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设计
前言
在机械系统中，无论是确定技术原理、技术过程或者确定机器系统的功能结构、工作原理、结构布局以至具体零件的尺寸、形状、制造方法等等，都有个求解的问题。
所谓求解，就是寻求消除不足之处，达到希望的结果或性能。
而创造性设计方法就是提出新方案，探求新解法，它是提高设计质量，开发创新产品的重要基础。
机械创新设计不断为机械生产提供更简单有效的生产方法，提高劳动生产率，减少无谓的损耗。
机械创新设计是一个永远不过时的课题，创新是不断变化发展的，需要不断去的去经历实践生产的检验。
爱因斯坦曾说过：
“想象力比知识更重要，现实世界只有一个，而想象力却可以创造千百个世界”。
1常规性设计与创新性设计
人类从事任何有目的的活动前都要有所构思或谋划便是广义的设计。
工程设计是广义设计在工程技术领域中的特有表现。
工程设计按其性质可分为常规性设计与创新型设计。
1．1简述常规性设计与创新性设计的区别
常规性设计以成熟结构为基础，运用常规方法进行产品设计。
常规性设计在生产过程中不能充分利用各种资源，也很难取得很高的经济效益。
而创新性设计却能充分做物尽其用，减少资源的浪费，降低生产成本，经济效益就比传统的常规性设计的效益要高。
创新设计是在设计中采用新的技术手段、技术原理和非常常规的方法进行设计，以满足市场需求，提高产品的竞争能力。
高新技术产品的生产大都具有小批量、多品种、多规格、生产工艺复杂、工作条件或环境特殊等特点，因而对一些高新技术机械产品的设计往往不能沿用传统产品设计的老一套方法，需要有针对性地进行创新性设计。
创新性设计强调技术要素、才能要素、方法要素。
创新设计体现了人们依据社会需要，运用科学技术原理，创造性地构思产品的完整思维过程。
是设计构思的高智商思维活动
1．2常规性设计和创新设计的基本形式的概述
常规性设计形式主要有理论设计、经验设计、模型试验设计三种。
理论设计是根据长期研究与实践总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计。
理论设计的计算过程分为设计计算和核对计算两部分。
前者是按照已知的运动要求，载荷情况及零、部件的材料特性等，运用一定的理论公式设计零、部件尺寸和形状的计算过程。
设计计算多用于能通过简单的力学模型进行设计的零、部件，如：
转轴的强度、刚度计算等；
后者是指，先根据类比法，实验法等其它方法初步定出零、部件的尺寸和形状；
再用理论公式进行精确校核的计算过程，它多用于结构复杂，应力分布较复杂，但又能用现有的应力分析法（以强度为设计准则）或变形分析法（以刚度为设计准则时）进行计算的场合。
理论设计可得到比较精确而可靠的结果，重要的零、部件大都选择这种方法。
经验设计是根据对某些零、部件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，或根据设计者本人的工作经验用类比的方法所进行的设计叫做经验设计。
对一些次要的零、部件；
或者对于一些理论上不够成熟或虽有理论但没有必要用繁复、高级的理论设计的零、部件。
这对那些使用要求不大变动而结构形状已典型化的零件，是很有效的设计方法。
例如箱体、机架、传动零件的各结构要素等。
模型实验设计是把初步设计的零、部件或机器，做成小模型或小尺寸样机，经过实验手段对其各个方面的特性进行检验，根据实验结果对设计进行逐步的修改，从而达到完善。
这样的设计过程接叫做模型实验设计。
对于一些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件，尤其是一些重型整体机械零件，为了提高设计的可靠性，则可采用模型实验设计的方法。
这个设计方法费时、昂贵，因此只用于特别重要的设计中。
例如：
新型、重型设备及飞机的机身，新型舰船的船体等。
创新性设计方法是以研究产品设计为对象的科学。
它以电子计算机为手段运用工程设计的新理论和新方法，使计算结果达到最优化，使设计过程实现高效化和自动化。
创新性设计方法是研究产品设计方法的综合类科学，它涉及的科学范围非常广泛，是多学科交叉融合的产物，是人们把相关科学技术综合应用于设计领域的产物。
而其中一个具体的设计方法同样也是若干学科的交叉与融合。
例如优化设计方法是数学规划的方法与计算机编程的有机结合。
常用的创新性设计形式有集体集智法、系统分析法、联想分析法、转向创新法和组合创新法等。
1．3常规性设计与创新性设计的特征与原则
无论常规性设计，还是创新性设计。
机械系统设计，一般具有三个基本特征。
（1）约束性
机械系统设计是在多种因素的限制和约束下进行的，其中包括科学、技术、经济等发展状况和水平的限制，也包括生产厂家所提出的特定要求和条件，同时还涉及环境、法律、社会心理、地域文化等因素。
这些限制合要求构成了一组边界条件，形成了设计人员进行谋划和构思的“设计空间”。
（2）多解性
一般来说，解决同一技术问题的办法是多种多样的，要满足一定目的的设计方案通常也并不唯一的，任何设计对象本身都是包括各种因素构成的功能系统，其参数的选择、尺寸的确定、结构形式的构思等都有很强的可选择性，有很大的思维空间。
（3）相对性
设计结论或结果都是相对准确的，而不是绝对完备的。
比如，利用优化技术对某一系统进行求解，其结果也只是近似的，得到该系统的局部最优化或全局最优化，而且模型的建立会因人而异，也可能因条件而异，其结果都会有差异。
同时，设计者还会经常处于一种相互矛盾的情境之中，比如既要降低成本，又要增加安全性、可靠性等。
这种相互矛盾的要求给设计工作增加了难度，加上事先难以预料的影响，使得设计者在对设计方案的选择和判定时，只能做到一定条件下的相对满意和最佳。
所有的机械创新设计都是在遵守机械设计原则的基础上的升华，机械创新性原则在机械设计方面起到了规范和指导的作用。
机构形式的设计方面，要做到机构尽可能简单。
机构运动链尽量简短，完成同样的运动要求，应优先选用构件数和运动副数最少的机构，这样可以简化机器的构造，从而减轻重量、降低成本。
在基本机构中，高副机构只有3个构件和3个运动副，低副机构则至少有4个构件和4个运动副。
因此，从减少构件数和运动副数，以及设计简便等方面考虑，应优先采用高副机构。
执行机构的形式与原动机的形式密切相关，不要局限于选择传统的电动机传动方式，要适当的选择原动机。
尽量缩小机构的尺寸，在相同的传动比情况下，周转轮系减速器的尺寸和重量比普通定轴轮系减速器要小得多。
在连杆机构和齿轮机构中，也可以利用齿轮传动时节圆作纯滚动的原理或利用杠杆放大或缩小的原理等来缩小机构尺寸。
在保证以上原则的同时，还要是机构具有较好的动力学特征，要尽可能选择传动角较大的机构，以提高机器的传动效益，减少功耗。
采用对称布置的机构，对于高速转动的机构，其作往复运动和平面一般运动的构件，以及偏心的回转构件的惯性力和惯性力矩较大，在选择机构时应尽可能考虑机构的对称性，以减少运动过程中的动载荷和振动；
采用增力机构，对于执行构件行程不大，而短时克服工作阻力很大的机构（如冲压机械中的主机构），应采用“增力”的方法，即有瞬时较大机
2创新性设计思维与内涵
机械创新设计是人类创造活动领域的具体领域，需要设计者对创造性思维的类型、思维过程和特征等有所掌握和了解。
2．1创新性设计思维的概念及类型
创造性思维是指突破原有的思维模式，重新组织已有的知识、经验、信息和素材等要素，在大脑思维反应场中激活后，提出新的方案或程序，并创造出新的思维成果的思维方式要创造，首先要有创造性思维，创造性思维是人类大脑的特有属性。
创造性思维就是“想到别人没有想到的观念”。
创造性思维是新颖独到的信息加工艺术，是人脑的各种思维活动形式和思维活动的各个要素之间相互协同进行的有机结合的高级整体过程创造性思维不同于在设计领域常用的逻辑思维，其主要在于创造性思维有创造想象的参与，而且，逻辑思维是一维的，具有单向性和单解性的特点，而创造性思维是一种立体思维，通常没有固定的延伸方向，它更加强调直观、联想、幻想和灵感。
所以创新设计不是靠逻辑推理出来的，而是靠创造性思维的激发所产生的。
创造性思维是整个创造活动中体现出来的思维方式，它是多种思维类型的复合体，把握创造性思维的关键是在认识不同思维类型的特点和功用的基础上，进行思维的辩证组合与综合运用。
创造性思维的类型可如下划分：
（1）发散型思维发散型思维就是在思维过程中，通过所得到的若干概念的重新组合，大胆地向四周辐射，扩散出两个或多个可能的答案、设想或解决方式。
发散型思维既无一定的方向，也没有一定的范围。
不墨守成规，不拘泥于传统方法，对所思考的问题标新立异，达到“海阔天空”，“异想天开”的境界。
发散型思维能力的高低，取决于知识面、想象力，尤其是迁移能力。
发散型思维具体表现形式有立体思维、多路思维、反向思维、相关思维、相似思维、求同思维、求异思维、替代思维等等。
发散型思维所追求目标是获得尽可能多，尽可能新，尽可能独创的，前所未有的设想、方法、形式、思路、解法和可能性。
它为机械创新设计提供了多种可能。
（2）聚合型思维聚合型思维就是以某个思考对象为轴，从不同的方向和不同的角度，将思维指向这个中心点以供选择，达到解决问题的目的。
也就是从众多的信息中确认一个自认为最佳的或最好的方案。
聚合型思维要求思维具有概括性、及时性、正确性，聚合型思维能力的高低，取决于一个人的分析、综合、抽象、概括和判断推理能力强弱。
发散型思维和聚合型思维都是创造性思维的重要组成部分，两者互相联系，密不可分。
任何一个机械创新设计都必然从发散思维到聚合思维，再从聚合思维到发散思维，多次循环往复，直到解决问题，或创造性思维形成。
“多谋善断”的成语就说明这个道理，多谋就是发散思维，善断就是聚合思维，前者体现了“由此及彼”、“由表及里”的发散运动过程，后者体现了“去粗取精”、“去伪存真”的聚合运动过程。
发散型思维和聚合型思维是一个辨证统一的过程，创造性思维的全过程都是为了达到创造、创新的目的，从种种设想中找出最佳的解决方案。
（3）灵感思维灵感是指经过长期的思考和探索之后，受某种现象的启发，在头脑中突然闪现的独创性的意念或设想。
它是人们的创造活动达到高潮后出现的一种最富有创造性的飞跃思维的智能状态。
德墨克利特认为：
“这是一种感情极度狂热或激动的特殊精神状态”。
柏拉图认为：
这是神性着魔，是人与神的沟通!
其实，灵感是思维的迅速升华与高级浓缩，是过程的省略。
灵感既是一种思维形式，又是大脑加工信息的一种高层次功能。
许多科学发现，新产品问世都是通过灵感思维活动创造出来的。
作为机械设计工作者更应注重灵感开发，得到灵感的帮助而大大提高创造、创新能力。
（4）想象思维想象是一种抽象的形象思维活动，想象可以是非理性的凭空想象，也可以是理性的在已有确定性基础上进行重新组合或部分更新性质的想象。
想象思维具有以客观现实为基础，高度概括性和形象性及重新组合与再创造等特点。
想象是人类思维之树上最美丽、神奇的花朵!
没有想象就没有创造，创造离不开想象，想象是创造的精髓。
万有引力定律是从苹果落地充分展开想象翅膀的结果；
“嫦娥奔月”的神话想象，诱使人类终于发明创造了飞机!
可见想象有时比知识更重要，想象推动着社会进步，科学发展，并且是知识进化的源泉。
没有想象的机械创新设计是不可想象的，用想象力形成创新成果已成为对现代机械设计人员必然要求。
2．2创新性设计思维的过程
当要对机械零部件提出一些创新性设计或做一些其它的创新性设计工作，一般要经历一下的创新性思维过程。
（1）准备阶段
准备阶段的过程是发现问题→分析问题→搜集问题→形成课题。
（2）酝酿阶段
酝酿阶段的过程是明确创新目标→继续收集资料→从事试验或研究→尝试各种思法可行性。
若问题简单，可能会很快找到解决问题的办法；
若问题复杂，可能要经历多次失败的探求;
当阻力很大时，则中断思维，但潜意识仍在大脑深层活动，等待时机。
（3）顿悟阶段
顿悟阶段是创造性思维的突破阶段。
创造主题在特定情境下得到特定的启发，被唤醒。
该阶段的作用机制比较复杂，一般认为是与长期酝酿所积蓄的思维能量有关。
这种能量会冲破思维定势和障碍，使思维获得开放性、求异性、非显而易见性。
（4）验证阶段
验证阶段表明创造性思维不仅注重形式上标新立异，内容上也要求精确可靠。
2．3创新性设计思维的特征
创新性思维是一种人类高层次的思维，它有下列特征。
（1）创新思维具有开放性的特点
开放性主要是针对封闭性而论的。
封闭性思维是指于习惯于从已知经验和知识中求解，偏于继承传统，照本宣科，落入“俗套”，因而不利于创新。
而开放性思维则是敢于突破定势思维、打破常规、挑战潮流，富有改革精神。
（2）创新思维具有求异性的特点
求异性主要是针对求同性而论的。
求同性是人云亦云，照葫芦画瓢。
而求异性则是与众人、前人不同，是独具卓识的思维。
（3）创新思维具有突发性的特点
突发性主要体现在直觉与灵感上。
所谓直觉思维是指人们对事物不经过反复思考和逐步分析，而对问题的答案做出合理的猜测、设想，是一种思维的闪念，是一种直接的洞察。
灵感思维也常常是以一闪念的形式出现，但它不同于直觉，灵感思维是由人们的潜意识与显意识多次叠加思维而形成的，是长期创造性思维活动达到的一个必然阶段。
（4）创新思维是逻辑与非逻辑思维有机结合的产物
逻辑思维是一种线性思维模式。
它具有严谨的推理，一环紧扣一环，是有序的。
逻辑思维常采用的方式一般有分析与综合、抽象与概括、归纳与演绎、判断与推理等
3机械创新性设计技术特征与设计过程
创新设计技术是解决创新设计问题的创意艺术，是人们对创新性思维和创造理论加以具体化应用的技巧。
3．1机械创新性设计技术特征
机械创新设计技术具有以下独具的特点，对其特征的了解可以帮助我们正确的对待机械创新设计技术的看法，对设计的创新设计起到一定的规范和引导的作用。
（1）独创性创新设计不是单独的重复和模仿，而是在自己、前人或他人已经获得的研究成果基础上新扩展、新开拓。
它所追求的是新奇、新颖、独特和非重复性的结果，有敢于怀疑、突破框框、敢于破陈规、独具卓识的思维。
（2）综合性善于进行综合思维，把已有的概念、事实、信息通过巧妙的结合，形成新的成果。
（3）人为的目的任何形式的创新设计,其主体都是具有主观能动性的人，并且是一种有目的活动。
（4）社会价值性创新必须体现为一定的价值，作为工程技术人员，技术发明和工程技术设计创造的价值主要看其经济价值以及是否具有实用性、有效性、可靠性。
（5）探索性创新通常是在知识、手段、方法等不甚充分的条件下进行的探索活动。
（6）推理性对某一种现象或想法，善于由此及彼地进行纵向、横向、逆向推理。
（7）多向性善于从不同角度的角度思考问题。
通过发散、换元、转向等途径，以获得新的思路和方案。
3．2机械创新性设计技术的设计过程
机械创新设计的设计过程是对创新思维的利用的发展和延伸。
图3-1所示为中国的技术专家提出的机械创新设计的一般过程，
图3-1机械创新设计的一般过程
（1）确定（选定或发明）机械的基本原理:
它可能涉及机械学的对象的不同层次、不同类型的机构组合，或不同学科知识和技术的问题；
（2）机构结构类型综合及优选:
优选的结构类型对机械整体性能和经济性具有重大影响，它多伴随新机构的发明。
机械发明专利的大部分属于结构类型的创新设计。
因此，结构类型综合及其优选是机械设计中最富有创造性、最有活力的阶段，但又是十分复杂和困难的问题。
它涉及到设计者的知识（广度与深度）、经验、灵感和想象力等方面，成为多年来困扰机构学研究者的主要问题之一。
（3）机构运动尺寸综合及其运动参数的优选:
其难点在于求得非线性方程组的完全解（或多解），为优选方案提供较大的空间。
由于优化法、代数消元法等数学方法陆续引人机构学，使这个问题取得了突破性进展。
（4）机构动力学参数综合及其动力参数优选:
其难点是动力参数盈大、参数值变化域广的多维非线性动力学方程组的求解，这是急待深人研究的课题。
机构动力学参数综合及其动力参数优选:
完成以上所述机械工作原理、结构学、运动学、动力学分析与综合的4个阶段，便可形成机械设计的优选方案。
然后，就可以进人机械结构创新设计阶段。
主要解决基于可靠性、工艺性、安全性、摩擦学的结构设计问题。
机械创新设计的特点:
①涉及多学科，如机械、液压、电力、气动、热力、电子、光电、电磁及控制等多学科技的交叉、渗透与融合。
③设计过程中相当部分工作是非数据性、非计算性的，必须依命在知识和经验积累基础上的思考、推理、判断，以及创造性发散思维（灵感、形象的突发性思维）相结合的方法。
③
尽可能在较多方案中进行方案优选。
即在大型空间设计内，基于知识、经验、灵感与想象力的系统中搜索并优化设计方案。
④创新设计是多次反复、多级筛选的过程，每一阶段既有其特定内容与方法，又彼此密切相关，是一个整体的系统设计。
4机械创新性设计技术方法与实例
机械创新性设计技术的应用不是凭空的想象，它只有应用于生产和生活中才能充分发挥创新性思维的社会价值，美化生活。
4．1机械创新性设计方法
每一项重大的创新设计都对推动了社会发展，尤其是机械创新设计推动社会的工业化生产的发展。
无论那一项创新设计都有其方法可循，一般可分为以下八种方法。
（1）观察法
观察法是指人们通过感官或科学仪器，有目的、有计划地对研究对象进行反复细致的观察，再通过思维器官的综合分析，以解释研究对象本质及其规律的一种方法。
观是指用敏锐眼光去看，察是指用科学思维去想。
（2）类比法
将所研究和思考的事物与人们熟悉的、并与之有共同点的某一事物进行对照和比较，从比较中找到它们的相似点或不同点，并进行逻辑推理，在同中求异或异中求同中实现创新。
（3）移植法
移植法是指借用某一领域的成果，引用、渗透到其他领域，用以变革和创新。
移植与类比的区别是，类比是先有可比较的原形，然后受到启发，进而联想进行创新}移植则是无有问题，然后去寻找原形，并巧妙地将原形应用到所研究的问题上来。
（4）组合法
组合法是指将两种或两种以上的技术、事物、产品、材料等进行有机的组合，以产生新的事物或成果的创新技法。
磁半导体发明者，日本科学家菊池诚说;
“我认为发明有两条路，第一条是全新的发明，第二条是把已知其原理的事实进行组合”。
据统计，在现代技术开发巾，组合型的发明成果已占全部发明的60％到70%。
由此可以看出组合创新具有非常的普遍性与广泛性。
（5）换元法
换元法是指人们在创新过程中，采用替换或代换的方法，使研究不断深入，思路获得更新。
例如，卡尔森研究发明的复印机，曾采用化学方法进行多次实验，结果屡次失败。
后来他变换了研究方向，探索采用物理方法，即光电效应，终于发明了静电复印机，一直沿用到现在。
在许多事物中各式各样的替代或代换内容是很多的，用成本低的代替昂贵的，用容易获得的代替不容易获得的，用性能良好的代替性能差的等。
例如，用玻璃纤维制成的冲浪板，比木制的冲浪板更轻巧，也更容易制成各种形状。
（6）还原法
还原法是指返回创新原点。
即在创新活动中，追根寻源找到事物的原点，再从原点出发寻找各种解决问题的途径。
实际上，任何事物都有其创造的起点和原点。
创造的原点是惟一的，创造的起点则可很多。
创造的原点可作为创造的起点，但创造的起点却不能作为创造的原点。
以研制洗衣机为例，为减轻人的劳动开始着手洗衣机的研究，首先想到的是如何代替手搓、脚踩、板揉和捶打，结果导致了研究问题的复杂性，使创新活动受阻。
实际上将问题返回到原点，则是分离问题，即将污物与衣物分离。
从原点出发寻找各种解决问题的途径，广泛考虑各种各样的分离方法，如机械分离、物理分离、化学分离等等，就可以创新出基于不同工作原理的各类洗衣机。
（7）穷举法
穷举法又称为列举法，是一种辅助的创新技法，它并不提供发明思路与创新技巧，但它可帮助人们明确创新的方向与目标。
列举法将问题逐一列出，将事物的细节全面展开，使人们容易找到问题的症结所在，从各个细节人手探索创新途径。
列举法一般分三步进行，第一步是确定列举对象，一般选择比较熟悉和常见的，进行改进与创新可获得明显效益的；
第二步分析所选对象的各类特点，如缺点、希望点等，并一一列举出来；
第三步则从列举的问题出发，运用自己所熟悉的各种创新技法进行具体的改进，解决所列出的问题。
（8）集智法
集智法是指集中大家智慧，并激励智慧，进行创新。
该种技法是一种群体操作型的创新技法。
不同知识结构、不同工作经历、不同兴趣爱好的人聚集在一起分析问题、讨论方案、探索未来时一定会在感觉和认知上产生差异，而正是这种差异会形成一种智力互激、信息互补的氛围，从而可以很有效地实现创新效果。
以上介绍了8种创新技法，在具体运用时，可以分别使用，但实际上这些技法往往联起来应用。
创新的例子还有很多，然而，我们一味说的创新并不是盲目的脱离实际去空想主义。
爱迪生大概称得上是创新者的鼻祖了，他素以高效创新而著称。
事实上，若论名言警句，创新者或许大多会引用他说过的这样一段话：
“我做的任何一件有价值的事情都非偶然，我所有的发明创造也并非出于巧合，而是来源于辛勤的工作。
”爱迪生心里很清楚，发现碳丝作为白炽灯的发光材料绝非偶然。
这一切浸透了他和助手整整一年的心血，对各种材料进行了几百次的试验。
创新源于个别敢吃螃蟹的人。
在目前迫求个性化的时代中，生产的规模均以单件化、中小批量为主，这就要求机械产品或者有很强的柔性，或者种类极大丰富，因而摆在设计师面前的任务就是要实现机械产品的创新设计，唯有这样才能增强产品的市场能力。
机械创新设计和传统设计虽然大多遵循同样的设计过程，但机械创新设计要求设计者在设计的全过程中不仅仅是重复和模仿，更要求设计者在新成果的基础上，敢于怀疑，有所突破，充分发挥创造力和想象力，利用已有的理论、原理、方法、技术进行创新构思，使产品具有更强的竞争力。
4．2机械创新性设计实例分析
对机械创新设计的实例的分析，可以清楚地看的出对机械创新设计方法的应用对机械工程的深刻影响。
（1）虎钳的快速夹紧机构
图4-1虎钳的快速夹紧机构
如图4-1所示为一种快速夹紧，它可以提高虎钳夹持工件的效率。
这种快速夹紧机构采用了一对具有相同曲面的转动凸轮和固定凸轮，手柄转动凸轮快进到预定位置。
然后，螺旋机构进行夹紧，虎钳的钳口位置可以借助夹压间距调节手轮进行调节，以适宜不同的材料厚度，同时也可调整夹紧力，该机构可用作铣床、镗床、装配夹具等的夹压机构，是一种夹紧力调节简单的快速夹紧装置。
该装置利用机械创新设计方法中的类比法。
（2）无死点机构的设计
在曲柄滑块机构中，当滑块为主动件时，机构有死点出现。
如何构思一个
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