)遲那時(shí)快，儲(chǔ)能立馬轉(zhuǎn) 換成為快速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力，只見，機(jī)構(gòu)動(dòng)力車像一只脫韁之馬 往前奔馳。保有轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)特色已觸發(fā)啟動(dòng)的新款機(jī)構(gòu)動(dòng) 力車教學(xué)上常見的不細(xì)究反思。細(xì)究不是說一籃子

10、的深入探討， 而是好好思量什么該教什么不該，以及什么先教又什么后教 等小步前進(jìn)的細(xì)究教學(xué)程序。例如，小型刨床與牛頭刨床， 有何異同之處呢？本系列前一個(gè)博文【投幣式搖搖馬】中 先是介紹牛頭刨床里的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，因?yàn)闄C(jī)構(gòu)較為簡單， 而這里則要接續(xù)介紹轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與惠氏急回機(jī)構(gòu)。其實(shí)， 惠氏急回機(jī)構(gòu)就是轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用化身，只要解開轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)之迷，自然就明白惠氏急回機(jī)構(gòu)了，而轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī) 床 .將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件 1 換作機(jī)架 .機(jī)架長度大于曲柄構(gòu)與擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)則只改變了一項(xiàng)要件?？偟膩砜?，頭刨長度.曲柄 2 整周轉(zhuǎn)動(dòng)而構(gòu)件 4 繞點(diǎn)擺動(dòng) .擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) .空間布置寬闊組件較粗大 .滑枕在上而動(dòng)力輪在下。 相對(duì)而言， 小 型刨床 .將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件 1 換作機(jī)架 .機(jī)架長度小于曲柄長度 .曲柄 2 與構(gòu)件 4 都可以作整周轉(zhuǎn)動(dòng) .轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) .空間布置狹窄組件需重迭 .滑枕居中而動(dòng)力輪居中。 這里面隱 含的重點(diǎn)，不僅止于機(jī)構(gòu)形式有異，實(shí)質(zhì)分量上一大一小的 空間限制之下，馬力與桿件大小都受制約，使得條件不同之所開發(fā)的機(jī)器大小自是不同。又如在本博文說明惠氏急回 機(jī)構(gòu)時(shí)，已經(jīng)介紹了 3D 圖在搭配水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)的滑枕是往 上設(shè)置，使得機(jī)器整體空間布置更為緊致，簡言之，就是滑 枕居中而動(dòng)力輪也居中，如此安排能滿足