機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論的重要內(nèi)容之一?隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來,社會(huì)的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展更加依賴于人類的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)?開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究對(duì)于建設(shè)創(chuàng)新型國家有重要意義?1創(chuàng)新的內(nèi)涵20世紀(jì)初,全球社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展中只有5%是依靠技術(shù)創(chuàng)新取得的,而現(xiàn)在發(fā)達(dá)國家中的40%是依靠技術(shù)創(chuàng)新取得的?美籍奧裔經(jīng)濟(jì)學(xué)家熊彼特(JosephA.Schumpeter)于1912年在其著作《經(jīng)濟(jì)發(fā)展理論》中將“創(chuàng)新”作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)學(xué)概念首次提出?熊彼特認(rèn)為創(chuàng)新是發(fā)明的第一次商品化,也就是說,把發(fā)明引入生產(chǎn)體系并為商業(yè)化生產(chǎn)服務(wù)的過程就是創(chuàng)新,它意味著建立新的生產(chǎn)函數(shù)或供應(yīng)函數(shù),是在生產(chǎn)體系中引進(jìn)一種生產(chǎn)要素和生產(chǎn)條件的新的組合?而發(fā)明實(shí)際上就是一個(gè)產(chǎn)品創(chuàng)新的過程,其關(guān)鍵是設(shè)計(jì)的創(chuàng)新,設(shè)計(jì)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的根本基礎(chǔ)?因此,創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要性就顯而易見了?創(chuàng)新設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)造性的智力活動(dòng),是設(shè)計(jì)者充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造力,利用人類已有的科學(xué)技術(shù)成果,進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思,應(yīng)用新技術(shù)?新原理?新方法進(jìn)行產(chǎn)品分析和設(shè)計(jì)的過程?2創(chuàng)新方法的發(fā)展創(chuàng)新是一個(gè)及其復(fù)雜的過程,人類對(duì)創(chuàng)新本質(zhì)的認(rèn)識(shí)與研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到科學(xué)的層次?但是眾多創(chuàng)新學(xué)者,經(jīng)數(shù)十年的研究發(fā)現(xiàn),科學(xué)技術(shù)的發(fā)明創(chuàng)造有一定的規(guī)律可循,他們大多是以原則?訣竅?思路形式指導(dǎo)人們克服心理和思維的障礙,改善思維的靈活性的過程?自20世紀(jì)30年代至80年代,世界上出現(xiàn)了300多種創(chuàng)新技法,10多種創(chuàng)造原理?這些創(chuàng)新技法,各自從不同的角度?在一定程度上突破了制約創(chuàng)新的相關(guān)因素的限制?所謂創(chuàng)新技法就是在創(chuàng)造心理?創(chuàng)造性思維方法和認(rèn)識(shí)規(guī)律基礎(chǔ)上的技巧?這些創(chuàng)新技法不存在科學(xué)的邏輯關(guān)系,大多數(shù)目前在理論上處于“初生期”,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到純粹的科學(xué)水平?從思維的角度,創(chuàng)新是人類駕馭形象思維與邏輯思維?發(fā)散思維與收斂思維的過程?經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,在掌握已有創(chuàng)新技法的基礎(chǔ)上,結(jié)合認(rèn)知科學(xué)?人工智能?設(shè)計(jì)方法學(xué)?科學(xué)技術(shù)哲學(xué)等前沿學(xué)科,創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法已成為一門獨(dú)立且有待于開發(fā)的新的設(shè)計(jì)技術(shù)和方法?創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的發(fā)展歷程最初的創(chuàng)新研究側(cè)重于人的創(chuàng)造性思維,總結(jié)出一些具有指導(dǎo)意義的規(guī)律,形成各種創(chuàng)新技法,如:頭腦風(fēng)暴法?聯(lián)想法?類比法?側(cè)向思考?仿生法等?后來,創(chuàng)新方法的研究開始注重以知識(shí)(專利)為基礎(chǔ),通過對(duì)專利的分析與研究,總結(jié)創(chuàng)造活動(dòng)所遵循的創(chuàng)新原理,該階段的典型創(chuàng)新方法是TRIZ理論?隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,創(chuàng)新方法的研究也出現(xiàn)新的趨勢(shì),在現(xiàn)階段,各種成熟的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法開始集成化研究與應(yīng)用,并與計(jì)算機(jī)(包括網(wǎng)絡(luò))技術(shù)相結(jié)合,形成計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新(CAI:ComputerAidedInnovation)技術(shù),如:QFD?可靠性設(shè)計(jì)?網(wǎng)絡(luò)協(xié)同創(chuàng)新技術(shù)?有限元分析等各種成熟的技術(shù)和方法開始融入到創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中?3機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究對(duì)于提高機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平?提高產(chǎn)品的競爭力有著重大的意義,受到世界各個(gè)國家的普遍重視?機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)是指充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力,利用人類己有的相關(guān)科學(xué)技術(shù)成果(含理論?方法?技術(shù)原理等),進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思,應(yīng)用新技術(shù)?新原理?新方法進(jìn)行產(chǎn)品的分析和設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)出具有新穎性?創(chuàng)造性及實(shí)用性的機(jī)構(gòu)或機(jī)械產(chǎn)品(裝置)的一種實(shí)踐活動(dòng)?一般來說,創(chuàng)新設(shè)計(jì)包括全新設(shè)計(jì)和適應(yīng)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)兩類?需要指出的是,創(chuàng)新設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)并不是同一個(gè)概念,概念設(shè)計(jì)的核心是進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新,而創(chuàng)新設(shè)計(jì)并不盡限于概念設(shè)計(jì)階段?在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段均有創(chuàng)新設(shè)計(jì)的問題,但是最主要的是在概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行創(chuàng)新?國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì),分別從設(shè)計(jì)的本質(zhì)?設(shè)計(jì)的過程以及設(shè)計(jì)的方法等不同方面,做了大量的研究工作?4機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)存在的問題及展望通過上述文獻(xiàn)的研究可以看出,盡管人們從不同角度對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行了數(shù)十年的研究,取得了一些成果,但是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中還有一些問題仍沒有解決,成為今后研究的重點(diǎn)?(1)創(chuàng)新設(shè)計(jì)本質(zhì)過程的研究這實(shí)際上也是對(duì)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新本質(zhì)的認(rèn)識(shí)?盡管人們從思維方法?設(shè)計(jì)手段等多方面對(duì)創(chuàng)新問題進(jìn)行探索,現(xiàn)在對(duì)創(chuàng)新的實(shí)質(zhì)過程仍沒有一個(gè)統(tǒng)一的?深層次的認(rèn)識(shí),無法形成一個(gè)完整的理論去指導(dǎo)創(chuàng)新實(shí)踐?在這方面我們?nèi)孕枰龃罅康墓ぷ?(2)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中知識(shí)的表達(dá)與應(yīng)用首先,產(chǎn)品創(chuàng)新過程涉及多學(xué)科?多種技術(shù),如何將設(shè)計(jì)知識(shí)組織管理,滿足設(shè)計(jì)主體對(duì)知識(shí)的需求是今后的研究重點(diǎn)?其次,為創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程建立科學(xué)的產(chǎn)品模型,結(jié)合現(xiàn)代CAD技術(shù),支持創(chuàng)新方案的快速表達(dá),對(duì)于提高設(shè)計(jì)效率有重要意義?(3)設(shè)計(jì)理論研究與設(shè)計(jì)工具開發(fā)存在嚴(yán)重脫節(jié)人們對(duì)于設(shè)計(jì)理論及創(chuàng)新問題進(jìn)行了大量研究,但是理論研究與設(shè)計(jì)工具,特別是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具存在嚴(yán)重的脫節(jié)?一方面某些機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法的研究較少考慮計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的問題;另一方面設(shè)計(jì)工具開發(fā)時(shí),又沒有適合計(jì)算機(jī)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自動(dòng)化和智能化理論?需要深入研究機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中功——構(gòu)映射的本質(zhì)規(guī)律?(4)創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程的集成化技術(shù)研究創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程的集成化技術(shù)的重點(diǎn)在于概念設(shè)計(jì)的集成化實(shí)現(xiàn),主要是指產(chǎn)品的原理方案創(chuàng)新與結(jié)構(gòu)方案創(chuàng)新的集成?現(xiàn)有的設(shè)計(jì)理論或設(shè)計(jì)工具多是從不同的角度,考慮某階段的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)問題,如:TechOptimizer可以輔助實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品原理方案的創(chuàng)新,但需要其他CAD系統(tǒng)完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作;一些大型的CAD/CAE/CAM商品化軟件,如:UG?Pro/E等均開發(fā)出了支持概念設(shè)計(jì)的工業(yè)設(shè)計(jì)模塊或草圖設(shè)計(jì)模塊,但是這些模塊基本上仍是計(jì)算機(jī)輔助繪圖的工具,幾乎不支持原理方案的創(chuàng)新?缺乏統(tǒng)一的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程,是造成原理方案創(chuàng)新與結(jié)構(gòu)方案創(chuàng)新的集成度低的主要原因?要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，就必須要有創(chuàng)新設(shè)計(jì)和創(chuàng)新思維的概念。-.創(chuàng)新設(shè)計(jì)的概念機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)是指充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力,利用人類已有的相關(guān)科學(xué)技術(shù)成果(包括理論、方法、技術(shù)、原理等),進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思,設(shè)計(jì)出有新穎性、創(chuàng)造性、實(shí)用性的機(jī)構(gòu)(結(jié)構(gòu))或機(jī)械產(chǎn)品(裝置)的一種實(shí)踐性活動(dòng),它是建立在現(xiàn)有機(jī)械設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上,吸收科技哲學(xué)、認(rèn)識(shí)科學(xué)、思維科學(xué)、設(shè)計(jì)方法學(xué)、發(fā)明學(xué)、創(chuàng)造學(xué)等相關(guān)學(xué)科的有益成分,經(jīng)過交*而成的一種新的設(shè)計(jì)技術(shù)和方法。二、創(chuàng)新設(shè)計(jì)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)與常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)相比,特別注重設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中,尤其是在總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段中的主導(dǎo)性及創(chuàng)造性作用,探索機(jī)構(gòu)或機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)明的機(jī)理、模式和方法,具體描述機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程,并將其清晰、準(zhǔn)確地用工程圖樣等技術(shù)文件表達(dá)出來。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是:(一)獨(dú)特性應(yīng)追求與前人、眾人不同的方案,善于打破常規(guī)設(shè)計(jì)思維、慣例,提出新功能、新原理、新結(jié)構(gòu),在求異和突破中體現(xiàn)創(chuàng)新;這就涉及多種學(xué)科的交*,這就要求學(xué)生對(duì)知識(shí)有全面的掌握如機(jī)械、液壓、電力、氣動(dòng)、熱力、電子、光電、電磁及控制等。(二)實(shí)用性應(yīng)從產(chǎn)品的市場適應(yīng)性和可生產(chǎn)性兩方面出發(fā),設(shè)計(jì)產(chǎn)品的新功能、新結(jié)構(gòu),沒有實(shí)用性的產(chǎn)品或無法加工的新結(jié)構(gòu)都是紙上談兵,不是真正的創(chuàng)新;這就要求學(xué)生在日常的生活中多觀察和發(fā)現(xiàn)。(三)多方案選優(yōu)應(yīng)從多方面、多角度、多層次尋求多種解決問題的方案,在多方案中求新、求異、選優(yōu)。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目標(biāo)是由所要求的機(jī)械功能出發(fā),改進(jìn)、完善現(xiàn)有機(jī)械或發(fā)明新機(jī)械,實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能,并使其具有良好的工作品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)性;這就要求在設(shè)計(jì)中要注意思維的擴(kuò)散。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)對(duì)象,必須對(duì)采取哪種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法做出比較和判斷。創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法通常可分為:開發(fā)設(shè)計(jì)、改型設(shè)計(jì)和變異設(shè)計(jì)3種。1.開發(fā)設(shè)計(jì)。主要針對(duì)新研設(shè)備提出新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,完成從規(guī)劃、方案、技術(shù)設(shè)計(jì)到加工、生產(chǎn)的全過程。新的產(chǎn)品的開發(fā)給人門帶來了方便,提高了工作效率。2.改型設(shè)計(jì)。在已有設(shè)備的基礎(chǔ)上,針對(duì)原有的缺陷或新的工作要求,從工作原理、機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、參數(shù)、尺寸等方面進(jìn)行一定的改進(jìn)設(shè)計(jì),以提高設(shè)備質(zhì)量、可*性等,使設(shè)備滿足新的工作要求。如在基本型設(shè)備的基礎(chǔ)上,開發(fā)不同參數(shù)、尺寸或不同功能、性能的改型系列設(shè)備,就是改型設(shè)計(jì)的成果。這種設(shè)計(jì)有利于發(fā)展產(chǎn)品品種;有利于提高設(shè)計(jì)、生產(chǎn)效率,縮短交貨期;有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可*性;使產(chǎn)品具有良好的可維護(hù)性等。例如內(nèi)燃機(jī)增加增壓器,以增大輸出功率;增加節(jié)油器,以節(jié)約燃料。3.變形設(shè)計(jì)。針對(duì)已有的先進(jìn)設(shè)備或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),進(jìn)行深入分析,探索、掌握其關(guān)鍵技術(shù),在消化、吸收的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出同類型其它類似的創(chuàng)新設(shè)備。它的實(shí)現(xiàn)過程可以最大限度地重用企業(yè)已有的成熟產(chǎn)品資源,具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性,不但可以快速開發(fā)產(chǎn)品、響應(yīng)市場,而且還可以極大地降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的成本,是一種適應(yīng)于大規(guī)?？蛻艋ㄖ粕a(chǎn)模式的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。變形設(shè)計(jì)有效地解決了大批量生產(chǎn)的低成本、短交貨期與定制生產(chǎn)的高成本、長生產(chǎn)周期的統(tǒng)一問題`。例如將臺(tái)式電風(fēng)扇設(shè)計(jì)為落地式電風(fēng)扇。開發(fā)設(shè)計(jì)以開創(chuàng)探索創(chuàng)新,改型設(shè)計(jì)通過改進(jìn)創(chuàng)新,變形設(shè)計(jì)在吸取、消化中創(chuàng)新。三、創(chuàng)新思維的概念創(chuàng)新思維是人們?cè)趯W(xué)習(xí)、生活、工作或問題解決過程所表現(xiàn)出來的能夠產(chǎn)生新穎獨(dú)創(chuàng)性產(chǎn)品與觀念的一種思維方式。提高創(chuàng)新能力的根本是提高創(chuàng)新思維,是進(jìn)行創(chuàng)新思維的培養(yǎng)和訓(xùn)練。創(chuàng)新思維不是邏輯推理的結(jié)果,而是非邏輯的。創(chuàng)新思維通常是通過類比、聯(lián)想,從看起來毫不相關(guān)的事物中得到啟示,跳躍式的想象出來的。四、創(chuàng)新思維對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)完《機(jī)械設(shè)計(jì)》這門課程后,對(duì)于學(xué)生來說表現(xiàn)出的創(chuàng)新能力不一定是開發(fā)出對(duì)于這個(gè)世界來說新的機(jī)械。事實(shí)上,學(xué)生每天都在創(chuàng)新。比如學(xué)生在學(xué)習(xí)《機(jī)械設(shè)計(jì)》這門課程的時(shí)候通過學(xué)習(xí)和思考在不斷改變自身對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí),而對(duì)于他們自身的思維來說就是全新的,因?yàn)槠鋸膭e人那里學(xué)習(xí)了并且合并了,從而產(chǎn)生了一個(gè)“新”的對(duì)《機(jī)械設(shè)計(jì)》的理解?？鬃诱f:“學(xué)而不思則罔,思而不學(xué)則殆。”所以在《機(jī)械設(shè)計(jì)》這門課程教學(xué)中學(xué)與思是教學(xué)過程中有機(jī)統(tǒng)一的兩個(gè)方面。因此,要指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性閱讀,使學(xué)生會(huì)思、善想,這樣才能更好的對(duì)《機(jī)械設(shè)計(jì)》這門課程有個(gè)“新”的認(rèn)識(shí)。機(jī)械零件的機(jī)構(gòu)受到強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、工藝性、摩擦、磨損、壽命、標(biāo)準(zhǔn)化等方面的限制,因而具有約束性;機(jī)械傳動(dòng)的方案可由多種運(yùn)動(dòng)形態(tài)及變換并配以不同的運(yùn)動(dòng)控制方式來實(shí)現(xiàn),因而具有多解性;機(jī)械設(shè)計(jì)的結(jié)論受客觀矛盾因素的影響和主觀判斷能力的局限,因而具有相對(duì)性。機(jī)械的這種約束性、多解性和相對(duì)性特點(diǎn)。為《機(jī)械設(shè)計(jì)》創(chuàng)新思維中的“學(xué)”和“思”的培養(yǎng)提供了廣闊的空間。我們常把思維的過程稱為“思路”,是因?yàn)榭捎寐窂絾栴}來說明人類思維過程。而對(duì)于《機(jī)械設(shè)計(jì)》創(chuàng)新思維的路徑是“學(xué)”和“思”。(一)積極學(xué)習(xí)獨(dú)立思考,培養(yǎng)思維的求異性首先,教師要幫助學(xué)生樹立自信心,不盲從。“師不必賢于弟子,弟子不必不如師”的古訓(xùn),“人非圣賢,孰能無惑”的道理,都是很好的教育素材。其次,教師要經(jīng)常啟發(fā)學(xué)生。在學(xué)習(xí)的過程中知道在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)中,書本上總是有對(duì)各種機(jī)構(gòu)、構(gòu)件和零件的性能、應(yīng)用限制,比如帶傳動(dòng)難以克服彈性滑動(dòng),鏈傳動(dòng)不可以用在交*軸之間的傳動(dòng)、兩輪反向傳動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)等等。這些限制對(duì)于缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生們往往視之為雷池,不敢逾越半步,這個(gè)時(shí)候就首先要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對(duì)帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)有深刻的理解:在帶傳動(dòng)中,為了克服帶的彈性滑動(dòng),能否在帶的內(nèi)側(cè)上安裝一些突出的齒,帶輪上也加工出對(duì)應(yīng)的齒,形成齒形帶呢?為了綜合V帶與齒形帶的優(yōu)點(diǎn),能否將二者做在一起形成復(fù)合帶呢?在鏈傳動(dòng)中,鏈傳動(dòng)屬于半撓性體機(jī)構(gòu),鏈條中有剛性的鏈節(jié),不可能交*使兩軸作反向傳動(dòng)或交錯(cuò)軸間的傳動(dòng)。能否想辦法在鏈條做下改變呢?或者能否把鏈條中的鏈板變