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1、江帆,机构创新设计与优化,第一节 基于再生运动链的杆机构设计,第二节 基于TRIZ 理论的机构设计,第三节 机构优化设计,本章内容,第一节 基于再生运动链的杆机构设计,再生运动链法创新设计流程,一、一般化运动链,将机构的运动简图抽象化为只含有构件和转动副的运动链,一般化原则,将非连杆形状的构件转化为连杆，高副构件杆件化,将移动副转化为转动副,解除机架与原动件、复合铰链单一化,运动链的自由度保持不变,凸轮连杆机构一般化过程,现有机构,解除约束,运动链,一般化,二、连杆类配,运动链中包含的带有不同数量运动副的各类连杆的组合，称为连杆类配。,运动链中连杆类配可表示为,式中，,、.、 分别表示具有2副
2、元素、3副元素、4副元素、 、n副元素的连杆的数目。,连杆类配的分类,自身连杆类配,相关连杆类配,原始机构的一般化运动链（简称原始运动链）的连杆类配。,按照运动链自由度不变的原则，由原始运动链可以推出与其具有相同连杆数和运动副数的连杆类配。,相关连杆类配应满足下列两式,式中，N为运动链中连杆总数；J为运动链中运动副总数。,六杆运动链连杆类配,以 带入自由度公式,并以J 替换 PL ，得,该运动链中不可能具有五副以上的连杆，故得,六杆运动链的连杆类配共有两种方案,六杆运动链连杆类配的方案可表示为,六杆运动链连杆类配的方案可表示为,组成的运动链,左面三杆之间无相对运动，形成了一个刚体，不符合六杆运
3、动链的要求。所以，六杆运动链连杆类配仅有一种方案,八杆运动链连杆类配,以 带入自由度公式,并以J 替换 PL ，得,该运动链中不可能具有七副以上的连杆，故得,八杆运动链的连杆类配共有五种方案,八杆运动链连杆类配方案可表示为,方案为,，方案为,方案为,，方案为,（a）,（b）,（c）,图（a），（b）中连杆7、8和1已固结为一刚体，这两个八杆运动链已蜕化为六杆运动链，而图（c）中连杆1、2、3、5和6固结为一刚体，这个八杆运动链已蜕化为四杆运动链。,同理方案也不能形成的八杆运动链。,八杆运动链连杆配类共有三种方案，即方案、和。,三、组合运动链,六杆组合运动链,两种基本组合运动链,A型（斯蒂芬逊型
4、）：两个三副杆非直接铰接,B型（瓦特型）：两个三副杆直接铰接,（a）A型,（b）B型,派生的两种组合运动链,C型：在A型或B型基础上，使连杆1、4与5构成复合铰链,D型：在C型的基础上，使连杆2、3和6构成复合铰链,（d）D型,（c）C型,八杆组合运动链,九种组合运动链,五种组合运动链,两种组合运动链,例 1：,以工程中常用的一种自动夹紧装置作为原始机构，如图12-12所示，其运动简图如图12-13所示，1为机架，2和3分别为液压缸和活塞杆，5为连杆，4和6为连架杆，其中6是执行杆，用以夹紧工件。按铰链夹紧机构的基本特性与工作需求，定出下列六条设计约束，作为新机构设计依据：,1）构件总数N和运
5、动副总数J均保持不变，即N=6，J=7.2）必须由液压元件驱动，即包含一液压缸和一活塞。3）必须有一个固定杆（机架）。4）液压缸必须与机架铰链或本身作为机架。5）活塞杆一端与液压缸组成移动副，其另一端不能与固定杆铰接。6）必须有一个双副杆作为执行件，它不能与活塞杆铰接，但应与固定杆铰接。,图12-12 自动夹紧装置,图12-13 自动夹紧装置机构简图,解 ：,（1）一般化运动链,将活塞杆3和液压缸2均以连杆形式代替，他们组成的移动副以转动副（符号P）代替，并释放固定杆1，由此所得的自动夹紧机构的一般化运动链，如图所示。,（2）组合运动链,自动夹紧机构的一般化运动链为连杆组合运动链的C型，余下相
6、关的组合运动链有A型、B型和D型 。,（3）再生运动链,上述六杆组合运动链可派生出各再生运动链。其步骤为：,1）指定一杆为固定杆。 2）选固定杆的一端与液压缸铰接，或将液压缸本身作为固定杆。 3）使活塞杆的一端与液压缸组成移动副，但另一端不能与固定杆相连。 4）选一个双副杆作为执行件，它不能与活塞杆相连，但须与固定杆铰接。,设以G表示固定杆（机架），E表示执行件，C表示活塞杆，P表示由液压缸与活塞杆组成的移动副，则有六杆组合运动链A型可派生出六种再生运动链，由B型可派生出四种再生运动链，由C型可派生出十种再生运动链，由D型仅得的一种再生运动链。,A 型再生运动链,B 型再生运动链,C 型再生运
7、动链,D 型再生运动链,（4）新型铰链夹紧机构运动简图,再生运动链,自动夹紧装置运动简图,二十种新型铰链夹紧机构运动简图,强化训练题12-1：,利用再生运动链方法对牛头刨床运动机构进行创新方案构思，其原型机构如图12-19所示，供参考的约束为：1）必须有一个构件作为机架，为分散工作负荷，增强机构整体刚度采用三副构件作为机架；2）必须有一个构件作为原动件，考虑到动力源情况和牛头刨床急回特性，原动件应为曲柄且是连架杆；3）必须有一个移动副作为滑枕执行往复直线主运动，且滑枕须是连架杆；4）除滑枕外还需增加移动副，使机构更为紧凑；5）机架、原动件和滑枕不可以在同一个子运动链中。,图12-19 牛头刨床
8、的原型,第二节 基于TRI的机构设计,TRI即发明问题的解决理论,TRIZ的主要内容包括,创新思维方法与问题分析方法,技术系统进化法则,最终理想解,工程矛盾解决原理,发明问题标准解法,发明问题解决算法（ARIZ）,科学效应与现象知识库,TRI体系,TRIZ求解问题的流程,一、突破惯性思维的TRIZ思维方法,多屏幕方法,主要步骤：,（1）先从机构系统的本身出发，考虑可以利用的资源； （2）考虑机构系统的子系统、超系统中的资源； （3）考虑系统的过去和未来，从中寻找可以利用的资源； （4）考虑超系统和子系统的过去和未来，从中寻求可以利用的资源。,多屏幕思维方式是一种分析问题的方法，而非直接的解决问
9、题的手段。,系统的多屏幕方法,例 2：,利用多屏幕方法分析曲柄滑块机构，为获得较佳的滑块运动规律准备资源。,解 ：,在解决曲柄滑块机构问题时，遵循多屏幕方法的四个步骤，先从曲柄滑块机构本身入手，考虑可以利用资源，看看是否能够找到滑块按给定运动规律的解决方案，如果不能，则考虑该机构的子系统、超系统中的资源，以及系统、超系统、子系统的过去和未来的资源，从中寻求解决方案。,曲柄滑块机构的多屏幕方法,强化训练题12-2：,（1）试用多屏幕方法分析汽车系统、汽车转向系统。 （2）试用多屏幕方法分析手机系统、自行车系统。,金鱼法,利用金鱼法求解问题时，先从一堆提议的解决方案中区分现实和幻想方案，对幻想方案
10、寻求资源支持，转换为现实方案，进而找到整个问题的解决方案。,金鱼法又称迭代法,金鱼法解决流程,例 3：,箱式折叠自行车的设计，为了便于自行车的携带，折叠自行车已经出现，但现有的折叠自行车仍有不便于立体堆放，并有突起零件外露，易对搬运者带来伤害，拟用金鱼法设计一款新型的折叠自行车。,解 ：,运用金鱼法解决自行车折叠后能立着存放及零件不外露的问题，过程如下。,1）根据条件区分现实部分和不现实部分。 现实部分：自行车折叠后竖立存放、隐藏零件的想法；不现实部分：采用箱子包装、零件过多拆卸。,2）为什么采用箱子包装、零件过多拆卸是不现实的？因为单独用箱子包装，需要随时携带一只箱子，折叠车上无法存放；同时
11、，零件过多拆卸，容易丢失，重装配时间比较长。 3）什么情况下，不现实部分能够变为现实？（a）箱板分离，主箱板成为车体的一部分。（b）零件容易折叠，且折叠后平整。 4）确定系统、超系统和子系统的可用资源。超系统：所有的折叠机构；系统：自行车系统；子系统：自行车的组成构件，如车架、把手、车轮、链条等。 5）利用已有的资源，得到可能的解决方案构想：如图12-25所示，将箱体的两块主箱板固定在车架的外侧，通过连杆机构的优化，使车轮、座椅、手把、链轮等构件折叠平整。,图12-25 箱式折叠自行车,强化训练题12-3：,试用金鱼法求解无能耗自返回装卸车的设计方案。 具体问题描述为：现有四轮运输车运送货物时
12、，由人力推动或电力驱动，现计划改善其驱动方式，使其不需人力、电力等能源，而是利用车的自身机构特点驱动运输车前进，并能在卸货后自动返回。,机构创新思维的联想实例,步进机构,方案一,方案二,方案三,方案四,机械夹持机构,方案一,方案二,方案三,方案四,方案五,方案六,方案七,方案八,二、TRIZ进化工具,11种进化模式,模式1：技术系统的生命周期；,技术进化的S曲线,模式3：系统元件的不均衡进化；,模式2：增加理想化程度或水平；,模式4：增加动态性和可控性；,增强有用效应、减少有害效应，提高系统的理想化程度。,模式5：使系统集成化进而简化；,模式6：系统部件的匹配与不匹配交替出现；,模式7：系统由
13、宏观向微观进化；,模式8：提高自动化程度；,减少人的介入,模式9：技术系统分割以实现改进；,提高可调性、灵活性和有效性,模式10：系统进化从结构改善入手；,模式11：技术系统趋于一般化；,在进化过程中，技术系统总是趋向于具备更强的通用性和多功能性。,例 4：,利用TRIZ进化工具求解婴儿车设计方案，主要实现婴儿车非机动的长距离运行、婴儿车使用阶段延伸、折叠更方便。,解 ：,1）为了实现婴儿车非机动的长距离运行，根据进化模式4和模式5，即强化婴儿车的可移动性和集成的方法，在传统的婴儿车基础上增加成人骑行系统，这样就比传统推行的婴儿车更适合长距离运行。,2）为了实现婴儿车跨阶段使用，即婴儿车具有躺
14、、坐、学步、幼儿骑行等，当婴儿1-8个月时，婴儿在车上以躺坐为主，当婴儿9-14个月时以学步为主，当婴幼儿再大一些，需要骑行，该车就改为幼儿骑行。这些功能集成在一个车上，应用模式5，使产品集成各功能，减少婴幼儿使用婴童车的数量，简化了婴幼儿家长的选择。 3）为了实现婴幼儿车更方便地折叠，应用模式9、模式10，将实现上述各功能的机构进行集成时充分考虑彼此相互干涉的问题，可以通过空间分割，形成一定的空间层次，避免干涉，同时还考虑时间上先后关系，避免各功能机构折叠次序上相互干涉。,方案一,方案二,强化训练题12-4：,试用技术进化工具改进房门锁紧机构，要求机构的构件向数目少、结构简单方向进化。,三、
15、TRIZ冲突求解,TRIZ主要研究：,技术冲突,物理冲突,一个物体有相反的需求,系统一个方面得到改进时，削弱了另一方面的期望。,技术冲突,对于具体问题，当找到了一个技术冲突后，用技术领域中的特定术语来描述该冲突； 将冲突双方参数标准化（TRI有39个标准参数）； 根据标准参数查TRIZ矛盾矩阵，找到推荐的发明原理（TRI有40个发明原理）； 应用发明原理求解该冲突，并根据专家领域知识针对具体问题获得合适的解决方案。,解决步骤：,TRI技术冲突求解流程,物理冲突,解决物理矛盾的四大分离原理：,空间分离 时间分离 条件分离 系统级别分离,TRI物理冲突求解流程,例 5：,利用TRIZ冲突工具求解多
16、功能婴儿车设计方案中的冲突，为了便于婴儿入睡，要求婴儿车边行走边摇动摇篮、摇动幅度可调，同时要考虑到婴儿摇篮在不摇动时可处于躺、坐等位置。,解 ：,面临的矛盾： 1）运动长距离传递与空间结构简易性的矛盾； 2）婴儿车摇篮摇动幅度可调与构件数量的矛盾； 3）摇篮不同位置固定与构件复杂性的矛盾。,将这些矛盾用TRI标准参数进行描述,查TRI的矛盾矩阵，找到推荐的发明原理。,从表可知，对于冲突1，采用第1、15、29、4条发明原理进行求解；对于冲突2，可以采用第3、35、15条发明原理进行求解；对于冲突3，可以采用第15、37、1、8条发明原理求解。,第1条发明原理：分割原理，（1）把一个物体分成相互独立
