机械创新设计

机械创新设计创新设计是现代产品设计理论的重要内容之一｡随着知识经济时代的到来,社会的进步与经济的发展更加依赖于人类的创新实践活动｡开展创新设计的研究对于建设创新型国家有重要意义｡1创新的内涵20世纪初,全球社会生产力的发展中只有5%是依靠技术创新取得的,而现在发达国家中的40%是依靠技术创新取得的｡美籍奥裔经济学家熊彼特(JosephA.Schumpeter)于1912年在其著作《经济发展理论》中将“创新”作为一个经济学概念首次提出｡熊彼特认为创新是发明的第一次商品化,也就是说,把发明引入生产体系并为商业化生产服务的过程就是创新,它意味着建立新的生产函数或供应函数,是在生产体系中引进一种生产要素和生产条件的新的组合｡而发明实际上就是一个产品创新的过程,其关键是设计的创新,设计创新是实现产品创新的根本基础｡因此,创新设计的重要性就显而易见了｡创新设计是一种创造性的智力活动,是设计者充分发挥自己的创造力,利用人类已有的科学技术成果,进行创新构思,应用新技术､新原理､新方法进行产品分析和设计的过程｡2创新方法的发展创新是一个及其复杂的过程,人类对创新本质的认识与研究还远远达不到科学的层次｡但是众多创新学者,经数十年的研究发现,科学技术的发明创造有一定的规律可循,他们大多是以原则､诀窍､思路形式指导人们克服心理和思维的障碍,改善思维的灵活性的过程｡自20世纪30年代至80年代,世界上出现了300多种创新技法,10多种创造原理｡这些创新技法,各自从不同的角度､在一定程度上突破了制约创新的相关因素的限制｡所谓创新技法就是在创造心理､创造性思维方法和认识规律基础上的技巧｡这些创新技法不存在科学的逻辑关系,大多数目前在理论上处于“初生期”,还远远未达到纯粹的科学水平｡从思维的角度,创新是人类驾驭形象思维与逻辑思维､发散思维与收敛思维的过程｡经过数十年的发展,在掌握已有创新技法的基础上,结合认知科学､人工智能､设计方法学､科学技术哲学等前沿学科,创新设计方法已成为一门独立且有待于开发的新的设计技术和方法｡创新设计方法的发展历程最初的创新研究侧重于人的创造性思维,总结出一些具有指导意义的规律,形成各种创新技法,如:头脑风暴法､联想法､类比法､侧向思考､仿生法等｡后来,创新方法的研究开始注重以知识(专利)为基础,通过对专利的分析与研究,总结创造活动所遵循的创新原理,该阶段的典型创新方法是TRIZ理论｡随着计算机技术的发展,创新方法的研究也出现新的趋势,在现阶段,各种成熟的创新设计方法开始集成化研究与应用,并与计算机(包括网络)技术相结合,形成计算机辅助创新(CAI:ComputerAidedInnovation)技术,如:QFD､可靠性设计､网络协同创新技术､有限元分析等各种成熟的技术和方法开始融入到创新设计过程中｡3机械产品创新设计的研究机械产品创新设计的研究对于提高机械产品的设计水平､提高产品的竞争力有着重大的意义,受到世界各个国家的普遍重视｡机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力,利用人类己有的相关科学技术成果(含理论､方法､技术原理等),进行创新构思,应用新技术､新原理､新方法进行产品的分析和设计,设计出具有新颖性､创造性及实用性的机构或机械产品(装置)的一种实践活动｡一般来说,创新设计包括全新设计和适应型创新设计两类｡需要指出的是,创新设计和概念设计并不是同一个概念,概念设计的核心是进行设计创新,而创新设计并不尽限于概念设计阶段｡在产品设计的各个阶段均有创新设计的问题,但是最主要的是在概念设计阶段进行创新｡国内外学者针对机械产品创新设计,分别从设计的本质､设计的过程以及设计的方法等不同方面,做了大量的研究工作｡4机械产品创新设计存在的问题及展望通过上述文献的研究可以看出,尽管人们从不同角度对创新设计进行了数十年的研究,取得了一些成果,但是产品创新设计过程中还有一些问题仍没有解决,成为今后研究的重点｡(1)创新设计本质过程的研究这实际上也是对设计的创新本质的认识｡尽管人们从思维方法､设计手段等多方面对创新问题进行探索,现在对创新的实质过程仍没有一个统一的､深层次的认识,无法形成一个完整的理论去指导创新实践｡在这方面我们仍需要做大量的工作｡(2)创新设计中知识的表达与应用首先,产品创新过程涉及多学科､多种技术,如何将设计知识组织管理,满足设计主体对知识的需求是今后的研究重点｡其次,为创新设计过程建立科学的产品模型,结合现代CAD技术,支持创新方案的快速表达,对于提高设计效率有重要意义｡(3)设计理论研究与设计工具开发存在严重脱节人们对于设计理论及创新问题进行了大量研究,但是理论研究与设计工具,特别是产品的结构设计工具存在严重的脱节｡一方面某些机械结构设计理论和方法的研究较少考虑计算机实现的问题;另一方面设计工具开发时,又没有适合计算机进行的结构设计自动化和智能化理论｡需要深入研究机械产品设计中功——构映射的本质规律｡(4)创新设计过程的集成化技术研究创新设计过程的集成化技术的重点在于概念设计的集成化实现,主要是指产品的原理方案创新与结构方案创新的集成｡现有的设计理论或设计工具多是从不同的角度,考虑某阶段的创新实现问题,如:TechOptimizer可以辅助实现产品原理方案的创新,但需要其他CAD系统完成结构的设计工作;一些大型的CAD/CAE/CAM商品化软件,如:UG､Pro/E等均开发出了支持概念设计的工业设计模块或草图设计模块,但是这些模块基本上仍是计算机辅助绘图的工具,几乎不支持原理方案的创新｡缺乏统一的创新设计理论指导创新设计过程,是造成原理方案创新与结构方案创新的集成度低的主要原因｡要实现创新，就必须要有创新设计和创新思维的概念。-.创新设计的概念机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力,利用人类已有的相关科学技术成果(包括理论、方法、技术、原理等),进行创新构思,设计出有新颖性、创造性、实用性的机构(结构)或机械产品(装置)的一种实践性活动,它是建立在现有机械设计理论基础上,吸收科技哲学、认识科学、思维科学、设计方法学、发明学、创造学等相关学科的有益成分,经过交*而成的一种新的设计技术和方法。二、创新设计机械创新设计与常规机械设计相比,特别注重设计者在设计过程中,尤其是在总体方案结构设计阶段中的主导性及创造性作用,探索机构或机械产品创新发明的机理、模式和方法,具体描述机械产品创新设计过程,并将其清晰、准确地用工程图样等技术文件表达出来。机械创新设计的特点是:(一)独特性应追求与前人、众人不同的方案,善于打破常规设计思维、惯例,提出新功能、新原理、新结构,在求异和突破中体现创新;这就涉及多种学科的交*,这就要求学生对知识有全面的掌握如机械、液压、电力、气动、热力、电子、光电、电磁及控制等。(二)实用性应从产品的市场适应性和可生产性两方面出发,设计产品的新功能、新结构,没有实用性的产品或无法加工的新结构都是纸上谈兵,不是真正的创新;这就要求学生在日常的生活中多观察和发现。(三)多方案选优应从多方面、多角度、多层次寻求多种解决问题的方案,在多方案中求新、求异、选优。机械创新设计的目标是由所要求的机械功能出发,改进、完善现有机械或发明新机械,实现预期的功能,并使其具有良好的工作品质及经济性;这就要求在设计中要注意思维的扩散。根据不同的设计对象,必须对采取哪种创新设计方法做出比较和判断。创新设计方法通常可分为:开发设计、改型设计和变异设计3种。1.开发设计。主要针对新研设备提出新的结构设计方案,完成从规划、方案、技术设计到加工、生产的全过程。新的产品的开发给人门带来了方便,提高了工作效率。2.改型设计。在已有设备的基础上,针对原有的缺陷或新的工作要求,从工作原理、机构、结构、参数、尺寸等方面进行一定的改进设计,以提高设备质量、可*性等,使设备满足新的工作要求。如在基本型设备的基础上,开发不同参数、尺寸或不同功能、性能的改型系列设备,就是改型设计的成果。这种设计有利于发展产品品种;有利于提高设计、生产效率,缩短交货期;有利于提高产品的质量和可*性;使产品具有良好的可维护性等。例如内燃机增加增压器,以增大输出功率;增加节油器,以节约燃料。3.变形设计。针对已有的先进设备或结构设计,进行深入分析,探索、掌握其关键技术,在消化、吸收的基础上,设计出同类型其它类似的创新设备。它的实现过程可以最大限度地重用企业已有的成熟产品资源,具有很强的灵活性和适应性,不但可以快速开发产品、响应市场,而且还可以极大地降低产品设计阶段的成本,是一种适应于大规模客户化定制生产模式的现代设计方法。变形设计有效地解决了大批量生产的低成本、短交货期与定制生产的高成本、长生产周期的统一问题`。例如将台式电风扇设计为落地式电风扇。开发设计以开创探索创新,改型设计通过改进创新,变形设计在吸取、消化中创新。三、创新思维的概念创新思维是人们在学习、生活、工作或问题解决过程所表现出来的能够产生新颖独创性产品与观念的一种思维方式。提高创新能力的根本是提高创新思维,是进行创新思维的培养和训练。创新思维不是逻辑推理的结果,而是非逻辑的。创新思维通常是通过类比、联想,从看起来毫不相关的事物中得到启示,跳跃式的想象出来的。四、创新思维对于学生学习完《机械设计》这门课程后,对于学生来说表现出的创新能力不一定是开发出对于这个世界来说新的机械。事实上,学生每天都在创新。比如学生在学习《机械设计》这门课程的时候通过学习和思考在不断改变自身对机械设计的认识,而对于他们自身的思维来说就是全新的,因为其从别人那里学习了并且合并了,从而产生了一个“新”的对《机械设计》的理解。孔子说:“学而不思则罔,思而不学则殆。”所以在《机械设计》这门课程教学中学与思是教学过程中有机统一的两个方面。因此,要指导学生进行探究性阅读,使学生会思、善想,这样才能更好的对《机械设计》这门课程有个“新”的认识。机械零件的机构受到强度、刚度、稳定性、工艺性、摩擦、磨损、寿命、标准化等方面的限制,因而具有约束性;机械传动的方案可由多种运动形态及变换并配以不同的运动控制方式来实现,因而具有多解性;机械设计的结论受客观矛盾因素的影响和主观判断能力的局限,因而具有相对性。机械的这种约束性、多解性和相对性特点。为《机械设计》创新思维中的“学”和“思”的培养提供了广阔的空间。我们常把思维的过程称为“思路”,是因为可用路径问题来说明人类思维过程。而对于《机械设计》创新思维的路径是“学”和“思”。(一)积极学习独立思考,培养思维的求异性首先,教师要帮助学生树立自信心,不盲从。“师不必贤于弟子,弟子不必不如师”的古训,“人非圣贤,孰能无惑”的道理,都是很好的教育素材。其次,教师要经常启发学生。在学习的过程中知道在传统的机械设计中,书本上总是有对各种机构、构件和零件的性能、应用限制,比如带传动难以克服弹性滑动,链传动不可以用在交*轴之间的传动、两轮反向传动或转动等等。这些限制对于缺乏实践经验的学生们往往视之为雷池,不敢逾越半步,这个时候就首先要求学生在学习过程中对带传动、链传动有深刻的理解:在带传动中,为了克服带的弹性滑动,能否在带的内侧上安装一些突出的齿,带轮上也加工出对应的齿,形成齿形带呢?为了综合V带与齿形带的优点,能否将二者做在一起形成复合带呢?在链传动中,链传动属于半挠性体机构,链条中有刚性的链节,不可能交*使两轴作反向传动或交错轴间的传动。能否想办法在链条做下改变呢?或者能否把链条中的链板变