第十二章 机构创新设计与优化
本章学习任务：机构创新设计方法、机构优化方法。驱动项目的任务安排：项目中机构优化。
12.1 机构创新设计
12.1.1 基于再生运动链的杆机构设计
机构再生运动链法是台湾成功大学颜鸿森教授提出的机构创新设计方法，又称颜式创造性机构设计法。该方法是目前机构创新设计中一种比较系统的方法，具有良好的操作性，其设计流程如图 12-1 所示。
现有装置分析
一般化原则
一般化运动链 排列组合
组合运动链 设计约束
再生运动链 具体情况分析 新型机构
1. 一般化运动链
图 12-1 再生运动链法创新设计流程
将现有装置的运动简图抽象化为只含有构件和转动副的运动链，便于找出机构的共同点， 通过一般化处理，能够用一种非常基本的方式来研究和比较不同的机构。其一般化原则为： （1）将非连杆形状的构件转化为连杆，高副构件杆件化，如图 12-2（a）所示。（2）将移动副转化为转动副，如图 12-2（b）所示。（3）解除机架与原动件、复合铰链单一化，如图12-2（c）所示。（4）运动链的自由度保持不变。图 12-3 给出了凸轮连杆机构一般化过程。
2 1 2 1 （a）
1 2 1 （b）
2
3 2 1
3
2
1
（c）
图 12-2 一般化原则
3
2
7
6
4
5 1
3
2
7
6
1
5
4
（a）现有机构 （b）解除约束
3
2
2'
7
1 5
6
4
2
1
7
2'
4
3
5
6
（c）运动链
（d）一般化
图 12-3 凸轮-连杆机构的一般化过程
2. 连杆类配
将机构中固定杆（机架）的约束解除后，该机构转化为运动链。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
LA ? ?6 /1/ 0 /1??
（12-1）
式中， LA ? ?4 / 2? 、 ??LA ? ?4 / 4??? 、 ??LA ? ?5 / 2 /1??? 、...、 Ln 分别表示具有 2 副元素、3 副元素、4 副元素、··· 、n 副元素的连杆的数目。
连杆类配分为自身连杆类配和相关连杆类配两类：1）自身连杆类配。原始机构的一般化运动链（简称原始运动链）的连杆类配。2）相关连杆类配：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。按此，相关连杆类配应满足下列两式：
L2 ? L3 ? L4 ? ? Ln ? N 2L2 ? 3L3 ? 4L4 ? ? nLn ? 2J
式中，N 为运动链中连杆总数；J 为运动链中运动副总数。
下面讨论由单自由度机构转化而成的六杆和八杆一般化运动链连杆类配。
（12-2） （12-3）
（1） 六杆运动链连杆类配
以 F ? 1 带入自由度公式 F ? 3? N ? 1? ? 2PL ，并以 J 替换 PL ，得
3? N ? 1? ? 2J ? 1
或
J ? N ? 2
2 3
（12-4）
以 N ? 6 带入上式得 J ? 7 。由式（12-2）或式（12-3）可知，该运动链中不可能具有五副以上的连杆，故得
L2 ? L3 ? L 4 ? 6 2L2 ? 3L3 ? 4L 4 ? 14
案，见表 12-1。
表 12-1 六杆运动链的连杆类配方案
（12-5） （12-6）
式（12-5）、（12-6）组成的线性方程级可有 2 组解，六杆运动链的连杆类配共有两种方
类配方案 Ⅰ Ⅱ L4 0 1 L3 2 0 L2 4 5 N ? L2 ? L3 ? L 4 6 6 2J ? 2L2 ? 3L3 ? 4L 4 14 14 六杆运动链连杆类配的方案Ⅰ可表示为 LA ? ?4 / 2? ，其图解表示如图 12-4 所示。
图 12-4 六杆运动链连杆类配方案Ⅰ
图 12-5 六杆运动链连杆类配方案Ⅱ
图 12-6
LA ? ?5 / 0 /1? 组成的运动链
六杆运动链连杆类配的方案Ⅱ可表示为 LA ? ?5 / 0 /1? ，其图解表示如图 12-5 所示。由此组成的运动链示于图 12-6，其左面三杆之间无相对运动，实际上形成了一个刚体。在该运动链中固定一杆后将成为一个自由度的四杆机构已不符合六杆运动链的要求。所以，六杆运
动链连杆类配仅有一种方案，即表 12-3 中方案Ⅰ， LA ? ?4 / 2? 。
（2） 八杆运动链连杆类配
以 N ? 8 代入式（12-4）的 J ? 10 。由式（12-2）和式（12-3）可知，该运动链中不可能具有七副以上的连杆，则得
L2 ? L3 ? L 4 ?L 5 ?L 6 ? 8 2L2 ? 3L3 ? 4L 4 ?5L 5 ?6L 6 ? 20
方案，见表 12-2。
表 12-2 八杆运动链的连杆类配方案
（12-7） （12-8）
式（12-7）、（12-8）组成的线性方程级可有 5 组解，故八杆运动链的连杆类配共有五种
类配
方案
Ⅰ Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ Ⅴ
L 6
0 0 0 0 1
L 5
0 0 0 1 0
L 4
0 1 2 0 0
L 3
4 2 0 1 0
L 2
4 5 6 6 7
N ? L6 ? L5 ? L4 ? L3 ? L2
8 8 8 8 8
2J ? 6L6 ? 5L5 ? 4L4 ? 3L3 ? 2L2
20 20 20 20 20
八杆运动链连杆类配方案Ⅰ可表示为 LA ? ?4 / 4? ，其方案Ⅱ为 LA ? ?5 / 2 /1? ，方案Ⅲ为
LA ? ?6 / 0 / 2? ，方案Ⅳ为 LA ? ?6 /1/ 0 /1? ，方案Ⅳ为 LA ? ?7 / 0 / 0 / 0 /1? 。
方案Ⅳ形成的运动链如图 1-7 所示。图 12-7（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 12-7（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Ⅴ也不能形成的八杆运动链。所以， 八杆运动链连杆配类共有三种方案，即表 12-3 中方案Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。
4
3
4
8
2
1
7
6
2
5 3
8
1
7
2
5
1
8
3
4
（a）
5
6
7
6
（b） （c）
图 12-7 LA ? ?6 /1/ 0 /1? 组成的运动链
3. 组合运动链 （1） 六杆组合运动链
六杆运动链连杆类配仅有一种形式， LA ? ?4 / 2? 。按其中两个三副杆是否直接铰接，它可形成两种基本组合运动链：
1）A 型（斯蒂芬逊型）：两个三副杆非直接铰接（见图 12-8（a）。 2）B 型（瓦特型）：两个三副杆直接铰接（见图 12-8（b）。
3
1
5 4 1
5
1(4)
4(1)
5
1(4)
4(1)
5
4
6
2
3
2
6
3
2
6
3
2
6
（a）A 型
（b）B 型 （c）C 型
图 12-8 六杆组合运动链
（d）D 型
在上列两种基本型的基础上，可派生出下列两种组合运动链：
1）C 型：在 A 型或 B 型基础上，使连杆 1、4 与 5 构成复合铰链（见图 12-8（c）。 2）D 型：在 C 型的基础上，使连杆 2、3 和 6 构成复合铰链（见图 12-8（d）。
（2） 八杆组合运动链
如前所述，八杆运动链共有三种方案。
方案Ⅰ ??LA ? ?4 / 4??? ：包含四个双副杆和四个三副杆，按这些连杆不同的排列和组合方式，可得（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）、（h）和（i）九种组合运动链（见图 12-9）。
（a）
（b） （c） （d）
（e）
（f） （g） （h） （i）
图 12-9 八连杆类配方案Ⅰ的组合运动链
方案Ⅱ ??LA ? ?5 / 2 /1??? ：包含五个双副杆、两个三副杆和一个四副杆，按这些连杆不同的排列和组合方式，可得（j）、（k）、（l）、（m）和（n）五种组合运动链（见图 12-10）。
（j） （k） （l）
（m） （n）
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