《机械创新设计》选修课

第一章

创新实践可分为3个阶段（1）了解问题：目标是什么？未知量、已知量是那些？情况如何？能满足情况的需要吗？能否决定未知量，是否足够，是否重复或抵触？可以画张图，引入合适的标志，把情况的各部分加以分解。（2）设计方案：遇到过这个问题吗？知道相关的问题吗？可能运用什么原理？通过不同的方法设计各种方案，并进行优化。

（3）执行方案：实施设计方案，在每一步骤中对方案修改完善，必要时重新设计方案，以取得最好的成效。任何一个创新几乎都要经过上述3个阶段，一般最困难的是第二阶段，最关键的往往是第三阶段。

创新设计设计类型的内容特点，一般将设计分为下面3种：

1开发性设计在工作原理、结构等完全未知的情况下，针对新任务提出新方案，开发设计出以往没有过的新产品。2．变型设计在工作原理和功能结构不改变的情况下，对已有产品的结构、参数、尺寸等方面进行变异，设计出适用范围更广的系列化产品。3．适应性设计

亦称反求设计。针对已有的产品设计，在消化吸收的基础上，对产品作局部变更或设计一个新部件，使产品更能满足使用要求。开发设计以开创、探索创新，变型设计通过变异创新，适应性设计在吸取中创新。创新是各种类型设计的共同点。

二、设计思路和设计过程1．产品规划阶段——明确设计任务和要求，提出设计任务书

2．原理方案设计阶段——确定工作原理，分解子系统，绘制方案简图

3．技术方案设计——进行总体设计和结构设计，完成产品全部生产图纸，编制设计说明书、工艺卡等技术文件

4．改进设计机械的功能要求

1）运动要求：如运动规律、轨迹、行程、速度、加速度、转速、调速范围、运动的精确性等。（2）动力要求：传递的功率、转矩、力、加速性能、效率等。

（3）安全要求：强度、刚度、稳定性、热力学性能、摩擦特性、振动、机械工作的安全性及操作人员的安全性等。

（4）经济要求：设计和制造的经济性、使用和维护的经济性等。

（5）可靠性和寿命要求：包括零部件和机械实现预期功能的可靠性，零部件和机械的耐磨性、疲劳强度、失效和使用寿命等。

6）机动性要求：对尺寸、体积、重量、功率的要求。

（7）环境保护要求：防止污染（噪声、废气、废水、废尘），防止“三漏”（漏气、漏水、漏油），无公害和绿色产品等。8产品造型要求：如美观、人性化，外观、色彩与环境的协调等。

创新设计的三种方法1．开发性设计在工作原理、结构等完全未知的情况下，针对新任务提出新方案，开发设计出以往没有过的新产品。2．变型设计

在工作原理和功能结构不改变的情况下，对已有产品的结构、参数、尺寸等方面进行变异，设计出适用范围更广的系列化产品。3．适应性设计亦称反求设计。针对已有的产品设计，在消化吸收的基础上，对产品作局部变更或设计一个新部件，使产品更能满足使用要求。

开发设计以开创、探索创新，变型设计通过变异创新，适应性设计在吸取中创新。创新是各种类型设计的共同点。

第二章人类的思维方式可以归纳为如下几种1．形象思维与抽象思维

形象思维也称为具体思维，是人脑对客观事物和现象的具体形象的反抽象思维是以抽象的概念、判断和推论为形式的思维方式，概念是客观事物本质属性的反映，判断是两个以上概念的联系，推论则是两个以上判断的联系。形象思维具有灵活、新奇的特点，而抽象思维较为严密。2．发散思维与收敛思维发散思维又叫分散思维、求异思维、开放思维等。它是根据提供的信息，多方位寻求问题的答案的思维方式

收敛思维也叫集中思维、求同思维等。是一种在大量设想或多方案的基础上寻求某种最佳答案的思维方式。在创造活动中，提出的方案越多，选择最优方案的回旋余地就越大，但光有发散思维并不能使问题得到有效的解。既需要有充分的信息为基础，设想多种方案，又需要对各种信息进行综合、归纳，多方案优化。

发散思维与收敛思维的有效结合组成了创新活动的一个循环过程。3．逻辑思维与非逻辑思维逻辑思维是抽象思维方式。它是严格遵循逻辑规则按部就班、有条不紊进行的思维。它的主要方法是分析、归纳、综合与演绎。非逻辑思维是一种不严格遵循逻辑规律，突破常规，通过想象、直觉、灵感等方式进行的自由思维方式。

4．直达思维与旁通思维直达思维始终围绕需要解决的问题进行思考，旁通思维则将问题转化为另一个问题，间接分析求解。旁通思维后要返归到直达思维，才能较好地解决提出的

创造性思维的特征1．思维结果的新颖性、独特性

它指思维结果的首创性，具备与前人、众人不同的独特见解，思维的结果是过去未曾有过的。也可以说，是主体对知识、经验和思维材料进行新颖的综合分析、抽象概括，以致达到人类思维的高级形态，其思维结果包含着新的因素2．思维方法的多样灵活性、开放它指对于客观事物或问题，表现出勇于突破思维定势，善于从不同的角度思考问题，善于提出多种解决方案；能根据条件的发展变化，及时改变先前的思维过程，寻找解决问题的新途径3．思维过程的潜意识自觉性4．顿悟性

创造性思维是长期实践和思考活动的结果，经过反复探索，思维运动发展到一定关节点时，或由外界偶然机遇所引发，或由大脑内部积淀的潜意识所触动，就产生一种质的飞跃，使问题突然得到解决，这就是思维的顿悟性。

影响创造能力的非智力因素

1．兴趣和好奇心2．进取心3．自信心4．勇气5．组织能力

影响创造能力的智力因素包含：

1．想象力想象力就是在记忆的基础上通过思维活动，把对客观事物的描述构成形象或独立构思出新形象的能力。简而言之，想象力是人的形象思维能力，

2．洞察力洞察力指的是深入细致的观察能力。具有这种能力就可以透过现象看本质

3．动手能力动手能力包括制作、试验及绘图等方面的技能。李政道博士曾经说过：动手能力是创造发明者所必备的基本素质。4．智能和知识因素5．创造性思维与创造技法创造性思维的外部表现就是人们常说的创造力，创造力是物化创造性思维成果的能力，在一切创造活动领域都不可缺少，是现代创造者创造能力的最重要因素

第三章创造原理综合创造原理综合创造，则是指运用综合法则的创新功能去寻求新的创造。它的基本模式

如图所示。2 分离创造原理分离原理在创新设计过程中，提倡将事物打破并分解，而综合原理则提倡组合和聚集，因此，分离原理是与综合原理思路相反的另一个创造原理。

3 移植创造原理移植创造具有以下基本特征l）移植是借用已有技术成果进行新目的下的再创造，它使已有技术在新的应用领域得到延续和拓展；2）移植实质上是各种事物的技术和功能相互之间的转移和扩散。3）移植领域之间的差别越大，则移植创造的难度也大，成果的创造性也愈明显。

4 物场分析原理

5 还原创造原理还原创造的本质是使思路回到事物的基本功能上去，

6 价值优化原理

综合创造原理分离创造原理移植创造原理

物场分析原理还原创造原理价值优化原理

第四章创造技法基本原理1主动原理创造者主设问问题，保持强烈创造冲动2刺激原理善吸纳信息，对新鲜事物有强烈的兴趣并进行追3希望原理不满足现状和已得经验，怀疑提问，追求事物理想4环境原理有容许探索，从失败中求成功的社会环境 5 量多原理有尽可能多的创造性设想和方案，多多益善6群众原理人人都有创造力，群众智慧大于个人智慧7激发原理创造性思维相互激励，活化，引伸，改进，综8自由原理打破定势，不受权威和传统逻辑或常规限制

常用创新技法 1 群体集智法2 系统分析法3 联想类比法4 转向创新法5 组合创新法

1 智力激励法．智力激励法的四项原则l）自由思考原则2）延迟评判原则3）以量求质原则4）综合改善原则2．智力激励法运用程序1）智力激励会的准备2）热身活动3）明确问题4）自由畅谈5）加工整理4．1．

2 书面集智法4.1.

3 函询集智法

1．函询集智的特点函询集智法有两个特点，也是其优点。它不是把专家召集起来开会讨论，而是用书信方式征询和回答，使整个提设想过程具有相对的匿名性。专家相互之间不见面，有利于克服一些心理障碍，便于充分发表新颖意见或独特看法。轮间反馈则保证了专家之间的信息交流和思维激励联想类比法 4.3.1 联想法联想是从一概念想到他概念从一事物想到他事物的一种心理活动或思维方式1．相似联想相似联想是从某一思维对象想到与它具有某些相似特征的另一思维对象的联想思维。2．接近联想接近联想是从某一思维对象想到与它有接近关系的思维对象上去的联想思维。3．对比联想对比联想就是由事物间完全对立或存在某些差异而引起的联想。4．强制联想强制联想法是综合运用联想方法而形成的一种非逻辑型创造技法，是由完全无关或亲缘相当远的多个事物及见解之间，牵强附会地找出其联系的方法第五章 5.1.机械系统的概念由若干机械装置组成的一个特定系机械系统机械系统的组成一般机械系统由动力部分、传动部分、执行部分和控制（测控）部分四部分组成。动力部分相当于人的心脏，为系统提供动力源，动力部分接受控制系统信息处理部分发出的控制指令和信号，完成由其他能向机械能的转化；

传动部分传递动力与运动，完成运动形式、运动规律等的转换；执行部分是系统的末端，相当于人的手和足，是与作业对象接触的部分，用来改变作业对象的性质、状态、形状、位置等；控制部分包含传感和控制功能。传感部分相当于人的眼、耳、鼻等感觉器官。它把机器工作过程中的各种参数和状况检测出来，变成可测定和控制的物理量，传送到信息处理部分，此处相当于人的大脑，经过信息处理，发出对各部分工作的指令和控制信号。是用来操纵与控制动力、传动、执行等部分协调运行，准

确可靠地完成系统的预定功能。它们之间关系用框图描述如图2．机械系统的相关性。每个系统一般都由若干个子系统组成，子系统又由各种元件与操作构成统中的各子系统之间互相影响，互相关联，同时各子系统也影响着系统，而系统又受超系统的制约。超系统可以理解是系统的环境，系统得以存在的条件。这种各子系统之间，系统与子系统之间，以及系统与超系统之间相互关联的性质称为系统的相关性。

机械系统设计经历下列四个阶段

1）产品规划阶段主要是进行市场需求调研与预测，进行国内外信息的研究与分析。论证产品开发的必要性、可行性，进而确定产品的功能目标。

（2）方案设计阶段以系统的总功能目标为基础，继续对系统进行分析、分解，确定各子系统的分功能及功能元；并针对各功能目标进行创新、探索、优化、筛选，从而确定较理想的工作原理方案；最后还要针对不同的工作原理进行构型综合，确定机构类型与结构形状。

（3）技术设计阶段在方案原理设计的基础上，进行系统中零部件的尺寸、形状、结构、强度、刚度、精度设计；绘制出相应的工作图，编制出相应的设计技术资料。

（4）施工设计阶段在技术设计的基础上进行加工和制造的工艺设计；进行安装、调试、维护及使用的设计与说明。在这四个设计阶段中，方案设计对产品的性能、成本、使用与竞争力的影响最大，也是最具有创新的阶段。

功能分类功能分类就是将系统中输入与输出的三要素操作具体化，这将有利于功能的分析，也有利于原理的综合与构型的综合。功能分类可以按照机械系统的组成进行，也可按三要素变换的物理作用进行分类。1．按机械系统的组成进行功能分类

按机械系统的组成可将系统功能分为以下几类。（1）驱动功能为系统提供能量或动力，它接受测控部分发出的指令，执行驱动部分工作。其功能载体为各种类型原动机。如电动机、内燃机等。（2）传动功能传递驱动和执行部分之间的运动和动力。包括运动形式、性质、方向、大小的变换。其功能载体可以是机械式、液压气动式或电磁式等（3）执行功能实现和完成产品的最终功能。简单系统可用简单的构件实现特定的动作；复杂的系统有多个执行功能，各动作需要（4）控制功能包括检测、传感与控制。它把系统工作过程中各种参数和工作状况检测出来，变换成可测定和可控制的物理量，传送到信息处理部分，并发出对各部分的工作指令和控制信号。

机构能实现的基本功能机构能实现的基本功能可归纳为以下几类。

①变换运动的形式运动形式主要有转动、单双向移动、单双向摆动以及间歇运动等。

②变换运动的速度即减速、增速、变速或调速等。

③变换运动的方向主要指转动件的两轴线可平行、相交、空间交错；对于空间连杆机构与空间凸轮机构可在运动空间实现任意方向运动的变换。

④进行运动的合成与分解两个自由度的机构以及各种差速机构。

⑤对运动进行操纵与控制主要指各种离合装置、操纵装置。

⑥实现给定的运动轨迹机构中的浮动构件可实现各种轨迹要求。如连杆机构中的连杆；行星齿轮机构中的行星齿轮以及挠性件传动机构中的挠性构件等。

⑦实现给定的运动位置指两个连架杆的对应位置，以及浮动构件的导引位置。

⑧实现某些特殊功能有增力、增程、微动、急回、夹紧、定位和自锁等。

5.4.3 构型综合的注意的六个问题

1．应尽量满足或接近功能目标2．要力求结构简单3．要方便加工制造，提高精度4．要保证良好的动力特性5．应注意机械效益与机械效率问题6．要考虑动力源及其形式

?第六章1 机构形式设计的原则1．机构运动链尽量简短完成同样的运动要求，应优先选用构件数和运动副数最少的机构，这样可以简化机器的构造，从而减轻重量、降低成本。此外也可减少由于零件的制造误差而形成的运动链的累积误差，从而提高零件加工工艺性和增强机构工作可靠性。运动链简短也有利于提高机构的刚度，减少产生振动的环节。考虑以上因素，在机构选型时，有时宁可采用有较小设计误差的简单近似机构，而不采用理论上无误差但结构复杂的机2．适当选择运动副在执行构件的运动规律要求复杂，采用连杆机构很难完成精确设计时，应考虑采用高副机构3．适当选择原动机执行机构的形式与原动机的形式密切相关，不要仅局限于选择传统的电动机驱动形式4．选用广义机构不要仅限于刚性机构，还可选用柔性机构，以及利用光、电、磁和利用摩擦。重力、惯性等原理工作的广义机构，许多场合可使机构更加简单、实用

?应使机构具有较好的动力学特性

机构在机械系统中不仅传递运动，而且还要起到传递和承受力（或力矩）的作用，因此要选择有较好的动力学特性的机构。

1．采用传动角较大的机构2．采用增力机构3．采用对称布置的机构

2 机构的选型所谓机构的选型，是指利用发散思维的方法，将前人创造发明出的各种机构按照运动特性或实现的功能进行分类，然后根据原理方案确定的执行构件所需要的运动特性或实现功能进行搜索、选择、比较和评价，选出合适的机构形式。

?第七章1 结构方案的变异设计．2 提高性能的设计．3 结构的宜人化设计．4 新型结构设计1 结构方案的变异设计

创造性思维在机械结构设计中的重要应用之一就是结构方案的变异设计方法。它能使设计者从一个已知

的可行结构方案出发，通过变换得到大量的可行方案。通过对这些方案中参数的优化，可以使设计者得到多个局部最优解，再通过对这些局部最优解的分析和比较，就可以得到较优解或全局最优解。变异设计的目的是寻求满足设计要求的独立的设计方案，以便对其进行参数优化设计，通过变异设计所得到的独立的设计方案数量越多，覆盖的范围越广泛，通过优化得到全局最优解的可能性就越大。

变异设计的基本方法是首先通过对结构设计方案的分析，得出一般结构设计方案中所包含的技术要素的构成，然后再分析每一个技术要素的取值范围，通过对这些技术要素在各自的取值范围内的充分组合，就可以得到足够多的独立的结构设计方案。变异设计的目的是为设计提供大量的可供选择的设计方案，使设计者可以在其中进行评价、比较和选择，并进行参数优化。

一般机械结构的技术要素包括零件的几何形状，零件之间的联接和零件的材料及热处理方式。以下分别分析这几个技术要素的变异设计方法。

2 提高性能的设计1 提高强度和刚度的设计2 提高精度的设计

3 提高工艺性的设计3 结构的

宜人化设计1 适合人的生理特点的结构设计1．减少疲劳的设计2．容易发力的设计4 适合人的心理特点的结构设计

4 新型结构设计1 弹性结构2 快动联接结构3 组合结构组合结构是指通过合理的结

构设计，将多个零件的功能组合到一个零件上，起到减少零件数量，便于装配，降低成本的目的第八章

反求设计是以先进技术或产品的实物、软件（图纸、程序、技术文件等）、影像（照片、广告等）作为研究对象，应用现代设计理论方法学、生产工程学、材料学等有关专业知识进行系统深入的分析与探索，并掌握其关键技术，进而开发出先进产品。运用反求技术，可以缩短新产品开发的时间，提高新产品开发的成功率，是创新设计的一种有效方法。

反求设计的研究对象从工程技术角度分析，反求设计的研究对象一般分为三类。它们分别是实物反求、软件反求和图片反求。反求对象应该是比较先进的技术或产品；也可能是自然界的产物1．实物反求

实物反求是指在已有产品实物的条件下，通过试验、测绘、分析，确定其关键技术，再创造出新产品的过程。反求的产品实物可以是整机、部件或零件。反求的内容包括产品的功能、原理方案、结构性能、材料、精度等。

2．软件反求在软件反求过程中，产品样本、技术文件、设计说明书、使用说明书、设计图纸以及有关规范和标准等均为软件。反求工作的内容主要有，深刻理解图样与技术要求；选择合适的材料、工艺过程与热处理方法；试制样机并进行性能测试；最后创新出新产品。

3．影像反求在影像反求过程中，产品的图片、照片、广告介绍，以及参观印象或影视画面等均属于影像。这是反求对象中信息量最少、难度最大，但也最富有创新性的反求设计。反求工作主要是依据影像提供的产品外形、尺寸、比例，运用透视变换与投影以及各种专业知识进行琢磨、分析、领会其功能、性能、结构特点等，然后进行从原理方案、构型综合、直到完成产品的创

反求设计的内容与过程

反求设计的主要内容1．设计思想的反求

反求设计的最重要内容是探求设计者的设计思想。设计思想是设计者的灵魂，设计者会挖掘个人的所有知识与经验用来开发新产品，是设计者本人或设计小组全体成员智慧的结晶。设计思想主要应包括设计产品开发的必要性与适应性，产品是在何种条件下产生的，为什么要研制开发这种产品；产品造型的特殊性，这种造型会产生何种效应与影响，是单纯为操作者提供方便，还是具有某种特殊功能；产品的结构特点，有些什么与众不同的特点，进而分析这些特殊结构的特殊原因，以及会造成的结果等。设计思想的反求是贯穿反求全过程的工作，在反求设计中的每一步骤都不要忘记揣摩设计者的意图。2．功能原理的反求功能原理的反求也是一个分析过程。对于一个已知产品，其总功能是已知的，但深入分析其组成结构时，会发现产品的各组成部分的分功能，乃至功能元并非全了解，因此很有必要首先分析组成产品各部分存在的意义。其次应深入分析实现这一功能的工作原理，是简单

的机械效应，或是气动与液压的效应，还是电磁等效应；是采用了分割，还是合并原理等。掌握了功能原理，就可以变被动为主动，开发出实现同样功能的不同原理解，也就实现了从反求到创新的过程。

3．结构形状与尺寸参数的反求结构形状与尺寸参数的反求既是一个分析过程，也是一个实际测绘过程。

反求活动中包含有实物测量、数据处理、误差分析等内容。4．材料的反求材料的反求包括材料成分的反求、材料组织结构的反求、材料的力学性能反求以及材料的工艺反求。5．关键技术的反求

关键技术是指那些能够实现同类产品难以达到的技术水平、模仿难度较大，且具有一定竞争力的技术。关键技术是反求设计的重点，也是难点。关键技术包括关键功能、关键原理、关键结构和关键材料反求设计的主要过程1．实物（整机）反求实物反求形象直观，可面对产品进行分析、测试、运行，以获得详细的设计资料。同时还具有参照性、可比性，有利于改进产品，开发新产品。其反求过程如下所述：（1）分析分析是指对原始产品的功能特点、原理方案、结构构型、工艺过程、产品的造型特色等宏观内容的分析。功能分析是要分析产品的主要功能、分功能和辅助功能。并按照体现机电产品功能的能量、物料、信息，以及与超系统的关系进行分析原理方案分析是要分析总功能及每项分功能各自采用什么样的工作原理，实现同样功能的还可能有的工作原理是什么，比较它的优越性和特色。结构构型分析则主要分析外观构造与形状、色彩。外形构造和谐、配色恰当的产品会具有较大的吸引力工艺过程分析主要是分析产品的工作流程，并与同类产品进行比较其复杂性，以及流程的长短，资源的利用等。2）测测试是指开车运行，并在运行中进行有关性能的测试，即对产品质量有影响的关键性能进行测试。

?试3）分解分解是指对原始产品的解体、拆卸。在有条件的情况下最好能对反求的原始产品进行分解，其主要目的是进一步探索产品的工作原理、结构特性及零部件的特殊结构等。4）测绘测绘主要是对零部件的测量与绘制。测绘前首先要分清标准件与非标准件，分清规则形状零件与不规则形状零件，分清重要零件与一般零件。（5）改进与创新

在反求已知产品的基础上进行设计的形式有三种，它们是：模仿设计、改进设计和创新设计。模仿设计没有太大的实际意义；改进设计是在分析原有产品的基础上对原产品的某些结构、参数、材料等进行部分的改进性设计；创新设计就是在分析原产品的基础上，抓住功能的本质，从原理方案开始进行创新设计

2．软件反求在软件反求过程中，产品样本、技术文件、设计书、使用说明、图纸、有关规范和标准、安装说明、管理规范等均为可用的技术软件。影像反求根据照片、图片、影视画面、宣传广告等资料进行反求设计为影像反求