1　引言

　　在机构设计过程中，最重要的阶段是机构方案构思一概念设计。在进行机构设计之初，设计者不但需要具有设计的知识，而且需要具有相当的工程经验、创造与直觉的能力、及许多其他方面的条件，才能够创造一种新型机构以完成所希望的功能。这是一种发明行为，这不仅是设计对过程中最富有创造性的部分，也是机械设计过程中最为困难的地方。到目前为止，尚未有学者提出系统化的方法以引导设计者有系统地进行创新机构。然而，大多数的机械设计实例(大约占机械设计实例的70%)不是凭空创造新机构，而是在现有机构(该机构可能受专利保护)的基础上进行修改，创造出结构不同的新型机构，以提高机器的质量和性能，或者突破现有专利技术。本文结合液压挖掘机构的反铲装置，提出基于结构推理的机构方案创新设计方法。基于结构推理的机构方案创新设计是利用创造性发散原理，通过拓扑结构类型综合的方法，对现有的机械方案从拓扑联接方面进行变异创新，尽可能多的产生满足设计功能要求的结构变体，以便于寻找最优的功能载体，尤其是创造新型机构以回避专利保护机构应用方面更是结构推理之长。

2　基于结构推理的方案创新设计过程模型

　　由机构演化及编译原理可知，任何机构，包括齿轮机构、槽轮机构、凸轮机构以及它们的组合，都可以视为连杆机构的等效与变异，其原始型的构造皆可通过连杆机构的构造来获得。许多学者在机构结构类型综合方面作了大量的工作，尤其是在非同构基本运动链的构造方面。按他们提出的方法，由计算机很容易自动生成满足给定设计任务要求的非同构运动链，而这些非同构运动链基本运动链是构造候选机构型的基础。本文所提出的基于结构推理的方案创新设计过程正是在这些研究基础上发展起来的。该方法可以划分四个阶段：首先是根据设计任务和要求确定相似的设计方案(原始机械方案)，然后对该原始方案进行抽象化表示，即将机构方案一般化为运动链，在抽象化表示过程中记录设计约束；其次根据机构方案一般化运动链，在运动链图谱库中找出与一般化运动链具有相同杆数、自由度数以及连杆类型相同的所有非同构的运动链，即运动链发散，并根据设计约束和适当的评价方法进行筛选；第三，对评价筛选后的每个非同构的运动链进行机构识别、驱动副识别以及杆组识别，形成用连杆表达的准可行机械方案元型，即运动链再生；最后一个阶段是将准可行机械方案元型根据实际设计需要，基于设计约束规则以及用户交互式方法进行类型替代，形成待评价的候选方案集转入下一阶段，并进行用户交互式模糊评价，产生最优方案。结构推理过程模型如图1所示。

图1　基于结构推理的方案创新设计过程模型

3　液压挖掘机机构方案创新设计

　　(1)液压挖掘机基本结构及其抽象化表示
　　液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械，它由工作装置、上部转台和行走装置三大部分组成。工作装置作为液压挖掘机的三大组成部分之一，因用途不同，种类繁多，其中主要有反铲装置、正铲装置、挖掘装载装置、起重装置和抓斗装置等，这里只研究应用最广泛的反铲装置。
　　如图2(a)所示，液压挖掘机反铲装置由动臂1、斗杆2、铲斗3以及动臂油缸4、斗杆油缸5、铲斗油缸6和连杆机构7等组成。其构造特点是各部件之间的联系全部采用铰接，通过油缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种动作。挖掘作业时，将反铲装置转到挖掘地点，操纵臂油缸4，使动臂下降至铲斗接触挖掘面，然后操纵斗杆油缸5和铲斗油缸6，使铲斗进行挖掘工作。铲斗装满后，将其转到卸载地点卸载，然后进行第二次循环挖掘工作。由于油缸可以简化为两个串联在一起的二副杆，这两个二副杆的中间铰为驱动副(驱动副用两个同心圆表示)，因此图2(a)中的反铲装置可以转化为图2(b)所示的平面运动链型式。

　　　　　　　　　(a)　　　　　　　(b)
　　　　　　　图2　反铲装置的基本结构