第一章创新概论

机械创新设计1总学时32学时，理论学时32学时，2学分本课程按5级记分制计分

90~100为“优秀”、80~89为“良好”、70~79为“中等”、60~69为“及格”、<60为“不及格”机械创新设计主要参考书1刘静等.机械创新设计.北京：机械工业出版社，20212吕仲文．机械创新设计．北京：机械工业出版社，20043张春林．机械创新设计（第3版）．北京：机械工业出版社，20164黄靖远等．机械设计学（第3版）．北京：机械工业出版社，20125刘莹，艾红．创新设计思维与技法．北京：机械工业出版社，20042课程性质“机械创新设计”是现代机械设计学、哲学、认识科学、思维科学、发明创造学交叉形成的一门关于探讨机械创新设计原理及方法的创新设计学，是对机械类专业的学生进行素质教育和创新能力培养的一门选修课。在教学过程中结合新技术发展和新产品开发，启发学生的创新思维，为学生进一步学习有关专业课和日后从事机械工程技术工作及创新设计打下基础。3课程内容本课程的主要内容是从创造学和设计方法学的基础理论出发，通过对创新、创新思维、创造原理和创造技法的介绍，针对开发型、变异型、逆向型创新设计类型，围绕机械设计中的原理方案设计、机构设计和结构设计，通过对大量实例进行归纳、分析，从各个角度广泛探讨机械创新设计的规律。

课程任务本课程的任务是使学生了解机械创新设计的理论基础、创新思维方法和创造原理，初步掌握创新设计方法，为学生今后的创新实践奠定良好的理论基础。45第一章

创新概论第二章创新思维与创造原理第三章原理方案的创新设计第四章机构的创新设计第五章机械结构的创新设计第六章反求工程及创新设计第七章TRIZ理论与创新设计第八章仿生原理与创新设计第九章机械创新设计实例6标志性的飞行汽车1989年，美国科幻电影《回到未来2》上映（《回到未来》系列共3部）自动系鞋带的耐克鞋全息图辅助人类活动的机器人生物特征数据智能家居国际视频通话电子货币无控制电子游戏智能服装第一章创新概论

科学技术的最基本特征就是不断进步，不断创新。

21世纪是科学技术推动知识经济迅猛发展的时代，也是人类创新思维展现和创新能力发挥的时代。“创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。一个没有创新能力的民族，难以屹立于世界民族之林”。大力弘扬创新精神，增强创新能力，是关系我国21世纪发展的重大课题。提高自主创新能力

原始创新集成创新引进消化吸收再创新

78创新，亦作“剏新”，一指创立或创造新的，二指首先据《春秋》，仲子非鲁惠公元嫡，尚得考别宫。今贵妃盖天秩之崇班，理应创新《南史·后妃传上·宋世祖殷淑仪》—汉语词典《经济发展理论》innovation创新1912年626~643年李大师和李延寿父子熊彼特采用新技术；生产新产品；研制新材料；开辟新市场；采用新的组织模式或管理模式意为要有创新思维，能够改进现有事物或创造新的事物发现原本早已客观存在的事物，经过人们不断努力和探索后被人们认知的具体结果。不断出现的新发现，可以帮助人类更加深入地认识世界和改造世界。新的星体、元素周期表的发现等。一般说来，发现新事物，可以帮助人类认识世界；把发现的结果应用到人类社会的实践活动中，就完成了由发现到应用的创新过程。但并非所有的发现都能导致应用创新。

9发明

人们提出或完成原本不存在、经过不断努力和探索后提出的或完成的具体结果。电灯、留声机、电报、造纸术、活字排版印刷术、指南针、火药、电子计算机等。

创造也是一种完成新成果的过程，但这种新成果可能有一定的参照物，而不强调原本不存在的事物。创造往往是借助一种现实去实现另一种目的的过程。如借助已经出现的蒸汽机，安装在陆地车辆上，则创造出机车；安装在船上，则创造出轮船。现实生活中，人们常把发明与创造联系在一起。实际上，严格区别二者的差异没有工程意义。

创新与创造也没有本质差别，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。所以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。

1011创新的分类知识创新技术创新应用创新人们认识世界、改造世界的总结。以理论、思想等形式指导人们的行动针对具体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事物应用到某个新领域并发生很大的社会与经济效益的实现过程相对论辩证唯物主义三心定理格拉肖夫定理计算机机器人加工中心航天飞机曲柄滑块机构应用于内燃机军用激光技术应用到舞台灯光

社会实践中，有两种创新方式。其一是从无到有的创新，其二是从有到新的创新。从无到有的创新都有一个较长时间的过渡期，这种创新的过程就是发明的过程，是知识的积累和思维的爆发相结合的产物。12从无到有从有到新牲畜驱动的车辆

汽车原始汽车

高性能汽车

创新设计设计一词源于拉丁语“designare”，后来发展到英文单词“design”，其含义是指根据社会或市场的需要，利用已有的知识和经验，依靠人们的思维和劳动，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。这里的产品是广义概念，包含装置、设备、设施、软件以及社会系统等。创新设计一般指在设计领域中，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，达到提高设计质量、缩短设计时间的目的。机械创新设计则是指机械工程领域内的创新设计，它涉及到机械设计理论与方法的创新、制造工艺的创新、材料及其处理的创新、机械结构的创新、机械产品维护及管理等许多领域的创新。13机械创新设计实例自行车发展史14机械创新设计实例自行车发展史15机械创新设计实例自行车发展史16

几点启示

1.普通自行车可以有多种新型原理和结构，而且还会不断发展。创新设计是大有可为的。

2.人类和社会的需要是创造发明的源泉。社会的需要促进了自行车的演变和发展，产生了各种具有新功能和新结构的自行车。不断满足社会的需要使创新设计具有强大的生命力。

3.不断发展的科学理论和新技术的引入，使产品日趋先进和完善。例如高速自行车的开发引入了空气动力学和人机工程学的研究成果，新型材料和先进结构的采用以及计算机辅助设计手段的使用，极大地提高了自行车的性能。机械创新设计实例自行车发展史17典型机器分析－内燃机组成往复式四冲程内燃机内燃机3–进气阀、1–气缸体、2–活塞、9–小齿轮、6–曲轴、5–连杆、4–排气阀、8–气门挺杆、10–大齿轮、7–凸轮、主要构成23451671098机械创新设计实例新型内燃机的开发18

工作过程1.活塞下行，进气阀开启，排气阀关闭，混合气体进入气缸；2.活塞上行，进、排气阀关闭，混合气体被压缩，在顶部点火燃烧；3.高压燃烧气体推动活塞下行；4.活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。进气压缩爆炸排气2345167109819

往复式内燃机的缺点

1.工作机构及气阀控制机构组成复杂，零件多；曲轴等零件结构复杂，工艺性差。

2.活塞往复运动造成曲柄连杆机构产生较大的往复惯性力，且随着转速的平方增大，使轴承上的惯性载荷增大，系统由于惯性力不平衡产生强烈振动。往复运动限制了输出轴转速的提高。3.曲轴转动两周才有一次动力输出，效率低。

在改进往复式发动机的过程中，人们发现如果能直接将燃料的动力转化为旋转运动必将是更合理的途径。类比往复式蒸汽机到蒸汽轮机的发展，许多人都在探索转子发动机。20汪克尔发动机(WankelEngine，RotaryEngine)

由德国人菲力克斯·汪克尔(FelixWankel，1902-1988)发明，在总结前人的研究成果的基础上，解决了一些关键技术问题，研制成功的转子发动机。21汪克尔发动机结构示意图1-进气道2-排气道3-转子外壳4-燃烧室5-固定齿轮6-转子7-内齿轮8-偏心轴9-火花塞22进气压缩点火做功排气汪克尔发动机工作过程23设计特点

三角形转子在运动过程中其顶点始终与发动机壳体里的椭圆形壳体表面接触。三角转子的中心绕输出轴(偏心轴)中心公转的同时，三角转子本身又绕其中心自转。在三角转子转动时，以三角转子中心为中心的内齿圈与以输出轴中心为中心的齿轮啮合，齿轮固定在缸体上不转动，内齿圈与齿轮的齿数之比为3:2。三角转子把汽缸分成三个独立空间，三个空间各自先后完成进气、压缩、做功和排气。三角转子自转一周，偏心轴发动机点火做功三次。由于以上运动关系，输出轴的转速是转子自转速度的3倍。24优点

1.精简结构转子发动机将可燃混合气燃烧产生的膨胀压力直接转化为三角形转子和偏心轴的转动力，所以不需要设置连杆，进气口和排气口依靠转子本身的运动来打开和关闭；不再需要配气机构，包括正时齿带、凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧等，所以转子发动机组成所需要的部件大幅度减少。

2.均匀的扭矩特性根据研究结果，转子发动机在整个速度范围内有相当均匀的扭矩曲线，即使是在双转子的设计中，运行中的扭矩波动也与直列六缸往复式发动机具有相同的水平，三转子的布置则要小于V型八缸往复式发动机。25优点

4.可靠性和耐久性如前所述，转子的转速是发动机转速的三分之一。另外，由于与一般的四冲程发动机具有二十多个活动构件相比，结构大大简化，产生故障的可能性也大大降低，在高负荷运动中，更可靠和更耐久。

3.运行更安静，噪音更小对于往复式发动机，活塞运动本身就是一个振动源，同时气门机构也会产生令人讨厌的机械噪音。转子发动机平稳的转动运动产生的振动相当小，而且没有气门机构，因此能够更平稳和更安静的运行。26缺点

2.其它发动机在使用一段时间后容易因为油封材料磨损而造成漏气问题，增加油耗；转子发动机的加工制造技术要求高，成本比较贵，推广困难；其独特的机械结构造成维修困难。

1.耗油量比较大主要是转子发动机燃烧室的形状不太有利于完全燃烧，火焰传播路径较长，使得燃油和机油的消耗增加。而且转子发动机只能用点燃式，不能用压燃式，也就是不能采用柴油。功率输出轴位置比较高，令整车布置安排不便27第一节创新与社会进步

创新是人类文明进步的原动力，是科技发展、经济增长和社会进步的源泉。

1996年，美国微软公司的产值就超过了通用、福特和克莱斯勒汽车公司的总产值。全球信息产业在2000年已超过石油工业，成为全球第一大产业。全球的专利和专利技术贸易额从1985年到1993年增加了20。目前，技术的平均寿命只有5年。高新技术产品的寿命周期更短。2829创新的重要性没有创新能力的民族难以屹立于世界民族之林一个民族进步的灵魂国家兴旺发达的不竭动力30创新与社会进步创新是人类文明进步的原动力，是科技发展、经济增长和社会进步的源泉创新20世纪初的城市只有5

是依靠技术创新取得现代城市发达国家中这一比例高达708031创新成果大量涌现的领域：通信、计算机、网络、生物、材料、医药等5G通信物联网生物医药材料科学创新极大推进社会进步，提高生活水平创新与社会进步32创新与中华民族中华民族是一个富有创造性的民族现在世界上重要的发明创造有一半以上源于中国四大发明造纸术印刷术火药指南针不止耳熟能详的四大发明，中华民族的发明创造还有。。。。33中华民族灿烂的创新历程创新与中华民族建筑李春首创了在主拱图上设小腹拱的敞肩式拱桥赵州桥数学南朝的祖冲之利用刘徽的割图术更精确地算出了π—3.1415926割图术天文学张衡设计和制造了漏水转浑天仪，并对日月星辰做了许多观测和分析漏水转浑天仪机械三国时期马均发明了能连续提水，灌溉用的水机具龙骨水车地质学裴秀创立了绘制平面地图的理论“制图六体”

禹贡地域图物理学墨子公元前400年提出了光是直线传播的理论光的直线传播34新中国的重大发明创造两弹一星牛胰岛素的合成杂交水稻我国发明家从国际展览会上曾先后捧回近百块金牌仅36届(到1987年为止)布鲁塞尔尤里卡世界发明博览会上的500项发明中，我国就有211项世界发明博览会共颁发260块金牌，我国就夺得1/3赵章光获第36届布鲁塞尔尤里卡发明展览会一级骑士勋章创新与中华民族侯氏制碱法第二节创新与传统任何创新都是在传统知识和成果基础上产生的，没有坚实的知识基础，就不可能在已有的技术水平上发展、创新。

随着知识经济的兴起，知识存量的改变迅速加快，知识的新颖性很快就趋于消失，知识的报废率大大提高，社会对知识的需求更加趋于多样化。学习的真正目的在于创新，一切创新活动都应当从学习大量的传统知识开始。传统的学习与研究是一种尊重已有知识，遵循已有方法，高度收敛的思维活动。妨碍人们学习的最大障碍，并不是未知的东西，而是已知的东西。3536创新与传统传统知识和成果是创新的基础传统和惯例形成的思维定势会阻碍创新辨证看待传统受古籍启发，屠呦呦团队成功提取青蒿素过分追求传统，闭关锁国，最终招致清王朝的覆灭东晋葛洪《肘后备急方》37中华民族源远流长的农耕文化孕育出层出不穷的农业技术发明水稻栽培猪的驯化养蚕各式农具精耕细作的优良传统，不仅极大促进中国农耕水平提升，还有力推动了世界农业进步创新与传统38创新与传统神舟飞船空间站FAST天眼北斗系统中华民族刻在骨子里的浪漫，对星空的向往为新时代我国的空天事业取得重大成就打下了坚实基础嫦娥奔月39对待传统文化，我们要辩证地进行扬弃。学习吸收其中先进部分，抛弃其中落后部分扬弃与吸收继承与创新继承优良传统文化，新时代背景下再创新，赋予传统文化时代新生是我们的历史使命

传统和惯例形成的思维定势一、书本定势书是人类拥有的共同财富，是人类智慧的源泉。创新的具体答案在书本中永远找不到。处理问题时，如果不从具体实际出发，知识不但起不到积极作用，反而会束缚人的头脑，降低大脑解决问题的能力。二、经验定势经验是人们通过实践获得的知识、掌握的规律或技能。过分依赖经验，就会形成经验思维定势，使大脑失去想像力。三、权威定势权威的渊博知识和不容置疑的地位对维持人类社会的正常运行具有十分重要的意义。但如果迷信权威，就会轻而易举地否定掉自己的一些创新遐想，扼杀自己的创新意识。40第三节创新与思维

人最强大的力量并非来自肢体，而是人所特有的思维能力。思维—人通过接触外界事物，产生出感觉和印象，然后通过大脑将感觉到的信息加以整理、改造，逐渐把握住事物的本质、规律，从而构成对事物的判断和推理的认识的飞跃过程。创造性思维是创新设计的主体。两类创造性思维逻辑思维以已知的概念和某种规定的思考方式，通过比较、判断、归纳、综合来认识和判断事物。

特点

有序性、递推性、根据性。非逻辑思维形象思维、发散思维、逆向思维、自由联想、灵感顿悟等。

特点

随意性、跳跃性。41第四节创新教育与人才培养

具有一定专门知识和创造能力、积极从事创造性劳动的人被称为创造性人才。在当今的社会竞争中，需要大量的创造性人才。缺乏创造性人才，必将影响一个国家的发展和强大，影响一个国家的综合实力。加强创新教育是加速培养创造性人才的重要手段和方法。一、创新教育是改革的主旋律据统计，我国近年涌现出来的发明家大多在45岁以上，而根据科学技术的发展史统计情况，创造能力最强的年龄段为25~45岁。我国每年约培养出几百万大学生，但他们之中涌现出来的发明家或创造性人才却很少。这种情况说明了我国的高等工程教育中，对创造与发明能力的培养是十分薄弱的。42麻省理工学院是美国培养最富有创造性人才的大学，仅在1996年，他们的研究人员就提出了400多项发明，学院的师生走在现代化科学技术的最前面，时刻在创造美国赖以占领全球未来高科技市场的新知识和新技术，成为美国高科技人才与创造人才的摇篮。我国高等工程教育在计划经济时代形成的教育体制下，用一个统一的培养模式来塑造全体大学生，已经不适应改革开放后的社会主义市场经济的发展，也不适应科学技术发展的新趋势和新特点，难以培养出在国际竞争中处于主动的人才。为适应21世纪的知识经济和高科技发展的需要，必须探索新的人才培养模式，注重培养学生主动获取和运用知识的能力、独立思维和创新能力，开设机械创新设计课程就是措施之一。43二、创新能力是人才培养的核心当代社会的发展最需要具有主动进取精神和创新精神的人才，而主动进取精神和创新精神的养成离不开人的个性的发展。

(一)创新人才的关键特征

勇于探索和善于创新是创造性人才的主要特征。美国犹他州大学管理学院教授赫茨伯格通过分析几十年各行各业涌现出的大量创新人才实例后，总结出创新人才的关键特征：(1)智商高，但并非天才。智商高是创新的先决条件之一，但过高的智商有时会有害于创新，因为在常规教育中成绩超群，有时会妨碍寻求更多的新知识。(2)善出难题，不谋权威。善于给自己出难题，而不谋求自我形象和权威地位是创造型人才持续成功的重要特征。44

(3)标新立异，不循陈规。创新人才不能靠传统做法建功立业，惯于在陈规范围内工作的人往往把精力消磨在大量重复性的劳动中，难以取得突破。(4)甘认不知，善求答案。承认自己“不知道”是创新的起点，“不知道”或“不清楚”会给追求答案带来压力，压力转换为动力，是创新力量的源泉。

(5)清心寡欲，以工作为乐。在工作中追求幸福与快乐，在工作中享受生命是创新型人才共有的特征。(6)积极解忧，不信天命。挫折和失败经常伴随着创新的全过程，困难面前排忧解难，勇往向前是创造型人才的基本特征。(7)才思敏捷，激情迸发。敏锐的思维和热情奔放的工作激情是生命最充分的延伸，是创新人才工作渐入佳境的条件，也是成功道路上前进的标志。45

(二)注重非智力因素的培养非智力因素在创新能力的培养中有重要作用。一般说来，智力因素是由人的认识活动产生的，主要表现在注意力、观察力、想象力、思维力和记忆力五个方面。非智力因素是由人的意向活动产生的，主要表现为兴趣、情感、意志和性格。1.兴趣

兴趣是人们在探索某种事物或某种活动时的意识倾向，是个性中具有决定性作用的因素。兴趣可以使人的感官或大脑处于最活跃的状态，使人在最佳状态接受教育信息，有效地诱发学习动机和激发求知欲。所以，兴趣是人们寻求知识的强大推动力。科学家爱因斯坦说：“兴趣是最好的老师”。

462.情感情感是人的需要是否得到满足时所产生的一种对事物的态度和内心的体验。任何创造性活动都离不开情感。情感是想象的翅膀，丰富的情感可以使想象更加活跃。3.意志意志是为达到既定的目标而自觉努力的心理状态，在智力的形成与发展中起着重要的作用。坚强的意志才能保证人们在探索与实践的道路上百折不挠。4.性格

性格是人的行为方式所表现出来的心理特点。性格影响人的智力形成与发展。良好的性格是事业成功与否的重要条件。47第五节创新与机械创新设计

设计是人类改造自然的创造性劳动，设计的本质就是创新。

设计是为满足社会需求而进行的一系列创造性思维活动的实践过程，其核心是创新。设计是产品研制中的第一道工序，设计工作的质量和水平直接关系到产品的质量性能、研制周期和技术经济效益。在产品设计中，大力倡导和推广创造性方法非常重要。48从设计人员的能力、经验、水平以及设计产品的最后成果水平来评价，设计可以分为四个等级。

正确设计设计无重大原则性错误，但由于设计人员的经验而存在一些考虑步骤的细节性的缺陷和不足。一般正确设计的成果不能直接作为产品而投入大批量生产。

成熟设计原理上正确，在制造和运行时不存在明显缺陷的设计，一般由长期从事设计并具有制造实践经验的设计人员完成。成熟设计有可能从技术上看是落后的，产品是缺乏竞争力的。

创新设计产品功能或实现原理或结构方面具有创新的设计。创新设计有很强的生命力，也许会成为有极强竞争力的产品。创新设计并不一定保证“正确”和“成熟”，更不能保证市场成功率高。

优势设计面向市场具有竞争优势的设计，属于设计分级的最高层次，必须以正确设计和成熟设计为基础，同时也必须以创新设计思想来创造竞争优势。

49正确设计成熟设计创新设计四个等级的设计优势设计50

机械产品设计应具有的特征

需求特征产品设计的目的是满足人类社会的需求，需求是设计的驱动力。

创造性特征

设计者要适应时代的发展和科学技术的进步，不断更新老产品，创造新产品。

程序特征

任何产品设计都有设计过程，即从明确设计任务到完成技术文件的整个设计工作的流程。任何设计都是开发和创造新的系统和结构的过程。设计过程叫作设计程序。按设计程序进行工作，才能提高效率，保证设计质量。

时代特征设计活动受时代的物质条件、技术水平限制，各种产品设计都具有时代的特征。51是是重做项目取消重做项目取消机械产品设计过程框图组成团队开发任务市场调研预估进程和成本审批项目计划项目界定和计划确定顾客确定顾客需求评估竞争形势制定工程计划书设定目标审批计划书计划书界定52是是重做重做项目取消项目取消生成概念评价概念概念决策编制文档和交流审批概念概念设计作出产品决策审批投产产品开发改进计划机械产品设计过程框图生成产品性能和稳健性成本生产评价产品编制文档和交流＊材料明细表＊图纸53支持供货商支持工程改变支持顾客支持制造和装配产品支持产品退役机械产品设计过程框图54

一、设计方法的发展

直觉设计阶段(17世纪以前)

人们从自然现象中直接得到启示，或全凭人的直观感觉来设计制作工具。设计方案存在于手工艺人头脑之中，无法记录表达，产品简单。

经验设计阶段(17世纪后期)随着生产的发展，需要更多、更好、更复杂的产品，因而需要手工艺人的互相协作，于是出现了图纸。图纸可以记录经验和构思，用于产品的分析和改进提高，进行复杂产品的设计制造，满足更多的人同时参加同一产品的生产活动和满足社会对产品的需求及提高生产率的要求。55

半理论半经验设计阶段（20世纪以来）以理论计算和长期设计实践而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比方法等进行设计，即传统设计，又称常规设计。

现代设计阶段（近30年以来）设计工作所需的理论基础和手段有了很大的进步，特别是电子计算机的发展和应用，对设计工作产生了革命性的突变，为设计工作提供了设计自动化和精密计算的条件。对产品的设计已不仅考虑产品本身，还要考虑对系统和环境的影响；不仅要考虑技术领域，还要考虑经济、社会问题；不仅考虑当前，还要考虑长远发展。一、设计方法的发展56

二、常规设计、现代设计与创新设计机械设计方法对机械产品的性能有决定作用。一般来说，可把设计方法分为正向设计和反向设计(反求设计)。

正向设计首先明确设计目标，然后拟定设计方案，进行产品设计、样机制造和实验，最后投产的全过程。正向设计方法可分为常规设计(又称传统设计)方法、现代设计方法和创新设计方法。

反向设计首先引进待设计产品，以此为基础，进行仿造设计、改进设计或创新设计的过程。

57

常规设计以力学和数学建立的理论公式或经验公式为先导，以实践经验为基础，运用图表和手册等技术资料，进行设计计算、绘图和编写设计说明书的设计过程。其特点是设计方法的有序性和成熟性。(1)市场需求分析完成市场调研报告。(2)明确产品的功能目标明确设计任务书。(3)方案设计拟定运动方案，通过对设计方案的选择与评价，最后决策确定出一个相对最优的方案。

(4)技术设计主要包括机构设计、机构系统设计(含运动协调设计)、结构设计、总装设计等，完成设计说明书和全部设计图的绘制工作。(5)制造样机制造样机并对样机的各项力学性能进行测试与分析，完善和改进产品的设计，为产品的正式投产提供有力证据。58

常规机械设计方法是应用最为广泛的设计方法，也是相关教科书重点讲授的内容。如机械原理中的连杆机构综合方法、凸轮轮廓曲线设计方法、齿轮几何尺寸的计算、机械平衡设计方法、飞轮设计方法以及其他常用机构的设计方法等，都是常规设计方法。常规机械设计方法的设计过程有章可循，是机械设计中不可替代的方法。目前的机械设计大都采用常规的设计方法。

59d1d2d4d3l1l2l3l

3Bsaasl4B轴系结构的常规设计60

现代设计一种新型设计方法，其在机械设计过程中的优越性日渐突出，应用日益广泛。现代设计是以计算机为工具，以工程设计与分析软件为基础，运用现代设计理念的新型设计方法。与常规设计方法的最大区别是强调运用计算机、工程设计与分析软件和现代设计理念，其特点是产品开发的高效性和高可靠性。现代设计的内容及其广泛，可运用的学科繁多。计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、有限元设计、并行设计、虚拟设计等都是经常运用的现代设计方法。61现代机械设计方法汇总表按设计步骤分按设计内容分按设计方法分按设计思想分施工设计工艺设计初步设计控制系统设计传动设计造型设计工作参数设计几何参数设计机构设计结构设计概念设计试验设计工艺设计动力学设计运动学设计摩擦学设计容差设计强度设计基础设计可靠性设计监测系统设计诊断系统设计62现代机械设计方法汇总表按设计步骤分按设计内容分按设计方法分按设计思想分改型设计优化设计智能设计虚拟设计网络设计反求设计并行设计可视化设计协同设计相似性设计数字化设计快速反应设计集成设计柔性化设计融合设计模块化设计模糊设计优势设计CAD三次设计绿色设计创新设计基于质量功能的设计基于价值工程的设计基于系统工程的设计稳健设计63

现代设计方法具有很大的通用性。例如，优化设计的理论不仅可用于机构的优化设计、机械零件的优化设计，而且可用于电子工程、建筑工程等许多领域中。因此，通用的现代设计方法和专门的现代设计方法都发展得很快。如优化设计与机械优化设计、可靠性设计与机械可靠性设计、计算机辅助设计与机构的计算机辅助设计等并行发展，设计优势明显，应用范围日益扩大。现代设计方法在强调运用计算机、工程设计与分析软件和现代设计理念的同时，其基本的设计过程仍然是运用常规设计的基本内容。ADINA、NASTRAN、I-DEAS、PRO-E、UG、SolidEdge、SolidWorks、ADAMS等，都是常用的工程设计分析软件。64

创新设计设计人员在设计中发挥创造性，提出新方案，探索新的设计思路，提供具有社会价值的、新颖的而且独特的设计成果。其特点是运用创造性思维，强调产品的独特性和新颖性。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知识进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性和实用性的机构或机械产品(装置)的一种实践活动。它包含从无到有和从有到新的设计。

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机械创新设计是相对常规设计而言，它特别强调人在设计过程中，特别是在总体方案、结构设计中的主导性及创造性作用。一般来说，创新设计时很难找出固定的创新方法。创新成果是知识、智慧、勤奋和灵感的结合。现有的机械创新设计方法，大都是根据对大量机械装置的组成、工作原理以及设计过程进行分析后，进一步归纳整理，找出形成新机械的方法，再用于指导新机械的设计中。

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三、不同设计方法的设计实例分析

1.薯条加工机的设计(1)常规设计方法第一道工序：清洗设计清洗机。

第二道工序：削皮设计削皮机。马铃薯固定，刀具旋转，完成削皮任务。第三道工序：切片后再切条完成切条的任务。

缺点需要清洗、削皮、切条三套设备，而且由于马铃薯形状和大小差异很大，控制削皮的厚度很难，导致马铃薯浪费严重，生产率也低。67

(2)现代设计方法采用计算机仿真、优化设计等现代设计方法，可减少消耗、提高产量，但产品的工序基本同常规设计，生产机械的本质没有变化。

(3)创新设计方法第一道工序：清洗设计清洗机。第二道工序：粉碎、过滤去皮、沉淀制浆、通过型板压制成条状。很明显，利用创新方法设计的加工机具有更大的市场应用前景。68

2.椰汁加工机的设计(1)常规设计方法第一道工序：去椰皮，劈两半。

第二道工序：设计削肉机。

椰壳固定，刀旋转，完成削肉的任务。第三道工序：粉碎制汁。

缺点需要削皮、分开、去肉、制汁三套设备，而且由于椰壳形状和大小差异很大，控制切肉的厚度较难，导致浪费严重，生产率也低。69

(2)现代设计方法采用计算机仿