机械创新设计.docx

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机械创新设计

机械创新设计

机械创新设计

摘要:

简单概述创新设计以及创新设计构思的基本原理、方法和技巧，以机械系统的概念设计为主线，内容包括：

创新设计思维与方法，机械系统的功能结构与原理方案创新。

关键词：

设计创新机械结构原理功能

MechanicalCreativeDesign

Abstract:

abriefoverviewinnovationdesignandinnovationdesigningideaofthebasicprinciples,methodsandskillstotheconceptualdesignofmechanicalsystemasthemainline,andthecontentincludes:

innovationdesignthinkingandmethod,mechanicalsystemfunctionstructureandprincipleprojectinnovation.

Keywords:

designinnovationmechanicalstructureprinciplefunction

一创新设计概述

（一）设计与创新

概括地说，创新就是创造与创效。

它是集科学性、技术性、社会性、经济性于一身，并贯穿于科学技术实践、生产经营实践和社会活动实践的一种横向性实践活动。

所谓设计，就是尽可能少地消耗以材料、能源、劳动力、资金等形态存在的资源，而创造出满足预先陈述的功能要求的物质实体，以实现对某一设计对象潜在要求的过程。

创新设计不仅是一种创造性的活动，还是一个具有经济性、时效性的活动。

同时创新设计还要受到意识、制度、管理及市场的影响与制约。

因此需要研究创新设计的思想与方法，使设计能继续推动人类社会向更高目标发展与进化。

归纳起来创新设计具有如下特点：

1创新设计是涉及到多种学科，包括设计学、创造学、经济学、社会学、心理学等的复合性工作，其结果的评价也是多指标、多角度的；

2创新设计中相当一部分工作是非数据性、非计算机性的，而是要依靠对各学科知识的综合理解与交融，对已有经验的归纳与分析，运用创造性的思维方法与创造学的基本原理开展工作；

3创新设计不只是因为问题而设计，更重要的是提出问题，解决问题；

4创新设计是多种层次的，不在乎规模大小，也不在乎理论深浅，注重的是新颖、独创、及时；

5创新设计的最终目的在于应用。

（二）设计的类型

机械产品的设计视情况不同大体可以分为三种类型，见表1-1所列。

表1-1机械产品设计的三种类型

类型

含义

占设计总数比例

开发性设计

在工作原理、功能结构等完全未知的情况下，运用成熟的科学理论或经过试验证明可行的新技术，设计出过去没有的新型机械。

这是一种完全的创新设计

约25%

适应性设计

在工作原理、功能结构基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更或新设计少数部件，以改变产品的某些性能或克服原来的某些明显缺陷。

这是具有部分创新的设计

约55%

变型设计

在工作原理、功能结构都保持不变的前提下，仅对产品作尺寸大小或布置方式的改变，以适应于量的变化要求。

此类设计中，不但功能和解的原理不变，而且也不出现诸如材料、应力、工艺等方面的新问题

约20%

（三）设计的一般进程

首先通过市场调查掌握产品营销情况和用户要求，然后提出设计任务。

一般来说，设计任务常常只是提出总体规格或目的说明，必须通过收集资料，查阅有关书籍杂志、专利文献、图纸档案等，并结合相近实物、设计经验，将设计任务明确表示为一组相互独立且没有冗余的功能要求。

在此期间如果发现设计任务中含有不合理的甚至违反客观自然法则的部分，则应反馈修改。

然后根据功能要求进行开发原理解及总体布局造型，此即通常所谓的总体方案设计。

方案设计要尽量运用各种创造性方法、系统工程方法、人机学原理、简易的可行性计算以及个人设计经验等，从白纸状态构思并限定设计对象的总体方案之待选范围。

因此应进行优选设计方案，运用价值分析方法、优选方法等从中择取最有希望的一种。

（四）创新的基本法则与方法

所有创新方法都是根据基本法则加以实现的，表1-2所列为这些基本法则的说明及举例。

表1-2创新基本法则的说明及举例

法则

说明

举例

综合法则

在分析各构成要素的基础上加以综合，使综合后的整体作用导致创造性的新成果。

它可以是新技术与传统技术的综合、自然科学与技术科学的综合、多学科成果的综合等等

“阿波罗”登陆计划筹划了10年，动员了全美1／3的科学家参加，2万多个工厂承做了700多万个零件，耗资达240亿美元，算是当代最大型的各种创造发明、科学技术的综合运用及创新

还原法则

亦称抽象法则。

它通过研究已有事物的创造起点，把主要的功能抽象出来，即“回到根本，抓住关键”；然后集中研究实现该功能的方法和手段，以取得创造性的最佳效果

最早的洗衣机装有一对用于洗净后挤干水的滚子，为避免失误而压伤手指，甚至发明了多种自动释放机构，以便手指被卡住时自动松开。

当重新回到这个问题的本源，即抓住抽象化后的“去水”功能来构思时，一个简单、有效而且安全的“离心脱水”方案便产生了

对应法则

相似原理、仿形移植、模拟比较、类比联想等，都属于对应法则。

在创新设计中，对应法则用得很多

木梳是人手梳头的仿形;夜视镜是猫头鹰眼的仿生；用两栖动物类比，设计出了水陆两用坦克

移植法则

把一个研究对象的概念原理、方法等，运用于另外研究对象并取得成果的法则。

它有利于促进事物间的交叉、渗透及综合，是一种快速有效的创新法则

日本开始生产聚丙烯薄膜袋时销路不畅，推销员吉川退助在酒店稍事休息，女店主送上毛巾给他擦汗，因是用过的毛巾，气味令他嫌恶。

吉川想到，若将每块洗净的毛巾用聚丙烯薄膜袋装好，一则毛巾不会干掉，二来用过与否一目了然

离散法则

冲破原先事物面貌的限制，将研究对象予以分裂，创造出新概念、新产品

活字印刷术是原理整体刻板印刷的分离；音响是扬声器与收录机整体的分离；隐形眼镜是镜片与镜架离散后的新产品

组合法则

亦称排列法则。

是将两种或两种以上的技术思想或物质产品的一部分或全部进行适当的组合，以形成新技术、新产品的创新法则。

其常用方法有：

主体添加法、异类组合法、同物组合法、重组法等

美国飞机设计师卡里格·卡图根据空气动力学原理，对螺旋桨飞机进行重组改造，将原来放在机头的螺旋桨改放在机尾，原来装在机尾的稳定翼改装在机头。

重组后的飞机具有尖端悬浮系统和更加合理的流线型机身，不仅增加了飞行速度，而且提高了安全性

换元法则

换元法则即替换、代替的法则。

它是用一事物代替另一事物，从而达到创新的目的

亚·贝尔用电流的变化代替模拟声波的变化，实现了用电传送语言的设想，从而发明了电话

C·达维道夫用树脂代替水泥，发明了耐酸、耐碱的聚合物混凝土

强化法则

亦称聚焦原理。

它通过强化或聚焦以提高质量、改善性能、增加寿命等

列宁图书馆20km长书架上的图书经由微缩技术缩纳在10个卡片盒内

增强塑料、钢化玻璃、浓缩洗衣服以及金属表面喷漆等，均属强化法则的应用

逆反法则

打破习惯思维定势，对已有的理论、技术、设计等持怀疑态度，或者说对熟悉的事物持“陌生态度”，甚至“反其道而行之”，常常可以引出极秒的发明或创新

江崎于奈和宫原百合子向锗中添加杂质，制成了优异的电晶体苏格兰一家图书馆在搬迁新馆之前，发出了与平日相反的取消借书限量的通告，结果短期内大量图书外借而还书时还到新馆，顺利完成了图书搬运任务且节约了费用

群体法则

摆脱狭隘专业范围，发挥“群体大脑”作用的协同创新法则

控制论的创立者维纳，常用“午餐会”的形式，从各人海阔天空的交谈和设想中捕捉思想上的新闪光点，以激发自己的创造能动性

二机械系统的功能结构与原理方案创新

（一）机械系统的概念与特征

一切机械设计对象即机械产品，都可理解为一个由若干概功能元件有序结合而成、通过输入和输出与外部环境相联系并具有特定边界的人工系统，称为机械系统。

在大多数机械系统中，能量流、物料流、信息流同时存在，只是主次不同而已。

通常所谓的动力机械如内燃机、电动机、发电机、压气机等，以能量转换为主；工作机械如机床、包装机、收割机、搅拌机以及汽车、起重机、传送带等，以物料转换为主；信息机械如打印机、绘图机、录像机等，以信息转换为主。

从系统工程学的观点看，所谓系统就是指由若干个相互关联、相互制约的元素构成的，可执行某种特定功能、达到某种特定目的的集合体。

这种集合体的特征是具有目的性、相关性、层次性、整体性以及环境适应性。

（二）机械系统的功能

机械系统的功能可从不同的角度加以分类，详见表2所列。

表2机械系统的功能分类及说明

分类

名称

含义及说明

按系统的层次结构

总功能

整个机械系统所能完成的功能称为总功能。

如车床的总功能是“对旋转工件进行切削加工”；计算机打印机的总功能是“把计算机中的各种信息打印在纸上以供阅览”等等

分功能

组成机器的各个子系统所执行的功能称为分功能。

在较复杂的机械系统中，存在着不同层次且具有从属关系的子系统，因此又分为“一阶分功能”“二阶分功能”······“n阶分功能（末端功能）等等”

按功能的重要性

基本功能

为达到设计对象的目的即实现设计对象的总功能所必不可少的功能，称为基本功能。

它是设计对象赖以存在的条件，也是对其进行分析、研究、设计的基础。

如车床的基本功能有：

主轴旋转功能；纵向、横向自动走刀功能；变速功能；车螺纹功能；装夹工件功能；装夹刀具功能等

辅助功能

与基本功能并存，对实现总功能起支持、保证和完善作用的次要功能，称为辅助功能。

没有辅助功能，产品并不失去其基本使用价值，所以设计者可视具体情况对辅助功能进行添加或删除。

如车床的辅助功能有：

手动调整功能；过载调整功能；安全防护功能

按功能的内在联系

目的功能

任一功能的存在都有其特点目的，不论基本功能还是辅助功能皆可视为目的功能，目的功能也称上位功能。

一目的功能往往又是实现另一目的的手段，相对另一目的来说，它又是一种功能

手段功能

对实现目的功能起手段作用的功能称为手段功能。

目的功能与手段功能是一种相对的概念。

按功能的性质

使用功能

使用功能是指设计对象的实际用途或价值，一般包括使用价值、可靠性、安全性、维修性等，它是通过基本功能和辅助功能来实现的。

不论何种产品，都应把使用功能放在第一位

表现功能

表现功能是指对设计对象起美化、装饰作用的功能，它是通过外观造型以及物质功能本身的审美、象征、教育等效果来实现的。

各种机械产品，尤其像汽车、手表、家用电器等产品，除了满足使用功能外，还要高度重视其表现功能

按用户的需求

必要功能

必要功能是指用户需要并接受的功能，包括基本功能和辅助功能。

如手表的“显示时间”基本功能和“防水”、“防磁”、“防震”等辅助功能，都是用户需要并接受的功能

冗余功能

冗余功能是指用户不需要、不接受或无法享用的功能。

如不适当地加大安全系数；超过实际要求的过高公差值、粗糙度

参考文献

[1]符炜机械创新设计构思方法湖南长沙科学技术出版社2006.1

[2]黄靖远，龚剑霞，贾延林机械设计学北京机械工业出版社2000.10

[3]张铁，李琳，李杞仪创新思维与设计北京国防工业出版社2005.7

对机械工程概论课的感受感想：

短短一学期的学习，让我们初步认识了我们所选专业—机械设计制造及其自动化，尽管每节课老师灌输给我们很多闻所未闻的专业知识，但我们还是对机械这一领域一知半解，光靠看书本上密密麻麻的专业名词的解释以及简易装置图形的演绎，远远不能让我们真正领悟其中渗透的原理。

希望接下去的学习中，我们能多拥有一些实际操作的机会，能有机会切身体会创新技术的发展并能从中受到启发，更好地培养我们的创造性思维。

我的论文是围绕“机械创新设计”进行的，面对知识经济发展的时代，作为一名机械专业的大学生，当看到全球制造业面临前所未有的挑战，我们有责任也有义务抓紧学习专业知识，了解机械创新设计的重要性，这样我们才能进一步用新观点、新原理、新功能来设计出前所未有的产品，让我们国家的综合国力得到加强。

因此写这篇论文的目的，就是让机械系的大学生认识到创新设计无论是对我们还是对国家都是很重要的。