机械创新设计 课件 第二章 我国古代机械发展史与IASE创新方法

第二章我国古代机械发展史与IASE创新方法机械创新设计目标课程目标知识目标了解我国科技发展情况，掌握IASE创新方法，具备创新方法的应用能力。能力目标具备机构与机械结构创新设计能力。素质目标创新、集成、变换。目标知识内容1我国科技发展历程2创新问题求解思路3IASE创新方法我国科技发展成就最大的是哪些方面？我国科技史源远流长，我国的科学技术在很长的一段历史时期都居于世界领先地位，浩若烟海的科学技术成就，为世界文明的发展做出了突出的贡献，成就最大的是农学、天文学、数学和中医学，诞生了诸如“四大发明”等影响世界文明进程的众多科技成果。2.1我国科技发展历程科技萌芽萌芽时期包括旧石器时代和新石器时代，制作工具是当时科技的重要工作，如弓箭、石器、陶器等。下页的图2-1是山西朔县的峙峪遗址出土的距今28900多年前的石镞。图2-2是浙江跨湖桥遗址出土的漆弓。图2-3为青海省柳湾遗址出土的石刃骨刀，这是一种石头刀刃与骨头手柄的组合工具，说明我国人们很早就掌握了组合的创新方法。图2-1石镞图2-2漆弓图2-3石刃骨刀

夏商周、春秋战国时期夏商周时期奠定了中国科学技术的雏形。中国进入了青铜时代，图2-4为各种青铜器，青铜器的铸造冶炼技术非常高超，并且开始烧制瓷器。我国古代科学技术体系基本全面奠定于春秋战国时期。这时我国广泛使用铁器，还出现了炼钢技术和铸铁柔化技术。兴建大规模的水利工程，比如都江堰、郑国渠等；数学上确立了十进位制；天文学上出现了世界上最早的星表之一，并且测定了比较精确的回归年长度；医学上发明了“望、闻、问、切”的中医医术；利用磁石特性制成“司南”（图2-5）。秦汉时期秦汉时期，我国古代的科学技术体系趋于成熟。发明造纸术，修建万里长城（图2-6），发明地动仪（图2-7），而船舶制造、漆器工艺、纺织、冶铁达到了高超的水平，铁犁、耧车、水排广泛应用（图2-8）；《九章算术》、《伤寒杂病论》更是我国在数学、医学上的创举。两晋南北朝、隋唐时期两晋南北朝时期在众多领域都取得了非常高的成就，比如郦道元的地理学科的著作《水经注》，贾思勰的农业著作《齐民要术》，中医的著作有王叔和的《脉经》、皇甫谧的《针灸甲乙经》、陶弘景的《神农本草经集注》。此外，炼丹术对原始化学产生了重要影响；如织绫机（图2-9）、指南车（图2-10）、龙骨水车（图2-11）等机器的出现，则代表了中国古代机械制造的水平。隋唐时期修建了赵州桥（图2-12），发明了雕版印刷术，测量了子午线，并且开始研究恒星的运动。宋元时期宋元时期，中国古代科技走向辉煌的时期。宋朝时活字印刷术、火药、指南针技术达到巅峰，对战争、文明的传播、航海等产生了重要的影响，出现了一批火药武器，比如突火枪、火箭、火炮、火铳（图2-13）等。在天文领域，郭守敬的《授时历》将一年分为365.2425日，废除了我国的传统上元积年法，这种近世截元法比西方早300多年。同时在地理、数学、建筑、医学等领域也取得了非常大的成就。明清时期明清时期科技成就灿若繁星，在各行各业都取得了非凡的成就，涌现了许多名家巨作。比如，李时珍的《本草纲目》（图2-14），宋应星的《天工开物》（图2-15），徐光启的《农政全书》（图2-16），徐霞客的《徐霞客游记》等，这些作品代表了医学、农业、手工业、地理领域的成就；故宫（图2-17）则成为世界上现存规模最大、保存最完整的木质结构建筑。近代科技鸦片战争以后，西方科学大量传入中国，从洋务运动、戊戌变法、一直到辛亥革命，中国竭力地吸收西方科学成果。民国时期的枪械制造术、造船术、蒸汽技术、飞机技术都是海外留学学子在国内进行的技术尝试。现代科技20世纪50年代后，中国开始了科学技术的自主研发，在国防、交通、航天航空、深海探测、生物工程等领域取得了非常大的成就。1964年第一枚原子弹爆炸成功，1967年第一枚氢弹爆炸成功，2004年中国空军换装歼-10战机（图2-18），2019年航母“山东舰”（图2-19）交付海军，这一系列自主研发的军事科技产品，加强了我国的领土守卫能力，也提高了我国的国际地位。现代科技在航天航空领域，1970年“东方红一号”（图2-20a）发射成功，2003年“神舟五号”（图2-20b）载人飞船发射成功，2007“嫦娥一号”（图2-20c）探测器发射成功，2020年“天问一号”（图2-20d）发射成功并已在火星着陆开展探索工作，预计2022前后完成太空站的建造等，这些成就使我国的航空航天技术走到了世界的前列。现代科技在医学上，1965年合成结晶牛胰岛素；屠呦呦提取了青蒿素，可以有效降低疟疾患者的死亡率，获得了诺贝尔奖。在生物工程方面，2002年完成人类基因组合作计划中基因的测序工作。在超级计算机技术领域，研发了银河系列、天河系列、曙光系列、神威系列（图2-21）等超级计算机。现代科技在交通领域，高铁铁路运营里程位居世界第一，并且自主研发生产了“复兴号”（图2-22）。桥梁、公路的建设也取得了辉煌的成绩，2021年全国通车公路里程预计达到520万公里，“港珠澳大桥”成为全球最长的跨海大桥（图2-23）。现代科技在其他领域，中国也取得了辉煌的成绩，比如深海探测器“蛟龙”（图2-24），南极科考站“长城站”（图2-25），天文望远镜“天眼”（图2-26），核电技术“国和一号”（图2-27），以及深入生活的网络支付技术、共享自行车等，都是我国科学工作者前赴后继、不断创新的成果。我国科技发展中的创新启示我国科技发展史其实就是一部创新史，科技离不开创新方法，从最先的观察法、试错法，到现在成系统的创新方法的应用，其中常用的创新方法，如模仿法、创意列举法、综摄法、组合法、移植法、逆向转换法等应用最广。例如锯的发明就是综摄法中的仿生类比得到，石刃骨刀、天河系列超算等是组合法的应用，印刷术的发明体现了逆向转换法、分割原理，算筹（中国古代的计算工具）体现了分割、抽取等发明原理，等等。同时也看到，科技发展促进了创新方法的发展，有很多创新方法是从科技发展过程提炼出来的，随着创新方法体系的形成，创新方法（或创新工具）对科技发展将起助推作用，即加速技术应用与不断完善。创新问题求解要经过哪些步骤？纵观现有的成体系的创新方法，创新问题求解均经历了问题识别、问题分析、问题求解、方案评价等几个阶段（当然有的方法是将问题分析与问题求解合为一个阶段）因而本书针对创新问题，也采用四步走的求解思路。2.2创新问题求解思路问题识别问题分析方案评价问题求解创新问题求解流程对于创新问题求解，多数人的习惯直接去寻找解决方案，这样可能会导致求解困难，即使找到一些解决方案，也会错过一些更好的方案，因此在创新问题求解时，要非常重视问题识别与问题分析阶段。在问题分析阶段，要重视功能导向搜索工具，通过功能导向搜索寻找和借鉴其他领域成功解决方案，快速、简便地获得问题的解决方案或规避本领域现有的解决方案，有时还会避免重复劳动。案例：目前市场上的桌子一般分为固定型与折叠型。固定型的桌子面积固定，难以适应人数变化的场合；而大多数折叠型桌子通过合页或者铰链及其它机构连接在一起，通过折叠板来达到面积增大的效果。这类型的桌子虽然适应性比固定型的桌子有所提高，但也存在桌面的面积改变有限等缺点，因而需要对桌子进一步创新设计，以满足用户对桌面倍增的需求。铰链折叠型折叠桌导轨型折叠桌第一步：问题识别目前市场上的桌子一般分为固定型与折叠型。第二步：问题分析固定型的桌子面积固定，难以适应人数变化的场合而大多数折叠型桌子通过合页或者铰链及其它机构连接在一起，通过折叠板来达到面积增大的效果。这类型的桌子虽然适应性比固定型的桌子有所提高，但也存在桌面的面积改变有限等缺点，例如方形变成圆形。第三步：问题求解

目标面积增加且形状不变。提出一种集成TRIZ与可拓学的创新设计方法.依次使用可拓矛盾方法分析创新设计中的矛盾问题,然后将矛盾参数标准化,查询TRIZ矛盾矩阵,选择合适的发明原理建立可行解,实施可拓变换。根据TRIZ原理解的提示，需要增加组合机构，以增加桌面面积，且不改变桌子表面形状，扩展面积较大，理论上单一的组合机构无法满足大面积的拓展需求，因此考虑添加两组机构以满足拓展需要，考虑两组机构基元变换的可行性，避免机构拓展时相互干涉，选用上下错开的两组机构.考虑到方桌的特殊形状和操作的便利性，采用常用的曲柄滑块机构，曲柄连杆机构，凸轮机构和齿轮机构等进行组合驱动面积倍增和桌形保持不变。第四步：方案评价方案一，曲柄滑块机构和曲柄连杆机构的组合.机构本身比较简单、容易实现功能、杆可以长度变化、实现远距离的控制、寿命长、成本低.缺点是精度比较低，不容易实现精确复杂的运动规律.方案二，凸轮机构和曲柄连杆机构的组合.凸轮机构优势比较明显，结构简单、加工方便、结构紧凑、可靠性高.但是凸轮机构的缺点也较为显著，线接触的地方容易磨损、行程不大.方案三，齿轮机构和曲柄连杆机构的组合.齿轮机构的优点主要为承载力大和传动精度高.缺点主要为安装精度差和传动噪音大.第四步：方案评价机构组合优点缺点曲柄滑块机构和曲柄连杆机构的组合结构简单、长度可变

精度较比、不易复杂运动

凸轮机构和曲柄连杆机构的组合

结构简单、可靠

接触磨损、行程不大

齿轮机构和曲柄连杆机构的组合

承载力大、传动精度高

噪音大

第四步：方案评价对于方案的选择，一般可以应用优度评价进行优选，这里考虑篇幅，仅进行简单的定性比较.3种组合方案优缺点如上表所示，考虑到问题的本质，方桌本身不需要较大的承载力，同时需要转动过程产生的音量越低越好，因此方案三不符合要求。

方案二结构简单，但是行程太小，这样会导致拓展的面积较小，无法达到拓展的需求.方案一结构简单，虽然精度较低，不易进行复杂运动，但是对于当前的问题并不产生影响，故综上所述，应该选择方案一。最终方案：桌子拓展前桌子拓展后对于这个可变面积方桌的改进，大家还有什么方法吗？请大家讨论一下。什么是IASE？什么是创新工具难度？IASE有哪些工具？现在发明流程有哪些变化？2.3IASE创新方法TRIZ理论与可拓创新方法是两类重要的创新方法。可拓学最重要的特点是它的形式化，其基本理论和方法都是符号化、模型化的。可拓学解决问题主要通过4个步骤完成，包括建立模型、拓展、可拓变换和优度评价，每个步骤也包含中众多规则。TRIZ理论来源于专利，其特点是操作性强，其解决问题同样可以分为4步：定义问题、分析问题、问题求解、选择最优解。TRIZ的问题模型有4种形式：技术矛盾与物理矛盾、物质-场问题、知识与效应库、标准解法系统。

同时，TRIZ也提供相应的解题工具：矛盾矩阵、分离原理、知识与效应库、76个标准解。并形成了系统的解决问题算法：ARIZ算法。将这两类创新方法融合，是目前创新方法研究的热点之一。IASE创新方法是Identification、Analysis、Solve和Evaluation四个英文单词的缩写。IASE创新方法是在分析TRIZ和可拓学解决矛盾问题之流程的异同性和优缺点的基础上建立的，并适当地简化了TRIZ与可拓学，同时兼具使用性和通用性。将问题解决过程归纳为问题识别、问题分析、问题求解及方案评价四个阶段，着重解决每个阶段创新工具的选择与应用问题。（1）IASE创新方法求解流程如图所示，IASE创新发明流程与前面总结的创新问题求解流程类似，主要增加了工具选择的策略。创新发明问题：是技术系统的实际状况与应有的要求标准（或用户理想要求）之间的差异。（1）IASE创新方法求解流程问题识别：将自然语言描述的问题进行规范化、形式化描述，并识别其中的核心问题。这里需要对初始化问题进行转换，找到深层次问题，即核心问题。问题分析：对核心问题进行搜索或分析，寻求拓展的方向，为求解奠定基础。问题求解：在前面拓展的各个方向上，寻找解决问题的方案。方案评价：对求解得到的多种方案进行评价优选。选择策略：根据创新工具的难度（或自身经验，或问题类型）进行选择，难度的定量描述采用创新工具难度模型。（2）创新工具难度描述模型借鉴定量评价课程难度的模型，可以对创新工具难度进行定量的描述，建立了创新工具难度模型，表述为创新工具的广度与深度的函数，如下所示。其中，G代表该创新工具的广度；S代表该工具的深度；指加权系数，取值范围为，反应了创新工具对于广度和深度的侧重程度。（2）创新工具难度描述模型广度G可以由工具所包含的知识点的总个数确定。深度S通过3个因素进行综合评价，包括记忆、理解和应用。这样一来，式（1）就可以表达为以下式子：其中，代表深度评价的三个因素，则代表各个因素的权值。对问题求解流程的每个阶段，根据上述难度模型分别对可拓学和TRIZ的创新工具进行定量评价，对比各工具的难度值，就可以决定在该求解阶段应该