一名棉纺织工厂的徒工，为何世界知名美术馆是以他为名？难道他有什么过人之处吗？奥秘是什么？这座位于英国曼彻斯特的惠特沃斯美术馆，经过改造整修后，于今年年初重新开放，占地面积将增加一倍。此馆建立于1889年，馆藏来自于约瑟夫·惠特沃斯（JosephWhitworth）的捐赠，美术馆的名字也源于约瑟夫·惠特沃斯。该馆乃世界知名美术馆，馆藏有国际著名的英国水彩画、纺织品、壁纸、现代和历史版画，素描，油画和雕塑等。惠特沃斯十四岁时到叔父的棉纺织工厂当了一名徒工，但他并不满足一辈子当一名普通的机械工，没多久就改换到有机械之父之称的莫兹利所开办工厂里做工，从那里学到了制作机床的各种技术。经不断自我鞭策勤奋进取，后来有能力当发明家，他还发明了惠特沃斯步枪，靠军火发财？不！英国军队没有采用。他让螺纹标准化，靠制定标准发财？不！标准是国家制定的，他只做建议。他还研制出各式精密测量仪器，靠仪器发财？不！那个市场不大。总之，惠特沃斯是英国发明家，更是十九世纪最优秀的机械技师。这里就是要介绍一项被取名为惠氏急回机构(Whitworthquick returnmechanism)的专利技术发明，一个帮他致富的秘密武器。后续还会讨论惠氏急回机构有关细节，这里主要是谈为何这项技术能帮他赚大钱，不然他哪来的能耐捐赠美术馆呢。当时，别家工厂刨床加工，带有刨刀的滑枕基本上是住复运动，来回时间是相同的，而惠特沃斯用他发明的急回机构所制作的刨床，滑枕的返回行程速度快于工作行程速度。由于采用单刃刨刀加工，且在滑枕回程时不切削，加快返回速度并不影响安全，却能提高生产效率。由于别家工厂的生产率较低，例如一般要花一个月生产的工业批量产品，惠特沃斯只花三周就做完了，于是许多大量或急件的工业批量产品都转由惠特沃斯的工厂来生产，一下子订单量就比别人多了许多，你说，他能不赚大钱吗？！岳飞经十二道金牌 ，急回行程命休矣；惠特沃斯经机构小发明，急回行程命大发。急回行程，东西方差异何其大，这已是题外话。
本系列前一个博文【投币式摇摇马】中，曾介绍牛头刨床里的摆动导杆机构，这里则要介绍转动导杆机构与惠氏急回机构。其实，惠氏急回机构就是转动导杆机构的应用化身，只要解开转动导杆机构之迷，自然就明白惠氏急回机构了，如右图左下方所示为惠氏急回机构示意图，简图中的构件2、3、4和机架1组成了转动导杆机构，另外，构件4、5、6和水平机架则组成了曲柄滑块机构，可使滑枕带动刀具往复运动，常见于小型刨床机构里。又如右图所示的惠氏急回机构3D图，它为了小型化需求，刻意将机架1的A点与B点角色对调，无形中，搭配水平往复运动的滑枕就跟着往上设置，而使得机器整体空间布置更为紧致，以满足空间狭小的限制要求。要了解转动导杆机构，可以从已知的摆动导杆机构下手进行，两者运动特性皆有着急回现象，而构件的逻辑安排也属雷同，它们都是将曲柄滑块机构中的构件1换作机架，现在则是把机架长度设计成小于曲柄长度(摆动导杆机构刚好相反)，这样就促使曲柄2进行整周转动时，随之以滑块带动构件4绕A点转动。简单讲，在转动导杆机构中，曲柄2与构件4都可以作整周转动。接着要细讲惠氏急回机构最特别的地方，如示意图所示，一方面曲柄2以顺时针绕固定B轴做回转运动，一方面以滑块3带动构件4导杆绕A点做回转运动，当CD转动导杆从水平D点极右往下左转动时，曲柄2所经过的回转角度大故速度慢，这是刨刀进刀的行程，而当CD转动导杆从水平D点极左往上右转动时，这退刀所经过之曲柄回转角度小故速度快，以达刨床工作时形成切削速度慢，但回程速度快之急回机构。因为我们手上没有滑块的积木，但事情还是得做，所幸在整个曲柄触发连动行程中只需完成转动导杆机构的约八分之一圆周运动，这部分作用对动力车来讲就足够了，其它转动导杆机构的机制存在已否都不再重要，这可视作行程近似的观念。又，曲柄触发连动行程期间，曲柄是从转动导杆底边呈接触式滑形状态，这相当于有一块虚拟滑块套在转动导杆上头，让曲柄驱使转动。藉助行程近似观念与虚拟滑块两大概念，或许可以重新作为转动导杆机构的诠释。
就让转动导杆机构引领我们，顺着中国高铁的引进消化吸收再创新的心法，共同一起动手操作积木。首先，从零开始思考，机构动力车在车轮、平台、动力三方面，由于有着相同平台化的底盘骨架，除了轮子不用重新发明，底盘骨架平台也不用再重新发明，就只剩下动力单方面着眼进行设计，这样就可以快速有效地把转动导杆机构设计安装在新款车的框架里，这也是机构动力车集团军能够经济有效创新智造的奥秘，当然还要经过多番的尝试与犯错。千万别忘了，我们将藉助行程近似观念与虚拟滑块两大概念，重新诠释转动导杆机构，以下就是创新智造出来具有转动导杆机构特色的新款机构动力车。
上图是运用转动导杆机构特色设计而成的新款机构动力车，而且该车并不具备惠氏急回机构的设计。这台车的动力灰色中齿轮是安排在后轮轴上，因此是一台后轮驱动车。这里已经直接用智高灰色长连杆积木充当卡榫连杆，它在上图呈倾斜状，刚好将其尾端当卡榫，并卡住了后轮轴上的中齿轮，这样就形成处于待命状态的情况。另外，我们用五孔连杆积木充当摆动导杆机构里的4号构件，也就是充当转动导杆，它在上图呈水平状置于中框骨架里面，并以中框骨架充当1号构件，而2号曲柄则设置其中，这AB端机架长度为三孔距离，是小于曲柄2的四孔距离，满足转动导杆机构的机架长度限定条件。又，随曲柄固接一个小齿轮，它可以运用如上图呈水平布置的长齿条来转动，因此该长齿条就成了后端触发杆件，使曲柄成为主动件，因此，在车后头水平方向戳一下长齿条尾端，会起得转动曲柄的驱使虚拟滑块作用，并藉由转动导杆机构的转向机制，就能起得了4号导杆的转动作用，使得该导杆往上一转一滑，它会顶起那根斜向前方的卡榫连杆，这就松开了卡榫，实际情况就如下图所示。此时卡榫脱离了后轮轴上灰色中齿轮的齿牙，进而抛开束缚，现在已松动后轮轴上的中齿轮了，说时迟那时快，储能立马转换成为快速运转的动力，只见，机构动力车像一只脱缰之马往前奔驰。
教学上常见的不细究反思。细究不是说一篮子的深入探讨，而是好好思量什么该教什么不该，以及什么先教又什么后教等小步前进的细究教学程序。例如，小型刨床与牛头刨床，有何异同之处呢？本系列前一个博文【投币式摇摇马】中，先是介绍牛头刨床里的摆动导杆机构，因为机构较为简单，而这里则要接续介绍转动导杆机构与惠氏急回机构。其实，惠氏急回机构就是转动导杆机构的应用化身，只要解开转动导杆机构之迷，自然就明白惠氏急回机构了，而转动导杆机构与摆动导杆机构则只改变了一项要件。总的来看，牛头刨床.将曲柄滑块机构中的构件1换作机架.机架长度大于曲柄长度.曲柄2整周转动而构件4绕点摆动.摆动导杆机构.空间布置宽阔组件较粗大.滑枕在上而动力轮在下。相对而言，小型刨床.将曲柄滑块机构中的构件1换作机架.机架长度小于曲柄长度.曲柄2与构件4都可以作整周转动.转动导杆机构.空间布置狭窄组件需重迭.滑枕居中而动力轮居中。这里面隐含的重点，不仅止于机构形式有异，实质分量上一大一小的空间限制之下，马力与杆件大小都受制约，使得条件不同之下所开发的机器大小自是不同。又如在本博文说明惠氏急回机构时，已经介绍了3D图在搭配水平往复运动的滑枕是往上设置，使得机器整体空间布置更为紧致，简言之，就是滑枕居中而动力轮也居中，如此安排能满足空间狭小的限制要求。至于示意图则是滑枕在下而动力轮在上的空间布置规划。动力轮的上、中布置都有了，那往下布置呢？显然还有另外一种情况，就是滑枕在上而动力轮在下的空间布置规划，这也形成一个很好的细究练习题，但也不要一次深究到底。先定性几何，尝鲜机构的蠢蠢味道，等专注有趣事物并慢慢品尝出聪明滋味之后，再添味加料，参入定量的几何与数学分析。
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