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机械创新设计机械创新设计张有忱张莉彦编著清华大学出版社课本一、为什么开设机械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40%+出勤30%+平时作业30%主要内容第一章：绪论；第二章：机械创新基础第三章：创新思维与技法第四章：机械系统方案设计的创新第五章：机构的创新：机构变异设计与创新、机构组合设计与创新、机构再生与创新第六章：结构创新第七章：反求设计与创新第八章：典型机械创新与进化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。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。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机械设计方法反向设计正向设计创新设计现代设计常规设计（反求设计）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。刀红薯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。3、创新设计：清洗粉碎过滤去皮挤压成型油炸成产品创新导致加工设备的改变红薯泥薯条椰子椰肉刀具设计实例二：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（MechanicalCreativeDesign,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）3．MCD与常规机械设计及创造发明的关系1）MCD与常规机械设计①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②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①机械的创造发明大多属于机械结构方案的创新设计②MCD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。③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1．MCD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。机器动力部分传动部分执行部分控制部分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：常用的机构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：空间机构SpatialMechanisms平面机构PlanarMechanisms机构Mechanisms1、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4C3121BABACa)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EDCBAF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：①建立适合于技术市场竞争的科技体制；②