機械機構分類及其發(fā)展

機械機構分類及其發(fā)展0引言產(chǎn)品原理方案設計是產(chǎn)品開發(fā)的第一階段,也即概念設計階段。其主要任務是根據(jù)市場需求,確定產(chǎn)品的功能作用原理,以及實現(xiàn)功能的結構載體,因此現(xiàn)代機械工業(yè)的高速發(fā)展,就要求我們使機構設計變得多樣化。這無疑對機構類型綜合理論與機構創(chuàng)新設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)品設計具有重要的指導意義。關鍵字：機構類型機械工業(yè)展望創(chuàng)新設計1背景由于第一次工業(yè)革命,機構學在世紀逐步形成,世紀得到迅速發(fā)展,使機構學的研究內(nèi)容有了很大深化。機構的分析和綜合方法向高精度、高速度、可視化方向發(fā)展,新的機構動力學建模技術和綜合方法不斷涌現(xiàn)。通過廣泛應用電子計算機,大量引進各種數(shù)學計算方法使得機構分析與綜合的方法和手段大為改進,再加上機械設計科學與計算機科學、微電子科學、材料科學、軟科學、自動化技術、人工智能技術等多種學科的迅速融合、交叉與補充滲透,大大拓寬了機構學的研究面,并涌現(xiàn)出許多新的機構學分支［1-3］。在此基礎上,突破了機構學的一些傳統(tǒng)觀念,傳統(tǒng)意義上的機器和機構的概念已有很大的發(fā)展,“現(xiàn)代機械”概念的形成成為機構學發(fā)展的一個新的里程碑,2分類2.1機構分類機構種類很多,應用范圍廣泛,為便于選擇應用,根據(jù)其功能或類型來加以分類是很有必要的。傳統(tǒng)分方法是將機構分為連桿機構、齒輪傳動、鏈傳動、帶傳動、凸輪機構、棘輪機構、螺旋機構等幾大類,每一類又可按具體結構形式分為幾小類,如齒輪機構可分為圓柱直齒傳動、圓柱斜齒傳動、圓錐齒輪傳動等［4-5］。隨著計算機輔助結構設計研究的深入，機構分類學成為機構學家研究的熱點°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)它們的應用范圍、作用原理進行分類。Molian根據(jù)動力學性能建立了機構分類理論，未考慮各種機構的功能、動作和用途。他認為用途不是機構的本質性能，而包括平面、空間閉環(huán)、自由度的動力學性能是本質的［6］。2.2功能機構方案設計的早期階段，由功能要求構思產(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系，即產(chǎn)品零件之間的功能關系，而無須表達具體的傳動機構類型。零件之間的功能關系，就是指配合零件間的動力傳遞關系［7-8］。任何傳動機構的傳動功能都可以用杠桿機構、斜面機構、摩擦輪機構或杠桿、斜面兩者的復合機構等四種機構來抽象表達。我們稱這種分類機構為功能機構。如杠桿機構稱為功能杠桿機構，斜面機構稱為功能斜面機構，杠桿、斜面兩者的復合機構稱為功能復合機構。這里，功能杠桿機構概含了傳統(tǒng)的齒輪機構、鏈傳動、棘輪機構;功能斜面機構概含了傳統(tǒng)的斜面?zhèn)鲃?、凸輪機構;功能摩擦輪機構概含了傳統(tǒng)的摩擦輪傳動、帶傳動;功能復合機構概含了傳統(tǒng)的螺旋機構、非圓齒輪機構等。傳統(tǒng)連桿機構為多件機構,無法用功能機構表達,基于分解重構理論［9］可分解為動力輸入機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構表達,第2級可用功能斜面機構表達,在方案評價階段優(yōu)化目標允許的情況下,可以對以上兩級傳動重新組合,重構為連桿機構。3機構設計的展望及問題制造業(yè)的靈魂是設計,而制造和被制造機械的靈魂是機構,所以現(xiàn)代機構學的理論研究是制造業(yè)的基礎,是現(xiàn)代機械產(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鍵。機構的創(chuàng)新是機械設計中永恒的主題,機構的創(chuàng)新設計,首先要解決的問題是機構的方案創(chuàng)新設計。而機構方案設計是以完整的機構結構類型為前提的,即機構的類型綜合是發(fā)明新機構或對現(xiàn)有機構進行重大改進過程中極為重要的一環(huán)［10］。機構綜合強調(diào)的是創(chuàng)造性構思、發(fā)明、創(chuàng)新設計新機構的理論與方法研究。機構的分析與綜合是密切相關的,機構的綜合要應用機構分析所得的結果,而機構分析的目的也是為了改進或設計出性能更為卓越的新機構［11-12］。運動鏈的同構識別仍然是機構類型綜合中的一個難題，目前雖然同構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。機構類型綜合方法是機構學中需要進一步研究課題，由于隨著機構構件的增加,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致大量同構運動鏈的出現(xiàn)［13-14］。運動鏈簡圖與機構運動簡圖的自動繪制是機構進行可視化設計中一個重要問題。自動布圖方面若存在不足,有時還需要人機交互才能完成令用戶滿意的圖形［15］。4結語目前各類機器中仍然廣泛采用各種傳統(tǒng)機構,隨著機構應用范圍的擴大和要求的提高,傳統(tǒng)機構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用的需要,又要易于在工程上采納。積極研究機構方案創(chuàng)新設計的理論與自動創(chuàng)成方法,努力開拓各種機構的應用范圍仍然是機構學研究者的緊迫任務。參考文獻［1］張啟先，張玉茹我國機械學研究的新進展與展望［J］.機械工程學報，1996,32(4):1-4.［2］鄒慧君,李瑞琴,郭為忠等.機構學年來主要研究成果和發(fā)展展望［J］.機械工程學報,2003,39(12):22-30.［3］高峰.機構學研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的思考［J］.機械工程學報,2005,42(8):3-17［4］鄒慧君，田永利，郭為忠，等.機構系統(tǒng)概念設計的基本內(nèi)容［J］.上海交通大學學報,2003,37(5):8-9張德珍，馬雅麗，王德倫.機構類型綜合設計過程自動求解分析及算法實現(xiàn)[J].中國機械工程,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——結構的概念設計模型及運動行為的多層表示[J].機械設計,2000,17(8):1-3馮濤，鄒慧君,梁慶華，等.行為結構變型與創(chuàng)新[J].上海交通大學學報,2002,36(8):32-33黃克正，艾心，張承瑞.復雜曲面的分解重構原理及其應用[J].中國科學(E輯)，1997,27(1):89-96.王玉新?復雜機械系統(tǒng)快速創(chuàng)新設計(M).北京:科學出版社,2006:20-56楊廷力?機械系統(tǒng)基本理論一一結構學運動學動力學[M].北京:機械工業(yè)出版社,1996:35-85.曹惟慶.連桿機構的分析與綜合(第二版)[M].北京:科學出版社,2005:21-47劉勇，肖人彬.基于回路配置的平面機構運動鏈繪制新方法及其計