机械创新设计-绪论

机械创新设计机械创新设计张有忱张莉彦编著清华大学出版社课本一、为什么开设机械创新课程

培养创新的意识和提高机械创新设计的能力二、课程精髓：

创新意识，创新技法

三、如何学习这门课程

听课与创新设计实践相结合四、考核方法考试40%+出勤30%+平时作业30%

主要内容第一章：绪论；第二章：机械创新基础第三章：创新思维与技法第四章：机械系统方案设计的创新第五章：机构的创新：机构变异设计与创新、机构组合设计与创新、机构再生与创新第六章：结构创新第七章：反求设计与创新第八章：典型机械创新与进化第一章绪论

第一节创新与创新方法第二节常规设计、现代设计与创新设计第三节机械创新设计的内容第四节创新与社会进步第五节创新教育与人才培养第一节创新与创新方法一、创新的概念1、发现：是指原本早已存在的事物，经过人们不断努力和探索后被人们认知的具体结果。4、创新：是指提出或完成具有独特性、新颖性和实用性的理论或产品的过程。2、发明：是指人们提出或完成原本不存在的、经过人们不断努力和探索后提出的或完成的具体结果。3、创造：也是一种完成新成果的过程，但可能具有一定的参照物，而不强调原本不存在的事物。最早提出来的是美国经济学家J.I.熊彼特在1912年最早提出，他归纳了5个内容：生产一种新产品；采用一种新技术；利用或开拓一种新材料；开辟一个新市场；采用一种新的组织形式或管理方式。创新具有多个侧面，提高工作效率或巩固了企业的竞争地位；改善人们生活质量等。创新不一定是全新的东西，旧的东西以新的形式出现或以新的方式结合出现都是创新。创新5、创新与创造关系：无本质差别，创新是创造的具体实现。但创新更强调创造成果的新颖性、独特性和实用性6、创新分类：7、创新方式：其一是由无到有的创新其二是由有到新的创新知识创新技术创新应用创新人们认识世界、改造世界的基本理论的总结针对具体的事物，提出并完成具有新颖性、独特性和实用性的新产品的过程把已存在的事物应用到某个新领域，并发生很大的社会与经济效益的具体实现过程二、创新设计的概念1、设计的概念：是指根据社会或市场的需要，利用已有的知识和经验，依靠人们思维和劳动，借助各种平台（数学方法、实验设备、计算机等）进行反复判断、决策、量化，最终实现把人、物、信息资源转化为产品的过程。设计的发展：单凭直觉的创造活动，为了满足生存需要；发展到提高生活质量，形成了现代设计方法。2、创新设计：是指在设计领域中，提出的新的设计理念、新的设计理论或设计方法，从而得到具有独特性和新颖性的产品。1、创造性思维与潜创造能力逻辑思维灵感思维知识三、创造性思维与创造能力的培养2、创创新的的涌动动力存在于于人类类自身身的潜潜创造造能力力，只只有在在一定定压力力和一一定条条件下下才会会释放放出能能量。。四、创创新新方法法简介介1、群群智集集中法法：群群智集集中法法又称称头脑脑风暴暴法2、仿生生创新法法3、功能能设计创创新法4、移置置技术创创新设计计法5、类比比求优创创新设计计法6、反求求创新法法第二节常常规设设计、现现代设计计与创新新设计机械设计方法反向设计正向设计创新设计现代设计常规设计（反求设计）1、常规规机械设设计常规机械械设计方方法是依依据力学学和数学学建立的的理论公公式和经经验公式式为先导导，以实实践经验验为基础础，运用用图表和和手册等等技术资资料，进进行设计计计算、、绘图和和编写设设计说明明书的过过程。该方法强强调以成成熟的技技术为基基础，目目前常规规机械设设计方法法仍然是是机械工工程中的的主要设设计方法法。各高等工工科学校校的机械械设计教教科书主主要讲授授这种方方法。轴的结构构设计过过程按功率计计算出轴轴的最小小直径根据轴上上零件的的周向固固定和轴轴向固定定查阅设计计手册结构设计计2、现代代设计方方法现代设计计方法强强调以计计算机为为工具，，以工程程软件为为基础，，运用现现代设计计理念进进行的机机械设计计。可靠性设设计、优优化设计计、有限限元设计计、计算算机辅助助设计、、虚拟设设计等都都是常用用的现代代设计方方法。现代设计计方法在在强调运运用计算算机、工工程设计计与分析析软件和和现代设设计理念念的同时时，其基基本的设设计内容容是建立立在常规规设计的的基础上上。在强调现现代设计计方法的的时候，，不可忽忽视常规设计计方法的重要性性。3、创新新设计方方法机械创新新设计是是指充分分发挥设设计者的的创造力力，利用用人类已已有的相相关科学学技术知知识，进进行创新新构思、、设计出出具有新颖性、、创造性性及实用性机械产品品的一种种实践活活动。结论：无论设计计方法如如何，常常规设计计仍然是是最基本本的设计计方法，，是机械械设计课课程的根根本内容容。有关关常规设设计的基基本理论论、基本本方法与与基本技技能不应应减少。。三、不同同设计方方法的实实例分析析设计实例例一：薯薯条加工工机的设设计设计实例例二：椰椰肉加工工机的设设计设计实例例三：内内平动齿齿轮传动动装置的设计（作业））设计实例例一：薯薯条加工工机的设设计1、常规规设计：：2、现代代设计：：3、创新新设计：：需要设计计清洗、、削皮、、切条三三套设备备，由于于红薯形状和大大小差异异很大，，控制削削皮的厚厚度较难难，导致致浪费严严重，生生产率也也低。1、常常规设设计方法法第一道工工序：清清洗：设设计清洗洗机第二道工工序：削削皮：设设计削皮皮机红薯固定定，刀旋旋转，完完成削皮皮的任务务。第三道工工序：切切片后再再切条。。刀红薯2、现代代设计：：在设计思思想没有有改变时时，通过过计算机机仿真、、优化设计计等，可可减少削削皮的损损失、提提高生产产率，但仍仍然不理理想。3、创新设计：清洗粉碎过滤去皮挤压成型油炸成产品

创新导致致加工设设备的改改变红薯泥薯条椰子椰肉刀具设计实例例二：椰椰肉加工工机的设设计1、常规规设计：：椰子剖开开旋旋转刀刀具具切削结果不理理想2、现代代设计：：在设计思思想没有有改变时时，通过过计算机机仿真、、优化设设计等，，可减少少椰肉的的损失、、提高生生产率，，但结果果仍然不不理想。。3、创新新设计：：注入溶剂剂，椰肉肉溶化成成汁椰子创造性思思维改变变了产品品加工方方法由机械加加工方法法到化学学方法生生产结论：1、常规规设计方方法是一一切方法法的基础础2、现代代设计方方法是在在常规设设计方法法的基础上上，提高高设计效效率、产产品可靠性和和质量的的设计方方法3、创新新设计的的要素是是强调创创造性的的设计思维维，其结结果具有有巨大效效益4、加强强创新教教育是高高等学校校的职责责第三节机机械械创新设设计的概概念及过过程一、机械械创新设设计的概概念：1．机械械创新设设计（MechanicalCreativeDesign,MCD）：充分发挥挥设计者者的创造造力，利利用人类类已有的的相关科科学技术术成果（（理论、、方法、、技术、、原理等等），进进行创新新构思，，设计出出具有新新颖性、、创造性性及实用用性的机机构或机机械产品品（装置置）的一一种实践践活动。。2．机械械创新设设计包含含两部分分：一是是改进完完善现有有机械产产品的性性能；二二是创造造设计出出新机器器（产品品）3．MCD与常常规机械械设计及及创造发发明的关关系1）MCD与常常规机械械设计①常规机机械设计计：是在在给定机机械结构构或只对对某些结结构作微微小改动动的情况况下进行行的。机械总体体方案设设计———机械的的运动设设计———机械的的动力设设计———机械的的结构设设计②机械创创新设计计：相对对常规设设计，它它特别强强调人在在设计过过程中（（总体方方案，结结构设计计）的主主导性及及创造性性作用。。2）MCD与创创造发明明①机械的的创造发发明大多多属于机机械结构构方案的的创新设设计②MCD要探索索机械产产品创新新发明的的机理、、模式及及方法，，具体描描述机器器产品的的创新设设计过程程，并将将它程式式化、定定量化、、乃至符符号化、、算法化化。③现代机机械设计计方法学学库：机机械创新新设计（（MCD），机机械系统统设计(SD)，计算算机辅助助设计（（CAD）、优优化设计计(OD)、可可靠性设设计（RD）、、摩擦学学设计（（FD））、有有限元设设计（FED））。二、机械械创新设设计的过过程1．MCD的基基本过程程：综合过程程、选择择过程、、分析过过程。2．四个个阶段：：（1）确确定机械械的基本本原理；；（2）机机构结构构类型综综合及优优选；（3）机机构运动动尺寸综综合及其其运动参参数优选选；（4）机机构动力力学参数数综合及及其动力力参数优优选3．机械械创新设设计的特特点：1）多种种学科的的交叉、、渗透与与融合。。2）在知知识和经经验积累累的基础础上进行行思考、、推理、、判断，，以及创创造性发发散思维维（灵感感、形象象的突发发性思维维）相结结合的方方法。3）应尽尽可能在在较多方方案中进进行方案案优选。。4）多次次反复、、多级筛筛选过程程。机械：机器和机机构的总总称机器：人为的通通过运动动变换或或传递机机械能、、物体和和信息的的物件的的组合体体机构：机器中执执行机械械运动的的装置三、有关关机构的的几个名名词术语语机器实例例1、机器器机器所共共有的三三个基本本特征：：3)机器器可以实实现人所所期望的的机械能能、物体体和信息息的变换换和传递递。2)机器器都有确确定的运运动。1)它们们都是一一种人为为的实体体的组合合，而不不是自然然之物。。凡同时具具备上列列三个特特征的实实体组合合便称为为机器。。(2)执行部分分执行部分分处于整整个机器器传动运运动的终终端，完完成预期期的机械械动作。。执行部部分可以以是一个个或多个个构件，，且其结结构形式式随机器器的用途途不同而而呈现不不同形式式。有时时机构也也能成为为执行部部分，如如许多机机械手的的抓取部部分常为为连杆机机构。最一般意意义上的的机器由由下列四四部分组组成：(1)原动部分分原动部分分是机器器动力的的来源。。常用的的原动机机可分成成一次原原动机和和二次原原动机。。一次原原动机把把自然界界的能源源转变为为机械能能。二次次原动机机把二次次能源如如电能、、液能转转变为机机械能。。有的简简单机器器的原动动部分为为人力。。(4)控制制和和操操纵纵部部分分该部部分分的的作作用用是是使使机机器器上上的的原原动动部部分分、、执执行行部部分分和和传传动动部部分分协协调调工工作作。。控控制制部部分分是是指指通通过过测测量量元元件件取取得得机机器器运运行行的的一一定定信信息息，，并并转转换换为为控控制制信信息息，，交交由由控控制制器器发发出出信信号号到到操操纵纵部部分分，，使使被被控控制制对对象象的的运运动动情情况况发发生生变变化化。。(3)传动动部部分分传动动部部分分介介于于原原动动机机与与执执行行部部分分之之间间，，用用以以传传递递运动动及动力力。当当原原动动部部分分的的速速度度大大小小不不能能满满足足执执行行部部分分的的需需要要时时，，传传动动部部分分用用以以实实现现运运动动的的增增速速或或减减速速。。机 器动力部分传动部分执行部分控制部分下图图为为一一台台单单缸缸内内燃燃机机，，可可以以把把燃燃油油燃燃烧烧时时产产生生的的热热能能转转化化为为机机械械能能。。2、、机机构构机构构是是机机器器中中用用来来传传递递运运动动和和力力或或改改变变运运动动形形式式的的机机械械装装置置。。2））组组成成机机构构的的各各构构件件间间有有确确定定的的相相对对运运动动。。1)机机构构都都是是人人为为的的构构件件的的组组合合体体，，且且构构件件总总数数在在3件件及及以以上上（（机机架架也也算算一一件件））。。具有有机机器器的的前前两两个个特特征征：：常用的机构连杆杆机机构构凸轮轮机机构构齿轮轮机机构构间歇歇运运动动机机构构带传传动动和和链链传传动动机机构构螺旋旋机机构构组合合机机构构按照照组组成成机机构构元元素素的的相相互互运运动动平平面面的的平平行行与与否否，，机机构构可可分分为为：：空间机构SpatialMechanisms平面机构PlanarMechanisms机 构Mechanisms1、、机机构构的的创创新新设设计计（1））设设计计出出新新机机构构；；四、、机机械械创创新新设设计计的的内内容容瓦特特发发明明的的蒸蒸气气机机现现安安放放于于西西班班牙牙马马德德里里（2））原原有有机机构构演演化化、、变变异异，，导导致致结结构构变变化化平底底推推杆杆盘盘形形凸凸轮轮机机构构凹圆圆弧弧底底推推杆杆盘盘形形凸凸轮轮机机构构传动动寿寿命命和和效效率率提提高高2、、机机构构应应用用创创新新设设计计BACa)曲曲柄柄滑滑块块机机构构b））偏偏心心盘盘机机构构c））剪剪床床机机构构3、、机机构构组组合合设设计计，，导导致致新新机机构构系系统统的的出出现现机构构组组合合创创新新EDCBAF五、、《《机机械械创创新新设设计计》》的的特特点点及及功功用用1．．特特点点：：（1））内内容容的的现现代代化化；；（（2））具具有有适适应应性性；；（3））具具有有灵灵活活性性；；（（4））重重视视理理论论与与工工程程实实践践密密切切结结合合。。2．．功功用用：：（1））启启迪迪新新机机构构的的创创造造与与发发明明；；（（2））改改善善机机构构结结构构设设计计；；（（3））提提高高机机构构的的传传动动性性能能；；（（4））统统一一机机构构分分析析与与综综合合方方法法。。第四四节节创创新新与与社社会会进进步步一、、创创新新是是人人类类文文明明进进步步的的原原动动力力1、、创创新新对对人人类类科科学学世世界界观观的的形形成成和和发发展展产产生生重重大大影影响响，，并并使使科科学学成成为为一一种种在在历历史史上上起起推推动动作作用用的的革革命命力力量量和和社社会会变变革革的的杠杠杆杆。。创新新是是人人类类文文明明进进步步的的原原动动力力，，是是科科技技发发展展、、经经济济增增长长和和社社会会进进步步的的源源泉泉。。翻开开人人类类发发展展的的历历史史长长卷卷，，可可以以说说，，人人类类文文明明史史就就是是一一部部人人类类生生生生不不息息的的创创新新发发展展史史。。创创新新是是人人类类不不断断进进步步的的原原动动力力。。2、、创新新是是技技术术和和经经济济发发展展的的源源泉泉，，也也是是培培养养和和造造就就科科技技人人才才的的重重要要途途径径没有有创创新新就就没没有有新新兴兴技技术术，，也也就就没没有有经经济济建建设设所所必必须须依依靠靠和和重重视视的的高高科科技技人人才才。。21世世纪纪将将是是知知识识经经济济占占主主导导地地位位的的时时代代。。知知识识经经济济是是以以现现代代技技术术为为核核心心、、以以高高科科技技产产业业为为主主要要支支柱柱，，以以智智力力资资源源为为主主要要依依托托的的新新型型经经济济。。在在知知识识经经济济时时代代创创新新更更是是一一个个国国家家国国民民经经济济可可持持续续发发展展的的基基石石。。对对于于一一个个国国家家而而言言，，拥拥有有持持续续创创新新能能力力和和大大量量的的高高素素质质人人力力资资源源，，就就具具备备了了发发展展知知识识经经济济的的巨巨大大潜潜力力。。缺缺乏乏科科学学储储备备和和创创新新能能力力的的国国家家，，将将失失去去知知识识经经济济带带来来的的机机遇遇。。3、、创创新新能能力力的的大大小小已已成成为为决决定定一一个个国国家家综综合合国国力力强强弱弱的的重重要要因因素素当今今世世界界，，创创新新能能力力的的大大小小已已成成为为决决定定一一个个国国家家综综合合国国力力强强弱弱的的重重要要因因素素。。在在国国际际竟竟争争中中，，国国家家与与国国家家的的竞竞争争越越来来越越明明显显地地表表现现为为科科技技和和人人才才的的竞竞争争，，特特别别是是科科技技创创新新能能力力和和创创新新人人才才的的竟竟争争。。为迎迎接接知知识识经经济济的的挑挑战战，，成成为为祖祖国国建建设设的的有有用用人人才才，，我我们们应应该该加加强强自自己己的的创创新新意意识识和和创创新新能能力力的的培培养养，，拓拓宽宽专专业业口口径径，，积积极极主主动动地地获获取取知知识识。。二、、创创新新是是技技术术进进步步的的主主要要途途径径技术术进进步步一一般般是是通通过过技技术术创创新新来来实实现现，，表表现现为为新新技技术术，，新新产产品品。。实现现技技术术进进步步的的两两条条途途径径：：技技术术引引进进；；自自主主技技术术开开发发。。1．．技技术术引引进进：：（1））技技术术引引进进的的三三个个环环节节：：技技术术引引进进，，技技术术积积蓄蓄、、技技术术普普及及（2））技技术术引引进进的的原原则则：：重重视视技技术术引引进进，，更更重重视视技技术术的的发发展展和和推推广广。。2．．自自主主技技术术开开发发形成成自自主主技技术术开开发发能能力力的的关关键键：：①建建立立适适合合于于技技术术市市场场竞竞争争的的科科技技体体制制；；②培培养养出出能能够够不不断断提提供供创创造造性性成成果果的的人人才才群群体体。。三、、机机械械创创新新对对人人类类的的发发展展杨叔叔子子院院士士：：机机械械很很重重要要，，创创新新很很重重要要，，设设计计很很重重要要。。举例例：：钻钻木木取取火火；；纺纺织织机机；；地地震震仪仪；；水水车车；；指指南南车车；；指指南南针针；；蒸蒸汽汽机机；；机电一一体化化是提提高机机械创创新水水平的的重要要途径径机械、、电子子、计计算机机和自自动控控制等等技术术有机机结合合成一一门复复合技技术。。第五节节创创新新教育育与人人才培培养一、改改革与与发展展创新新教育育是主主旋律律现状：：1、学学生在在校期期间学学的知知识很很多，，但可可应用用于创创造性性劳动动的知知识太太少。。2、25~45岁是创创造力力最佳佳阶段段，我我国大大多数数发明明家在在45岁以以上。。3、我我国每每年培培养有有百万万大学学生，，而年年轻人人中的的发明明家很很少，，美国国麻省省理工工大学学仅1996年年一年年就有有400多多项发发明。。原因：：1、人人才培培养模模式：：以传传授知知识为为主2、科科技体体制，，激励励评价价机制制3、经经济基基础（（经费费）关键是是人才才的培培养（（具有有创新新能力力的人人才））———改革革与发发展创创新教教育是是主旋旋律。。这也也是开开设《《机械械创新新设计计》课课程的的重要要目的的之一一。二、创创新能能力是是人才才培养养的核核心1．创创新人人才的的关键键特征征创新人人才：：具有有主动动进取取精神神和创创造精精神的的人才才。关键特特征：：1）智智商高高，但但并非非一定定是天天才。。智商商高是是创新新的先先决条条件。。但智智商过过高可可能有有害于于创新新，因因为常常规教教育成成绩超超群，，会妨妨碍他他寻求求更多多新知知识。。2）善善出难难题，，创新新人才才善于于给自自己出出难题题，而而不追追求权权威地地位和和自我我形象象。在在科学学知识识急剧剧增长长的时时代创创新人人才的的专长长有赖赖于不不断的的学习习来维维持，，驻足足于以以往的的成就就，是是发扬扬创新新精神神的主主要障障碍；；3）标标新立立异，，不循循陈规规；创创新人人才不不能靠靠传统统做法法建功功立业业，创创新事事业往往往““前无无古人人”，，创新新人才才不愿愿意在在陈规规许可可范围围内工工作，，不喜喜欢做做重复复性的的劳动动。4）甘甘认不不知，，善求求答案案。承承认自自己““不知知道””是创创新的的起点点。创创新须须借助助“不不知道道”带带来的的压力力；6）积积极解解忧，，不信信天命命。挫挫折、、失败败经常常伴随随在创创新的的全过过程中中，创创新需需相信信自己己的好好奇心心，不不随波波逐流流或听听天由由命；；7）才才思敏敏锐，，激情情迸发发。创创新人人才思思维敏敏锐，，激情情迸发发才能能进入入佳境境。5）以以干为为乐，，清心心寡欲欲。创新人人才能能从自自己的的工作作中取取得欢欢乐，，会积积极自自娱于于自己己的探索追追求和和成就就，避避免在在其它它方面面多费费精力力；总结：：陶行行知：：发明明千千千万，，起点点是一一问。。2．非非智力力因素素在创创新能能力培培养中中的作作用智力因因素：：注意意力、、观察察力、、想象象力、、思维维能力力、记记忆力力非智力力因素素：智智力因因素以以外的的心理理因素素，主主要指指：兴兴趣、、情感感、意意志、、性格格1）兴兴趣、、情感感；兴趣是是人们们积极极探索索某种种事物物或某某种活活动的的意识识倾向向，………兴兴趣可可以使使人的的感官官、大大脑处处于最最活跃跃的状状态，，使人人能够够最佳佳地接接受教教育信信息，，有效效地诱诱发学学习动动机、、激发发求知知欲，，兴趣趣是推推动人人们去去寻求求知识识的一一种力力量。。兴趣是是观察察的先先导，，观察察力是是一种种很重重要的的智力力因素素。兴兴趣有有助于于提高高观察察效果果，浓浓厚的的观察察兴趣趣是人人们发发现新新因素素的先先决条条件。。兴趣是是引起起和保保持注注意力力的重重要源源泉，，注意意力是是智力力因素素中的的一种种。兴兴趣使使受教教育者者把注注意力力集中中到某某一学学习和和工作作上去去，凝凝神谛谛听，，敏锐锐地捕捕捉教教学信信息，，全神神贯注注地刻刻苦钻钻研科科学知知识，，一丝丝不苟苟地从从事创创造性性劳动动，兴兴趣使使人们们更加加热爱爱自己己的事事业，，并为为它而而献身身。思维力力也是是一种种智力力因素素。兴兴趣能能够激激发积积极思思维，，使受受教育育者积积极开开动脑脑筋，，寻找找最完完善的的方法法去分分析问问题和和解决决问题题。兴趣可可使人人想象象力更更丰富富。兴兴趣推推动人人们广广泛接接触新新事物物，引引导他他们参参加各各种实实践，，开阔阔眼界界，丰丰富心心理生生活，，为观观察打打下坚坚实的的基础础，使使想象象更加加充实实，使使受教教育者者在已已有知知识能能力的的基础础上，，向新新的知知识领领域和和更高高的认认识阶阶段发发展，，兴趣不仅关关系到受教教育者学习习质量和工工作质量的提高高，而且关关系到他们们潜在素质质和能力的的发展。情感是人的的需要是否否得到满足足时所产生生的一种对对事物的态态度和内心心的体验。。参加实践践和创新活活动，众多多的新经验验、新创造造，能够激激发人们不不断地产生生积极的情情感。积极极的情感对对人的实践践活动又是是一种巨大大的动力，，它推动人人们去克服服艰难险阻阻，实现所所追求的目目标。情感是想象象的翅膀。。丰富的情情感可使想想象更加活活跃，促使使认识向纵纵深发展，，对思维对对象的积极极态度和对对发现新知知识的渴望望，是思维维过程发生生与深入的的重要条件件。求知欲欲强烈、热热情高涨时时，人的思思维活动就就更加活跃跃，效率更更高。形成成创造性思思维，它可可以突破现现有的概念念、定律的的束缚，提提出创新的的见解。情感影响记记忆，记忆忆也是一种种智力因素素。强烈的的情感变化化必然引起起记忆的再再现。积极极的记忆态态度，调动动智力活动动的积极性性，能使注注意力集中中，记忆的的效果就好好。2）意志性性格坚强的意志志力量不仅仅能使人对对事物具有有执着的迷迷恋的趋向向，而且能能使人积极极持久地从从事某一种种活动。性性格是人在在对人、对对事的态度度和行为方方式所表现现出来的心心理特点。。性格和意志志特点，如如勤劳与懒懒惰，踏实实与漂浮，，谦逊与自自负，坚强强与软弱等等等，都是是可以通过过教育使其其转化的。。总之，成功功来源于勤勤奋、来源源于对事业业的坚守。。1、培养创创新意识创造活动首首先来自于于强烈的创创造欲望。。知识和经经验是创造造必不可少少的条件，，但有