機(jī)械機(jī)構(gòu)分類及其發(fā)展

機(jī)械機(jī)構(gòu)分類及其發(fā)展0引言產(chǎn)品原理方案設(shè)計是產(chǎn)品開發(fā)的第一階段,也即概念設(shè)計階段。其主要任務(wù)是根據(jù)市場需求,確定產(chǎn)品的功能作用原理,以及實現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)載體,因此現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的高速發(fā)展,就要求我們使機(jī)構(gòu)設(shè)計變得多樣化。這無疑對機(jī)構(gòu)類型綜合理論與機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法研究具有重要的理論意義，也是對工程實際中的產(chǎn)品設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵字：機(jī)構(gòu)類型機(jī)械工業(yè)展望創(chuàng)新設(shè)計1背景由于第一次工業(yè)革命,機(jī)構(gòu)學(xué)在世紀(jì)逐步形成,世紀(jì)得到迅速發(fā)展,使機(jī)構(gòu)學(xué)的研究內(nèi)容有了很大深化。機(jī)構(gòu)的分析和綜合方法向高精度、高速度、可視化方向發(fā)展,新的機(jī)構(gòu)動力學(xué)建模技術(shù)和綜合方法不斷涌現(xiàn)。通過廣泛應(yīng)用電子計算機(jī),大量引進(jìn)各種數(shù)學(xué)計算方法使得機(jī)構(gòu)分析與綜合的方法和手段大為改進(jìn),再加上機(jī)械設(shè)計科學(xué)與計算機(jī)科學(xué)、微電子科學(xué)、材料科學(xué)、軟科學(xué)、自動化技術(shù)、人工智能技術(shù)等多種學(xué)科的迅速融合、交叉與補(bǔ)充滲透,大大拓寬了機(jī)構(gòu)學(xué)的研究面,并涌現(xiàn)出許多新的機(jī)構(gòu)學(xué)分支［1-3］。在此基礎(chǔ)上,突破了機(jī)構(gòu)學(xué)的一些傳統(tǒng)觀念,傳統(tǒng)意義上的機(jī)器和機(jī)構(gòu)的概念已有很大的發(fā)展,“現(xiàn)代機(jī)械”概念的形成成為機(jī)構(gòu)學(xué)發(fā)展的一個新的里程碑,2分類2.1機(jī)構(gòu)分類機(jī)構(gòu)種類很多,應(yīng)用范圍廣泛,為便于選擇應(yīng)用,根據(jù)其功能或類型來加以分類是很有必要的。傳統(tǒng)分方法是將機(jī)構(gòu)分為連桿機(jī)構(gòu)、齒輪傳動、鏈傳動、帶傳動、凸輪機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)等幾大類,每一類又可按具體結(jié)構(gòu)形式分為幾小類,如齒輪機(jī)構(gòu)可分為圓柱直齒傳動、圓柱斜齒傳動、圓錐齒輪傳動等［4-5］。隨著計算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計研究的深入，機(jī)構(gòu)分類學(xué)成為機(jī)構(gòu)學(xué)家研究的熱點°Chironis搜集了大量傳統(tǒng)的、現(xiàn)代的具有多種運動形式的裝置，并根據(jù)它們的應(yīng)用范圍、作用原理進(jìn)行分類。Molian根據(jù)動力學(xué)性能建立了機(jī)構(gòu)分類理論，未考慮各種機(jī)構(gòu)的功能、動作和用途。他認(rèn)為用途不是機(jī)構(gòu)的本質(zhì)性能，而包括平面、空間閉環(huán)、自由度的動力學(xué)性能是本質(zhì)的［6］。2.2功能機(jī)構(gòu)方案設(shè)計的早期階段，由功能要求構(gòu)思產(chǎn)品的工藝動作方案，明確實現(xiàn)產(chǎn)品功能的一系列連貫的運動傳遞關(guān)系，即產(chǎn)品零件之間的功能關(guān)系，而無須表達(dá)具體的傳動機(jī)構(gòu)類型。零件之間的功能關(guān)系，就是指配合零件間的動力傳遞關(guān)系［7-8］。任何傳動機(jī)構(gòu)的傳動功能都可以用杠桿機(jī)構(gòu)、斜面機(jī)構(gòu)、摩擦輪機(jī)構(gòu)或杠桿、斜面兩者的復(fù)合機(jī)構(gòu)等四種機(jī)構(gòu)來抽象表達(dá)。我們稱這種分類機(jī)構(gòu)為功能機(jī)構(gòu)。如杠桿機(jī)構(gòu)稱為功能杠桿機(jī)構(gòu)，斜面機(jī)構(gòu)稱為功能斜面機(jī)構(gòu)，杠桿、斜面兩者的復(fù)合機(jī)構(gòu)稱為功能復(fù)合機(jī)構(gòu)。這里，功能杠桿機(jī)構(gòu)概含了傳統(tǒng)的齒輪機(jī)構(gòu)、鏈傳動、棘輪機(jī)構(gòu);功能斜面機(jī)構(gòu)概含了傳統(tǒng)的斜面?zhèn)鲃?、凸輪機(jī)構(gòu);功能摩擦輪機(jī)構(gòu)概含了傳統(tǒng)的摩擦輪傳動、帶傳動;功能復(fù)合機(jī)構(gòu)概含了傳統(tǒng)的螺旋機(jī)構(gòu)、非圓齒輪機(jī)構(gòu)等。傳統(tǒng)連桿機(jī)構(gòu)為多件機(jī)構(gòu),無法用功能機(jī)構(gòu)表達(dá),基于分解重構(gòu)理論［9］可分解為動力輸入機(jī)架桿與連桿之間傳動、連桿與動力輸出連架桿間傳動等兩級傳動,第1級傳動可用功能杠桿機(jī)構(gòu)表達(dá),第2級可用功能斜面機(jī)構(gòu)表達(dá),在方案評價階段優(yōu)化目標(biāo)允許的情況下,可以對以上兩級傳動重新組合,重構(gòu)為連桿機(jī)構(gòu)。3機(jī)構(gòu)設(shè)計的展望及問題制造業(yè)的靈魂是設(shè)計,而制造和被制造機(jī)械的靈魂是機(jī)構(gòu),所以現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)的理論研究是制造業(yè)的基礎(chǔ),是現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品發(fā)明創(chuàng)造的源泉,是提高國家制造業(yè)水平和國際競爭能力的關(guān)鍵。機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新是機(jī)械設(shè)計中永恒的主題,機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計,首先要解決的問題是機(jī)構(gòu)的方案創(chuàng)新設(shè)計。而機(jī)構(gòu)方案設(shè)計是以完整的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型為前提的,即機(jī)構(gòu)的類型綜合是發(fā)明新機(jī)構(gòu)或?qū)ΜF(xiàn)有機(jī)構(gòu)進(jìn)行重大改進(jìn)過程中極為重要的一環(huán)［10］。機(jī)構(gòu)綜合強(qiáng)調(diào)的是創(chuàng)造性構(gòu)思、發(fā)明、創(chuàng)新設(shè)計新機(jī)構(gòu)的理論與方法研究。機(jī)構(gòu)的分析與綜合是密切相關(guān)的,機(jī)構(gòu)的綜合要應(yīng)用機(jī)構(gòu)分析所得的結(jié)果,而機(jī)構(gòu)分析的目的也是為了改進(jìn)或設(shè)計出性能更為卓越的新機(jī)構(gòu)［11-12］。運動鏈的同構(gòu)識別仍然是機(jī)構(gòu)類型綜合中的一個難題，目前雖然同構(gòu)識別的方法多種多樣,但還沒有一種方法可以從理論上論證其完備性與唯一性。機(jī)構(gòu)類型綜合方法是機(jī)構(gòu)學(xué)中需要進(jìn)一步研究課題，由于隨著機(jī)構(gòu)構(gòu)件的增加,運動鏈類型數(shù)目會成幾何級數(shù)遞增,效率低下的綜合方法在其綜合過程中會導(dǎo)致大量同構(gòu)運動鏈的出現(xiàn)［13-14］。運動鏈簡圖與機(jī)構(gòu)運動簡圖的自動繪制是機(jī)構(gòu)進(jìn)行可視化設(shè)計中一個重要問題。自動布圖方面若存在不足,有時還需要人機(jī)交互才能完成令用戶滿意的圖形［15］。4結(jié)語目前各類機(jī)器中仍然廣泛采用各種傳統(tǒng)機(jī)構(gòu),隨著機(jī)構(gòu)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和要求的提高,傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的分析和綜合方法仍然需要深入研究。這些方法既需要滿足實際應(yīng)用的需要,又要易于在工程上采納。積極研究機(jī)構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計的理論與自動創(chuàng)成方法,努力開拓各種機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍仍然是機(jī)構(gòu)學(xué)研究者的緊迫任務(wù)。參考文獻(xiàn)［1］張啟先，張玉茹我國機(jī)械學(xué)研究的新進(jìn)展與展望［J］.機(jī)械工程學(xué)報，1996,32(4):1-4.［2］鄒慧君,李瑞琴,郭為忠等.機(jī)構(gòu)學(xué)年來主要研究成果和發(fā)展展望［J］.機(jī)械工程學(xué)報,2003,39(12):22-30.［3］高峰.機(jī)構(gòu)學(xué)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的思考［J］.機(jī)械工程學(xué)報,2005,42(8):3-17［4］鄒慧君，田永利，郭為忠，等.機(jī)構(gòu)系統(tǒng)概念設(shè)計的基本內(nèi)容［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報,2003,37(5):8-9張德珍，馬雅麗，王德倫.機(jī)構(gòu)類型綜合設(shè)計過程自動求解分析及算法實現(xiàn)[J].中國機(jī)械工程,2003,14(10):9-11Shean_Juinn，SridharKota.Automatedconceptualdesignofmechanisms[J].MechanismsandMachineTheory，1999(34):467-495.鄒慧君，梁慶華，郭為忠，等.功能——運動行為——結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計模型及運動行為的多層表示[J].機(jī)械設(shè)計,2000,17(8):1-3馮濤，鄒慧君,梁慶華，等.行為結(jié)構(gòu)變型與創(chuàng)新[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2002,36(8):32-33黃克正，艾心，張承瑞.復(fù)雜曲面的分解重構(gòu)原理及其應(yīng)用[J].中國科學(xué)(E輯)，1997,27(1):89-96.王玉新?復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)快速創(chuàng)新設(shè)計(M).北京:科學(xué)出版社,2006:20-56楊廷力?機(jī)械系統(tǒng)基本理論一一結(jié)構(gòu)學(xué)運動學(xué)動力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996:35-85.曹惟慶.連桿機(jī)構(gòu)的分析與綜合(第二版)[M].北京:科學(xué)出版社,2005:21-47劉勇，肖人彬.基于回路配置的平面機(jī)構(gòu)運動鏈繪制新方法及其計