1、2 機械創新設計簡介與基礎知識在新的世紀里競爭日益激烈，科學技術依然是推動人類社會進步的第一生產力。創新是人類文明進步的原動力，是技術和經濟發展的源泉，也是培養和造就人才的重要途徑，在世界進入知識經濟的時代，創新更是一個國家國民經濟可持續發展的基石。人類的科技已經到達很高的水平，特別是機械行業，傳統的設計水平進步很慢。而現在人們的需求也越來越高，所以人們迫切需要創新設計。2.1創新設計概論創新設計是一種現代設計方法，它是研究設計程序、設計規律和設計思維與方法的一門新型綜合性科學。在機械設計過程中，創新設計對更大程度的滿足人類生產和生活的需要，促進經濟的發展和社會的進步有非常重要的作用。說起創新

2、設計大家總覺得很神秘、陌生。其實回想歷史上的許多發明家，我們不難看出，創新發明其實有時候只是我們身邊存在的小問題，經過我們思考之后加上靈感找到解決問題的方法或是發現新的事物。比如傳說魯班爬山時手被草割破，經過他的仔細思考發明了至今仍在使用的鋸子；還有瓦特觀察大水燒開后能將壺蓋頂起，依據這個原理他發明了蒸汽機，導致了第一次工業革命。另外創新設計需要勇氣和毅力。大家一定知道袁隆平先生歷盡磨難研究成功雜交水稻的事跡。這正是告訴了我們在進行創新設計過程中要破除思想封鎖，樹立信心，持之以恒，最終一定能解決問題。但是我們也需要逐步培養起分析創新設計可行性的能力，不能盲目到想要發明一種以水為燃料的內燃機。2

3、.2 機械創新設計（MCD）的概念及創新人才培養機械創新設計（MCD）是指充分發揮設計者的創造力，利用人類已有的相關科學技術成果（含理論、方法、技術、原理等），進行創新構思，設計出具有新穎性、創造性及實用性的機構或機械產品（裝置）的一種實踐活動。其目的是由所要求的機械功能出發，改進、完善現有機械或創造發明新機械實現預期的功能，并使其具有良好的工作品質及經濟性。所以培養創新人才要做到如下幾點：第一；要勇于創新和善于探索，有信心，勇氣和創意。第二：要掌握創新原理和創新技法。我們應通過學習和訓練培養良好的創造心理，并要多思考多練習，將思維運用到實際中去，以提高創新的技法。第三：要有創新的物質條件和精

4、神條件。第四：要有創新的意識，有較強的邏輯思維能力。創新不是空想，更不是不切合實際的想象，應該擁有創新的意識和較強的邏輯思維能力，能夠把感性認識上升到理性認識，能夠透過現象看其內在的本質，而且不能將思維停留在過去或現有的模式中，這樣才可能創造出新穎先進的產品。第五：加強創新實踐。在實踐中鍛煉創新能力更勝于學習理論知識。創新設計實踐包括了解問題、設計方案和執行方案三個階段。2.3 創新設計的分類機械創新設計通常分為以下幾種類型。1.開發性設計 即在工作原理、結構等完全未知的情況下，針對新任務提出新方案，開發設計出以前沒有的新產品。例如有人利用磁鐵的同極相斥異極相吸的原理設計了一種磁力驅動裝置，該

5、裝置使用固定磁鐵與旋轉磁鐵同極相對，使兩磁鐵間出現相斥的力，先由外力啟動，然后由永久磁鐵的磁力驅動轉子繼續旋轉，并向外輸出能量，從而產生一種潔凈、高效廉價的新能源。2.變型設計應包括轉用創新 即將某一已有的成熟的技術和結構進行適當變異，設計出使用領域更廣的產品。3.適應性設計 亦稱反求設計。針對已有的產品設計，在消化吸收的基礎上，對產品作局部變更或設計出一個新部件，使產品更能滿足使用要求。4.組合創新設計 將已有的零部件組合成為一種新產品，實現一種新的整體功能。例如，世界上的第一輛汽車就是組合創新的優秀成果，它是將汽車時代以前就有的轉向裝置、剎車裝置、彈簧懸架等組合在一起成為新的交通工具。組合

6、創新設計要求組合后的產品在性能上具有1+11的效果，而在結構上則為1+11。開發設計以開拓、探索創新，變型設計通過變異創新，適應性設計在吸取中創新，組合創新設計，則是在結構或機構的綜合上創新。總之，創新是各種創新設計的共同點。2.4創新設計的特點創新設計具有以下特點：1.創新設計是有目的、有約束的創造活動。它以滿足社會需要為出發點，為社會提供實現預期功能的產品。因此創新設計的創造模式為：社會需要設計產品。2.創新設計離不開繼承。創新設計當然要求不斷的更新換代，但是任何一種創新設計都是在前人設計或是理論的基礎上進行改造、創新發展起來的，是一種“繼承+創新”的成果。3.創新設計的模糊性。創新設計的

7、過程不如傳統的再現性設計那樣明確。因此當你拿到一個設計課題時，必須先進行需求調查，考慮已有條件分析其可行性，然后進行創新思維，所以說創新設計是一個探索的過程。2.5 機械創新設計的基礎知識在上面的介紹中我們了解了機械創新設計的概念和特點等，也知道了進行機械創新設計需要具備很多的條件（包括創新設計的原理和方法），在介紹機械創新設計的基本原理和方法前，我們還應該掌握機械創新設計的基礎知識。只有有了具備了創新設計的條件，再結合機械創新設計的基礎知識、原理和方法，才能在實際工程領域的創新實踐中發揮出很好的成績。2.5.1機械的基礎知識1.機械的概念機械是機構和機器的總稱。我們在實際工程的領域中，常把具

8、體的機械叫機器或機構，把機器中的機械運動系統叫機構。從功能變換的觀點看，機構與機械有很大的區別。機器指用來根據某種使用要求而設計的一種執行機械運動的裝置，而機構都是用來傳遞與變換運動和力的可動裝置。機械是用來傳遞運動或動力的能完成有用機械功的裝置，用來變換或傳遞能量、物料與信息。其特點如下：1）機械首先必須是執行機械運動的裝置。2）機械必須進行物料或信息的變換與傳遞，并完成有用的機械功。3）機械中必須要完成能量的轉換。執行機械運動的裝置是機械的主體，該部分是創新設計的重點內容。其運動方案部分相當于機械原理中的機構運動系統簡圖的設計。是否完成有用的機械功是辨別能否成為機械的關鍵條件。從機械學的角

9、度看，電視機、計算機不是機械，這是因為它們的內部結構不是執行機械運動的裝置，也沒有克服外力作機械功。而剝線鉗、手搖鉆、門窗啟閉的桿件系統等裝置，因沒有能量的轉換，一般稱之為機構，由于機構也是執行機械運動的裝置，故納入機械的概念中。根據機械的特點，還可把機械分為動力機、工作機和信息機。動力機：一般也叫原動機，是一種把其它形式的能量轉化為機械能的機械。按原動機轉換能量的方式可分為三大類。第一類有三相交流異步電動機、單向交流異步電動機、直流電動機、步進電動機等，它們都是把能量轉化為機械能的機器。第二類有柴油機、汽油機、蒸汽機、燃汽機輪、原子能發動機等，它們都是通過燃煤、油、鈾獲得熱能再轉化為機械的機

10、器。第三類有水輪機、風力機、潮汐發動機、地熱發動機、太陽能發動機等，它們都是把自然力轉化為機械能的機器。根據原動機輸出的數學性質，還可以把原動機劃分為線性原動機和非線性原動機。當原動機輸出的位移（或轉角）函數為時間的線性函數時，稱為線性原動機。如交、直流電動機是線性原動機。當原動機輸出的位移（或轉角）函數為時間的非線性函數時，稱為非線性原動機。如步進電機、伺服電機是非線性原動機。非線性原動機包括控制系統，也可作為線性原動機使用，其最大特點可具有可控性。彈簧力、重力、電磁力、記憶合金的熱變形力都可以提供驅動力，但已不屬于原動機的范疇。工作機：工作機是指利用原動機提供的動力實現物料或信息的傳遞，克

11、服外載荷而作有用機械功的機械。大部分機械都是工作機，工作機中必須包含原動機。否則，只能稱為機械裝置。汽車、起重運輸等機械通過搬運物料而作機械功，各類金屬加工機床也是通過物料的傳遞或轉移而作機械功。原動機的種類有限，而工作機的種類卻是多種多樣。由于工作機是完成各種復雜動作的機械，它不僅有運動精度的要求，也有強度、剛度、安全性、可靠性的要求。信息機：信息機也是一種工作機，只不過是通過各種復雜的信息來控制機械運動。如打印機是通過計算機的指令來控制打印工作的，繪圖機、復印機、傳真機、收音機都是信息機。2. 機械的組成掌握機械的組成我們可以參照圖2-1所示的機械組成的示意圖。原動機傳動機構執行機構控制系

12、統輔助系統，例如潤滑、顯示、照明等圖2-1 機械組成的示意圖如上圖所示，機械一般由原動機、機械運動系統、控制系統和輔助系統組成。機械運動系統可以是單一的工作執行機構，也可以是由機械傳動機構和工作執行機構的組合。控制系統可以是手柄、按鈕式的簡單裝置或電路，也可以是集微機、傳感器、各類電子元件為一體的強、弱電相結合的自動化控制系統。控制系統可以是原動機直接進行控制，也可以通過控制元件對傳動機構或工作機構進行控制。發電機水輪機電動機扇葉伺服電動機伺服電動機工作臺XY a） b） c）圖 2-2 無轉動機構的機械圖2-3 油田抽油機機構簡圖1電動機 2帶傳動 3減速箱4ABCDE 為連桿機構工程中，有

13、些機械沒有傳動機構，而是由原動機直接驅動執行機構。如水利發電機組、電風扇、鼓風機以及一些用直流電動機驅動的機械，都是沒有傳動機構。隨著電機調速技術的發展，無傳動機構的機械有增加的趨勢。圖2-2所示為機械中沒有傳動機構。圖2-2a為水力發電機，圖2-2b為鼓風機，圖2-2c為二坐標機床的工作臺。具有傳動機構的機械占大多數。圖2-3所示的油田抽油機就是具有代表性的機械。圖2-3中，帶傳動與齒輪減速箱為傳動機構，起緩沖、過載保護、減速的作用。連桿機構ABCDE為執行機構，圓弧狀驢頭通過繩索帶動抽油桿往復運動。3. 機械運動系統機械運動系統主要指機械中的傳動機構和工作執行機構，從機構學的角度看問題，二

14、者是相同的，只不過在機械中所起的作用不同。有些機械中有時很難分清傳動機構和執行機構，故二者統稱為機械運動系統。機械運動系統可以是機構的基本型，也可以是機構的基本型的機構組合或組合機構。1） 機構的基本型機構的基本型是指最基本的、最常用的機構型式。目前，最常見的機構有連桿機構(圖2-4a)、凸輪機構(圖2-4b)、齒輪機構(圖2-4c)、帶傳動機構(圖2-4d)、蝸桿傳動機構(圖2-4e)等，由于基本型的確定原則尚無確切說明，這里就不再對這些常見機構進行劃分了。 a) b) c) d) e)圖2-4 常見機構類型2） 機構的組合形象的來說，機構就是一部機器的骨骼圖，在實際應用中，單一的機構經常不

15、能滿足不同工作的需要。把一些基本機構通過適當的方式連接起來，從而組成一個機構系統，稱為機構的組合。在機構的組合系統中，各基本機構都保持原來的結構和運動特性，都有自己的獨立性。在機械運動系統中，機構的組合系統應用很廣泛。例如，圖2-5所示的鐵板運輸機中，定軸齒輪1把運動傳遞給齒輪2，定軸齒輪1上的曲柄通過連桿機構ABCD把運動傳遞給系桿H。齒輪2、3、4與系桿H構成一個差動輪系，該輪系的兩個輸入均為主動輪1提供，最后由齒輪3輸出。可見，該系統中的連桿機構和差動輪系機構都沒有因為互相連接而影響自己的機構特性。圖2-5我們創新設計機構時，要把握機構組合系統中的各機構均保持其原來的特性的原則，應該對機

16、構組合系統中的各個機構進行獨立的分析與設計。3） 組合機構在分析創新設計類型時，我們知道有一種創新叫組合創新設計。組合機構就包含其中，它是機構創新的重要方法之一。我們首先應該清楚，組合機構是指若干基本機構通過特殊的組合而形成的一種具有新屬性的機構，可見，它與與機構組合有本質的不同。組合機構中的各基本機構已不能保持各自的獨立性，所以我們就不能用原基本機構的分析和設計方法進行組合機構的設計。每種組合機構都有各自的分析和設計方法。常見的組合機構有齒輪連桿組合機構、齒輪凸輪組合機構、凸輪連桿組合機構。組合機構常用于完成復雜運動的機械系統中。如圖2-6所示的齒輪連桿組合機構，它就是實現較復雜運動軌跡的機

17、械系統。其中的五桿機構ABCDE的兩個輸入運動是通過齒輪1、2的運動來實現的，適當的選擇機構尺寸與齒輪傳動比，可得到預定的連桿曲線。圖2-6 齒輪連桿組合機構4. 機械的控制系統隨著機械行業的不斷發展控制系統在機械中的作用也越來越突出，我們在進行機械創新設計時也可以將思維轉移到這一領域，用自動化甚至智能化的控制系統來代替傳統的手工操作。目前機械設備中的控制系統常見的有：機械控制、電氣控制、液壓控制、氣動控制及綜合控制。其中以電氣控制的應用最為廣泛，與其它控制形式相比有很多優點。電氣控制系統的特點是：體積小，操作方便，無污染，安全可靠，可進行遠距離控制。其原理和方法是：通過不同的傳感器可把位移、

18、速度、加速度、溫度、壓力、色彩、氣味、等物理量的變化轉變為電量的變化，然后由控制系統進行處理。由于計算機技術和自動控制技術的發展，現代機械的控制系統更加先進、復雜，可靠性也大大增加，可對運動時間、運動方向與位置、速度等參數進行準確的控制。總之，現代的機械控制系統集計算機、傳感器、接口電路、電器元件、光電元件、電磁元件等硬件環境及軟件環境為一體，而且正向自動化、精密化、智能化、高速化的方向發展，其安全性、可靠性的程度不斷提高。在機電一體化機械中，機械的控制系統將起更加重要的作用，我們應該重視在這一領域的創新設計。2.5.2 機械系統及其發展1. 機械系統的基本組成形式根據原動機、傳動機構、執行機

19、構的不同組合以及機械系統運動輸出特性的不同，機械系統的基本組成形式見表2-1所示。表2-1中的線性機構是指機構傳動函數為線性函數的機構。如齒輪機構、螺旋傳動機構、帶傳動機構及鏈傳動機構等都是線性機構。而機構傳動函數為非線性函數的機構，則稱為非線性機構。如凸輪機構、連桿機構、間歇運動機構等則是非線性機構。類型1和2是最基本、最常見的機械系統。如電動卷揚機屬類型1，鄂式破碎機屬類型2。類型5在數控機床、機器人等自動機械中得到了廣泛的應用。其它類型則少見其應用。 表2-1 機械系統的基本組成形式類型編號原動機傳動機構執行機構機械系統的輸出運動線性原動機非線性原動機線性機構非線性機構線性機構非線性機構

20、簡單機構復雜機構123456782. 機械系統的發展與演變我們在學習專業知識時了解到，機械系統分為剛性機械系統和柔性機械系統，其劃分的依據就是機械系統的運動是否具有可控制性。1） 剛性機械系統剛性機械系統一般是指機械裝置與電器裝置獨立組合的機械系統，其特點就是不具有可控性。我們常見傳統機械，例如：車床、銑床、刨床、鉆床、起重機等都屬于剛性機械系統。2） 柔性機械系統柔性機械系統即可借助傳感器或控制電路，通過微機按位置、位移、速度、加速度、壓力、溫度等參數實施智能化控制的機械系統。其特點是具有可控性。數控機床和機器人都屬于柔性機械系統。3） 機械系統的發展 電子技術的飛速發展正在改變傳統的機械系

21、統，電子技術與機械技術不斷的緊密結合，并誕生了機械電子學這一新的學科。剛性機械系統也正向柔性機械系統演化，使機電一體化的機械系統發展很快。圖2-7為機械系統的演變過程框圖。圖a為典型的剛性機械系統；圖 b 為改進的剛性機械系統，以電子控制的調速電機取代了機械變速裝置。圖c所示框圖已演化為柔性機械系統；圖d所示框圖為直接驅動式的柔性機械系統，由于該系統中省去了傳動機構，有更高的運動精度，其應用日益廣泛。從機械系統的演變過程可以看出，隨著機械電子學的誕生與發展，剛性機械系統正在向柔性機械系統發展，我們應該加快這一演化，把這個轉換也作為機械創新設計的重點對象，推進機械系統發展水平的進一步提高。 d)

22、普通電動機電子調速系統調速電動機伺服控制系統伺服電動機伺服控制系統直接驅動電機負載負載負載負載變速機構減速機構執行機構減速機構執行機構減速機構執行機構a)b)c)圖2-7 機械系統的演變過程框圖3 創新基本原理創新和創造是人類一種有目的、有約束探索活動，人們在長期的創新實踐中總結了基本的創新原理，這些原理給從事機械創新設計的人員提供參考。下面系統的介紹幾種創新原理：3.1 綜合創新原理機器分解開來無非是一些機構要素（如齒輪、齒條、鏈輪、鏈條、皮帶、連桿、螺絲、凸輪等）綜合而成；但是，用上述的機構要素并不能隨意的拼湊成一部機器，因為一部機器有其內在的組合、合成規律。而綜合的真正意義就是指將研究對

23、象的各個方面、各個部分和各種要素有機的聯系起來，從而從整體上把握事物的本質和規律。綜合創新，是運用綜合法則的創新功能去尋求新的創造。其基本模式如下圖所示：已知事物A已知事物B輸入綜合新事物C我們在進行機械創新設計的過程中要注意：并不是任何的綜合都能產生新的機械創新設計產品。比如將臺鉆用螺釘固定在車床的床頭箱頂蓋上，雖然是一種綜合，但不是一種創新設計產品。因為綜合不是將對象的各個構成要素的簡單相加，而是按其內在聯系合理的組合起來，使綜合后的整體作用導致創新性的發現，這才實現了組合后的產品在性能上具有1+11的效果，而在結構上則為1+11。當然在機械創新設計實踐中不乏綜合創新的實例。例如，現在廣泛

24、應用的同步帶傳動，就是將嚙合傳動與摩擦帶傳動技術綜合而產生的，它具有傳動功率大、傳動準確等優點。下面列舉一些創新實踐：綜合已有的不同科學原理可以創造出新的原理，如：牛頓綜合開普勒的天體運動定理和伽利略運動定律，創建了經典力學體系；綜合已有的事實材料可以發現新規律，如：門捷列夫綜合已知元素的原子屬性與原子量、原子價的關系的事實和特點，發現了元素周期表；綜合已有的不同科學方法創造出新方法，如：笛卡爾引進了坐標系綜合幾何學方法和代數法，創立了解析幾何。這些都證明了綜合就是創造，而且綜合創新比起開發創新在技術更具有可行性，是一種使用的創新思路。3.2 分離創新原理分離創新原理與綜合創新原理相對應，思路

25、相反。它是把某個創造對象分離或離散為有限個簡單的局部，把問題分解，使主要矛盾從復雜現象中分離出來解決的思維方法。分離原理的創新模式如下圖：已知事物A分離新事物B或C輸入輸出分離創新原理在數學、力學和機械行業等領域得到廣泛應用。例如在機械行業，組合夾具、組合機車、模塊化機床就是分離創新原理的運用。機械設計過程中，一般都是將問題分解為許多子系統和單元，對每一個子系統和單元進行分析和設計，然后綜合，分離創新原理則是與其思路相反。脫卸式衣服、隱形眼鏡都是分離創新的實例，還有很多的例子告訴了我們分離創新原理的方法和可行性。然而我們在實際創新設計過程中要知道，分離與綜合雖思路相反，但往往要相輔相成，要考慮

26、局部與局部、局部與整體的關系，分中有合，合中有分。3.3 移植創新原理把一個研究對象的概念，原理和方法等運用與或滲透到其他研究對象，而取得成果的方法，就是移植創新。移植方法一直都應用于植物的移植嫁接、醫療領域的人體器官移植等。同樣，在科學技術的發展過程中，移植方法也是一種應用廣泛的創新原理。在實際創新設計中，我們通過把某一科學領域的新發現、新技術或基本原理移植到另一科學領域或者是將一門或幾門科學的理論和研究方法綜合、系統的移植到其他學科領域之中，以獲得科學技術的發展，從而得到更多創新的成果。我們還應該明確移植創新的定義，比如拉鏈廣泛應用于服裝領域，如過將拉鏈應用于書包上，這并不能算得上是移植創

27、新。因為這是顯而易見的事，而且兩個領域跨度很小。一般來說，在移植創新過程中兩個技術領域相距越遠，移植的難度越大，就相應的會產生更高水平的創新設計。移植的原理方法和大量的創新實踐證明：移植原理能促進思維發散，只要某種科技原理轉至新的領域具有可行性，通過新的結構或新的工藝，就可以產生創新。例：人們不斷地設計新型高效節能的發動機，前幾年，人們開發出了陶瓷發動，它以高溫陶瓷制成燃氣渦輪的葉片、燃燒室等部件，或以陶瓷部件取代傳統發動機中的汽缸內襯、活塞帽、預燃室、增壓器等。陶瓷發動機具有耐腐蝕、耐高溫性能，可以采用廉價燃料，可以省去傳統的水冷系統，減輕了發動機的自重，因而大幅度地節省能耗、降低成本，增大

28、了功效，是動力機械和汽車工業的重大突破。3.4 逆向創新原理我們在進行機械創新設計的過程中，逆向思維也占據其非常重要的地位。我國自古流傳司馬光砸缸的故事，就是逆向思維方法的經典例子。逆向創新原理是從反面，從構成要素中對立的另一面思考，將通常思考問題的思路反轉過來，尋求解決問題的新途徑、新方法。逆向創新法又稱反向探求法。反向探求法一般有三個主要途徑：功能性反向探求、結構性反向探求和因果關系反向探求。創新思維具有獨創性、連動性、多向性、綜合性、和洞察力五個特點。其中的逆向連動思維形式十分重要。習慣性思維是人們創新設計中的障礙，它往往束縛人的思路。我們應該能突破這種習慣的束縛，多問為什么，發現問題，

29、我們可以試著把問題顛倒，反向探求，也許可以得到創新性的收獲。例如：18世紀初，人們發現了通電導體可使磁針轉動的磁效應，法拉第運用逆向思維探求，“能不能用磁產生電呢？”于是經過長時間的探索與實驗后他制造出了世界上第一臺感應電動機，為人類進入電氣化時代開辟了道路。3.5 還原創新原理從事機械行業的人都明白，機器或機構想要達到一個目的，并不是只有一個途徑，我們可以選擇最簡單、經濟的方案來實現目的。必要時需要創新設計，此時我們只需抓住本質，而不必局限于在原有基礎上的改進等。這就用到還原創新原理。還原法則又稱抽象法則，即回到根本、回到事物的起點。暫時放下所研究的問題，反過來追根溯源，分析問題的本質，從本

30、質出發另辟蹊徑進行創新的一種模式。日本有一家食品公司，想生產自己的口香糖，卻找不到做口香糖原料的橡膠，他們將注意力回到“有彈性”的起點上，設想用其他材料代替橡膠，經過多次失敗后，他們用乙烯、樹脂代替橡膠，再加入薄荷與砂糖，終于發明出日本式的口香糖，暢銷市場。這個例子告訴我們：在進行還原創新過程中，最重要的是把起點放在事物最本質的功能上，而不是從所要實現的功能出。還原換元是還原創新的基本模式。所謂換元，是通過置換或代替有關技術元素進行創造。在實際創新實踐中我們可以理解為靈活地變換影響事物質和量的諸多因素的某一個或某些，從而產生大量的創新思路。3.6 價值優化原理任何機械產品的創新設計都是在尋找最

31、優方案，在方案的制定和篩選時，要綜合考慮產品的實用性、工藝性、經濟性等因素。其中的價值優化也是一種創新過程。價值工程就是揭示產品的價值、成本、功能之間的內在聯系。它以提高產品的價值為目的，提高技術經濟指標。它最早是美國開始研究的。在設計、研制產品的時，設計研制所需成本為C，取得功能為F，則產品的價值V為：可見，產品的價值與其功能成正比，而與其成本成反比。設計創造具有高價值的產品，是人們追求的目標。價值優化或提高價值的知道思想，也是創造活動應遵循的理念。但優化設計并不一定每項性能指標都達到最優，一般可尋求一個綜合考慮功能、技術、經濟、使用等因素后都滿意的系統，有些從局部看來不是最優，但從總體來看

32、是相對最優。于是，優化設計的途徑可以總結為：（1）保持產品功能不變，通過降低成本，達到提高價值的目的；（2）不增加成本的前提下，提高產品的功能質量，以實現價值的提高；（3）雖成本有所增加，但卻使功能大幅度提高，使價值提高；（4）雖功能有所降低，成本卻大幅度下降，使價值提高；（5）不但使功能增加，同時也使成本下降，從而使價值大幅度提高。這是最理想的途徑，也是價值優化的最高目標。以上介紹了創新基本原理，在實際創新設計中，我們要熟知這些原理和技法。但是這些創新原理和創新技法難免存在一定的局限性，我們要明白真正的科學規律存在與事物之中，我們應該多從實踐中來理解這些原理并得到直觀的結論，不能受到已有原理

33、的束縛，打破思維定勢，才能創新。4 常用創新方法我們在進行機械創新設計時，第一步就是要分析社會大眾的需求，否則再好的創新設計都沒有生命力；其次就是要考慮到所研究的課題是否科學、實用；然后才是通過不斷的實踐掌握創新設計的方法，這樣最終才實現了創新設計的目的。4.1 搜尋題材的方法首先我們應該收集題材，這是創新設計的關鍵，一個合理新穎的題材就是創新設計成功的一半。人們在創新設計實踐中一般采用兩種方法來搜尋題材。（1）向生活索取 世界上不存在盡善盡美的事物，向生活索取創新設計的題材就是一個在不完美中追求完美的過程。生活中用的門窗合頁是“死結”，安裝后再拆下來相當費事，給維修和清潔工人帶來了很大的不便

34、。下圖是西北電訊工程學院附中學生陳延輝設計的這種一端可以插入和抽出的活動合頁。圖4-1 活動合頁（2）到各自的工作領域去挖掘 我們在長期從事某一工作的過程中，就會對專業的現狀相當熟悉；更能了解其中的不足和我們真正需要的事物。這樣我們便能方便的選擇課題，而且成功的可能性也更大。傘是我們生活中的必需品，但是普通傘的體積大，旅行時不容易攜帶，人們可能會想到能否將傘折疊起來方便攜帶呢？以為任職于制傘公司的童工樹田英一，他巧妙的在傘上安裝一根彈簧，就可以將傘折疊，輕巧地收藏起來。而打開傘時，彈簧的拉力使得傘不向外翻。圖4-2 折疊傘4.2 創新的主要方法創新的主要方法有下面幾種：4.2.1 缺點列舉法

35、克服缺點就意味著進步，意味著查的更新。如果有意識的將你所熟悉的事物的缺點一一列舉出來，并進行分析，隨時做筆記紀錄，找出你感受最深、最急需解決而又可能解決的問題，對癥下藥，作為創新發明的選題，這樣便有可能創新，這種創新技法就叫做缺點列舉法。要使用這種方法進行創新設計，就要做到在生活中注意身邊的事物的缺點與不足；提出缺點（例如方法有：征集用戶意見，同類產品進行對比，召開缺點列舉會等。）；之后就分析整理缺點，確定創新目標；最關鍵的當然是對主要缺點進行改進，運用個中創新思維與激發進行創新設計。4.2.2 希望點列舉法 希望是人們內心期待達到的某中目的或期待出現的某中情況，是人類需求心理的反映。 人們總

36、是不滿足于現狀，對未來充滿希望和向往。希望代表著人們的某種新企盼，希望點的背后隱藏著事物的新問題和新矛盾。將這些希望予以具體化，并列舉、歸類和概括出來，往往就成為一個可選的發明課題。例如：我們都知道自行車的曲軸可以隨時向前踩或者向后踩，知識由于自行車上的棘輪機構，使得自行車只能單向前進。一位日本青年根據這個產生了一個很好的構想，那就是將二輪車的直軸直接改成曲軸，如下圖所示，腳站在曲軸上，這樣用腳去踩時，由于踩法不同，車子就可以隨意的前進或后退了。圖4-3 進退自如的腳踏玩具4.2.3 系統設問法 （a） （b）圖4-4手動唧筒針對事物系統地羅列問題，然后逐一加以研究、討論，多方面擴展思路，就像

37、原子的鏈式反應那樣，從單一物品中萌生出許多新的設想，這就叫做系統設問法。系統設問法可以從以下方面入手：轉化、引申、改變、放大或縮小、復雜、精簡、代替、重組、顛倒和組合。1.轉化轉化就是根據存在的物品，設想它本身或經過稍微改變后是否能有其他的用途。下面舉一個轉化的例子：農村水井打水用的手動唧筒（圖4-4（a）就是滑塊四桿機構(圖4-4(b)的應用實例。2. 引申就是根據已知事物設問是否有與其相似的物品，從而引申設想出另一事物，得到創新。港口用的起重機就是雙搖桿機構引申來的，如圖4-5所示，當AB桿擺動時，CD桿也擺動，連桿CB上的E點作近似的水平運動，使其在起吊重物時減少能量的損失。3. 改變就

38、是設問改變已知事物的顏色、形狀、氣味、式樣等特征時，能否產生創新。圖4-6所示的為一車門啟閉機構，利用反平行四邊形引申而來。其運動特點為構件1、3作轉向相反的轉動，保證左、右車門同時啟閉。其中的反平行四邊形機構則是從平行四邊形引申而來的。4. 放大或縮小就是設想將現存的事物，經過按比例放大或縮小或是單向放大或縮小，能否得到新的事物。圖4-5 港口起重機 a) b)圖4-6 車門啟閉機構圖4-7 汽車前窗刮雨器汽車出現后，人們為下雨天開車時雨水會遮住駕駛員的視線而煩惱。為此有人利用“放大或縮小”這一方法設計出了圖4-7所示的汽車前窗刮雨器。它是利用曲柄搖桿機構將搖桿的一端延長，利用搖桿延長部分的

39、往復擺動實現刮雨動作。5. 復雜就是設想在一個物品上加上別的東西，從而獲得更加良好的性能和功能等，實現創新。例如：圖4-8所示的星形發動機。它是由六個曲柄滑塊機構組成，六個活塞的往復運動同時通過連桿傳給公用曲柄A，其輸出傳動是六個曲柄滑塊機構輸出傳動的代數和，與單缸發動機相比，其輸出扭矩波動小，可以部分或全部消除振動力。圖 4-8 星形發動機6. 精簡精簡就是設想從一物品上精簡掉一部分，減輕其重量或復雜程度，從而設法得到創新的一種方法。圖4-9 柔性四桿機構 圖4-10 手動夾鉗在實際創新設計實踐中可以在機構中，將運動副精簡，由柔性關節代替鉸鏈，由結構本身的預期彈性變形來實現運動和力的傳遞。如

40、圖4-9所示的柔性四桿機構和圖4-10所示的手動夾鉗即為新的柔順機構，它沒有剛性運動副，不需裝配，不需潤滑，具有體積小、重量輕、制造和維修費用低、使用壽命長等優點。7. 代替就是設想用一種物品來代替正在使用的物品，或是用其他材料、成分、過程或方法來代替此物品的材料、成分、過程或方法，從而得到一種創新。 （a） (b)圖4-11 偏心輪機構例如：在曲柄滑塊機構中，若需要曲柄較短，或需要滑塊行程較小，這時可以使用盤狀結構代替曲柄，這樣就得到了如圖4-11所示的偏心輪機構。回轉中心A到偏心輪幾何中心B的距離（稱為偏心距）相當于曲柄滑塊機構中的曲柄長度。偏心輪機構在剪床、沖床及鄂式破碎機等機械設備中得

41、到廣泛應用。8. 重組就是設想將一個物體的組成部分進行調換、重組，或是以一定的條件改變序列、因果關系和速率等，以產生一種新事物。9. 顛倒圖4-12 可逆式折疊椅就是設想將一種結構或功能正反互換來實現更多、更好的功能或是產生一種新結構。如圖4-12所示的可逆式折疊椅就是利用這種方法設計的，其椅面和靠背正反面分別做成硬的和軟的兩面，可以翻轉，熱天坐硬面，冬天坐軟面。10. 組合圖4-13 織布機開口機構就是設想將已知的物體與另一物體按照適當的方式組合起來，以加大其功能或是得到另一新事物。如圖4-13所示的織布機開口機構，它由曲柄滑塊機構和轉動導桿機構串聯組合而成。曲柄1以等角速度轉動時，機構5就

42、能實現每轉后停歇的運動要求。我們在實際機械創新設計實踐中，運用系統設問法時應該以上述10個方面為參照，大膽提出設想，如果能像上述例子一樣找到解決問題的答案，都可以作為創新設計的選題。4.2.4 信息聯想法 創新的發展重在突破，卻也離不開繼承，所以了解、繼承他人或前人的成果非常重要。要提高創新能力，必須收集信息，利用信息。我們將自己每天耳聞目睹的大量信息加以篩選，從中挑出新的、奇的、與技術有關的科學發現和技術發明，通過思維加以聯想，往往可以產生或提出一個新的發明問題。這種方法叫做信息聯想法。聯想的方式有：由一事物聯想到空間或時間上與其相連通的另一事物；聯想到與其對立的事物；聯想到與其類似特點（如

43、功能、性質、結構）的另一事物；聯想到與其有因果關系的另一事物；聯想到與其從屬關系的另一事物等等。4.2.5 專利文獻選讀法 從事機械創新設計，可以選擇專利文獻為主要媒體來獲取信息，專利文獻是最有代表性、數量最大的情報信息來源。通過閱讀大量的專利文獻，即可掌握現有發明的內容和思路，了解最新的發明成果，避免重復他人的工作和侵權行為，又可對不完善的部分加以改進，作為你的課題，進行再發明。據資料統計，1985年1995年中國發明協會向社會推薦和宣傳的發明創造成果有1萬多項，其中有15%轉化為生產力；而這10年中我國的專利實施率僅在25%30%左右。可見采用專利文獻法進行創新設計十分可觀，我們只要針對其

44、中的不實用的部分進行改進和完善，往往就會獲得良好效果。0.1激光腔高壓氣流壓氣孔激光束0.1抽氣腔激光腔抽氣孔激光束圖4-14（a）壓氣式氣動窗口示意圖圖4-14（b）抽氣式氣動窗口示意圖0.1調壓腔激光腔調壓閥抽氣孔抽氣腔圖4-14（c）雙腔抽氣式大功率氣體激光器氣動窗口示意圖20世紀80年代初，國際科技情報聯機系統還沒有在我國投入使用，但是當時的年輕學者岳超瑜憑借著頑強的毅力，查閱了大量的專利文獻，終于從浩如煙海的文獻中找到了一些有關氣動窗口的最新發明專利和報道。其中包括如圖4-14（a）所示的英國科學家發明的“壓氣式氣動窗口”和圖4-14（b）所示的美國人發明的“抽氣式氣動窗口”。其中英

45、國人的設計由于工作會導致內腔污染，無法投入使用，而美國的發明存在造價高、激光質量差、結構和運行原理不足等缺點。岳超瑜對這兩項發明進行分析和研究后，設計出圖4-14（c）所示的雙腔抽氣式大功率氣體激光器氣動窗口，他的創新設計克服了上述兩種設計的缺點，使腔內氣流平衡，也密封了工作腔。4.2.6 集思廣益法 集思廣益法是美國創造工程學家奧斯本于1945年首次提出的，原文是“Brain storming”，直譯就是“頭腦風暴”。這種方式是以開小型的交流討論會來進行，與會人數一般為510人，要求與會者嚴格遵守下列規則：1）暢所欲言，想到就說，意見越多越好；2）靜聽別人的發言，從中受到啟發，以使自己的意見

46、更加完善；3）歡迎荒誕和使人發笑的發言，設想越奇越好，能否采用另當別論；4）禁止批評別人的發言，這一點很重要。會后對會上的各種設想進行整理評價，選擇最優的設想付諸實施。運用上面介紹的六種方法，一般可以確定待發明的課題。這只是成功的開始，真正創新設計也是一個艱苦努力的過程。在進行創新設計時，我們要聯系實際需要，根據事物的品質、構造、功能、特征對各中構想或方案進行分析、比較、判斷，先分析出最佳的方案，然后再運用創新的逆向思維和正向思維，對問題進行類比、綜合、聯想，集思廣益，同時反復的進行繪圖、試驗、制作樣品和模型，并不斷的改進，一個發明才有可能真正的完成。4.3 創新機構舉例 下面我們再結合兩個相

47、關的例子來說明創新設計的原理和方法：圖4-15（a）所示的是螺釘自動上料整列機構，廣泛應用于標準件生產企業。在螺釘沒有車絲或搓絲以前，螺釘是無規則的盛放在料盤中，當左邊的黑色輸送槽上下運動時，螺釘通過物料的自重進行整列，在槽身中令釘頭向上，如不其然，在槽身上下運動時，令其重新掉入料盤，螺釘在左側槽身中上升至與右側貯料槽以備加工。圖4-15（b）所示的膠丸（或子彈）整列機構也是利用被整列的物體自行做物料整列動作，從圖中所示膠丸或子彈的構造形狀可見：它的重心在圓柱形部分，當黑色滑塊左右移動時推移被整列的物體到達右方槽內尖角時便可以由物料的重心自行整列，使圓柱體朝下，尖端朝上。這兩個例子同是了重心原

48、理的機構綜合創新設計。這兩個例子具有相似性，在創新設計時用了綜合創新原理，而后者在創新設計中就能用信息聯想法。我們還能發現這兩個機構都沒有強制運動鏈，而是利用力學原理創新設計的。機構學本來就是從力學分離出來的，所以用力學原理來指導機構創新十分有意義。在解決整列物料的思路上設計者突破用什么強制運動鏈、純剛體機構解決物料整列的框框，將思路回歸到起點，另尋捷徑，想到用力學原理解決這一問題，這是還原創新原理的應用，當然將力學原理應用到機構學也應用了移植創新原理。圖4-15（a）用上下運動的 輸送嵌入 圖4-15（b）自行整列機構槽（用右黑色運動體）在料盤內上下運動令螺釘自行嵌入整列的機型綜合上述可見，

49、在進行機械創新設計的過程中，應該充分發揮正向和逆向思維的能力，靈活有機的綜合運用創新設計的基本原理和方法，必要時只是以此為借鑒，不能被之束縛，敢于嘗試自己的方法。5 機械創新設計的一般過程設計過程是指從明確設計任務書到編制技術文件所進行的整個工作流程。機械設計的思路一般為：產品規劃原理方案設計技術方案設計改進設計。下面我們對比常規機械設計的過程來說明機械創新設計的一般過程。5.1 常規機械設計一般過程常規機械設計過程一般可以分為四個階段：機械總體方案設計。設計者根據設計任務書的要求，廣泛收集同類機械或相近機械的性能參數，使用情況，優缺點等技術和數據，而后便可進入機械總體方案設計階段。機械總體方案設計在很大程度上決定未來機械的面貌，對機械的性能成本有很大影響。機械的運動設計。設計者根據設計任務書的要求，對選定的一種設計方案進