01创新设计绪论

机械创新设计第一章绪论1.1机械创新设计概述1.2创新能力的构成1.3机械的创新目标1.4本课程的内容、性质和目的第1章机械创新设计出发点是解决工程实际问题，目的是设计出新颖、合理、价格性能比优越且具有先进性的机构或机械产品。1.什么是机械创新设计机械创新设计是指在充分发挥设计者创造力的前提下，利用人类已有的相关科学技术成果进行创新构思，从而设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品的一种实践活动。3.机械创新设计的设计内容2.机械创新设计的目的机械创新设计的设计内容是指由机械产品的性能要求出发，利用人类已有的相关科学技术成果(含理论、方法、技术、原理等)，充分发挥设计者的创造力，通过改进、完善现有机械产品或创造发明新机械产品，设计出具有新颖性、创造性、实用性、经济性的产品。第1章4.创造与创新区别创造是想出新办法、建立新理论、做出新的东西。例如我国的四大发明创造。创造有不同的分类方法，从科技进步角度来看，通常分为三大类：科技发明、技术发明和技术改进。创新从广义上说，是指主体的人为了生存和发展，弃旧图新、破旧立新的独创性活动，是革除旧的、过时的、无用的甚至有害的、阻碍经济社会和人类自身发展的旧事物，创立有利于经济、社会和人类自身发展的新事物的活动。创新的内容主要包括知识创新、技术创新、制度创新和理论创新。第1章1.1机械创新设计概述1.机械创新设计的一般过程（1）确定设计目标和要求根据市场需求确定设计参数、选定约束条件，最后提出设计任务书和产品开发计划。（2）原理方案设计任务确定后，运用设计者的专业知识、实际经验和创新能力构思出达到预期结果的原理方案。原理方案设计是产品创新和质量优劣的关键。（3）结构方案设计对产品进行结构设计，即确定零、部件的形状、尺寸、材料，进行强度、刚度、可靠性等计算，画出结构草图。第1章（4）总体设计在原理方案和结构方案设计的基础上全面考虑产品的总体布置、人机工程、工艺美术造型、包装运输等因素，画出总装配图。（5）施工设计将总装配图拆成部件图和零件图，根据加工和装配要求，标注公差、配合及技术要求，绘出全部生产用图纸，编写设计说明书、使用说明书，列出标准件、外购件明细表及有关文件等。2.机械创新设计的关键内容(1)确定系统的总功能(2)进行总功能分解(3)功能元求解(4)功能原理方案的确定(5)方案的评价与决策机械创新设计过程中的原理方案设计是机械系统设计的关键内容，在原理方案设计过程中应解决以下问题。1.1机械创新设计概述第1章1.2创新能力的构成创新智能信息收集与加工能力总结、概括与正确描述科研成果能力外语能力坚实宽广的基础理论知识一定的操作能力（实验技能、计算机技能）随时学习新知识丰富的想象能力敏捷的思维能力敏锐的观察能力系统深入的专门知识一定交叉的学科知识创新基础（观察可以导致技术发明，仿生学的研究就是对生物进行科学观察的基础上产生的。）（思维的敏捷性又叫科学的洞察力，一眼看穿的能力。）创新不需要天才，创新只在于找出新的改进方法。创新能力的构成创新能力的构成：创新基础、智能、意识、方法和环境。第1章创新意识创新方法创新环境六分把握四分冒险求实态度善于发现勇于纠正学术上的不足与错误顽强意志足够信心渴求创新（热爱、兴趣、好奇心）类比法演绎法统计学科学归纳法综合分析与概括反问有意识与无意识相结合用手去想自信心差、自卑感较强的人，会错误认为自己没有创造力。（不自信的理由：年纪轻、学历低、外行。达尔文—数学、昆虫、矿物—兴趣盎然。科学研究存在着风险、失败和险阻，要求研究者有冒险精神。就是用手“产生在纸上”的东西与智力产生的科学抽象联系起来。例如物理模型、力学模型、实验模型。创新的基础设施、创新机制、运行机制与运行环境创新能力的构成1.2创新能力的构成第1章1.3机械的创新目标1.快速满足不断变化的市场需求如何使机械产品的创新设计得到市场的认可并获得最佳的市场效果，从而提高机械产品的市场竞争力，这是一个值得研究的问题。大量的实践证实：机械产品的创新设计是企业抢占市场的有力武器，而创新设计与市场需求的拟合程度是有效发挥这一武器威力的必要条件。机械产品的创新设计只有与市场需求紧密结合，才能形成自己的市场优势，为企业找到自己产品的市场切入点，从而打开国内、国际市场。人类的历史就是一部创造、创新的历史，“创新”在激烈的国际竞争中成为关键因素，它主要表现在以下3方面。(1)人类靠着创造、创新开创了文明的世界，创造、创新是人类社会进一步发展的保证。20世纪的50多项重大科学技术的发明说明了创造性劳动的真谛，人们从中受到的启示是：科学技术的创新决定了生产力的发展，从而激励人们挖掘自己的创造、创新潜能。第1章(2)国际间的竞争一般来说是综合国力的竞争，综合国力的竞争最终归结为人才的竞争，而人才的竞争主要是创新能力的竞争，因此培养、开发国民的创新能力至关重要。(3)消除中国和发达国家在科学技术和经济发展方面的差距要靠创新。中国在知识创新、技术创新、工业化方面与发达国家有很大的差距，只有依靠创新才能迎头赶上，才能赢得发展、赢得未来。2.机械的功能要求从机械加工的角度分析，机械产品功能能否完全地表现出来，是和加工的质量密不可分的，而加工的质量在很大程度上是与产品的工作精度等输出性能指标联系在一起的。在20世纪80年代初，美国的核潜艇技术在噪声上远远地领先前苏联，并取得了在海底的主动权。由于苏联的核潜艇噪声大，一般情况下，美国的反潜系统在距前苏联核潜艇几百海里的距离内，便能根据声纳发现它并辨别其特征。例：1.3机械的创新目标第1章因此，苏联若不尽快设法清除噪声，一旦爆发战争，苏联的核潜艇将是一堆废铁。经过苏联专家的分析，原来核潜艇的噪声主要是由螺旋桨造成的，尤其是制造螺旋桨的加工精度对噪声有着决定性的作用，而当时苏联在机加工的领域内和美国相比有一定的差距。后来苏联通过在第三国买了数台高精度的数控系统及数控软件——CAMMAX，从而成功地解决了螺旋桨加工的精度问题，并将新加工的螺旋桨安装在核潜艇上，极大地降低了核潜艇的噪声，瓦解了美国方面的优势。3.机械的物理特性(1)惯性力对机械运动特性的影响构件在运动过程中，一般情况下都将产生惯性力和惯性力矩，惯性力的产生将在运动副中产生附加的动压力，从而增大构件中的内应力和运动副中的摩擦力，加剧运动副的磨损，降低机械效率和使用寿命。要消除惯性力和惯性力矩的影响，改善机构的工作性能，结构的设计人员就必须研究惯性对机械特性的影响。1.3机械的创新目标第1章(2)摩擦对机械运动特性的影响摩擦是影响机器工作性能的重要物理现象，由于摩擦将导致运动副元素的磨损，从而使得构成构件的零件强度降低，使用寿命缩短。由于摩擦导致磨损使得运动副的间隙增大，使得机械的传动精度和机械效率降低。(3)间隙对机械性能的影响由于机械在安装、加工制造及机械工作过程中的正常磨损使得机构的运动副中必然存在着间隙。通常不允许运动副存在过大的间隙，因为这将引起系统的振动、冲击和噪声，甚至严重影响机械工作的平稳性。(4)模态对机械特性的影响模态分析的目的，就是根据机械的结构和工作状态，利用计算或者测试数据，求得机械系统的各阶频率，然后同其工作时的激励相比，在比较的过程中，可根据计算结果，对机构的结构进行必要的修改来调节机构的振型，从而避免共振的发生，使得机械发挥其最大的功能。1.3机械的创新目标第1章1.4本课程的内容、性质和目的1.本课程的内容本课程主要阐述机械创新设计的一般构成和创新人才的构成、创新思维和技法、机构的组合和变异设计、功能原理设计的方法和步骤、反求设计、机电一体化设计。为适应现代机械设计各学科交叉的特点，本课程从创造学和设计方法学的基本理论出发阐述创造性思维、创造原理和创造技法，以机械系统的功能原理设计为主线，在机械系统运动方案创新设计的基础上，注重机、电、液、气、控制、计算机等学科的交叉，增设机电一体化的方法和步骤。第1章机械创新设计课程是一门培养学生创新意识、启发创新思维和介绍创新设计方法的专业选修课。本课程(包括它的全部教学环节)的主要目的是培育学生以下几方面的能力。(1)培养创新思维习惯、初步掌握创新技法。(2)掌握创新设计的一般方法，特别是机械系统功能原理设计方法的初步建立。(3)养成综合运用所学机械、电子、计算机等知识进行机电一体化系统设计的习惯。(4)掌握机构组成设计实验和机械、电子、计算机和控制综合训练实验。(5)树立勇于创新、实事求是、团结协作的精神。(6)了解机械创新设计和机电产品设计的新发展和新技术的应用。2.本课程的性质和目的1.4本课程的内容、性质和目的第1章中科院院士地质研究员——叶大年出生在一个铁道工程师的家庭，自幼立志继承父业。1957年高考“因故”名落孙山，在家自修高等数学，想成为一名数学家。而1958年高考却被录取在北京地质学院。虽然当数学家的希望破灭了，但由于喜欢数学家严密的逻辑思维方式，使他在以后的矿物学研究中受益匪浅。他在以后的工作和学习获得了专业知识，也获得了科学研究的方法。他还酷爱阅读名人传记，特别是科学家、军事家和政治家的传记，从中吸收名人的思想。他还喜欢“聊天”，为开阔思路、产生新学术思想提供了捷径。1.2创新能力的构成第1章中科院院士控制论专家——宋健出生在山东荣成的一个穷乡僻壤，在兵荒马乱中读完小学。1944年考入了中学。1945年，他成了八路军的护士，后又成为了一名勤务兵。他酷爱读书，值勤之余，读遍了当时威海图书馆的藏书。1951年被保送到由前苏联教授授课的哈尔滨工业大学。1953年，到莫斯科包曼高等工学院学习。留苏期间，他不满足工科知识，于是又考取了莫斯科大学数学力学系夜大学，他夜以继日的攻读，来回奔跑就读于两个大学之中。两个大学的学习，使他的思维有了一种飞跃：既有了严密的科学逻辑，又有着丰富的想象力和创造力。1960年，有多名前苏联著名科学家要求授予他前苏联科学博士学位。他还发奋苦读，钻研了天文学、宇航学、超高音速空气动力学、原子物理学、分子光谱学的理论。成为控制论专家。1.2创新能力的构成第1章实际操作能力一是——实验技能实验是科学认识活动的基础，著名物理学家丁肇中由于重视实验研究，发现了J粒子。在接受诺贝尔奖(1976年)的演说中，丁肇中说道：中国有句古话：“劳心者治人，劳力者治于人”。这种落后的思想对在发展中国家的青年们有很大害处。由于这种思想；很多在发展中国家的学生们都倾向于理论的研究，而避免实验工作。所以，科学研究工作者都应当重视并具备从事实验操作和实际研制的、技能。卓越的生理学家巴甫洛夫有很娴熟的实验技能；他那双手异常灵巧，成千上万次地对动物实施手术；使他的手达到了：传神的地步。1.2创新能力的构成第1章实际操作能力二是—计算机技能科学研究中的复杂解析计算和数值计算，实验过程中的数据处理；工程中的数控(NC)、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助编制工艺(CAPP)、计算机辅助制造（CAM)及计算机集成制造系统(CIMS)等等，都要具备不同程度的计算机操作与应用技能。以多学科仿真为基础的虚拟制造是先进制造技术的前沿。虚拟制造是利用计算机仿真、多媒体和传感技术将现实的设计制造过程虚拟化，使人们在产品投产之前就能预知和评价所设计的产品的性能和设计制造过程。美国波音飞机公司新型飞机的设计中已成功地研究和应用了虚拟制造技术，缩短了新产品的设计制造周期，减少了试验费用，提高了产品的竞争能力。1.2创新能力的构成第1章信息收集与加工能力信息收集与加工是通过敏锐的观察，然后在脑海中形成一个非常敏捷的、一连串的复杂思维过程。就是说，检索或看到同样的信息，是多人都可能做到的，那只是“看到”。对于发明创新者来说，重要的是要‘‘看出“别人没看出的东西、并且能把“看出”的东西经过大脑的加工，“想出”别人没想出的事情。所以，信息收集与加工能力是信息从一“看到”。到‘‘看出”与“想出’’的思维过程，本质上是敏锐的观察与敏捷的思维的综合反映。1.2创新能力的构成第1章