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【摘要】創新的含義是更新或創造出新東西，機械創新設計必須改變產品結構和工藝，或者創造新性能和新功能。機械創新思維方法包括適應性創新、產品變參數創新和產品原始創新，三種類型中創新程度最強的是產品原始創新，其困難創新程度最高。機構創新設計方法可以通過組合機構創新設計、再生運動鏈原理創新設計和機構運動副演變原理創新設計來完成，它們在數控機床、建筑機械和農業機械等領域得到廣泛的應用。典型機構創新設計的應用，一是曲柄搖塊機構與二桿機構疊加應用于電動玩具飛馬跳躍，二是通過瓦特鏈型六桿機構，演繹出步行行走機器人動作機構，選出最優方案；以及通過對游梁式抽油機構的改造，提高抽油機的生產效率。

【關鍵詞】機械；創新思維；機構創新設計；應用

機械創新設計區別于常規設計，是設計者經過市場調研，然后進行總體設計，再實施試驗和試制，最終實現批量生產而完成的，它是把創新思維和創新構思運用于實際的設計過程，能夠在產品新穎性和實用性上有所突破的一種原始創新實踐活動。機械創新設計模式有二種，一是對原有的機構和產品分析，進行技術、性能的構思，完成從有到新過程；二是對產品和機構的技術、性能進行重大改進，完成從無到有過程。它們均有如下特點：一是改善、調整現有的機械產品技術參數、實用性和安全性；二是發明出新工藝、新產品和新機器；三是具備原創性和獨創性，也就是原始創新性；四是涉及多學科性，機械創新設計與機械、液壓、電氣、氣動、光電和控制等技術相融合相交叉。

1機械創新思維方法

機械設計問題通常分為常規解決問題和發明創造問題，只有解決發明創造問題，才能實現原始創新，創新設計就是在原有的設計中加入創新元素或創新性的約束，然后在總設計方案中保證原有的設計屬性，即產品安全性、經濟性和可靠性。機械產品創新設計常用方法有產品適應性設計、產品變參數設計和產品原始創新設計三類，如圖1所示。

1.1創新的適應性設計

如圖1所示中，從（a）到（b）屬于創新設計的適應性設計過程，稱為實用新型設計過程，或者叫改進設計過程，是把現有的系統進行改造或增加部分系統，它是基于原有的產品基礎上，不需要進行系統的重建，設計難度低于原創設計，如播放機向微觀化的設計，從最初的手提式收錄機，發展成為隨身聽，到便攜式CD機，再到MP3，最終變成耳環播放器，這種適應性設計是對系統中的子系統進行改進，這種變化體現了隨身聽向盡可能小、盡可能輕薄的方向改良和進化，也是不斷滿足消費者需求的產品觀念。為了迎合市場需求，設計師選擇改進發明以確保產品、性能和實用性方面有優良的商業利益，是此類創新性設計占據設計主導地位的最主要原因。

1.2產品變參數設計

產品的變參數設計又叫產品變型設計，是指設計過程中已經改變了產品的形狀、體積、材料和操作控制方式等技術參數，從而設計出新產品。產品變參數設計不改變產品的結構，如圖1中從（a）到（c）所示，原有的結構系統沒變，只對子系統由C、D、E作相應的調整，改變為C1、D1、E1，如開發不同品牌的汽車，只是開發新的汽車產品或改進現有的汽車產品，只是從概念、造型上進行創新設計，還有汽車內部形態方面進行創新設計，汽車原有的五大結構系統（冷卻系統、燃油供給系統、點火系統、啟動系統和潤滑系統等）并沒有改變。

1.3產品原始創新設計

產品原始創新設計也稱為開發性設計，或叫發明設計，如圖1（d）所示，從圖1中（a）到（d），它的系統結構已經發生變化，子系統C、D、E成為F、G、H，它是在對原有的產品在給定的任務、約束條件下提出全新的、具有原始創造性的設計方案，此種設計方案就是發明創造設計。設計一種全新的產品是對原有系統的原創性革新，可能會帶來巨大的經濟效益，這些新的產品和生產工藝的改進和創新，決定著投入大量資金，也會帶來非常高的風險。這種風險使得在原始創新上很少有企業愿意投入大量資金用于研發，研發工程師原始創新積極性受到限制，但原始創新將一定是開發具有自主知識主權產品的必由之路。如在洗衣機的發明過程中，技術路線為單筒洗衣機→雙功能雙筒洗衣機→單筒洗脫雙功能洗衣機→洗脫烘一體化洗衣機→無洗滌劑和無水洗衣機→高溫氣流洗衣機等，洗衣機的原始創新設計過程中，實際上是技術系統由“單循環系統→雙循環系統→多循環系統→復合循環系統”的方向發展而成的。同時還能在超系統中容入某個子系統，形成專用的技術系統，以此組合的系統將具有更高質量系統功能。在手機與平板電腦充電中，將電池從手機和平板電腦中剝離出來，成為移動電源這一超系統，移動電源的發明就解決了手機、平板電腦耗用電量的矛盾。

2機構創新設計方法

機構創新設計方法有多種多樣，常用的方法有再生運動鏈原理、機構運動副演變原理和機構組合原理等。

2.1組合機構創新設計

機構組合的類型由反饋式組合、并聯組合和串聯組合等常用的三種機構創新設計方法。顧名思義，把每個獨立的單自由度基本機構按串聯順序而獲得的組合機構叫串聯組合機構，后一個機構輸入必須為前一個機構的輸出運動。如圖2（a）所示。由前置凸輪機構和后置曲柄滑塊機構來構成的一種組合機構[1]，就是應用于振動大篩機構中，依靠凸輪旋轉運動來帶動曲柄的滑塊實現往復運動。圖2組合機構創新設計并聯組合機構是由若干個子機構由同一個輸入機構或構件來完成輸入，它們的輸出運動又同時輸入到一個多自由度的子機構，從而形成自由度為1的機構系統[2]，如圖2（b）所示，例如由一個凸輪機構與兩個四桿機構組合輸出運動，兩四桿機構又與一個五桿機構組合，這就是雙色膠版印刷機上的接紙機構應用實例。如果把一個單自由度基本機構輸入由多自由度基本機構的輸出來完成，而形成的組合機構叫作反饋式組合機構，而且把單自由度的輸出運動再反饋給前置的多自由度機構。如圖2（c）所示，它在精密齒輪加工中有大量的應用，其中之一就是對滾齒機系統進行分度校正，多自由度（F=2）的蝸輪蝸桿機構前置，單自由度（F=1）的凸輪機構后置，蝸桿既沿軸向移動還能繞自身的軸線轉動，凸輪機構再將蝸桿的軸向移動實現反饋輸入運動。

2.2再生運動鏈原理創新設計

運動鏈再生法既能解決一般機構創新問題，也能進行變異創新，就是對原有的機構運動鏈按已知條件進行演繹設計，它也是一種效率非常高的創新設計方法。對原始系統進行類型創新或變異創新的方法，首先進行運動鏈簡圖轉化，形成一般運動鏈機構，再按照約束來給予賦值條件，能夠演繹出無數個再生運動鏈，可以選擇一個效率最高和最優的再生運動鏈創新機構。例如在對六桿抽油機機構進行創新設計過程中，把原始運動簡圖轉化成一般化運動鏈，可以演繹出符合要求的60多種創新機構方案，再對虛擬機進行滿足解決方案的創新機構，進行運動仿真和動力分析，最終獲得符合要求的新型抽油機機構，也能為各種抽油機創新機構設計提供實驗數據。例如在應用再生運動鏈法可以對大車行走機構進行創新設計，首先把大車行走機構的原始圖按約束條件進行一般化運動鏈綜合，獲得10多種機構方案，根據大車行走機構的拓撲結構方案要求，進行圖譜的優化篩選，最后獲得一種滿足輪壓載荷要求的最佳方案，最終實現新型三輪大車行走機構創新設計。

2.3機構運動副演變原理創新設計

一般以四桿機構為原始機構，例如對構件機架形狀、構件尺寸、運動副尺寸等變換或演化，以此來獲得多種功能的創新機構。例如對轉動副尺寸進行擴大，轉動副變成偏心輪，使四桿機構演變成曲柄搖桿機構，在四桿機構中改變移動副尺寸，就成為曲柄滑塊機構，使之變成沖壓機構完成零件沖壓制造，還可以用頂鍛機構來完成零件的鍛造；通過機架的變換，也能使曲柄滑塊機構成為擺動導桿機構，牛頭刨床的主運動就是利用擺動導桿機構[3]，也可以通過設計桿的長度變化，調整回轉的角度，擺動導桿機構在電氣開關機構上實現應用，解決了開關的自動控制問題；在曲柄滑塊機構中，取不同的連桿為機架時，則成為曲柄搖塊機構，曲柄搖塊機構應用于各種液壓和氣動裝置上，自動卸載翻斗式機構就是曲柄搖塊機構的應用實例，能實現裝載貨物的自動卸載功能，這種油缸式曲柄搖塊機構，在各種農業機械、建筑機械以及許多數控機床中得到了廣泛的應用。

3機構創新設計應用

3.1電動玩具飛馬跳躍

電動玩具飛馬的主體運動機構能模仿馬奔騰前進的運動過程，如圖3所示，它是疊加式機構組合在玩具制造中的應用實例之一，是將曲柄搖塊機構上疊加在兩桿機構來實現的，以此來完成某種輸出運動-模仿馬奔騰前進[4]，實現機構復雜動作的創新設計，此機構創新設計中，將曲柄搖塊機構EFG安裝在兩桿機構（桿1、桿2）的轉動導桿2上組合而成的，該疊加機構運動時分別由曲柄3輸入轉動和轉動構件2旋轉，在曲柄搖桿機構中，導桿4的搖擺實現馬升降、跳躍和俯仰運動，飛馬中心上H點軌跡如圖3所示，馬的前進運動是由兩桿機構為基本運動，跳躍運動是由曲柄搖塊機構來完成的，實際上模仿馬飛奔騰跳躍運動是由曲柄3轉動、構件2轉動和導桿4搖擺三種運動合成而完成的。

3.2仿腿步行機構設計及應用

在設計仿腿步行機構設計時，始終要求身體在腿的運動中保持平穩，足部相對于身體的軌跡一定要滿足人行走的軌跡，如圖4（a）所示的形狀，而且創新設計的仿腿機構盡可能模仿人腿的行走狀態，創新設計出一種六桿機構-瓦特鏈型機構，將瓦特鏈機構的不同構件作為機架，就能將圖4（b）所示的原始機構演繹成3種不同的仿腿行走機構（方案a、方案b、方案c），經過尺寸綜合分析和比較，最終確定瓦特鏈中的方案b作為仿腿步行行走機構為最優方案。圖4仿腿步行機構設計應用瓦特鏈六桿機構的設計原理和綜合數據分析，對四桿式游梁式抽油機進行技術改造，通過游梁式抽油機的機構進行改進，使之成為六桿式改進型機構，從而使所得六桿式改進型機構的輸出擺角增大4倍，大幅提高了抽油機的沖程，實現抽油機工作效率提升，這就是瓦特鏈游梁式抽油機。在關注各種機器改造時，根據工作要求和約束條件，進行優化設計之后也能創新設計出多種滿足性能要求以及不同需要的機構和機器。

4結束語

創新思維和創新設計必須應用專業技能、實際經驗和奇思妙想等進行艱難的開拓和創新，機械創新設計和應用也追求原始創新和原始發明創造為最終目標，能夠實現機器在性能和參數具有獨創性，而且在性能、工況和效率上實現最優化。創新機構設計的主要目標是使創新機構的結構區別于原始機構，但同時也要求創新機構的輸出值和原始機構盡量相同，在創新設計的初始階段，充分應用聯想法、類比法和仿生法等，在初步創新模型基礎上，再運用系統分析法、組合創新法和反求設計法對具體機構或機器進行技術創新，在新技術、新工藝和新產品有重大突破，實現從無到有的發明創造，使創新設計的產品更實用和新穎，且綜合性能更優化。

參考文獻

[1]張美麟.機械創新設計-機構構型方案的創新設計[M].北京:化學工業出版社,2005.

[2]申永勝.機械原理教程-組合機構[M].北京:清華大學出版社,2014.

[3]蔡軍.非圓齒輪—擺動導桿機構的應用與運動學分析[J].機械傳動,2017(2):139-142.

[4]王良斌,王保華.機械設計基礎[M].北京:北京郵電大學出版社,2019.

作者：蔣建強 單位：蘇州經貿職業技術學院機電技術學院