《综合创新训练》指导书

1、综合创新训练指导书王晓伟 靳同红班 级：机械081-9 时 间：第18、19周山东建筑大学 工程机械教研室一、课程的性质和任务本课程是机械工程及自动化专业机设方向的一个重要的实践性教学环节。为了适应21 世纪人才培养的要求，必须转变教育观念，探索新的培养模式，而改革的重点是加强学生素 质教育和创新能力的培养。本实践环节任务是使学生进一步巩固和加深所学的理论知识，针对开发型、变异型、反 求型等各种类型设计，围绕设计中的机械原理方案设计、机构设计、结构设计等环节，从各 个角度广泛探讨创新设计规律。使学生开阔视野，拓宽思路，为成长为合格的机械设计师奠 定基础。二、课程的基本要求 基本要求：了解某种现有机械产品或机构(模型)的原理、组成，查找相关资料，找出 存在问题或不足或提出开发设计思想，进行改进设计或创新设计，设计相应结构或机构实现 基本功能要求。重点和难点：提出问题或设计思想，结构创新设计。 学时分配：1、查找资料、提出问题或设计思想 2 天；2、方案设计2 天；3、结构设计4 天4、撰写设计报告(说明书) 2 天三、教材与参考书目1 黄纯颖主编，机械创新设计. 北京：高等教育出版社，2

2、000.2 G.Pahl，W.Beitz 著，冯培恩等译. 工程设计学. 北京：机械工业出版社，1992.3 王玉新. 机构创新设计方法学. 天津：天津大学出版社，1996.4. 黄纯颖主编. 工程设计方法学. 北京：机械工业出版社，1992.四、创新设计原理简介1、创新设计与传统设计 对于机械设计而言,设计的创造过程一般可分为产品规划、原理方案设计 (也称概念设 计)、详细设计和改进设计四个阶段。在传统设计过程中,原理方案设计多采用直觉法、类比 法、试凑法或试验纠错法来进行。详细设计的设计内容通常是用工程图学、机械零件、机械 原理、理论力学、材料力学、电子、电工等基础知识来完成产品的设计、计算,画出零件图、 部件装配图和总装图,这些设计内容可认为是常规设计。常规设计通常是以古典力学为基础、 大量采用经验数据的半经验性的设计方法。按常规、传统的设计方法,一项成功的设计往往 要经历漫长的时间,花费较多的代价,设计效率低,产品的性能主要取决于设计人员的经验、 素质等因素,设计质量和水平难以控制。随着科学技术的发展,大量新产品的问世,一方面缩短了产品的平均寿命,另一方面,也 剌激了人们对新产

3、品的不断需求,产品生产的特点更趋于小批量、多品种、多规格、短周期。 高新技术在产品中的比重越来越大。改变传统的设计理念,创造新的设计方法成为必然。机 械创新设计正是在这种大环境下产生的。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,而更要求设计者在新成果的基础上,敢于怀疑,有所突 破,充分发挥设计者的创造力和想象力,充分利用已有科学技术的理论、原理、方法、技术进 行创新构思,追求新奇、新颖、独特和非重复性的创造成果。特别是在总体方案设计中更要 充分发挥设计者的主导性和创造性作用，使产品县有更强的竞争力。机械系统设计(SD)、计 算机辅助设计(CAD)、优化设计(0D)、可靠性设计(RD)、摩擦学设计(PD)等理论和方法研究 的进一步深人， 认识科学、思维科学、人工智慧、专家系统、设计方法学、科学社会哲学等 有关揭示人类思维过程、创造机理等问题的研究发展，为机械创新设计的理论与方法的形成 提供了理论基础。机械创新设计的类型主要有三种：开发设计、变异设计和反求设计。开发设计是一种从提出方案到完成设计全过程都是全新的、探索性的

4、创新设计。变异 设计是在已有产品的基础上针对原有设计的缺点或不足,或针对新提出的要求,从工作原理、 机构、结构、参数、尺寸等内容进行变化适应新要求的新产品的创新设计。反求设计是在消 化、吸收了先进产品的关键技术基础上开发同类型新产品的创新设计。但无论是哪种设计, 创新都要求设计者在设计的每一个环节上突破常规惯例,追求与前人、众人不同的方案,提出 新原理、新方法、新机构、新形式、新材料等,在求异中寻求创新,将设计者的智慧具体物化 在整个设计过程中。2、创新原理创新过程中人们采用的具体方法（创新技法）据不完全的统计有数百种之多。最常用的方 法也有数十种之多。这些方法从理论上讲均源于一定的创造原理。就是说:任何创造技法的 产生均有一定的创造性理论基础,而创造理论与实践结合产生出来的可操作的程式、步骤和 方法,就是创新技法。因此,创造原理是指导人们开展创新实践活动的重要理论基础,也是指 导人们创造新技法的基本理论基础。创造原理主要有以下几种:2.1 组合原理组合现象十分普通,也十分复杂。如组合机构、组合机床;生活中如组合音 响、组合家 具;将各种技术专长的人组合在一起共同发挥作用,可形成企业、

5、公司,他产生新技术、新产 品;将几片透镜组合在一起可组成望远镜、显微镜;将碳原子以不同的晶格形式进行组合可形 成金刚石或石墨;组合方式大致可分为以下几种类型:1）同类组合它指两个或两个以上相同或相似事物的组合。例如双旋翼直升飞机,多翼、 主发动机的 飞机都可以看成是单旋翼、单翼和单发动机等同类事物组合而创造出 来的:双体船、双人自 行车、捆绑式火箭也是同类事物的组合。2）异类组合它只两种或两种以上不同类事物的组合。如带百年日历的电话、带游戏机的手机等。航 天飞机可以带成是飞机与火箭的组合。3）附加组合它指在原有事物中补充加入新内容的组合。例如现代汽车的发展并不是一蹴而就的,它 是经过不断的完善.逐步附加丽刮器、转弯灯、后视镜、收音机、电视机、空调、电话而变 得越来越现代化的。4）重组组合指将一个事物在不同层次上分解后,将分解的结果按新方式重新聚合的组合。螺旋桨飞 机的螺旋桨一般在机首,稳定翼在机尾。美国飞机设计师卡里格卡图根据空气动力学原理 对飞机进行重新组合设计,将螺旋桨放在机尾,而将稳定翼放在机首。重组后的飞机具有更加 合理的流线型机身,提高了飞行速度, 排除了失速和旋冲的可能性,

6、大大提高了飞行的安全 性。5）综合组合综合是一种分析、归纳的创造性过程。综合组合不是简单的叠加,而是在将研究对象进 行分析的基础上,有选择地进行重组。不论是哪种形式和内容的组合,大量的创新成果表明:随着科技的迅猛发展,组合型的创 新成果占全部创新成果的比例越来越大，由组合原理产生出来的组合性的创新技法已成为当 今创新活动的主要技术方法。2.2 还原原理任何发明创造都有其创造的起点和创造的原点。创造原点即事物的基本功能要求,是唯 一的。而创造起点即为满足功能要求的手段与方法,是无穷的。创造原点可以作为创造起点, 但创造起点却不能作为创造原点。研究已有事物的创造起点,并追根溯源深人到它的创造原 点,或从原点上解决问题,或从创造原点出发另辟新路,用新思想、新技术重新创造该事物, 这就是创造原理的还原原理。设计洗衣机开始时的创造起点是模仿人的动作,用搓、揉的方法洗衣,但要设计能完成搓 揉动作的机械装置,并要求它能适应不同大小的衣物并能对不同部位进行搓揉显然是十分困 难的。如果改用刷的方法,要处处刷到也很难实现。如果用捶打的方法,动作虽简单,但容易 损坏衣物或钮扣之类的东西。采用还原原理,跳出原

7、来考虑问题的起点,从思考洗衣的方法还 原到洗在这一问题的创造原点将污物从衣物上去掉,于是人们想到了表面活性剂,制成 了洗衣粉,将衣物置于水中,加人洗衣粉,再对衣物进行搅拌就能将衣物上的污物除去,洗衣 机就是一台搅拌机,于是创造出了简单、实用的洗衣机。在此基础上,通过对去污原理的进一 步思考，又考虑到加热、加压、电磁振动、超声波等技术创造出技术更先进、性能更优越的 洗衣机。2.3逆反原理创造的逆反原理与创新思维中的逆向思维密切相关。创造的逆反原理是从事物构成要素 中对立的另一面去分析,将通常思考问题的思路反转过来,有意识地按相反的视角去观察事 物,用完全颠倒的顺序和方法来处理问题的一种创造原理。过去人们总认为:人在楼梯上行走 是天经地义的,如果有人提出“人不动、 楼梯走肯定会,被认为是天方夜谭。然而,人们正 是沿着这种逆反方向去探索,终于设计出了自动扶梯。2.4 变性原理一个事物的属性是多种多样的,逆反原理强调利用事物相反的属性。事实上,对事物非对 称的属性如形状、尺寸、结构、材料等进行变化,也会导致发明创造,这种创造原理被称为变 性原理。例如，容器上的刻度通常是沿容器高度方向水平刻制的

8、,倾倒液体时难以掌握容器中液 体的倒 出量。将刻度改成以倾泻口作射线方向刻制,倾倒液体时,液面与刻度基本保持平行, 就能比较准确地把握好倒出液体的量。漏斗下面的疏漏管通常是圆形的,也用漏斗向容器灌 输液体时,疏漏管与容器口紧密接触使容器中空气不易排出,影响灌装速度。将疏漏管外部沿 管长方向做上若干小沟槽,就能很好地解决这个问题。机械原理课程中讲过很多机构变异方法,都是通过改变构件形状、运动副元素的形状、 构件的尺寸、运动副的数量和类型达到改变机构性质的目的。任何一个事物、一个产品都有许许多多的属性,巧妙地利用其中一些属性, 或用一定的 方法在一定范围内改变其属性,就有可能获得创新。2.5 移植原理移植就是把已知对象中的概念、原理、结构、方法等内容运用或迁移到另一个待研究的 对象中。移植在大多数情况下是在类比分析前提下完成的。通过类比，找出事物的关键属性, 从而研究怎样把关键属性应用于待研究的对象中。类比特别需要联想,在移植过程中联想思 维起着十分重要的作用。 联想发明法、移植发明法都源于移植创造原理。例如,如何使电影胶片以每秒24 幅画面作移动、停、移动的间歇运动,法国芦米埃尔百 思不

9、得其解。但有一次当他在观察缝纫机工作时突然得到启发,缝纫针在扎人布料时布料不 动,而当缝纫针提起离开布料时,布料才移动一定距离。他把这种原理移植到电影机中,解决 了如何使电影胶片作间歇运动的难题。轴承是一种常用的机械零件 ,提高轴承寿命 一般采用加强润滑减少轴承中零件的摩擦 来实现。有人将电磁学中同性电荷相斥的原理移植到轴承的结构中,开发出轴承与轴不接触 的悬浮轴承,大大提高了轴承寿命与品质。2.6 迂回原理 在创造活动中常会遇到棘手的难题,此时不妨暂时停止在该问题上的僵持, 转入对下一 步问题的思考,或从事另外的活动,或试着改变一下观点,或研究问题的另一个侧面,让思考 带着未解决的问题前进。也许,当其他问题得到解决时,该问题就迎刃而解了,这就是创造中 的迂回原理。人们常说欲速则不达. 其中就包涵着迂回原理的道理。创新活动具有首创性, 遇到困难是常事。创造者应当学会善于在困难中作战略转移,甚至战略后退,在迂回中创 造条件. 在迂团中前进,逐步逼近成功的目标。2.7群体原理 俗话说三个臭皮匠,顶个诸葛亮,意思是说群体可以形成智慧,可以形成创造力。现代 社会中人们到处都可体会到群体的创造力量。每-个成功的公 司、企业、集团的辉煌成就元 不饱含着这些公司、企业、集团里大量人才的智慧。随着科学技术的不断进步,个人创造在 离开了群体的支持后,将会遇到很大的困难。控制论的创始人维纳说得好,由个人完成重大发 明的时代已经一去不复返了。但是群体原理并不意味带一个课题组人数越多越好。研究表明恰恰相反，一个效率很高 的课题组人数最好尽量控制在小规模上,这样做有利于发挥每个组员的创造才能,人数过多往 往会使一些人处于从属地位和被动地位,出现人浮于 事的现象而使集体的创造力降低。3 结构创新的变性原理 变性原理,即改变属性的原理,在机械设计中也称变异。一个对象的属性是多种多样的, 如果将该对象的属性作若干改变,则会导致许多的设计。在机械结构设计方法中变元法是 运用变性原理和组合原理产生的一种结构创新设计方法。变元

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