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(jì)是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的第一階段,也即概念設(shè)計(jì)階段。其主要任務(wù)是根據(jù)市場(chǎng)需求,確定產(chǎn)品的功能作用原理,以及實(shí)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(jì)變得多樣化。這無(wú)疑對(duì)機(jī)構(gòu)類型綜合理論與機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法研究具有重要的理論意義，也是對(duì)工程實(shí)際中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)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?jī)?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(dòng)力學(xué)建模技術(shù)和綜合方法不斷涌現(xiàn)。通過(guò)廣泛應(yīng)用電子計(jì)算機(jī),大量引進(jìn)各種數(shù)學(xué)計(jì)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(jì)科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)、微電子科學(xué)、材料科學(xué)、軟科學(xué)、自動(dòng)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(gè)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(lái)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(dòng)、鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、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(dòng)、圓柱斜齒傳動(dòng)、圓錐齒輪傳動(dòng)等［4-5］。隨著計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)°Chironis搜集了大量傳統(tǒng)的、現(xiàn)代的具有多種運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)性能是本質(zhì)的［6］。2.2功能機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的早期階段，由功能要求構(gòu)思產(chǎn)品的工藝動(dòng)作方案，明確實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的一系列連貫的運(yùn)動(dòng)傳遞關(guān)系，即產(chǎn)品零件之間的功能關(guān)系，而無(wú)須表達(dá)具體的傳動(dòng)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(dòng)力傳遞關(guān)系［7-8］。任何傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)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(lái)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(dòng)、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?dòng)、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(dòng)、帶傳動(dòng);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(wú)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(dòng)力輸入機(jī)架桿與連桿之間傳動(dòng)、連桿與動(dòng)力輸出連架桿間傳動(dòng)等兩級(jí)傳動(dòng),第1級(jí)傳動(dòng)可用功能杠桿機(jī)構(gòu)表達(dá),第2級(jí)可用功能斜面機(jī)構(gòu)表達(dá),在方案評(píng)價(jià)階段優(yōu)化目標(biāo)允許的情況下,可以對(duì)以上兩級(jí)傳動(dòng)重新組合,重構(gòu)為連桿機(jī)構(gòu)。3機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的展望及問(wèn)題制造業(yè)的靈魂是設(shè)計(jì),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(guó)家制造業(yè)水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力的關(guān)鍵。機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新是機(jī)械設(shè)計(jì)中永恒的主題,機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì),首先要解決的問(wèn)題是機(jī)構(gòu)的方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)。而機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)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(guò)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(jì)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(jì)出性能更為卓越的新機(jī)構(gòu)［11-12］。運(yùn)動(dòng)鏈的同構(gòu)識(shí)別仍然是機(jī)構(gòu)類型綜合中的一個(gè)難題，目前雖然同構(gòu)識(shí)別的方法多種多樣,但還沒(méi)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(yùn)動(dòng)鏈類型數(shù)目會(huì)成幾何級(jí)數(shù)遞增,效率低下的綜合方法在其綜合過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致大量同構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈的出現(xiàn)［13-14］。運(yùn)動(dòng)鏈簡(jiǎn)圖與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的自動(dòng)繪制是機(jī)構(gòu)進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)中一個(gè)重要問(wèn)題。自動(dòng)布圖方面若存在不足,有時(shí)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(yǔ)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(shí)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(jì)的理論與自動(dòng)創(chuàng)成方法,努力開(kāi)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(guó)機(jī)械學(xué)研究的新進(jìn)展與展望［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1996,32(4):1-4.［2］鄒慧君,李瑞琴,郭為忠等.機(jī)構(gòu)學(xué)年來(lái)主要研究成果和發(fā)展展望［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào),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(shì)的思考［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào),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(jì)的基本內(nèi)容［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),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(jì)過(guò)程自動(dòng)求解分析及算法實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)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(yùn)動(dòng)行為——結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)模型及運(yùn)動(dòng)行為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