林 瑾，郁 敏

(無錫商業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 無錫 214153)

創(chuàng)新設計是創(chuàng)新構思與設計實踐相結合的一種活動，創(chuàng)新是設計的靈魂，同時也對設計提出了本質要求。創(chuàng)新表現(xiàn)在人類社會歷史發(fā)展的每個階段，從某種意義上可以說,科技創(chuàng)新是現(xiàn)代化機械工業(yè)的“心臟”。習近平在國家科學技術獎勵大會上指出：“我國科技發(fā)展的方向就是創(chuàng)新、創(chuàng)新、再創(chuàng)新。”機械產品創(chuàng)新是科技創(chuàng)新的一個分支，如何可靠、有效完成機械產品優(yōu)化設計和創(chuàng)新設計，滿足產品安全性的可靠、經濟效益最佳、生態(tài)零污染等基本原則，是產品研發(fā)人員奮斗的目標。

一、產品創(chuàng)新

當下我國正加速進入信息化時代，科技發(fā)展日新月異，產品設計者擁有更多的機遇，但最終能否設計出優(yōu)秀作品并成功推向市場，還需要把控機械產品設計的每個環(huán)節(jié)，尤其是機械結構設計環(huán)節(jié)。這是一項比較復雜、系統(tǒng)的工作，因為在結構設計中很多關鍵技術要素決定著機械機構設計水平[1]。

機械產品設計是機械工程的重要組成部分，設計質量決定了機器的質量，機械產品設計過程如圖1所示。

圖1 機械產品設計流程圖

機械產品設計流程的第三個環(huán)節(jié)是概念設計，也就是進行各類機構的創(chuàng)新設計，這是產品設計流程中非常重要的一個環(huán)節(jié)。概念設計將設計理念作為主線貫穿整個設計過程，它包含功能創(chuàng)新設計、功能分解結構圖和功能載體方案設定三個模塊，是設計者創(chuàng)造性思維的體現(xiàn)。概念設計是我國制造業(yè)發(fā)展的重要推力，也是我國成為創(chuàng)新型國家的主要途徑。

概念設計需要設計者在掌握機械結構和設計方法的基礎上，具有創(chuàng)新思維能力。創(chuàng)新思維是概念設計的源泉，要形成這種高層次的思維，必然經歷三個典型階段。首先是儲蓄階段。儲蓄需要解決的問題，圍繞問題收集信息，信息量越大，腦細胞及神經網絡中留下的印記越多。其次是探索階段。對收集的信息進行探索，取其精華去其糟粕，多次嘗試解決。最后是頓悟階段。人腦在某些特定情境下，會突顯新的形象和思想，從而使得問題最終得以解決。

探索階段是概念設計的中間環(huán)節(jié)，這是一個反復迂回的過程，也是最為關鍵的階段，是最初儲蓄階段的繼承環(huán)節(jié)，是最后頓悟階段的孕育環(huán)節(jié)。在這個階段中，設計者常常會遇到思維瓶頸，能否快速有效地發(fā)散思維，決定了能否成功到達頓悟階段，最終產生有效創(chuàng)新設計方案。

二、變胞方式

起源于禮品紙盒包裝的變胞機構，是機構學領域的研究熱點，它的提出給傳統(tǒng)機構學帶來了生機與活力，改變了傳統(tǒng)機構學概念和設計方法[2]。變胞機構可實現(xiàn)自我重構，瞬間使得部分構件合并、分離或者奇異，具有變拓撲結構、變構件數(shù)、變自由度的特點。相較于傳統(tǒng)機構，變胞機構效率高,適應性強,機構精簡,節(jié)約成本。

近年來，因特殊的變胞方式，變胞機構越來越多地用于新型創(chuàng)新機構的研發(fā)中。變胞思維的合理應用，將有效突破設計者在創(chuàng)新思維中的瓶頸問題，大大縮短機械創(chuàng)新設計的探索進程。

機構常見的變胞方式可以通過幾何約束、力約束或者磁力約束來完成，具體的變胞實現(xiàn)機構如表1所示。

表1 常見變胞方式

(一)剛性變胞方式

變胞實現(xiàn)方式有剛性和柔性兩種，其中剛性變胞包括使用擋塊、頂針、電磁，或者利用機構死點位置進行變胞等。在進行機械結構設計時，應用這些變胞方式改變機構的拓撲結構，可以達到機構優(yōu)化和機構創(chuàng)新的目的。

1.擋塊約束

擋塊約束是幾何約束的一種，可以應用于轉動副或者移動副。轉動副中安裝擋塊后，轉動副只能在一定角度內往復轉動，不能實現(xiàn)整周轉動。若改變擋塊形狀，可以控制轉動副的運動角度。移動副中安裝擋塊，移動副的行程受限，擋塊位置靈活調整，可以調節(jié)移動副的行程，適應機構設計的不同要求。

2.頂針約束

頂針約束也可應用于轉動副或者移動副，組成運動副的兩個構件，一個含有頂針，另一個有一缺口，運動副轉動或移動中，當頂針遇到缺口位置，兩個構件鎖止。若要兩構件相對運動，需要外力達到一定程度，克服鎖止力后，方可繼續(xù)運動。根據(jù)鎖止力及外力的設置，可以調整機構的運動效果。

3.電磁約束

電磁約束應用在運動副中，可將電磁離合器安裝在合適的位置上，利用通電或斷電來控制電磁離合器的接合與分離。也可以將電磁鐵安裝在合適位置上，利用通電或斷電控制電磁鐵吸附力的存在或消失。通過電磁約束的存在或消失，達到機構變胞的目的。

4.死點位置

死點位置在許多類型的機構中都存在，當從動件上傳動角為0度，驅動力對從動件的有效回轉力矩為零，機構處于死點位置。機構啟動時處于死點位置，無論驅動力多大，都無法驅動從動件運轉?？梢岳幂o助機構，采用手動或電動方式助力，實現(xiàn)由死點位置的再次啟動。也可以采取措施，比如安裝飛輪、機構錯列等，使得機構在運動過程中能順利通過死點位置，從動件按預期方向運動。利用機構死點位置及輔助機構，可實現(xiàn)機構變換拓撲結構，達到動態(tài)變胞的目的。

(二)柔性變胞方式

柔性變胞方式包括使用彈簧，或者直接使用柔性桿等。

1.彈簧力約束

柔性變胞機構的應用比較廣泛，比如在構件之間安裝彈簧或者卷簧，使得兩構件間預先存在相對作用力，兩構件間運動副在工作時若受到外力超過預存力，運動副可正常工作，若受到外力小于預存力，兩構件相對固結。動態(tài)改變外力大小，可實現(xiàn)機構變胞的目的。

2.柔性桿應用

柔性變胞機構還可以直接使用柔性桿，柔性桿可以在一定受力下發(fā)生變形，如曲柄搖桿機構中連桿為柔性桿，搖桿運動未受限時，機構為普通曲柄搖桿機構。若搖桿運動受限后，曲柄繼續(xù)轉動，柔性桿就會受力變形，這樣就實現(xiàn)了不同的構態(tài)。

三、拓撲結構

在對結構進行優(yōu)化時，拓撲優(yōu)化是重要的參考依據(jù)，其理論研究對變拓撲機構的結構創(chuàng)新設計具有重要的意義和價值[3]。變胞機構與傳統(tǒng)機構不同的典型特征就是拓撲結構的變換，因而研究創(chuàng)新變胞機構，主要是研究機構的拓撲結構。在工作態(tài)時，變胞機構具有穩(wěn)定的拓撲結構，在變胞態(tài)時，其具有穩(wěn)態(tài)之間的躍遷態(tài)拓撲結構[4]。

通常描述機構拓撲結構的方法有矩陣法和拓撲圖法。

(一)拓撲圖法

拓撲圖是表示機械結構的方式之一，如圖2的五桿變胞機構，目前構態(tài)中1、2構件固結，視為一體，其拓撲圖如圖3所示。用圓圈代表機構中的四個構件，用線段代表機構中的四個運動副。當構件4轉動后碰到右側固定物，運動受限，若此時構件1繼續(xù)轉動，構件2會克服彈簧力，相對構件1發(fā)生運動，此時將會產生新的拓撲圖形。

圖2 五桿變胞機構

圖3 五桿變胞機構拓撲圖

用圖形表示機械結構的方式直觀、明確、便于觀察，缺點是利用圖形進行計算比較復雜。

(二)矩陣法

描述變胞機構多種構態(tài)還可以用矩陣法。矩陣法常用的有鄰接矩陣、并聯(lián)矩陣和全息矩陣，每種矩陣各有特點，表達重心不同。

1.鄰接矩陣

鄰接矩陣表示構件數(shù)量、運動副數(shù)量及運動鏈關節(jié)間的連接關系，圖2五桿變胞機構目前構態(tài)的鄰接矩陣如式(1)所示。矩陣四行四列，可看出運動副有四個，運動鏈關節(jié)間有連接關系的用數(shù)字“1”表示，不存在連接的用數(shù)字“0”表示，可看出構件也是四個。

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(1)

2.關聯(lián)矩陣

關聯(lián)矩陣除了表示構件、運動副數(shù)量之外，側重描述構件與運動副之間的關系，圖2五桿變胞機構目前構態(tài)的關聯(lián)矩陣如式(2)所示。用關聯(lián)矩陣來描述拓撲結構變化過程, 將矩陣中的行代表構件，列代表運動副，在運算過程中，對沒有發(fā)生變化的構件和運動副不需要重新編號, 確保設計過程中編號的可傳遞性[5]。相比較鄰接矩陣，關聯(lián)矩陣表達構件數(shù)目及連接關系更為直觀。

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(2)

3.全息矩陣

全息矩陣表示的信息量較多，它包含必要的構件信息、運動副數(shù)量及編號，可以表示運動副的類型、構件和運動副之間的關系，全息矩陣的數(shù)據(jù)還可以清晰標注所有構件的幾何尺寸。圖2五桿變胞機構目前構態(tài)的全息矩陣如式(3)所示，可以看出全息矩陣分為右上、左下兩個斜三角形。右上三角形中的非“0”數(shù)據(jù)表示各個構件的長度，數(shù)字“0”表示運動鏈關節(jié)間不存在連接關系。左下三角形中的非“0”數(shù)據(jù)表示構件的具體編號，若運動鏈關節(jié)之間不存在連接關系，則用數(shù)字“0”表示。

(3)

鄰接矩陣和關聯(lián)矩陣描述變胞機構方法簡單,表示清晰，進行數(shù)據(jù)運算也比較容易，但不能全面表示拓撲結構、運動副屬性以及構件屬性。全息矩陣描述較完整，但其表示相對復雜，運算過程也比較煩瑣。在使用矩陣描述變胞機構時，若機構中的運動副種類相對單一，側重研究運動副拓撲變化規(guī)律，可優(yōu)先選用關聯(lián)矩陣進行構態(tài)描述。若機構中運動副種類較多，同時需要分析研究構件的結構尺寸，可優(yōu)先選用全息矩陣進行構態(tài)描述。在機構的設計中，若能選用合適的矩陣描述機構的構態(tài)，可為新型機構的設計、驗證及運動軌跡預測提供有力的數(shù)據(jù)參數(shù)支持。

四、結論

現(xiàn)代機械制造領域工作環(huán)境和任務要求通常具有多變性，變胞機構相較于傳統(tǒng)機構更能適應現(xiàn)代化需求。將變胞機構應用于機械創(chuàng)新設計的探索階段，充分發(fā)揮變胞機構拓撲結構變化的特點，構造出滿足多工位構型要求的機構，易于設計者打開多維度創(chuàng)新思路，到達創(chuàng)新設計的頓悟階段，推動新型機構的研發(fā)。

變胞機構創(chuàng)新設計中，可通過拓撲圖、矩陣、計算機軟件等方法進行輔助設計。相較于拓撲圖的描述方法，利用矩陣描述變胞機構的相關參數(shù)，更便于下一步的計算機數(shù)據(jù)驗算。變胞機構重構后，矩陣相應發(fā)生變化，通過公式運算推導出躍遷態(tài)拓撲結構，為變胞機構的創(chuàng)新設計提供數(shù)據(jù)支持。