机械系统设计常规与创新方法

在机械系统设计中，无论是确定技术原理、技术过程或者确定机器系统的功能、工作原理、结构布局乃至具体零件的尺寸、形状、制造方法等，都有个求解的问题。所谓求解，就是寻求消除不足之处，达到希望的结果或性能。而创新设计方法就是提出新方案，探求新解法，它是提高设计质量，开发创新产品的重要基础。爱因斯坦曾说过：“想象比知识更重要，现实世界只有一个，而想象力却可以创造千百个世界。”

图5.27　信息处理及控制子系统

（1）常规性设计与创新性设计

人类从事任何有目的的活动前都要有所构思或谋划，这种构思或谋划便是广义的设计。工程设计是广义设计在工程技术领域中的特有表现。工程设计按其性质可分为常规设计与创新设计。

常规设计以成熟结构为基础，运用常规方法进行产品设计。

创新设计是在设计中采用新的技术手段、技术原理和非常规的方法进行设计，以满足市场需求，提高产品的竞争能力。

机械系统设计，一般具有下面3个基本特征。

1）约束性

机械系统设计是在多种因素的限制和约束下进行的，其中包括科学、技术、经济等发展现状和水平的限制，也包括生产厂家所提出的特定要求和条件，同时还涉及环境、法律、社会心理、地域文化等因素。这些限制和要求构成了一组边界条件，形成了设计人员进行谋划和构思的“设计空间”。设计人员要想高水平地完成设计工作，就要善于协调各种关系，灵活处置、合理取舍、精心构思，而这些只有充分发挥自己的创造力才能办到。

2）多解性

一般来讲，解决同一技术问题的办法是多种多样的，要满足一定目的的技术方案通常也不是唯一的，任何设计对象本身都是包括多种要素构成的功能系统，其参数的选择、尺寸的确定、结构形式的构思等都有很强的可选择性，有很大的思维空间。

3）相对性

设计结论或者结果都是相对准确的，而不是绝对完备的。比如，利用优化技术对某一系统进行求解，其结果也只能是近似的，得到该系统的局部最优解或全局最优解，而且模型的建立会因人而异，也可能会因条件而异，其结果就会有差异。同时，设计者还会经常处于一种相互矛盾的情境之中，比如既要降低成本，又要增加安全性、可靠性功能。这种相互矛盾的要求给设计工作增加了难度，加上事先难以预料的一些因素和影响，使得设计者在对设计方案的选择和判定时，只能做到在一定条件下的相对满意和最佳。工程设计的这种相对性特征，一方面要求设计者必须学会辨别思考；另一方面，也给设计者提供了显示和发挥自己创造才能的机会。同样的设计要求，不同的人会做出水平不同的设计结果。

创造型设计在当代社会生产中起着非常重要的作用。首先，当前国际间的经济竞争非常激烈，其中关键是看能否生产出适销对路的产品，因而要求设计者必须打破常规，充分发挥自己的创造力。其次，大量新产品的问世，进一步刺激了人们的需求，不仅扩大了人们对商品的选择，同时也使需求层次不断提高。高新技术产品的生产大多具有小批量、多品种、多规格、生产工艺复杂、工作条件或环境特殊等特点，因而对高新技术产品的设计往往不能沿用传统产品设计的老方法，需要有针对性地进行创新设计。

设计的实质在于创造性的工作，不是简单地模仿、测绘，更重要的是革新和创造，把创造性贯穿于设计过程的始终。

（2）创新设计特征与一般过程

1）创新设计特征

①独创性

创新设计不是单独的重复和模仿，而是在自己、前人或他人已获得的研究成果基础上的新扩展、新开拓。它所追求的是新奇、独特和非重复性的结果，有敢于怀疑、打破框框，敢于突破陈规，独具一格的思维。

②综合性

善于进行综合思维，把已有的概念、事实、信息通过巧妙的结合，形成新的成果。

③人为目的性

任何形式的创新设计，其主体都是具有主观能动性的人，并且是一种有目的的活动。

④社会价值性

创新必须体现为一定的价值（这种价值可以是多方面的，包括学术价值、经济价值、审美价值等）。作为工程技术人员，技术发明和工程技术设计创造的价值主要看其经济价值以及是否具有实用性、有效性、可靠性。

⑤探索性

创新通常是在知识、手段、方法等不甚充分的条件下进行的探索活动。

⑥推理性

对于某一种现象或想法，善于由此及彼地进行纵向、横向、逆向推理。

⑦多向性

善于从不同的角度思考问题。通过发散（提出多种设想、答案）、换元（变换诸多因素中的某一个）、转向（转变受阻的思维方向）等途径，以获得新的思路和方案。

2）创新设计的过程

①准备期

准备期包括发现问题、明确创新目标、初步分析问题、搜集充分的资料等准备工作。

②酝酿期

通过思考与试验，对问题进行各种试探性解决。寻求满足设计目的要求的技术原理，常需要加以变换、分解、组合，对各种可能设计方案进行构思，如果原有技术原理不能解决问题，还必须通过大量实验、试验与理论分析探索新的原理，或将已有的科学理论开发成技术原理。

③发明期

经过长期的酝酿，或采用不同寻常的观念和办法，使问题一下子得到解决。创新设计中顿悟的出现，有时是受到偶然因素的启发产生的，有时以灵感的形式出现。

（3）创新思维——走进思维的新区

思维和感觉、知觉一样，是人脑对客观现实的反映，但是它们之间又有所不同，创造性思维是指有创新见解的思维，它不仅能揭示事物的本质，而且能提出新的、具有社会价值的产品。

1）思维类型

创新思维是整个创造活动中体现出来的思维方式，它是多种思维类型的复合体，把握创造性思维的关键是在认识不同思维类型的特点和功用的基础上，进行思维的辩证组合与综合运用。思维类型可依据不同的角度来划分：

①形象思维与抽象思维

形象思维所使用的材料是形象化的意象（意象是对同类事物形象的一般特征的反映），不是抽象的概念。例如，设计一个零件或一台机器时，设计者在头脑中浮现出该零件或机器的形状、颜色等外部特征，以及在头脑中将想象中的零件或机器进行分解、组装等的思维活动，就属于形象思维。在工程技术的创新活动中，形象思维是基本的思维活动，工程师在构思产品时，无论是新产品的外形设计，还是内部结构设计以及工作原理设计，形象思维都起着不可忽视作用。运用形象思维，可以激发人们的想象力和联想、类比能力。

抽象思维是以抽象概念和推论为形式的思维方式，概念是反映事物和现象的属性或本质的思维形式。掌握概念，是进行抽象思维、从事科学创新活动的最基本的手段。

形象思维具有灵活、新奇的特点，而抽象思维较为严密，在实际的创新活动中，应该把二者很好地结合起来，以发挥各自的优势，互相补充，相辅相成，创造出更多的成果。(www.xing528.com)

②发散思维与集中思维

发散思维是指思维者根据问题提供的信息，不按常规，多方位地寻求问题的答案，如砖头可作建筑材料，还可作锤子、攻击武器等。

集中思维是一种在大量的设想或多种方案的基础上，引出一两个大家认为最好的答案。

这两种思维活动在一个完整的创造活动中是相互补充、相辅相成的，发散思维的能力越强，提出的可能方案就越多样化，因而才能在集中思维进行判断时，提供较为广阔的回旋余地，才能真正体现集中思维的意义。但反过来，如果只是毫无限制地发散而无集中思维，发散也就失去了意义，因为在严格的科学试验和工程技术等活动中，实验结果或设计方案最终只能是有限的几个。因此，一个创新成果的出现，既需要以充分的信息为基础，设想多种方案，又需要对各种信息进行综合、归纳，从多种方案中选出较好的解决方案，即通过多次的发散、收敛、再发散、再收敛的循环，才真正完成。

③逻辑思维与非逻辑思维

逻辑思维是严格遵循逻辑过程按部就班，有条不紊地进行思维的一种思维方式，它注重分析、综合、归纳与演绎。

非逻辑思维是与逻辑思维相对而言的另一类思维方式，它是一种不严格遵循逻辑规律，突破常规，更具灵活的自由思维方式，其思维方式是联想、想象、直觉和灵感。

④直达思维与旁通思维

直达思维始终靠近解决问题的要求而进行思考，它对于简单问题有效。旁通思维通过对问题的分析，将问题转化为另一个等价或中介问题间接求解。旁通思维与直达思维应互为补充，尤其有时只有通过旁通思维以后又返归到直达思维，才能较好地解决所提出来的问题。如美国的莫尔斯根据马车道每个驿站要换马的启发，采用设立放大站的方法，解决了有线电视里信号传递衰减的问题，就是旁通思维的例子。

2）创造性思维

①创造性思维的概念

创造性思维是指由创见性的思维，即通过思维不仅能揭示事物的本质，而且能在此基础上提出新的、具有社会价值的产品。创新性思维使人们突破各种束缚，在一切领域内开创新的局面，不断满足人类的精神与物质需要。

②创造性思维的特点

A.突破性与求异性

具备与前人、众人不同的独特见解，突破一般思维的常规惯例，提出新原理，创造新模式，贡献新方法。并联机床就是突破了传统机床床身和导轨的结构形式，采用了腿结构的杆式结构，从而使机床有一个质的飞跃。

独创性思维具有求异性，敢于对司空见惯或“完美无缺”的事物提出怀疑，敢于向传统的习惯挑战，敢于否定自己思想上的“框框”，从新的角度分析问题。

如电灯的开关许多年来一直是机械式的，随着科学技术的发展，出现了触摸式、感应式、声控式、光控式开关，能在一定暗度下使路灯自动点亮，而在天明时又自动熄灭。红外线开关在人进入室内时自动亮灯，并准确做到“人走灯灭”。

如图5.28所示的一种新型混凝土搅拌车，在建筑行业很受欢迎。这种车由拌筒1、两侧支撑滚轮2、支撑轴承3、进料斗4、卸料槽5、液压马达6、水箱7构成，采用了新的工作模式，从料场装料后，在运输途中开动搅拌槽搅拌料，到达工地后即可卸下合格的混凝土。混凝土搅拌车能同时完成搅拌与运输两项工作，效率高，效果好。

图5.28　新型混凝土搅拌车

1—拌筒；2—两侧支撑滚轮；3—支撑轴承；4—进料斗；5—卸料槽；6—液压马达；7—水箱

20世纪50年代在研究制造晶体管的原料的过程中，人们发现锗是一种比较理想的材料，但是需要提炼到很纯才能满足要求。各国科学家在锗的提纯工艺上做了很多探索但都未能成功，因为只要混进极少量杂质就会影响材料的性能。而日本科学家在对锗多次提纯失败后，采取了和别人完全不同的“求异”探索法。他们有计划地一点一点加入少量杂质，同时观察其性能，最后发现锗的纯度降低为原来一半时会形成一种性能优异的电晶体。此项发明轰动了世界，并使得该科学家获得诺贝尔物理学奖。

B.联动性

由此及彼的联动思维引导人们由已知探索未知，开阔了思路。联动思维表现为纵向联动、横向联动和逆向联动3种形式。

a.纵向联动是针对问题和现象纵向思考，探寻其原因和本质，从而得到新的启示。例如在一次突然停电时，正在切削工件的超硬质合金车刀在工件失去动力降速运转的过程中，牢固地黏结在工件上，使工件报废。有心人正是通过这起偶然事故，深入分析工件和车刀粘连的原因而发明了摩擦焊。

b.横向联动是根据某一现象联想到特点与其相似或者相关的事物，进行“特征转移”而进入新的领域。如针对面包多孔松软的特点进行横向联动的特征转移，从而开发出塑料海绵、多孔塑料、夹气混凝土等不同产品。

c.逆向联动思维是针对现象、问题或解法，分析其相反的方面，从顺推到逆推，从另一角度探寻新的途径。如法拉第把人们公认的“电流产生磁场”的原理从相反方面进行研究，针对磁能产生电的设想，提出了电磁感应定律，从而诞生了世界上第一台发电机；再如司马光砸缸救人，由“人离开水”到“水离开人”。

C.多向性

多向性即善于从不同的角度思考问题。这种思维的产生并获得成功主要依赖于以下几方面。

a.发散思维。即在一个问题面前，尽量提出多种设想、多种答案，以扩大选择余地。当今科学技术上有突出才能、获得过重要荣誉的人物，在创立新科学理论的过程中，多向思维都是异常突出的。创造性活动中成功的概率与设想出供选择的方案往往是成正比的。如要解决人和物的渡河问题，可以用横越水面或把水引开两种方法，针对横越水面可以采用桥、船、飞行器、空中索道等措施；而若想把水引开，可以截流使河流改道或设法把水抽干。对桥来说，可以设计成拱桥、高架桥、悬索桥或浮桥等，在充分提出各种可能的条件下，结合工作实际要求和经济性，才能选择较现实的渡河方案。

b.换元思维。即灵活地变换影响事物和量的诸多因素中的一个，从而产生新的思路，如通过形状、大小、数量、位置、顺序等变换得到各种构型的变形产品。

c.转向思维。即思维在一个方向受阻时，马上转向另一个方向。

d.创优思维。即用心寻找最优答案，不满足对问题和现象已有的解答或解释。

e.偶然性。在无意之中做出发明，这反映了偶然性中的洞察力。如居里夫人发现镭，诺贝尔发明甘油、炸药都是抓住了偶然的苗头，深入研究，从而取得成果。

D.综合性

对已有材料进行深入分析，综合概括出其规律，或把已有的信息、现象、概念等综合起来，形成新的技术思想或设计出新产品。

要成功地进行综合思维，必须具备以下能力。

a.智慧融合能力。即汲取前任智慧之精华，通过巧妙结合，形成新的成果。

b.思维统摄能力。即把概念、事实和观察材料综合在一起，加以概括整理，形成科学概念和系统。

c.辩证分析能力。它是一种综合性思维的能力，即对已有的材料进行深入分析，把握它们的个性特点，然后从这些特点中概括出事物的规律。

③创造性思维的误区

创造性思维要敢于冲破各种思想的束缚，走出以下思维的误区。

A.“我没有创造性，创造是那些天才或者聪明人做的事”“发明创造高深莫测，发明创造是科学家或者研究人员的事”。这些是典型的错误思想，事实上每个人都具有创造性，创造力是可以培养、训练和提高的。

B.只相信权威答案，盲目地相信专家，相信书本上的设计规则。要注意书本上的设计思想的应用范围，或者设计条件，专家的认识及思维也是在前任的基础上总结或者探索出来的。因此要敢于怀疑，冲破传统观念的束缚，努力寻找多个答案，并养成提出多种不同类型问题的习惯。

C.逃避风险，害怕失败，害怕麻烦、担心别人笑话等。要有一颗积极进取的心，失败乃成功之母。

D.创造无意义或危害他人身体健康的发明。