机械创新设计-绪论.ppt

创新设计概论,机械创新设计高志 刘莹编著清华大学出版社,课 本,创新?神秘?什么时候需要创新？创新的诀窍是什么？创新的意义何在？,创新并不神秘,创新并不神秘,中学生的发明充气雨衣，又名吹气衣。普通的雨衣，穿着起来下摆总爱贴在裤腿上，雨水就会流到裤腿上和雨靴里，这大概是人们不爱使用雨衣的原因。充气雨衣在普通雨衣的下摆边添装一条可充气的、适当粗细的塑料管子。使用时在管子中吹气，雨衣下摆就被撑起，避免裤腿和雨靴被淋湿。,创新并不神秘,中学生的发明夜明珠笔与带灯伞,普通拉链,关键在哪里？,尼龙拉链,炊事员与蜂窝煤,注意：创造需要付出非凡的劳动，不能幻想囊中取物、一成而就：需要有坚定的毅力，克服重重的困难才能取得胜利。爱迪生研究白炽灯时，为寻找灯丝材料曾用过6000多种植物纤维，试验1600多种耐热材料。666农药因试验666次才得到成功，故取此名。,一、为什么开设创新课程 培养创新的意识和提高机械创新设计的能力二、课程精髓：创新意识，创新技法 三、如何学习这门课程 听课与创新设计实践相结合四、考核方法 考试60%+平时成绩40%,第一章 绪论,第一节 创新与创新方法第二节 常规设计、现代设计与创新设计第三节 机械创新设计的内容第四节 创新与社会进步第五节 创新教育与人才培养,第一节 创新与创新方法,一、创新的概念,1、发现：是指原本早已存在的事物，经过人们不断 努力和探索后被人们认知的具体结果。,4、创新：是指提出或完成具有独特性、新颖性和实 用性的理论或产品的过程。,2、发明：是指人们提出或完成原本不存在的、经过 人们不断努力和探索后提出的或完成的具 体结果。,3、创造：也是一种完成新成果的过程，但可能具有 一定的参照物，而不强调原本不存在的事物。,创新价值的时效性普通相机PK数码相机,PK,最早提出来的是美国经济学家J.I.熊彼特在1912年最早提出，他归纳了5个内容：生产一种新产品；采用一种新技术；利用或开拓一种新材料；开辟一个新市场；采用一种新的组织形式或管理方式。创新具有多个侧面，提高工作效率或巩固了企业的竞争地位；改善人们生活质量等。创新不一定是全新的东西，旧的东西以新的形式出现或以新的方式结合出现都是创新。,创新,5、创新与创造关系：无本质差别，创新是创造的具体 实现。但创新更强调创造成果的 新颖性、独特性和实用性,6、创新分类：,7、创新方式：其一是由无到有的创新 其二是由有到新的创新,知识创新,技术创新,应用创新,人们认识世界、改造世界的基本理论的总结,针对具体的事物，提出并完成具有新颖性、独特性和实用性的新产品的过程,把已存在的事物应用到某个新领域，并发生很大的社会与经济效益的具体实现过程,二、创新设计的概念1、设计的概念：是指根据社会或市场的需要，利用已有的知识和经验，依靠人们思维和劳动，借助各种平台（数学方法、实验设备、计算机等）进行反复判断、决策、量化，最终实现把人、物、信息资源转化为产品的过程。设计的发展：单凭直觉的创造活动，为了满足生存需要；发展到提高生活质量，形成了现代设计方法。,2、创新设计：是指在设计领域中，提出的新的设计理念、新的设计理论或设计方法，从而得到具有独特性和新颖性的产品。,意大利画家达芬奇设计的小车模型,达芬奇设计的“飞行器”和“降落伞”,1、创造性思维与潜创造能力,逻辑思维,灵感思维,知识,三、创造性思维与创造能力的培养,2、创新的涌动力,存在于人类自身的潜创造能力，只有在一定压力和一定条件下才会释放出能量。,四、创新方法简介1、群智集中法：群智集中法又称头脑风暴法 2、仿生创新法3、功能设计创新法4、移置技术创新设计法5、类比求优创新设计法6、反求创新法,第二节 常规设计、现代设计与创新设计,1、常规机械设计 常规机械设计方法是依据力学和数学建立的理论公式和经验公式为先导，以实践经验为基础，运用图表和手册等技术资料，进行设计计算、绘图和编写设计说明书的过程。,该方法强调以成熟的技术为基础，目前常规机械设计方法仍然是机械工程中的主要设计方法。各高等工科学校的机械设计教科书主要讲授这种方法。,轴的结构设计过程,按功率计算出轴的最小直径根据轴上零件的周向固定和轴向固定查阅设计手册结构设计,2、现代设计方法 现代设计方法强调以计算机为工具，以工程软件为基础，运用现代设计理念进行的机械设计。,可靠性设计、优化设计、有限元设计、计算机辅助设计、虚拟设计等都是常用的现代设计方法。,现代设计方法在强调运用计算机、工程设计与分析软件和现代设计理念的同时，其基本的设计内容是建立在常规设计的基础上。在强调现代设计方法的时候，不可忽视常规设计方法的重要性。,3、创新设计方法 机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术知识，进行创新构思、设计出具有新颖性、创造性及实用性机械产品的一种实践活动。,结论：无论设计方法如何，常规设计仍然是最基本的设计方法，是机械设计课程的根本内容。有关常规设计的基本理论、基本方法与基本技能不应减少。,三、不同设计方法的实例分析设计实例一：薯条加工机的设计设计实例二：椰肉加工机的设计设计实例三：内平动齿轮传动装 置的设计（作业）,设计实例一：薯条加工机的设计1、常规设计：2、现代设计：3、创新设计：,需要设计清洗、削皮、切条三套设备，由 于红薯形状和大小差异很大，控制削皮的厚度较难，导致浪费严重，生产率也低。,1、常规设计方法第一道工序：清洗：设计清洗机第二道工序：削皮：设计削皮机红薯固定，刀旋转，完成削皮的任务。第三道工序：切片后再切条。,2、现代设计：在设计思想没有改变时，通过计算机仿真、优化设计等，可减少削皮的损失、提高生产率，但仍然不理想。,创新导致加工设备的改变,设计实例二：椰肉加工机的设计 1、常规设计：椰子剖开 旋转 刀具切削,结果不理想,2、现代设计：在设计思想没有改变时，通过计算机仿真、优化设计等，可减少椰肉的损失、提高生产率，但结果仍然不理想。,3、创新设计：,注入溶剂，椰肉溶化成汁,椰子,创造性思维改变了产品加工方法,由机械加工方法到化学方法生产,结论：1、常规设计方法是一切方法的基础2、现代设计方法是在常规设计方法 的基础上，提高设计效率、产品 可靠性和质量的设计方法3、创新设计的要素是强调创造性的 设计思维，其结果具有巨大效益4、加强创新教育是高等学校的职责,第三节 机械创新设计的概念及过程,一、机械创新设计的概念：1机械创新设计（Mechanical Creative Design,MCD）：充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果（理论、方法、技术、原理等），进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品（装置）的一种实践活动。2机械创新设计包含两部分：一是改进完善现有机械产品的性能；二是创造设计出新机器（产品）,3MCD与常规机械设计及创造发明的关系,1）MCD与常规机械设计,常规机械设计：是在给定机械结构或只对某些结构作微小改动的情况下进行的。机械总体方案设计机械的运动设计机械的动力设计机械的结构设计 机械创新设计：相对常规设计，它特别强调人在设计过程中（总体方案，结构设计）的主导性及创造性作用。,2）MCD与创造发明,机械的创造发明大多属于机械结构方案的创新设计 MCD要探索机械产品创新发明的机理、模式及方法，具体描述机器产品的创新设计过程，并将它程式化、定量化、乃至符号化、算法化。现代机械设计方法学库：机械创新设计（MCD），机械系统设计(SD)，计算机辅助设计（CAD）、优化设计(OD)、可靠性设计（RD）、摩擦学设计（FD）、有限元设计（FED）。,二、机械创新设计的过程1MCD的基本过程：综合过程、选择过程、分析过程。2四个阶段：（1）确定机械的基本原理；（2）机构结构类型综合及优选；（3）机构运动尺寸综合及其运动参数优选；（4）机构动力学参数综合及其动力参数优选,3机械创新设计的特点：,1）多种学科的交叉、渗透与融合。2）在知识和经验积累的基础上进行思考、推理、判断，以及创造性发散思维（灵感、形象的突发性思维）相结合的方法。3）应尽可能在较多方案中进行方案优选。4）多次反复、多级筛选过程。,机械：机器和机构的总称机器：人为的通过运动变换或传递机械能、物体和信息的物件的组合体机构：机器中执行机械运动的装置,三、有关机构的几个名词术语,机器实例,1、机器,机器所共有的三个基本特征：,3)机器可以实现人所期望的机械能、物体和信息的变换和传递。,2)机器都有确定的运动。,1)它们都是一种人为的实体的组合，而不是自然之物。,凡同时具备上列三个特征的实体组合便称为机器。,(2)执行部分 执行部分处于整个机器传动运动的终端，完成预期的机械动作。执行部分可以是一个或多个构件，且其结构形式随机器的用途不同而呈现不同形式。有时机构也能成为执行部分，如许多机械手的抓取部分常为连杆机构。,最一般意义上的机器由下列四部分组成：,(1)原动部分 原动部分是机器动力的来源。常用的原动机可分成一次原动机和二次原动机。一次原动机把自然界的能源转变为机械能。二次原动机把二次能源如电能、液能转变为机械能。有的简单机器的原动部分为人力。,(4)控制和操纵部分 该部分的作用是使机器上的原动部分、执行部分和传动部分协调工作。控制部分是指通过测量元件取得机器运行的一定信息，并转换为控制信息，交由控制器发出信号到操纵部分，使被控制对象的运动情况发生变化。,(3)传动部分 传动部分介于原动机与执行部分之间，用以传递运动及动力。当原动部分的速度大小不能满足执行部分的需要时，传动部分用以实现运动的增速或减速。,下图为一台单缸内燃机，可以把燃油燃烧时产生的热能转化为机械能。,2、机构,机构是机器中用来传递运动和力或改变运动形式的机械装置。,2）组成机构的各构件间有确定的相对运动。,1)机构都是人为的构件的组合体，且构件总数在3件及以上（机架也算一件）。,具有机器的前两个特征：,连杆机构凸轮机构齿轮机构间歇运动机构带传动和链传动机构螺旋机构组合机构,按照组成机构元素的相互运动平面的平行与否，机构可分为：,1、机构的创新设计（1）设计出新机构；,四、机械创新设计的内容,瓦特发明的蒸气机现安放于西班牙马德里,（2）原有机构演化、变异，导致结构变化,平底推杆盘形凸轮机构,凹圆弧底推杆盘形凸轮机构,传动寿命和效率提高,2、机构应用创新设计,a)曲柄滑块机构,b）偏心盘机构,c）剪床机构,3、机构组合设计，导致新机构系统的出现,机构组合创新,五、机械创新设计的特点及功用,1特点：（1）内容的现代化；（2）具有适应性；（3）具有灵活性；（4）重视理论与工程实践密切结合。2功用：（1）启迪新机构的创造与发明；（2）改善机构结构设计；（3）提高机构的传动性能；（4）统一机构分析与综合方法。,第四节 创新与社会进步,一、创新是人类文明进步的原动力 1、创新对人类科学世界观的形成和发展产生重大影响，并使科学成为一种在历史上起推动作用的革命力量和社会变革的杠杆。创新是人类文明进步的原动力，是科技发展、经济增长和社会进步的源泉。翻开人类发展的历史长卷，可以说，人类文明史就是一部人类生生不息的创新发展史。创新是人类不断进步的原动力。,2、创新是技术和经济发展的源泉，也是培养和造就科技人才的重要途径,没有创新就没有新兴技术，也就没有经济建设所必须依靠和重视的高科技人才。21世纪将是知识经济占主导地位的时代。知识经济是以现代技术为核心、以高科技产业为主要支柱，以智力资源为主要依托的新型经济。在知识经济时代创新更是一个国家国民经济可持续发展的基石。对于一个国家而言，拥有持续创新能力和大量的高素质人力资源，就具备了发展知识经济的巨大潜力。缺乏科学储备和创新能力的国家，将失去知识经济带来的机遇。,3、创新能力的大小已成为决定一个国家综合国力强弱的重要因素,当今世界，创新能力的大小已成为决定一个国家综合国力强弱的重要因素。在国际竟争中，国家与国家的竞争越来越明显地表现为科技和人才的竞争，特别是科技创新能力和创新人才的竟争。为迎接知识经济的挑战，成为祖国建设的有用人才，我们应该加强自己的创新意识和创新能力的培养，拓宽专业口径，积极主动地获取知识。,二、创新是技术进步的主要途径 技术进步一般是通过技术创新来实现，表现为新技术，新产品。实现技术进步的两条途径：技术引进；自主技术开发。1技术引进：（1）技术引进的三个环节：技术引进，技术积蓄、技术普及（2）技术引进的原则：重视技术引进，更重视技术的发展和推广。,2自主技术开发形成自主技术开发能力的关键：建立适合于技术市场竞争的科技体制；培养出能够不断提供创造性成果的人才群体。,三、机械创新对人类的发展杨叔子院士：机械很重要，创新很重要，设计很重要。,举例：钻木取火；纺织机；地震仪；水车；指南车；指南针；蒸汽机；,机电一体化是提高机械创新水平的重要途径机械、电子、计算机和自动控制等技术有机结合成一门复合技术。,第五节 创新教育与人才培养,一、改革与发展创新教育是主旋律现状：1、学生在校期间学的知识很多，但可应用于创造性劳动的知识太少。2、2545岁是创造力最佳阶段，我国大多数发明家在45岁以上。3、我国每年培养有百万大学生，而年轻人中的发明家很少，美国麻省理工大学仅1996年一年就有400多项发明。,原因：1、人才培养模式：以传授知识为主 2、科技体制，激励评价机制 3、经济基础（经费）,关键是人才的培养（具有创新能力的人才）改革与发展创新教育是主旋律。这也是开设机械创新设计课程的重要目的之一。,二、创新能力是人才培养的核心 1创新人才的关键特征创新人才：具有主动进取精神和创造精神的人才。,关键特征：1）智商高，但并非一定是天才。智商高是创新的先决条件。但智商过高可能有害于创新，因为常规教育成绩超群，会妨碍他寻求更多新知识。,2）善出难题，创新人才善于给自己出难题，而不追求权威地位和自我形象。在科学知识急剧增长的时代创新人才的专长有赖于不断的学习来维持，驻足于以往的成就，是发扬创新精神的主要障碍；3）标新立异，不循陈规；创新人才不能靠传统做法建功立业，创新事业往往“前无古人”，创新人才不愿意在陈规许可范围内工作，不喜欢做重复性的劳动。,4）甘认不知，善求答案。承认自己“不知道”是创新的起点。创新须借助“不知道”带来的压力；,6）积极解忧，不信天命。挫折、失败经常伴随在创新的全过程中，创新需相信自己的好奇心，不随波逐流或听天由命；7）才思敏锐，激情迸发。创新人才思维敏锐，激情迸发才能进入佳境。,5）以干为乐，清心寡欲。创新人才能从自己的工作中取得欢乐，会积极自娱于自己的探索追求和成就，避免在其它方面多费精力；,总结：陶行知：发明千千万，起点是一问。,2非智力因素在创新能力培养中的作用,智力因素：注意力、观察力、想象力、思维能力、记忆力非智力因素：智力因素以外的心理因素，主要指：兴趣、情感、意志、性格,1）兴趣、情感；兴趣是人们积极探索某种事物或某种活动的意识倾向，兴趣可以使人的感官、大脑处于最活跃的状态，使人能够最佳地接受教育信息，有效地诱发学习动机、激发求知欲，兴趣是推动人们去寻求知识的一种力量。,兴趣是观察的先导，观察力是一种很重要的智力因素。兴趣有助于提高观察效果，浓厚的观察兴趣是人们发现新因素的先决条件。,兴趣是引起和保持注意力的重要源泉，注意力是智力因素中的一种。兴趣使受教育者把注意力集中到某一学习和工作上去，凝神谛听，敏锐地捕捉教学信息，全神贯注地刻苦钻研科学知识，一丝不苟地从事创造性劳动，兴趣使人们更加热爱自己的事业，并为它而献身。,思维力也是一种智力因素。兴趣能够激发积极思维，使受教育者积极开动脑筋，寻找最完善的方法去分析问题和解决问题。,兴趣可使人想象力更丰富。兴趣推动人们广泛接触新事物，引导他们参加各种实践，开阔眼界，丰富心理生活，为观察打下坚实的基础，使想象更加充实，使受教育者在已有知识能力的基础上，向新的知识领域和更高的认识阶段发展，兴趣不仅关系到受教育者学习质量和工作质量的提高，而且关系到他们潜在素质和能力的发展。,情感是人的需要是否得到满足时所产生的一种对事物的态度和内心的体验。参加实践和创新活动，众多的新经验、新创造，能够激发人们不断地产生积极的情感。积极的情感对人的实践活动又是一种巨大的动力，它推动人们去克服艰难险阻，实现所追求的目标。,情感是想象的翅膀。丰富的情感可使想象更加活跃，促使认识向纵深发展，对思维对象的积极态度和对发现新知识的渴望，是思维过程发生与深入的重要条件。求知欲强烈、热情高涨时，人的思维活动就更加活跃，效率更高。形成创造性思维，它可以突破现有的概念、定律的束缚，提出创新的见解。,情感影响记忆，记忆也是一种智力因素。强烈的情感变化必然引起记忆的再现。积极的记忆态度，调动智力活动的积极性，能使注意力集中，记忆的效果就好。,2）意志性格坚强的意志力量不仅能使人对事物具有执着的迷恋的趋向，而且能使人积极持久地从事某一种活动。性格是人在对人、对事的态度和行为方式所表现出来的心理特点。性格和意志特点，如勤劳与懒惰，踏实与漂浮，谦逊与自负，坚强与软弱等等，都是可以通过教育使其转化的。,总之，成功来源于勤奋、来源于对事业的坚守。,1、培养创新意识,创造活动首先来自于强烈的创造欲望。知识和经验是创造必不可少的条件，但有知识并不等于有创造。古往今来，有知识的人很多，但有创造的人只有其中一部分。究其原因，创新的意识，创造的冲动起了决定性的作用。人们发现，古往今来，多数科学家的骄人成果都形成于30岁之前，这显然与年轻人较少保守思想，更富创造和创新的冲动有关。当然，事实上也有许多科学家和学者大器晚成，但这些人无一不是长久甚至终身保持着强烈的创新意识和创新欲望的。,三、创新能力的培养,创新的核心是创造性思维。创造性思维是一种复杂的、高级的心智活动，但决不是神秘莫测、高不可攀，仅属少数天才人物的“专利”。我国著名教育家陶行知先生曾说：“人人是创造之人，天天是创造之时，处处是创造之地。”创新的能力是人类普遍具有的素质，除少数有智力障碍的人以外绝大多数人都具有创新的禀赋，创新的能力是人类与生俱来的能力，并且，这种能力，是可以通过学习、训练得到开发、提高和强化的。,2、提高创造力,创造力是人的心理特质和各种能力在创造活动中体现的综合能力。,提高创造力应当从培养良好的创造心理，了解创新思维的特点，掌握创造原理和创造技法等方面起步。,可以说，人人都有创造的潜能。关键在于这些潜能能否被有效激发，并使之强化并形成持久的创造力。实践证明，只要经过有意识的学习和训练，人的创造力就可以有效地被激发，并在创造实践中使创造力逐步巩固和提高。美国通用电器公司对有关科技人员进行创造工程课程和实践训练，两年后取得很好的效果，按专利数测算，这些人的创造力提高了三倍。,3、加强创造实践,创造能力的培养关键是加强实践训练。通过听课、阅读等学习手段只能帮助大家了解创造的知识和技法，还不能真正形成创造力。只有加强创造实践，用所学的知识去观察分析客观现象，解决实际问题，设计出别出心裁的作品，创造力才能形成。,4、排除影响创新活动的各种障碍,（1）环境障碍外部环境：自然环境；社会环境：文化条件；社会制度；内部环境：心理、认知、信息、情感、文化等,（2）心理障碍从众心理；偏见与保守心理；,（3）认知障碍思维定势；功能顾着；结构僵化；信息障碍。,创新人才的基本要求 1、具备基础知识和专业知识 2、具有进取与追求的精神 3、具有创新的思维方式（打破定势思维，提倡发散思维）4、善于扑捉瞬间的灵感 5、掌握一定的创新技法（本书重点内容）,思考题:1、创新的分类，技术创新与应用创新的区别2、机械创新设计与现代设计、常规设计 的主要区别是什么？3、学习机械创新设计的内容有那些？4、创新人才应具备那些基本素质？5、简述创新活动进行的各种障碍？,