创新思维与设计课后小结.docx

1、创新思维与设计课后小结课后总结课 程 名 称 创新思维与设计 学 院 电子与电气工程学院 专 业、 班 级 10测控C1 学生姓名、学号 马伟光 9 指 导 教 师 梁 彩 平 目录1课程介绍2课程概况3创新思维与现代设计与机械创新设计的关系4创新与设计（绪论）5基础知识 1. 创新设计的思维基础 2.机械创新设计的技术基础六理论与方法 1.机构的组合与创新设计 2.机械结构与创新设计 3.仿生原理与创新设计 4.反求工程与创新设计 5.现代设计中的创新思维7、实践课程 1.头脑风暴 2.仿生原理八产品的需求分析九参考资料及参考书目1. 参考资料2. 参考书目1课程介绍 现代思维与创新设计由上

2、海交通大学教授、中国工程院院士谢友柏的倡议下开始的。是一门连接社会科学与技术科学之间空白的基础性课程。学习这门课程的宗旨是培养创新意识，了解创新内涵，学习创新方法。对于工程类的学生，创新设计与产品创新及机械结构创新不可分离，因此，基本的机械原理与机械设计的知识是必须的。这门课主要讲在产品设计中创新思维相关的概念、理论及方法，并配合以生动与具有启发性的案例展开。课程中贯穿了两次实践性的作业，引导我们从生活中发现需求、帮助我们自主完成产品设计创新的过程。同时培养并增强了我们团队合作精神及持之以恒的精神，培养勇于创新和善于创新的综合素质与能力。2课程概况这门课程共32学时（16周课），包括：理论课，

3、实践课，实验课。这些课程穿插进行，不仅提高我们的积极性及兴趣，而且还渗透着理论与实践相结合的性质。 1. 理论课主要讲述的章节包括：创新与设计，创新设计的思维基础，现代设计中的创新设计，机械设计中的创新思维，产品的需求分析，设计的过程和方法。理论课一般比较枯燥乏味，老师在讲解的时候经常加一些形象生动的例子，激发我们的兴趣，起到了很好的效果。 2. 实践课主要有两次包括：头脑风暴和仿生学。实践的其一目的就是发现需求，讨论创新方案，搭建典型机构创意构思的分析与组合。实践课的时候，我们小组一起进行激烈的讨论，然后分工完成我们的实践作业。 3. 实验课只上过一次，就是利用一种仪器以及一台电脑及一些软件

4、，来完成画实体像的图。主要原理就是首先利用红外线扫描实体像，然后投影在计算机上，通过一些共同点及软件处理来拼接，在经过修补等一系列操作完成。实验课虽然只上过一次，可终身难忘。虽然搞不明白那台机器的工作原理，但是我从其它角度想了几个问题。当那个老师在转动人头像的过程中，我想到了有没有设计出自动旋转台，让它自动完成。后来老师把头像放在自动旋转台上做人头像扫描画图实验时，我又想到了，有没有三维面上的旋转台，这样会增加扫描的面积范围，减少修补。虽然我们学校没有三维的自动旋转台，但我相信现在肯定有人在研究开发三维自动旋转台来协助红外线扫描画图的工具。 4.演讲课：即把自己小组的实践结果结合PPT讲述出来

5、。由于时间问题每个小组只有10分钟，尽管就那几分钟，我们从中也可以学到很多东西。因为每个小组的创新产品不同，设计风格不同。尽管还没做出来，那只是我们的构想，相信不久的将来，随着科技的发展，社会的进步，这些产品会成为我们生活中一部分。演讲课，不仅可以锻炼我们的勇敢自信的精神，还提高了我们的语言表达能力。3创新思维与现代设计与机械创新设计的关系创新思维是逻辑思维和灵感思维的综合，这两种包括渐变和突变的复杂思维过程互相融合，补充和促进，使设计人员的创造性思维得到更加全面的开发；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，现代设计的内容及其广泛可运用的学科繁多

6、，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；而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，创造性及实用性的机构或机械产品（装置）的一种实践活动。它包含两个部分：从无到有和从有到创新的设计。四创新与设计（绪论） 1. 什么是设计 设计的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（这里的产品是广义概念，含装置，设备，设施，软件及社会系统等）的过程。 2. 什么是创新和创新设计

7、 （1）创新 含义：发现：是指原本早已存在的事物，经过人们不断 努力和探索后被人们认知的具体结果。 创造：是指人们提出或完成原本不存在的、经过 人们不断努力和探索后提出的或完成的具体结果。 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。 内容：创新分为：知识创新，技术创新，和应用创新。 知识创新是指人们认识世界，改造世界的基本理论的总结。 例：哲学中的“辩证唯物主义”，机械原理中的“三心定理” 技术创新是指针对具体的事物，提出并完成具有新颖性， 独特性和实用性的新产品的过程。例：计算机，机器人。 应用创新是指把已存在的事物应用到某个新领域，并发生 很大的社会与经济效益的具体

8、实现过程。例如：把军用激 光技术应用到民用的舞台灯光，医疗手术刀等。 创意与创新的区别 创意是传统的叛逆；是打破常规的哲学；是大智大勇的同义；是导引递进升华的圣圈；是一种智能拓展；是一种文化底蕴；是一种闪光的震撼；是破旧立新的创造与毁灭的循环；是宏观微照的定势，是点题造势的把握；是跳出庐山之外的思路，超越自我，超越常规的导引；是智能产业神奇组合的经济魔方；是思想库、智囊团的能量释放；是深度情感与理性的思考与实践；是思维碰撞、智慧对接；是创造性的系统工程；是投资未来、创造未来的过程。（广告的创意，如脑白金，奔驰） （2）创新设计 创新设计是指在设计领域中的创新。一般指在设计领域中，提出的新的设计

9、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，达到提高设计的质量，缩短设计时间的目的。例如：会变身的自行车，美国发明太阳能农用机器人, 靠阳光定时劳作除草，不用洗衣粉的无水洗衣机等。 3. 设计、现代设计与创新设计的区别(1)设计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。（2）现代设计含义：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。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

10、靠性设计，有限元设计，并行设计，虚拟设计等。特点：产品开发的高效性和高可靠性。理念：运用计算机，工程设计与分析软件和现代设计。 （3）创新设计含义：创新设计是指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 而且成果独特的设计成果。特点：运用创造性思维，强调产品的独特性和新颖性。4. 常规设计、现代设计与创新设常规设计计 常规设计 正向设计 现代设计机械设计方法 创新设计 反向设计（1）常规机械设计 常规机械设计方法是依据力学和数学建立的理论公式和经验公式为先导，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的过程。（2）

11、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，其基本的设计内容是建立在常规设计的基础上。 (3)创新设计方法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、创造性及实用性机械产品的一种实践活动。 设计实例一：薯条加工机的设计 .常规设计：第一道工序：清洗：设计清洗机。第二道工序：削 皮：设计削皮机。红薯固定，刀旋转，完成削皮的任务。第 三道工序：切片后再切条。需要设计清洗、削皮、切条三套 设备，由于红薯形状和大小差异很大，控制削皮的厚度较难， 导致浪费严重，生产率也低。 .现代设计：在设计思想没有改变时，通过计算

12、机仿真、优化设计 等，可减少削皮的损失、提高生产率，但仍然不理想。 .创新设计： 清洗 粉碎 过滤去皮 挤压成型 油炸成产品 5.机构创新设计的内容 (1)几个名词术语 1）机构：机器中执行机械运动的装置 2）最简机构：由2个构件和1个运动副组成的开链机构 3）基本机构：含有3个以上，且不能进行拆分的闭链机构 (2)机构的内容：机构的创新设计，机构应用的创新设计和机构 组合的创新设计。6. 创新教育与人才培养 创新人才的基本要求 具备基础知识和专业知识 具有进取与追求的精神 具有创新的思维方式（打破定势思维，提倡发散思维） 善于扑捉瞬间的灵感掌握一定的创新技法 五基础知识 1. 创新设计的思维

13、基础 1).思维概述 含义：思维是指人脑对所接受和已储存的来自客观世界的信息进行有意识或无意思，直接或间接的加工，从而产生新信息的过程。 特性：间接性（指凭借其他信息的触发，借助于已有的知识和信息，去认识那些没有直接感知过的或者根本不能感知的事物，以及预见和推知事物的发展过程）；概括性（指的是它能够去除不同类型事物的具体差异，而抽取其共同的本质或特征加以反映）；多层性；自觉性（人类思维的自觉性是人类在思维和解决问题时常常会出现顿悟现象）；创造性。 2).思维的类型：形象思维（是人脑对客观事物或现象的外部特点和具体形象的反映活动），抽象思维（凭借概念，判断，推理而进行的反映客观现实的思维活动），

14、发散思维（以少求多的思维方式，是从给定的信息输入中产生众多的信息输出），收敛思维（以某种研究对象为中心，将众多的思路和信息汇集于这一中心，通过比较筛选组合论证得出现存条件下解决的最佳方案），动态思维（根据不断变化的环境条件不断改变自己的思维秩序思维方向，对事物进行调整控制，从而达到的思维目标），有序思维（是一种按一定规则和秩序进行的有目的的思维方式），直接思维（对新事物新现象新问题进行的一种直接迅速敏锐的洞察和跳跃的判断），质疑思维（用怀疑和批判的眼光看待一切事物），灵感思维（在某个场合突然产生对某个困扰的问题的解答的顿悟）。 3).创造性思维的形成与发展 创造性思维的形成：酝酿准备阶段（是指

15、明确问题收集相关信息与资料，使问题与信息在头脑及神经网络中留下印记的过程）潜心加工阶段（围绕问题积极思索）顿悟阶段（是指人脑有意无意地突现某些新形象新思想新创意，使一些长期悬而未决的问题一念之下得以解决的现象）4).思维方式与创新方法：群体集智法是针对某一特定的问题，运用群体智慧进行的创新活动） 系统分析法（主要有设问探求法、缺点列举法、希望点列举法）联想法；联想是由于现实生活中的某些人或事物的触发而想到与之相关的人或事物的心理活动，联想由此及彼，由表及里，形象生动。主要有相拟联想、接近联想、对比联想、强制联想等。类比法：比较分析多个事物之间的某种相同或者相似之处，找出共同的优点，从而提出新设

16、想的方法。主要有：拟人类比、直接类 比、象征类比、因果类比等。仿生法：仿照生物原型进行创造发明，是将模仿与现代科技有机结 合起来，设计出具有新功能的仿生系统。组合创新法：应用的是已有的成熟技术，应用加法创造原理。主要有功能组合、材料组合、同类组合、异类组合等。反求设计法:消化吸收先进技术，在进行创新设计，进而发展新技术。 反求设计是典型的逆向思维运用。 功能设计法: 功能设计是典型的正向思维的应用。步骤明确、思路清晰、有详细的公式、图表作为设计依据等。对原理方案进行工程要求的结构设计，并考虑材料、强度、刚度、制造工艺、使用、维修、成本、社会经济效益等多种因素，最后设计出满足人类要求新产品2.机

17、械创新设计的技术基础 1）.机器的组成分析概念：机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、 物料与信息。机器与机构统称机械。机械的分类：机械分为动力机、工作机（以物料为主的机械， 例如机床、起重机）、信息机（是指以信息转换为主的机器， 例如打印机传真机）。机器的组成：由原动机、传动机、执行结构、控制系统组成。原动机相当于人的心脏，为系统提供能量和运动的驱动力，它受控制系统发出的控制指令和信号，驱动传动机构（传动机构有机械式、液气压式、电气式及它们的组合式）和执行机构。 2）.机构及其机械运动形态分析 齿轮传动机构（基本型为外齿合直齿圆柱齿轮传动机构） 连杆机构：全转动副四杆机构、含有一个移

18、动副四杆机构（可演化为转动导杆机构、移动导杆机构、摆动导杆机构）、含有二个移动副四杆机构（演化为正切机构、双滑块机构）。 凸轮机构：可分为直动从动平面凸轮机构、摆动从动平面凸轮机构、直动从动圆柱凸轮机构、摆动从动圆柱凸轮机构（摆动滚子从动圆柱凸轮机构）。 螺旋传动机构：实现连续转动到往复直线移动的运动变换。 间歇运动机构：指主动件连续转动，从动件间歇转动或间歇移动的 摩擦轮传动机构:（难以传递过大的动力）主要应用在仪器中传递 运动。例收录机中磁带的前进与倒退。 瞬心线机构：是把主动轮的转动转换为不等速的从动轮的转动。 带传动机构：把主动轮的转动减速或增速为从动轮的转动。 （基本型是平带传动机构

19、） 链传动机构：把主动轮的转动减速或增速为从动轮的转动。（基本型是套筒滚子链条传动机构） 绳索传动机构（具有独特作用） 液、气传动机构：利用液体或气体的压力能或动能把主动件的运动 传递到从动件。钢丝软轴传动机构：内部有钢丝分多层缠绕而成。万向联轴器:是一种空间连杆机构，用于传递不共线的二轴之间的运 动和动力。电磁机构：利用电磁转换原理，实现从动件的转动或移动。常用于开关机构、电磁振动机构等。3）.机械的控制系统机械控制系统的类型：机械式控制系统、液压控制系统、气压控制系统、电气控制系统、智能控制系统。机械控制系统的发展趋势：现代机械的控制系统集计算机、传感器、接口电路、电器元件、电子元件、光电

20、元件、电磁元件等硬件环境及软件为一体，且在向自动化、精密化、高速化、智能化的方向发展，其安全性、可靠性不断提高。4）.机械运动及其控制 旋转运动的换向与控制：改变电动机转向（常用三相交流异步电动机的转向控制）、限位开关转向（有机械式开关、光电式开关等）、介轮转向（齿轮转动中常用）、棘轮转向（改变棘爪的棘齿方向）、摩擦轮转向、自身转向机构（利用自身特点）。 机械运动的调速与控制：调速电动机（改变电动机的工作速度，使电动机能在低速大转矩的条件下工作，是最理想的调速方式）、齿轮减速器（传动效率高、使用寿命长、工作可靠性好、维护简便、制造成本低）、其他减速装置（各类带传动、链传动、摩擦传动都可以起到减

21、速作用）、变速器（通过控制不同齿轮的齿合来实现的）。 5）.机械系统的发展与演变 机械系统根据机械系统的运动是否具有可控制性分为刚性机械系统和柔性机械系统。期中刚性机械系统一般泛指机械装置与电气装置独立组合的机械系统；柔性机械系统可借助传感器或控制电路，通过微机按位置、位移、速度、压力、温度等参数实施智能化控制，其运动具有可控性。例数控机床和机器人。六理论与方法 1.机构的组合与创新设计 机构的串联组合即前一个的输出构件与后一个机构的输入构件刚性连接在一起。特征是前置构件和后置机构都是单自由度的机构。 机构的并联组合即若干个单自由度的基本机构的输入构件连接在一起，保留各自的输出运动；或若干个单

22、自由度机构的输出构件连接在一起，保留各自的输入运动；或输入构件连接在一起、输出构件也连接在一起。特征是各基本机构都是单自由度机构。 机构的叠加组合是指在一个基本机构的可动构件上在安装一个以上基本机构的组合方式。支撑其他机构的基本机构是基础机构，安装在基础机构可动构件上面的机构称为附加机构。 机构的封闭组合是指一个两自由度机构中的两个输入构件或两个输出构件或一个输入构件或一个输出构件用单自由度的机构连接起来，形成一个单自由度的机构系统。特征是基础机构为二自由度机构，附加机构为单自由机构。2.机械结构与创新设计 1).机械结构设计的基本要求 功能要求（各种零件的结构功能主要有承受载荷、传递运动和动

23、力，以及保证或保持有关零件之间的相对位置或运动轨迹关系等） 使用要求（在结构设计中应使零部件的结构受力合理，降低应力、减少变形、节省原料，以利于提高零件的强度、刚度和延长使用寿命） 结构工艺性要求：应使零件形状简单合理、适应生产条件和规模、合理选用毛坯类型、便于切削加工、便于装配和拆卸、易于维护和修理 人机学要求：必须考虑使用和安全问题，此外应使结构造型美观，操作舒适，有利于环境保护。2).移动副和转动副的结构与创新设计 对转动副结构的基本要求:保证两相对回转件的位置精度、承受压力、减小摩擦损失和保证使用寿命。 轴承用于转动副：是为了减小相对转动时的摩擦和磨损。最早使用的是滑动轴承，后来发明了

24、滚动轴承。 滑动轴承的结构简单，适用于高速或低速重载以及结构上要求剖分等场合。滑动轴承按表面间的润滑状态可分为两种：液体润滑状态和非液体润滑状态。径向滑动轴承结构有整体式（结构简单、成本低、刚度大）、剖分式、和调心式。滚动轴承具有磨擦阻力小、启动灵活、效率高、润滑简单、易于互换且可以通过预紧提高刚度和旋转精度等优点，但抗冲击能力较差，高速时有噪声，径向尺寸较大，工作寿命也不及液体磨擦的滑动轴承。滚动轴承是标准件。3).构件和机架的结构与创新设计 移动副结构的基本要求：（连接作相对移动的两构件的运动副是移动副。机床导轨是最常见的移动副）导向和运动精度高、刚度大、耐磨性高及结构工艺性好等，此外结构

25、设计时还要注意限制两构件的相对转动和间隙的调整。 滑动导轨的特点：优点是结构简单，接触刚度大；缺点是摩擦阻力大，磨损快，低速运动时易产生爬行现象。 导轨结构形式：导轨由凸形和凹形两种相互配合组成。（凸形导轨为下导轨时，不易于积存切削、赃物，但也不易于保存润滑油，易作低速导轨。如车床的床身导轨。凹形导轨则相反，可作高速导轨，如磨床的床身导轨，但需要良好的保护装置）。导轨截面的基本形式：V形导轨（磨损后能自动补偿，导向精度高）、矩形导轨（结构简单，制造、检验和修理较易，承载能力和刚度较大；缺点是磨损后不能自动补偿间隙，用镶条调整时，会降低导向精度）、燕尾形导轨（结构紧凑、调整间隙方便，几何形状较复

26、杂，摩擦力较大运动灵活性较差）、圆形导轨（加工和检验比较简单，较高的精度，磨损后间隙不能调整）。滚动导轨的特点：摩擦系数小，并且静动摩擦系数只差很小，运动灵便；导向和定位精度高，且精度保持性好；磨损较小，寿命较长，润滑简便；结构较为复杂，加工比较困难，成本较高；对赃物及导轨面的误差比较敏感。滚动导轨的形状：滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨、十字交叉滚柱导轨、滚动轴承导轨。杆类构件：结构简单，加工方便。盘类结构：大多数作定轴转动，如盘状凸轮，齿轮。轴类结构：由于悬臂，强度及刚度较差，轴的主要作用是支撑回转零件。4).机械零件结构的集成与创新设计 机械结构的集成化设计是指一个构件实现多个功能的结构设计

27、。 集成化设计的优点：简化产品开发周期，降低开发成本；提高系统性能和可靠性；减少重量，节约材料和成本；减少零件数量，简化程序。（缺点是制造复杂） 5).机械产品品的模块化与创新设计 模块系统的概念是受到儿童积木的启发而得出的。 模块是一组具有同一功能和接合要素（指连接部位的形状、尺寸、设计是在对产品进行市场预测、功能分析的基础之上，划分并设计出一系列通用的功能模块，根据用户的要求，对这些模块进行选择和组合，就可以构成不同功能，或功能相同但性能不同、规格不同的产品。 模块化设计的优点：模块化设计为产品的市场提供了有力手段；模块化设计有利于开发新技术；模块化设计有利于组织大生产；模块化设计提高了产

28、品的可靠性；模块化设计提高了产品的可维修性；模块化设计使得复杂产品的区分、分道建设、检验、调试成为可能，避免了可能的返工及各种的互相干扰；模块化设计易于建立分布组织机构并精心分布式控制，易于进行异地设计、生产和调度。模块化设计的主要方式：横系列模块化设计、纵系列模块化设计、横系列和跨系列模块化设计、全系列模块化设计、全系列和跨系列模块化设计。模块化设计的关键：模块标准化和通用化；模块的划分（注意：模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性；保持模块在功能及其结构方面有一定的独立性和完整性；模块间的结合要素要便于连接与分离；模块的划分不影响系统的主要功能）。 3.仿生原理与创新设计1).仿生

29、学与仿生机械学的概述 仿生学的诞生 随着生产的需要和科学技术的发展，从20世纪50年代以来，人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一，自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究，促进了生物学的极大发展，对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展。此时模拟生物不再是引人入胜的幻想，而成了可以做到的事实。生物学家和工程师们积极合作，开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列，而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功。于是生物学和工程技术学科

30、结合在一起，互相渗透孕育出一门新生的科学仿生学。 仿生学是研究生物系统的结构和性质，并以此为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的科学，是生命科学、物质科学、信息科学、脑、与认知科学、工程技术、数学与力学以及系统科学等学科的交叉学科。 仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。 力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构

31、，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫；能量仿生，是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程；信息与控制仿生，是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。仿生学的实例：苍蝇与振动陀螺仪、蝙蝠与雷达（蝙蝠会释放出一种超声波，这种声波遇见物体时就会反弹回来，而人类听不见。雷达就是根据蝙蝠的这种特性发明出来的。现在在各种地方都会用到雷达。）、从萤火虫到人工冷光、蛋壳与薄壳建筑。潜水艇和鱼的沉浮。 响尾蛇能感知附近动物的体温而准确捕获猎物和红外制导空对空响尾蛇导弹。 人们根据章鱼发明烟雾弹。根据蛋壳发现拱形的承受力量。飞机