機械創(chuàng)新設計

機械創(chuàng)新設計創(chuàng)新設計是現代產品設計理論的重要內容之一?隨著知識經濟時代的到來,社會的進步與經濟的發(fā)展更加依賴于人類的創(chuàng)新實踐活動?開展創(chuàng)新設計的研究對于建設創(chuàng)新型國家有重要意義?1創(chuàng)新的內涵20世紀初,全球社會生產力的發(fā)展中只有5%是依靠技術創(chuàng)新取得的,而現在發(fā)達國家中的40%是依靠技術創(chuàng)新取得的?美籍奧裔經濟學家熊彼特(JosephA.Schumpeter)于1912年在其著作《經濟發(fā)展理論》中將“創(chuàng)新”作為一個經濟學概念首次提出?熊彼特認為創(chuàng)新是發(fā)明的第一次商品化,也就是說,把發(fā)明引入生產體系并為商業(yè)化生產服務的過程就是創(chuàng)新,它意味著建立新的生產函數或供應函數,是在生產體系中引進一種生產要素和生產條件的新的組合?而發(fā)明實際上就是一個產品創(chuàng)新的過程,其關鍵是設計的創(chuàng)新,設計創(chuàng)新是實現產品創(chuàng)新的根本基礎?因此,創(chuàng)新設計的重要性就顯而易見了?創(chuàng)新設計是一種創(chuàng)造性的智力活動,是設計者充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造力,利用人類已有的科學技術成果,進行創(chuàng)新構思,應用新技術?新原理?新方法進行產品分析和設計的過程?2創(chuàng)新方法的發(fā)展創(chuàng)新是一個及其復雜的過程,人類對創(chuàng)新本質的認識與研究還遠遠達不到科學的層次?但是眾多創(chuàng)新學者,經數十年的研究發(fā)現,科學技術的發(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30年代至80年代,世界上出現了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)造性思維方法和認識規(guī)律基礎上的技巧?這些創(chuàng)新技法不存在科學的邏輯關系,大多數目前在理論上處于“初生期”,還遠遠未達到純粹的科學水平?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?經過數十年的發(fā)展,在掌握已有創(chuàng)新技法的基礎上,結合認知科學?人工智能?設計方法學?科學技術哲學等前沿學科,創(chuàng)新設計方法已成為一門獨立且有待于開發(fā)的新的設計技術和方法?創(chuàng)新設計方法的發(fā)展歷程最初的創(chuàng)新研究側重于人的創(chuàng)造性思維,總結出一些具有指導意義的規(guī)律,形成各種創(chuàng)新技法,如:頭腦風暴法?聯想法?類比法?側向思考?仿生法等?后來,創(chuàng)新方法的研究開始注重以知識(專利)為基礎,通過對專利的分析與研究,總結創(chuàng)造活動所遵循的創(chuàng)新原理,該階段的典型創(chuàng)新方法是TRIZ理論?隨著計算機技術的發(fā)展,創(chuàng)新方法的研究也出現新的趨勢,在現階段,各種成熟的創(chuàng)新設計方法開始集成化研究與應用,并與計算機(包括網絡)技術相結合,形成計算機輔助創(chuàng)新(CAI:ComputerAidedInnovation)技術,如:QFD?可靠性設計?網絡協同創(chuàng)新技術?有限元分析等各種成熟的技術和方法開始融入到創(chuàng)新設計過程中?3機械產品創(chuàng)新設計的研究機械產品創(chuàng)新設計的研究對于提高機械產品的設計水平?提高產品的競爭力有著重大的意義,受到世界各個國家的普遍重視?機械創(chuàng)新設計是指充分發(fā)揮設計者的創(chuàng)造力,利用人類己有的相關科學技術成果(含理論?方法?技術原理等),進行創(chuàng)新構思,應用新技術?新原理?新方法進行產品的分析和設計,設計出具有新穎性?創(chuàng)造性及實用性的機構或機械產品(裝置)的一種實踐活動?一般來說,創(chuàng)新設計包括全新設計和適應型創(chuàng)新設計兩類?需要指出的是,創(chuàng)新設計和概念設計并不是同一個概念,概念設計的核心是進行設計創(chuàng)新,而創(chuàng)新設計并不盡限于概念設計階段?在產品設計的各個階段均有創(chuàng)新設計的問題,但是最主要的是在概念設計階段進行創(chuàng)新?國內外學者針對機械產品創(chuàng)新設計,分別從設計的本質?設計的過程以及設計的方法等不同方面,做了大量的研究工作?4機械產品創(chuàng)新設計存在的問題及展望通過上述文獻的研究可以看出,盡管人們從不同角度對創(chuàng)新設計進行了數十年的研究,取得了一些成果,但是產品創(chuàng)新設計過程中還有一些問題仍沒有解決,成為今后研究的重點?(1)創(chuàng)新設計本質過程的研究這實際上也是對設計的創(chuàng)新本質的認識?盡管人們從思維方法?設計手段等多方面對創(chuàng)新問題進行探索,現在對創(chuàng)新的實質過程仍沒有一個統(tǒng)一的?深層次的認識,無法形成一個完整的理論去指導創(chuàng)新實踐?在這方面我們仍需要做大量的工作?(2)創(chuàng)新設計中知識的表達與應用首先,產品創(chuàng)新過程涉及多學科?多種技術,如何將設計知識組織管理,滿足設計主體對知識的需求是今后的研究重點?其次,為創(chuàng)新設計過程建立科學的產品模型,結合現代CAD技術,支持創(chuàng)新方案的快速表達,對于提高設計效率有重要意義?(3)設計理論研究與設計工具開發(fā)存在嚴重脫節(jié)人們對于設計理論及創(chuàng)新問題進行了大量研究,但是理論研究與設計工具,特別是產品的結構設計工具存在嚴重的脫節(jié)?一方面某些機械結構設計理論和方法的研究較少考慮計算機實現的問題;另一方面設計工具開發(fā)時,又沒有適合計算機進行的結構設計自動化和智能化理論?需要深入研究機械產品設計中功——構映射的本質規(guī)律?(4)創(chuàng)新設計過程的集成化技術研究創(chuàng)新設計過程的集成化技術的重點在于概念設計的集成化實現,主要是指產品的原理方案創(chuàng)新與結構方案創(chuàng)新的集成?現有的設計理論或設計工具多是從不同的角度,考慮某階段的創(chuàng)新實現問題,如:TechOptimizer可以輔助實現產品原理方案的創(chuàng)新,但需要其他CAD系統(tǒng)完成結構的設計工作;一些大型的CAD/CAE/CAM商品化軟件,如:UG?Pro/E等均開發(fā)出了支持概念設計的工業(yè)設計模塊或草圖設計模塊,但是這些模塊基本上仍是計算機輔助繪圖的工具,幾乎不支持原理方案的創(chuàng)新?缺乏統(tǒng)一的創(chuàng)新設計理論指導創(chuàng)新設計過程,是造成原理方案創(chuàng)新與結構方案創(chuàng)新的集成度低的主要原因?要實現創(chuàng)新，就必須要有創(chuàng)新設計和創(chuàng)新思維的概念。-.創(chuàng)新設計的概念機械創(chuàng)新設計是指充分發(fā)揮設計者的創(chuàng)造力,利用人類已有的相關科學技術成果(包括理論、方法、技術、原理等),進行創(chuàng)新構思,設計出有新穎性、創(chuàng)造性、實用性的機構(結構)或機械產品(裝置)的一種實踐性活動,它是建立在現有機械設計理論基礎上,吸收科技哲學、認識科學、思維科學、設計方法學、發(fā)明學、創(chuàng)造學等相關學科的有益成分,經過交*而成的一種新的設計技術和方法。二、創(chuàng)新設計機械創(chuàng)新設計與常規(guī)機械設計相比,特別注重設計者在設計過程中,尤其是在總體方案結構設計階段中的主導性及創(chuàng)造性作用,探索機構或機械產品創(chuàng)新發(fā)明的機理、模式和方法,具體描述機械產品創(chuàng)新設計過程,并將其清晰、準確地用工程圖樣等技術文件表達出來。機械創(chuàng)新設計的特點是:(一)獨特性應追求與前人、眾人不同的方案,善于打破常規(guī)設計思維、慣例,提出新功能、新原理、新結構,在求異和突破中體現創(chuàng)新;這就涉及多種學科的交*,這就要求學生對知識有全面的掌握如機械、液壓、電力、氣動、熱力、電子、光電、電磁及控制等。(二)實用性應從產品的市場適應性和可生產性兩方面出發(fā),設計產品的新功能、新結構,沒有實用性的產品或無法加工的新結構都是紙上談兵,不是真正的創(chuàng)新;這就要求學生在日常的生活中多觀察和發(fā)現。(三)多方案選優(yōu)應從多方面、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)。機械創(chuàng)新設計的目標是由所要求的機械功能出發(fā),改進、完善現有機械或發(fā)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;這就要求在設計中要注意思維的擴散。根據不同的設計對象,必須對采取哪種創(chuàng)新設計方法做出比較和判斷。創(chuàng)新設計方法通?？煞譃?開發(fā)設計、改型設計和變異設計3種。1.開發(fā)設計。主要針對新研設備提出新的結構設計方案,完成從規(guī)劃、方案、技術設計到加工、生產的全過程。新的產品的開發(fā)給人門帶來了方便,提高了工作效率。2.改型設計。在已有設備的基礎上,針對原有的缺陷或新的工作要求,從工作原理、機構、結構、參數、尺寸等方面進行一定的改進設計,以提高設備質量、可*性等,使設備滿足新的工作要求。如在基本型設備的基礎上,開發(fā)不同參數、尺寸或不同功能、性能的改型系列設備,就是改型設計的成果。這種設計有利于發(fā)展產品品種;有利于提高設計、生產效率,縮短交貨期;有利于提高產品的質量和可*性;使產品具有良好的可維護性等。例如內燃機增加增壓器,以增大輸出功率;增加節(jié)油器,以節(jié)約燃料。3.變形設計。針對已有的先進設備或結構設計,進行深入分析,探索、掌握其關鍵技術,在消化、吸收的基礎上,設計出同類型其它類似的創(chuàng)新設備。它的實現過程可以最大限度地重用企業(yè)已有的成熟產品資源,具有很強的靈活性和適應性,不但可以快速開發(fā)產品、響應市場,而且還可以極大地降低產品設計階段的成本,是一種適應于大規(guī)?？蛻艋ㄖ粕a模式的現代設計方法。變形設計有效地解決了大批量生產的低成本、短交貨期與定制生產的高成本、長生產周期的統(tǒng)一問題`。例如將臺式電風扇設計為落地式電風扇。開發(fā)設計以開創(chuàng)探索創(chuàng)新,改型設計通過改進創(chuàng)新,變形設計在吸取、消化中創(chuàng)新。三、創(chuàng)新思維的概念創(chuàng)新思維是人們在學習、生活、工作或問題解決過程所表現出來的能夠產生新穎獨創(chuàng)性產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,是進行創(chuàng)新思維的培養(yǎng)和訓練。創(chuàng)新思維不是邏輯推理的結果,而是非邏輯的。創(chuàng)新思維通常是通過類比、聯想,從看起來毫不相關的事物中得到啟示,跳躍式的想象出來的。四、創(chuàng)新思維對于學生學習完《機械設計》這門課程后,對于學生來說表現出的創(chuàng)新能力不一定是開發(fā)出對于這個世界來說新的機械。事實上,學生每天都在創(chuàng)新。比如學生在學習《機械設計》這門課程的時候通過學習和思考在不斷改變自身對機械設計的認識,而對于他們自身的思維來說就是全新的,因為其從別人那里學習了并且合并了,從而產生了一個“新”的對《機械設計》的理解?？鬃诱f:“學而不思則罔,思而不學則殆?！彼栽凇稒C械設計》這門課程教學中學與思是教學過程中有機統(tǒng)一的兩個方面。因此,要指導學生進行探究性閱讀,使學生會思、善想,這樣才能更好的對《機械設計》這門課程有個“新”的認識。機械零件的機構受到強度、剛度、穩(wěn)定性、工藝性、摩擦、磨損、壽命、標準化等方面的限制,因而具有約束性;機械傳動的方案可由多種運動形態(tài)及變換并配以不同的運動控制方式來實現,因而具有多解性;機械設計的結論受客觀矛盾因素的影響和主觀判斷能力的局限,因而具有相對性。機械的這種約束性、多解性和相對性特點。為《機械設計》創(chuàng)新思維中的“學”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”,是因為可用路徑問題來說明人類思維過程。而對于《機械設計》創(chuàng)新思維的路徑是“學”和“思”。(一)積極學習獨立思考,培養(yǎng)思維的求異性首先,教師要幫助學生樹立自信心,不盲從。“師不必賢于弟子,弟子不必不如師”的古訓,“人非圣賢,孰能無惑”的道理,都是很好的教育素材。其次,教師要經常啟發(fā)學生。在學習的過程中知道在傳統(tǒng)的機械設計中,書本上總是有對各種機構、構件和零件的性能、應用限制,比如帶傳動難以克服彈性滑動,鏈傳動不可以用在交*軸之間的傳動、兩輪反向傳動或轉動等等。這些限制對于缺乏實踐經驗的學生們往往視之為雷池,不敢逾越半步,這個時候就首先要求學生在學習過程中對帶傳動、鏈傳動有深刻的理解:在帶傳動中,為了克服帶的彈性滑動,能否在帶的內側上安裝一些突出的齒,帶輪上也加工出對應的齒,形成齒形帶呢?為了綜合V帶與齒形帶的優(yōu)點,能否將二者做在一起形成復合帶呢?在鏈傳動中,鏈傳動屬于半撓性體機構,鏈條中有剛性的鏈節(jié),不可能交*使兩軸作反向傳動或交錯軸間的傳動。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