《机械设计基础》-项目9

知识点１创新原理创新既是一个宏观的社会实践过程，又是一个微观的心理反应过程，如果没有正确的原理指导、原则规范和过程提示，创新活动有可能陷入茫无头绪的境地。创新的原理是依据创新思维的特点，对人们所进行的无数创新活动的经验性总结，也是对客观所反映的众多创新规律的综合性归纳。１.综合创新原理综合是在分析各个构成要素基本性质的基础上，综合其可取的部分，使综合后所形成的整体具有优化的特点和创新的特征，如图９－２所示。例如，将啮合传动与摩擦带传动技术综合而产生的同步带传动，具有传动功率较大，传动准确等优点，已得到广泛的应用。下一页返回知识点１创新原理从大量的创新实践中可知，综合就是创造。（１）综合已有的不同科学原理可以创造出新的原理。如牛顿综合开普勒的天体运行定理和伽利略运动定律，创建了经典力学体系。（２）综合已有的事实材料可以发现新规律。如门捷列夫综合已知元素的原子属性与原子量、原子价的关系的事实和特点，发现了元素周期律。（３）综合已有的不同科学方法可以创造出新方法。如笛卡尔引进了坐标系，综合几何学方法和代数方法，创立了解析几何学。（４）综合不同学科能创造出新学科。如信息科学、生物科学、材料科学、能源科学、空间科学、海洋科学等，都属于综合性学科。上一页下一页返回知识点１创新原理（５）综合已有的不同技术创造出新技术。如原子能、电子计算机、激光、遗传、自动化、机器人、航天技术等，都属于综合性技术。综合能发掘已有事物的潜力，并且在综合过程中产生新的价值。综合不是将研究对象的各个要素进行简单的叠加或组合，而是通过创造性的综合使综合体的性能产生质的飞跃。综合创新比起开发创新在技术上更具有可行性，是一种实用的创新思路。２.分离创新原理分离原理是把某一创新对象进行科学的分解和离散，使主要问题从复杂的现象中暴露出来，从而理清创造者的思路，便于抓住主要矛盾。上一页下一页返回知识点１创新原理分离原理在发明创新过程中，提倡将事物打破并分解，它鼓励人们在发明创造的过程中，冲破事物原有面貌的限制，将研究对象予以分离，创造出全新的概念和全新的产品，如图９－３所示。如隐形眼镜是眼镜架和镜片分离后的新产品，还有风靡美国玩具市场的“椰菜娃娃”，也应用了分离创新原理。３.还原创新原理还原原理要求大家要善于透过现象看本质，在创新过程中，能回到设计对象的起点，抓住问题的原点，将最主要的功能抽取出来并集中精力研究其实现的手段和方法，以取得创新的最佳成果。任何发明和革新都有其创新的原点。上一页下一页返回知识点１创新原理创新的原点是唯一的，寻根溯源找到创新原点，再从创新原点出发去寻找各种解决问题的途径，用新的思想、新的技术、新的方法重新创造该事物，从本原上去解决问题，这就是还原原理的精髓所在。如洗衣机的开发，打火机的发明，都应用了还原创新原理。４.移植创新原理移植创新原理是把一个研究对象的概念、原理和方法运用于另一个研究对象并取得创新成果的创新原理。“他山之石，可以攻玉”就是该原理能动性的真实写照。移植原理的实质是借用已有的创新成果进行创新目标的再创造。（１）把某一学科领域中的某一项新发现移植到另一学科领域中，使其他学科领域的研究工作取得新的突破。上一页下一页返回知识点１创新原理如英国外科医生李斯特从德国微生物学家巴斯德发现细菌这一事件受到启发，发明了外科手术的消毒方法。（２）把某一学科领域中的某一基本原理或概念移植到另一学科领域中，促使其他学科的发展。如爱因斯坦把１９０１年普朗克在黑体辐射研究中提出的“能量子”概念移植到光电现象的研究领域，提出了“光量子”假说。（３）把某一学科领域的新技术移植到其他学科领域中，为另一学科的研究提供有力的技术手段，推动其他学科的发展。如激光技术移植到医学领域，为诊断、治疗各种疾病提供了有力的武器；电子技术移植到机械行业，实现了机电一体化。上一页下一页返回知识点１创新原理（４）将一门或几门学科的理论和研究方法综合、系统地移植到其他学科，导致新的边缘学科的创立，推动科学技术的发展。如人们把物理的理论和研究方法系统地移植到化学领域。创新活动中的移植按重点不同，可以是沿着不同物质层次的“纵向移植”，也可以是在同一物质层次内不同形态间的“横向移植”，还可以是把多种物质层次的概念、原理和方法综合引入同一创新领域中的“综合移植”。新的科学创造和新的技术发明层出不穷，其中有许多创新是运用移植原理取得的。上一页下一页返回知识点１创新原理５.逆向创新原理逆向创新原理是从反面、构成要素中对立的另一面思考，将通常思考问题的思路反转过来，寻找解决问题的新途径、新方法。逆向创新法也称为反向探索法。如李四光利用“反序法”发现大庆油田；司马光砸缸的故事，也是逆向创新的一种体现。逆向创新原理首先要求人们敢于并善于打破头脑中常规思维模式的束缚，对已有的理论方法、科学技术、产品实物持怀疑态度，从相反的思维方向去分析、思索，去探求新的发明创造。实际上，任何事物都有着正、反两个方面，这两个方面同时相互依存于一个共同体中。上一页下一页返回知识点１创新原理人们在认识事物的过程中，习惯于从显而易见的正面去考虑问题，因而阻碍了自己的思路。如果能有意识、有目的地与传统思维方法“背道而驰”，往往能得到极好的创新成果。６.价值优化原理第二次世界大战以后，从美国开始了关于价值分析（ＶａｌｕｅＡｎａｌｙｓｉｓ，ＶＡ）和价值工程（ＶａｌｕｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＶＥ）的研究。在设计、研制产品（或采用某种技术方案）时，设计研制所需成本为Ｃ，取得的功能（即使用价值）为Ｆ，则产品的价值Ｖ为Ｖ＝Ｆ/Ｃ（１）若保持产品功能不变，通过降低成本，可以达到提高价值的目的。上一页下一页返回知识点１创新原理（２）在不增加成本的前提下，提高产品的功能质量，以实现价值的提高。（３）虽然成本有所增加，但却使功能大幅度提高，使价值提高。（４）虽然功能有所降低，成本却能大幅度下降，使价值提高。（５）不但使功能增加，同时也使成本下降，从而使价值大幅度提高。科学的发展，使创新越来越需要发挥群体智慧，才能有所建树。早期的创新多是依靠个人的智慧和知识来完成的，但随着科学技术的进步，要想“单枪匹马、独闯天下”，去完成像人造卫星、宇宙飞船、空间试验室和海底实验室等大型高科技项目的开发设计工作，是不可能的。上一页下一页返回知识点１创新原理这就需要创造者们能够摆脱狭窄的专业知识范围的束缚，依靠群体智慧的力量、依靠科学技术的交叉渗透，使创新活动从个体劳动的圈子中解放出来，焕发出更大的活力。在创新活动中，创新原理是运用创造性思维分析问题和解决问题的出发点，也是人们使用何种创造方法、采用何种创造手段的凭据。因此，掌握创新原理，是人们能否取得创新成果的先决条件。但创新原理不是包治百病的“万应灵丹”，不能指望在浅涉创新原理之后，就能对创新方法了如指掌并使用自如，甚至能解决创新的任何问题。只有在深入学习并深刻理解创新原理的基础上，人们才有可能性有效地掌握创新方法，也才有可能成功地开展创新活动。上一页返回知识点２创造创新技法创造创新技法是指创造学家收集大量成功的创造和创新的实例后，研究其获得成功的思路和过程，经过归纳、分析、总结，找出规律和方法供人们学习、借鉴和仿效。简言之，创新技法是以创新思维为基础，通过实践总结出的一些创造发明的技巧和方法。通过不断的实践和对理论的总结，大致可以总结出以下几种方法：１.头脑风暴法头脑风暴法又称为智力激励法、集思广益法、脑轰法、畅谈会法等。它是由创造工程学的创始人，美国的奥斯本在１９３９年提出的世界上第一个创造技法，是一种适合集体进行的创造技法。其特点是运用智力激励会的形式来进行集体讨论，以求在集思广益的基础上产生思维共振，从而在短时间内产生大量的创新设想，继而量中求质，寻找出最佳方案。下一页返回知识点２创造创新技法这种方法的优点是，参与创造的每一个人都能受到其他人设想的启发，进而由联想触发联想，比个人思考更容易激发创造性思维；缺点也是显而易见的，那就是组织工作较为繁杂。智力激励法的基本原则如下：（１）围绕议题，自由畅想。智力激励活动要有明确的议题，欢迎并鼓励参加者围绕该议题从多种角度大胆想象，甚至不怕“疯狂型想象”，同时鼓励把别人的设想发展或演化为自己的新设想。（２）先发散，后集中，量中求质。没有数量就不可能有质量，发散思维阶段与聚合思维阶段应明确分开。上一页下一页返回知识点２创造创新技法（３）禁止批评，保留判断。平常人们在讨论问题时往往过早地要求切实可行，过早地批评不太完善的方案，这势必造成把许多创新观念拒之门外，是不利于创造的。所以，在发散思维阶段，明确规定禁止批评，就可以造成无任何拘束的气氛。不太完善但创新性较强的设想，甚至是一个不好的设想，提出来以后也可能从其他角度启发别人提出新的设想。判断必须延迟到聚合思维阶段再开展。（４）限人限时，制造压力。智力激励会一般规定参加人数为５～１０人，可以包括少量外行人士（因外行人士不受思维定势的约束），发散创新的时间一般不超过１小时。上一页下一页返回知识点２创造创新技法要有一位善于掌握激励原则的会议主持人，并事先发出邀请及通告议题。制造压力的方法一般是明确规定要轮流发言，并组织好记录，不能光听不讲。２.６－３－５书面集智法智力激励法传入德国后，德国的创造学家根据德意志民族善于沉思的性格特征，对智力激励法进行了改良，创造了６－３－５书面集智法，也叫默写式智力激励法。即每次会议请６个人参加，每人在卡片上默写３个设想，每轮历时５分钟。这种方法和头脑风暴法很像，是针对头脑风暴法的局限性提出的。头脑风暴法的局限在于，有的创造性很强的人喜欢沉思，但会议无此条件；会上表现力和控制力强的人会影响他人提出设想；上一页下一页返回知识点２创造创新技法会议严禁批评，虽然保证了自由思考，但难以及时对众多的设想进行评价和集中。６－３－５书面保留法的特点是，组织者给每个人发几张卡片，每张卡片上标上１、２、３号，在每两个设想之间留出一定的空隙，好让其他人再填写新的设想。在第一个５分钟内，要求每个人针对议题在卡片上填写３个设想，然后将设想卡传递给右邻的与会者。在第二个５分钟内，要求每个人参考他人的设想后，再在卡片上填写３个新的设想，这些设想可以是对自己原设想的修正和补充，也可以是对他人设想的完善，还允许将几种设想进行取长补短式的综合，填写好后再向右传给他人。这样，半小时内传递５次，可产生１０８条设想。上一页下一页返回知识点２创造创新技法从收集上来的设想卡片中，将各种设想，尤其是最后一轮填写的设想进行分类整理，然后根据一定的评判准则筛选出有价值的设想。默写式智力激励法也比较适合于中国人的性格，其效果好于美国式的智力激励会。３.检核表法检核表法又称设想提问法、分项检查法等。检核表法应用面极广，几乎适用于所有类型与场合的创造活动，以及非创造性的常规问题的分析研究方面。应用检核表法而取得创造成功的事例不胜枚举，以至人们常把检核表法称为“创造技法之母”。检核表实际上是一张人为制订的从各个不同的角度来启迪思路的分类提问表。上一页下一页返回知识点２创造创新技法对不同的创造对象及不同的创造目标，都可以列出解决问题应思考的各个方面，以便于按拟定的问题来开展全面、周密、多方位的思考，从而完善地解决问题。创造工程学的创始人奥斯本，最早提出过一张用以把任何现有发明进一步开发与完善的检核表，即有名的奥斯本检核表。其内容如下∶（１）现有的发明有无其他的用途（包括稍作改革可以扩大的用途）。（２）现有的发明能否引入其他的创造性设想，或者有没有可以借用的其他创造发明和类似的发明。上一页下一页返回知识点２创造创新技法（３）现有的发明可否改变形状、颜色、音响、味道等。（４）现有的发明能否扩大使用范围，或延长其使用寿命等。（５）现有的发明可否缩小体积、减小质量或分割化小等。（６）现有的发明有无代用品。（７）现有的发明能否更换一下型号或更换一下顺序等。（８）现有的发明是否可以颠倒过来使用。（９）现有的几种发明是否可以组合起来使用。可见，检核表法是先发散性地提出可能的方案，然后再择优决定优先开发的方案。有人评价说，智力激励法虽有较好的创造效果，但必须借助于集体。而检核表中的每一个问题，相当于有一个人在与你展开集体讨论，其效果远比个人思考更好。上一页下一页返回知识点２创造创新技法检核表的作用很大，但关键是要有好的检核表。如果检核表制订得不好，则副作用很大。它很可能给创造者带来新的思维框框，阻碍创新思路的产生。因而，首先要力求拥有经实践证明的、具有较好效果的、高质量的典型检核表；其次不要迷信现成的检核表，而应该从具体的创造要求、创造原理出发，经常调整、修改、完善各检核表的内容。４.列举法列举法是具体运用发散性思维来克服思维定势的一种创造技法。它可以帮助大家拓宽思路，打破思维的僵化与麻木。上一页下一页返回知识点２创造创新技法列举法主要有缺点列举法和希望点列举法两种。１）缺点列举法缺点列举法是一种改进型的创造技法。它通过全面地寻找创造对象目前所存在的具体缺点，并从对缺点的认识中开发创新的思路，从而消除或改进这些缺点。例如，对任何产品来说，都可以至少从６个思路方向来考虑开展缺点列举：（１）产品的使用性能。（２）产品的经济性能。（３）产品的生产制作工艺性。上一页下一页返回知识点２创造创新技法（４）产品的技术原理。（５）与国内外相同、相近产品的对比。（６）产品的外观、包装、名称、商标及专利保护等市场竞争性方面。２）希望点列举法缺点列举法是一种改进型、被动型的创造技法。它先要有事物的原型，然后才能通过列举缺点去开展新的创造。而希望点列举法却是一种积极的、主动型的创造技法，它是根据有需要、有愿望就会有创造的原理，主动去发现需要，寻找愿望，通过列举各方面的希望点来开展创造。上一页下一页返回知识点２创造创新技法希望点列举法的思维方式也是发散型的，它不受任何事物原型的束缚，只要根据人们的希望点就可以提出各种新的设想。当旧的需要所反映的希望点实现之后，又会有新的希望点冒出来。随着社会的不断进步，希望点也在不断发展，永远不会终结。当然，真正有意义的希望点列举法创造，不但要找准希望点，而且必须从希望点出发，解决相应的问题。５.ＴＲＩＺ———发明问题解决理论英文翻译为：ＴｈｅｏｒｙｏｆＩｎｖｅｎｔｉｖｅＰｒｏｂｌｅｍＳｏｌｖｉｎｇ，缩写为ＴＩＰＳ，其意义为发明问题的解决理论。上一页下一页返回知识点２创造创新技法ＴＲＩＺ理论是由苏联发明家阿利赫舒列尔（Ｇ.Ｓ.Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ）在１９４６年创立的，Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ也被尊称为ＴＲＩＺ之父。ＴＲＩＺ理论说明发明创造和解决技术难题是有规律可循的。发明的过程就是解决系统冲突的过程。Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ发现任何领域的产品改进、技术的变革、创新和生物系统一样，都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡的过程，是有规律可循的。人们如果掌握了这些规律，就能主动地进行产品设计并能预测产品的未来趋势。上一页下一页返回知识点２创造创新技法１）ＴＲＩＺ解决问题的过程发明问题解决理论的核心是技术进化原理。按这一原理，技术系统一直处于进化之中，解决冲突是其进化的推动力，按照ＴＲＩＺ理论，解决冲突的方法是采用分离原理，比如时间上的分离（飞机襟翼）、空间上的分离（舰艇的拖曳声呐系统）、条件上的分离（喷水可以用来洗澡也可以用来切割）、部分的分离（标准生产线和柔性制造系统）。进化速度随技术系统一般冲突的解决而降低，使其产生突变的唯一方法是解决阻碍其进化的深层次冲突。２）ＴＲＩＺ理论的主要内容（１）ＴＲＩＺ理论中提供了如何系统分析问题的科学方法，如多屏幕法等；上一页下一页返回知识点２创造创新技法而对于复杂问题的分析，则包含了科学的问题分析建模方法———物场分析法，它可以帮助快速确认核心问题，发现根本矛盾所在。（２）技术系统进化法则。针对技术系统进化演变的规律，在大量专利分析的基础上，ＴＲＩＺ理论总结提炼出六个基本进化法则，即由单一趋向于复合（螺旋桨叶片）、由整体趋向于分割（印刷机）、由刚性趋向于柔性（汽车转向机构）、由单向趋向于双向（光控电灯）、由一维趋向于多维（灯管的发展）、由单一用途趋向于多用途（汽车上的显示屏）。利用这些进化法则，可以分析确认当前产品的技术状态，并预测未来发展趋势，开发富有竞争力的新产品。上一页下一页返回知识点２创造创新技法（３）技术矛盾解决原理。不同的发明创造往往遵循共同的规律，ＴＲＩＺ理论将这些共同的规律归纳成４０个创新理论，即空间的转换（可折叠的交通灯）、时间的转换（焊接时防止变形可以施加的反作用力）、主体的转换（沙发床）、作用力的转换（激光雕刻机）、材料或形态的转换、环境的转换（使用氧离子）。针对具体的技术矛盾，可以基于这些创新原理、结合工程实际寻求具体的解决方案。（４）创新问题标准解法。针对具体问题的物场模型的不同特征，分别对应有标准的模型处理方法，包括模型的修整、转换、物质与场的添加等。上一页下一页返回知识点２创造创新技法（５）发明问题解决算法ＡＲＩＺ。它主要是针对问题情景复杂，矛盾及其相关部件不明确的技术系统。它是一个对初始问题进行一系列变形及再定义等非计算性的逻辑过程，实现对问题的逐步深入分析，问题转化，直至问题解决。（６）基于物理、化学、几何学等工程学原理而构建的知识库。基于物理、化学、几何学等领域的数百万项发明专利的分析结果而构建的知识库可以为技术创新提供丰富的方案来源。上一页返回知识点３机构的组合、演化与创新设计１.机构的组合与实例分析机构的组合原理是指将几个基本机构按一定的原则或规律组合成一个复杂的机构。这个复杂的机构一般有两种形式：一种是几种基本机构融合成性能更加完善、运动形式更加多样化的新机构，被称为组合机构；另一种则是几种基本机构组合在一起，组合成的各基本机构还保持各自的特征，但需要各个机构的运动和运作协调配合，以实现组合的目的，这种形式被称为机构的组合。１）机构的串联组合两个及两个以上基本机构顺序连接，每一个前置机构的输出为后置机构的输入，用以满足工作要求的布置，称为机构的串联组合。下一页返回知识点３机构的组合、演化与创新设计机构的串联组合常用于改善输出构件的运动和动力特性，并可以实现增力、增程和各种特殊的运动规律。２）机构的并联组合两个或多个基本机构并列布置，称为机构的并联组合。机构的并联组合相当于运动的合成，其主要功能是对输出构件运动形式的补充、加强和改善，或者改善输出构件的运动状态和运动轨迹，还可以改善机构的受力状态，使机构获得自身的动平衡。上一页下一页返回知识点３机构的组合、演化与创新设计３）机构的复合组合机构的复合组合是指以二自由度的机构为基础机构，单自由度的机构为附加机构，再将两个机构中某些构件并接在一起，组成一个单自由度的组合机构。它一般是不同类型基本机构的组合，并且各种基本机构融为一体，成为一种新机构，其主要功能是实现比较特殊的运动规律，如停歇、逆转、加速、减速、前进、倒退以及增力、增程等。它是一种比较复杂的组合形式，基础机构的两个输入运动，一个来自机构的主动构件，另一个则来自附加机构。在复合组合式机构中，基础机构一般为二自由度机构，如差动齿轮机构、五连杆机构；附加机构为各种基本机构，如单自由度的连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。上一页下一页返回知识点３机构的组合、演化与创新设计４）机构的叠加组合将一个机构安装在另一个机构的某个运动构件上的组合形式称为叠加式机构，其输出的运动是若干个机构输出运动的合成。这种组合的运动关系有两种情况：一是运动独立式，即各机构的运动关系是相互独立的，常见于各种机械手；二是运动相关式，即各机构之间的运动有一定的影响。机构的叠加组合的主要功能是实现特定的输出，完成复杂的工艺动作。上一页下一页返回知识点３机构的组合、演化与创新设计２.机构的演化以某一基本机构为原始机构，对其机架、运动副和构件尺寸等进行变换，从而设计出具有不同功用的新机构的过程，称为机构的演化。一般归纳为三种演化：（１）改变机构中的机架（以不同的构件作为机架）。（２）改变机构中运动副的性质（高副与低副的演化）。（３）改变机构中构件的尺寸。四杆机构种类繁多，但是都可以看作是由铰链四杆通过机架变换、运动副变换和尺寸变换演化而来的。上一页下一页返回知识点３机构的组合、演化与创新设计３.机械系统方案的创新设计１）机械系统的概念由若干机械装置组成的一个特定系统称为机械系统。机械系统可能是一台机器，如机床、塑料挤出机、纺织机等，系统中主要包含有能量的转化，运动形式的转换等；也可能是一台设备，如化工容器、反应塔、变压器等，系统中主要包