机械创新设计现场实验指导书

一、实验目的

（1）了解机械创新设计的基本原理与基本方法，启迪创新思维，提高创新意识。

（2）了解机构创新设计和结构创新设计的基本途径与方法，提高创新设计能力。

二、实验设备

实验设备主要是CX-10B机械创新设计陈列柜，它是《机械创新设计》课程的“实物教材”。其内容以近年来出版的机械原理、机械设计、机械创新设计等方面的国家级优秀教材和国外高校优秀教材为基本依据，以典型的创新产品设计为实例，展示了机械创新设计的原理和方法，突出了产品创造技法、原理方案创新、机构创新、结构方案创新和外观设计创新等内容。

机械创新设计陈列柜由10个展柜组成，分别是创新设计概述、创新思维方式、产品创造技法（1）、产品创造技法（2）、原理方案创新（1）、原理方案创新（2）、机构创新设计（1）、机构创新设计（2）、结构方案创新及外观创新设计等。

机械创新设计语音控制柜，由微处理器控制的新型大容量语音芯片组成，设有遥控和手控两种独立操作，可实现遥控、手控该柜全部模型电机同时转动。

三、现场教学内容简介

第1展柜　创新设计概述

（1）创新设计源于实践。陈列柜中所示的蒸汽机车、内燃机车曾经是人们创新设计的产物。近年出现的磁悬浮列车，更凝聚着创新设计的智慧之光。

传统的列车必须通过车轮与轨道接触才能实现牵引运行。这种机械接触式轮轨关系带来许多弊端，如摩擦磨损严重，机械噪声大，运行速度难以大幅度提升。怎样才能克服这些弊端呢？有人破天荒地想出了让列车悬浮空中的创意。沉重的列车怎样才能悬浮起来呢？要解决这一问题，不能不进行创新设计。

经过人们的努力，磁悬浮列车脱颖而出。它利用超导磁体产生强磁场，运动时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力，将列车悬浮于空中约100～200mm。再用线性电机驱动，使列车高速前进。磁悬浮列车克服了传统机车车辆轮轨机械接触引起的弊端，令人刮目相看，可望能成为21世纪的新型陆上交通运输工具。

除了磁悬浮列车外，还可以列举许多极富新颖性和独特性的创新设计成果。

（2）设计。设计是将创意转化为技术方案的过程，是建立技术系统的第一道工序，它对产品的技术水平和经济效益起着决定性的作用。针对同一设计课题，可能有不同的设计方案，创新设计追求具有新颖性、独特性的技术方案。所谓机械创新设计，是指设计者的创造力得到充分发挥，并设计出更具竞争力的机械新产品的设计实践活动，创新是它的灵魂。根据设计的内容特点，创新设计可分为开发设计、变异设计和反求设计等基本类型。

开发设计的特点，是从产品应有的功能出发，去构思新的技术方案，开发满足消费新需求的机械新产品。开发设计通常历经产品规划、原理方案求解、技术设计和施工设计等阶段。

变异设计，是针对已有产品的缺点或新的工作要求进行的改进设计。它通常针对基型产品的工作原理、机构类型、结构方式、参数大小等进行一定的变换或求异，其目的在于使变异后的产品更适应市场需求。

反求设计，是针对已有的先进产品或设计进行逆向思考，分析其关键技术，并在消化、吸收的基础上设计出同类型新产品的过程。

机械创新设计通常包括原理方案创新、机构方案创新、结构方案创新和外观设计创新等活动。创新思维和创造技法是一切创新设计方法的基础。

第2展柜　创新思维方式

设计是一种脑力劳动。创新设计往往是创造性思维劳动的结晶。从事机械创新设计，不仅需要机械设计方面的知识，而且需要创新思维方式的支持。

创新思维是一种突破常规思维的逻辑通道，用新思路去求解问题的思维方式，与常规思维相比，它更具发散性和求异性。因此，发散思维与求异思维是创新思维最基本的思维方式。

（1）观看弹簧施力夹紧装置创新设计的实例。夹紧装置通常用于在加工时夹持工件，或者用于在浮花压制或印刷时施加大的力量。第一个模型为一个已有的弹簧施力的夹紧装置，它已获得专利。从结构上看，它是一个具有四个构件和六个运动副的装置；它有一个包含工件的固定杆、两个夹紧杆，以及一个弹簧；它有四个转动副和两个直接接触的高副。一个设计者在此基础上进行发散思维和求异思维，构思出多种可以避开该专利的新方案。陈列柜里展示出了其中的五个设计方案。

（2）再看发动机创新设计方面的两个实例。内燃发动机是常见的动力设备。往复式活塞内燃发动机的主体机构是曲柄滑块机构，在结构上离不开曲轴、活塞、气缸等零部件。在长期的使用中，人们发现它存在不少技术矛盾，于是开始了新型发动机的研制，并获得不少新成果，陈列柜左边陈列的无曲轴式活塞发动机就是其中一种。它没有曲轴，而是以凸轮机构代替传统发动机原有的曲柄滑块机构。取消原有的关键曲轴，是创新思维的体现，因为这种设计可使零件数量减少，结构简单，成本降低。若将圆柱凸轮安装在发动机中心部位，可在其周围设置多个气缸，制成多缸发动机。通过改变凸轮轮廓形状，可以改变输出轴转速，达到减速增矩的目的。这种凸轮式无曲轴发动机已应用于船舶、重型机械和建筑机械等行业。

（3）在改进往复式发动机的过程中，人们发现如能直接将燃料的动力转化为回转运动将是更合理的途径。基于这种思维，旋转式内燃发动机的设计脱颖而出。观看陈列柜右边陈列的旋转式发动机的模型。旋转式发动机由椭圆形的缸体、三角形转子、行星齿轮机构、吸气口、排气口和火花塞等组成。运转时同样有吸气、压缩、燃爆做功和排气等四个动作。由于三角形转子有三个弧面，因此，每转一周有三个动力冲程，而且三角形转子的每一个表面与缸体的作用相当于往复式的一个活塞和气缸，依次平稳连续地工作。转子各表面还兼有开闭进排气阀门的功能，设计可谓匠心独具。

旋转发动机与传统的往复式发动机相比，在输出功率相同时，具有体积小、质量轻、噪声小、旋转速度范围大以及结构简单等优点。不过，在实用化生产过程中还有许多问题需要解决。

第3展柜　产品创造技法（1）

机械创新设计需要一定的方法与技巧，设计者除了掌握机械设计课程介绍的“专业性”设计方法外，还应掌握源自创造学的“通用性”创造技法。创造技法较多，首先介绍希望点列举法和缺点列举法的应用，这两种创造技法也常常配合应用。

（1）数码净水机开发设计综合应用了希望点列举法和缺点列举法。随着人们对健康的关心，自然希望能饮用清洁卫生的自来水。列举这一希望，人们提出了“净水机”的新产品概念，并开发出多种净水产品。数码净水机则是在分析已有净水产品缺点的基础上，开发设计的新型净水机。这种数码净水机利用自来水本身压力工作，在设计上采用了最新的膜分离技术，高精度过滤，更能有效滤除自来水中的细菌、铁锈和部分对人体有害的有机物与金属，保留水中有益矿物质；能滤除水中胶体，不会形成水垢；采用先进的数码技术与水质监测技术，能自动监测和控制用水水质，自动报警，提示维护，分分秒秒保证用水安全与人身健康。

对于与用水相关的水龙头，人们同样希望它也能不断克服缺点，在功能与性能方面不断完善。在对普通水龙头进行缺点列举并进行改进设计之后，人们开发设计出冷热两用水龙头、磁心型水龙头、光电水龙头等新产品，满足了不同的希望与需求。

（2）又如，缝纫机是一种常见的轻工机械，在解决人们的穿衣饰着方面立下了汗马功劳。尽管它的诞生已有多年历史，但并不意味着它在技术上已尽善尽美，在功能与性能方面已能完全满足人们的希望。缝纫机的更新换代是个有目共睹的事实。就缝纫机机头来说，当人们发现挑线机构采用凸轮机构而磨损严重、噪声较大的缺点后，便改进设计，用连杆机构取而代之。传统的缝纫机是用人力驱动的，长期使用劳动强度大，为了满足人们改善劳动强度、提高工作效率的希望，电动缝纫机应运而生。

（3）此外，迷你型电动缝纫机也是人们列举缝纫机缺点和希望点的产物。这种微型缝纫设备，方便了一些外出旅游者、在校学生等消费群组对缝补衣物的需要。

（4）在不断完善缝纫机本身的同时，人们也希望与缝纫工作相关的机械能得到发展，以进一步提高衣物缝制质量与工作效率。于是，三线锁边机、钉扣机、剪裁机和熨衣机等缝纫系列产品相继问世，为缝纫业的发展提供了重要的物质保证。

（5）应用希望点列举法开发设计新产品，是从社会需要或消费者愿望出发，通过列举希望点，将模糊的需求意愿转化为明确的新产品概念，并进行方案设计的过程。用好希望点列举法，关键是做好市场调查与需求分析，为了抢占市场商机，尤其要掌握潜在希望点的列举方法。

应用缺点列举法，对促进产品的更新换代意义重大。用好缺点列举法，同样需要做好市场调查与需求分析，对产品的质量标准以及技术发展动态等问题，设计者更要胸有成竹。

第4展柜　产品创造技法（2）

（1）本柜主要介绍移植创造法与组合创造法。在陈列柜里展示了两件电动工具。

第一件是射钉枪，它是一种电动木工工具，由枪体、发射器及钉匣等组成，用手勾动按钮，铁钉从枪口射出，牢固地进入木材之中，省力而且高效。据发明者介绍，其创意来自枪械的子弹发射。在射钉枪的设计过程中，类比移植了枪械发射子弹的基本原理，就连结构形状与使用方法也与枪械甚为相似。请大家想想，如果将铁钉换成别的东西，又会发明出什么新东西？

（2）第二件电动工具是电锤。通电后，电动机通过齿轮传动使钻头一边旋转一边产生轴向冲击。应用这种电动工具在水泥墙上钻孔打洞，可谓得心应手。观察它的结构原理与运动方式，它的设计是否移植了电钻与冲击锤的原理？

“它山之石，可以攻玉”。运用移植法则，通过引用或外推已有技术成果，用于创新设计的方法，就是移植创造法。移植设计的实质是异中求同和同中求异。

用好移植创造法，关键是找好移植过程中的供体与受体。供体的技术要成熟，受体在接受技术时不发生排他作用。此外，应用移植法的创造性取决于两个技术领域之间的差异，差异越大，创造性越强，但难度也越大。因此，既要大跨度地异域走马，又要正确把握移植的限度，确保一个领域的技术能在另一个领域开花结果。

（3）除了移植可以发掘现有的技术进行创造之外，通过组合也可以利用现有技术进行创新。将已有事物珠联璧合，使新的组合体在性能或服务功能方面发生变化，以产生新的使用价值的方法与技巧，就是组合创造法。从简单的多用途工具，到较复杂的组合机构，以及更复杂的机电一体化产品，都蕴涵着组合创新的智慧。

实施组合创造，可以采用同物自组、异类组合、分解重组等组合方式。陈列柜展示的三头电动剃须刀，可以认为是三个电动剃须刀的同物自组。能够应用一个电动机同时带动三个刀盘转动，其传动方式的设计无疑具有创造性。

在陈列柜里看到的电子积木，是一种开发儿童智力的玩具。从设计方法看，它既移植了传统积木玩具的构思，也应用了分解重组的创造技法。

（4）陈列柜里还展示了一种叫“眼保仪”的新产品，思考它应用了什么创造技法。据“眼保仪”设计者介绍，本产品是根据视觉原理，巧妙地将现代电子技术、光学技术与传统的中医经络理论相结合的仪器。在结构设计方面，“眼保仪”设置了目标图像，该图像通过微电机和连杆传动，能按一定的周期做前后往返有节律的慢速移动。当人用眼睛通过镜筒观察图像时，负责眼屈光系统调节作用的睫状肌，就不由自主地做忽张忽驰的锻炼，进而解除睫状肌的紧张或痉挛状态，使其调节恢复到正常状态，增强眼的调节功能，防治近视，消除视疲劳，改善视力，防止近视度数加深。

显然，“眼保仪”的开发设计，在功能原理上移植了眼科保健治疗的技术。在结构设计上应用了组合创造法，即将多个领域的技术加以综合。在异类杂交中有了新创造。

值得指出的是，采用组合法进行机械创新设计时，要注意按照性能上实现1+1＞2、结构上达到1+1＜2的要求去设计技术方案。即组合法不是机械之间的简单堆砌，而是有机地综合优化。

第5展柜　原理方案创新（1）(www.xing528.com)

原理方案创新是产品创新设计中的核心环节，它对产品的结构、工艺、成本、性能和使用维护等都有很大影响。怎样进行原理方案创新？下面通过实例来说明。

（1）钟表的创新设计。最早发明的钟表采用机械传动原理，它利用上紧的发条或游丝释放能量，通过齿轮系统使指针转动，从而指示时间。机械钟表发明后，人们对其进行了不断的改进，形形色色的机械钟表在市场不断出现。长期以来，机械钟表一统天下。无论人们怎样对钟表进行研究改进，但都跳不出机械结构的框框，觉得任何一个齿轮和轴都不可缺少。如果要改进，充其量也只能在选用材料和加工方法上进行一点创新。后来，人们从钟表的“指示时间”的这一功能要求出发进行思考，认为凡是满足这一功能要求的东西都是钟表。于是，研究的思路大开，想到了电动的方法、电子震荡的方法等，开发出功能高、成本低的电子钟表。如果从化学方面去创造性思考，能否发明出依靠化学能的所谓“化学钟表”呢？

（2）在打字机方面，同样可以发现它的原理方案也是多种多样的。陈列柜里展示的有喷墨打字机和激光打字机，它们是打字机产品不断创新的代表。传统的机械式打字机，离不开铅字的集合与机构的敲打，速度慢，质量不高，劳动强度大。后来，人们从打字机的“机械书写”的功能出发，跳出了“打”的框框，依靠先进的计算机，发明出智能化的喷墨打字机和激光打字机，实现了打字机的革命。

（3）通过以上案例，我们可以发现，如果从产品的功能出发而不是从产品具体的结构出发，设计的思路就会大开，原理方案也会多种多样。

功能，是产品或技术系统特定工作能力抽象化的描述。从产品或技术系统应具有的功能出发，经过功能分解、功能求解、方案组合、方案评选等过程，以求得最佳原理方案的设计方法，就是功能设计法，它是原理方案创新的最重要的一种方法。

原理方案创新，是个发散—收敛过程。为了探求多种方案，人们必须从功能分析得到的信息基点出发，进行发散思维。为了好中选优，又必须应用收敛思维，依据技术经济评价的方法，去获得最佳原理方案。

第6展柜　原理方案创新（2）

（1）在原理方案创新方面，陈列柜里展示了几个例子。在陈列柜左上方，陈列有三种锁具。这些把门铁“将军”看起来样子相像，但锁具开启的原理是有差别的。最左边的是依靠钥匙开启的机械锁；中间的是密码锁，开启原理不同，但在结构原理上还属于机械锁的范围；最右边的是磁卡锁，虽然在锁体方面还继承了机械锁的形态，但在开锁原理上发生了根本性的变革，它的机电一体化特点，是现代锁具创新设计的思考方向。当然，只要我们进一步解放思想，从锁具的功能出发创造性思考，还可以发明出诸如磁控锁、声控锁和指纹锁等锁具新产品。

（2）在陈列柜右上方，陈列有新开发的电磁炉。它的功能是加热食物，但与传统的电阻丝炉具不同的是，它在烹饪食物时看不到明火或热得通红的电阻丝。这种炉具的烹饪原理是：当通电后炉内线圈形成磁场，磁力线通过金属锅具底部时形成无数小涡流，使锅体高速发热，便能加热锅内食物。由于电磁炉具有无污染和热效率高的优点，一上市便让人刮目相看。

（3）在陈列柜的下方，陈列有三种鼓风机。最左边的是离心式鼓风机，它通过一个离心式叶轮旋转，实现增压送风的功能原理。后面的两台是罗茨鼓风机，它的送风原理不同于离心式鼓风机，它利用一对叶轮啮合运动，实现变容增压送风的目的。回转容积式罗茨鼓风机的发明，是流体机械领域的一项重大突破。在两台罗茨鼓风机中，有一台是目前大量生产的二直叶罗茨鼓风机，另一台是三扭叶罗茨鼓风机。后者的特点是比容不随压力而变化，而压力可以根据用户要求在一定范围内加以调节。虽然它的工作原理没有变化，但在工作性能方面有所改进，突出的特点是降噪节能。

（4）总之，原理方案创新是从功能要求出发，以原理方案设计为目标的分析与综合过程，在这一过程中，设计者的专业知识、创新思维能力、实验研究能力，以及对相关科技信息的掌握，是确保原理方案创新成功的基础。

第7展柜　机构创新设计（1）

一个好的机械原理方案能否实现，机构设计是关键。机械原理课程中介绍的机构，可以供人们选择应用。在机构设计中，同样需要进行创新。那么，怎样进行机构的创新设计呢？

机构创新设计的途径较多，常用的有下面几种：

其一，利用组合原理创新。典型的例子如组合机构的开发设计。本柜上方陈列有三种组合机构。

（1）第一个为四杆机构与差动轮系的串联组合。串联组合的特点是，前一机构的输出构件和输出运动，即是后一机构的输入构件和输入运动。本组合机构可以实现输出构件带停歇的特殊运动规律。

（2）第二个为曲柄摇杆机构与轮系的并联组合。并联组合的特点是，原动机的运动通过n个并列基本机构的传递和转换，成为n个不同规律的输出运动，再输入具有n个自由度的基础机构，汇集成一个运动输出。这类并联组合机构既可实现复杂的运动函数，也可用于实现特殊的复杂轨迹。

（3）第三个为蜗杆蜗轮机构与凸轮机构的组合。等速转动的原动蜗杆带动蜗轮转动，槽形凸轮与蜗轮固连，通过弯形推杆使蜗杆相对滑架轴向移动，蜗轮获得附加运动，有利于对传动进行反馈调节。这种机构叫反馈式组合机构。

其二，利用机构变异原理进行机构创新设计。机构的扩展、局部结构的改变、结构的移植、运动副的变化等，都是机构变异的方式。在陈列柜中部，陈列有三个六杆机构模型，左边的是基型，右边的两个主要是通过运动副的变化，即低副高代而得到的变异型六杆机构。第一个取六杆低副机构中的连杆作为代换构件，得到的是含有高副的凸轮-曲柄滑块机构；得到的第二个新型机构是如何变异的，请大家思考。

本柜还展示有通过局部结构改变进行机构创新的两个例子。一个是行星轮系-连杆机构，它是以行星轮系替代了曲柄滑块机构的曲柄，而得到滑块右极限位置有停歇的新机构；另一个是凸轮-连杆机构，它以倒置后的凸轮机构取代了曲柄，新机构具有停歇特征。

除了上述两条机构创新途径外，还可以利用再生运动链方法和广义机构的概念进行机构创新。这方面的知识，请参看其他有关的资料。

第8展柜　机构创新设计（2）

在本柜中，以干粉压片机的主加压机构为例，重点展示执行机构构型设计的创新过程。

（1）干粉压片机的功能是将不加黏结剂的干粉料制成圆形片坯，要求一定的生产率。根据生产条件和粉料的特征，设计者决定采用大压力压制。由于主加压机构所加压力大，用摩擦传动原理不适合；用液压传动原理，因顾及系统漏油会污染产品，也不适合；故决定采用电动机作动力，选择刚性推压传动原理。

设计时，首先要进行压片工艺分析。在示教板中，对干粉压片机的工艺动作进行了分解。由此可知，该机械共需要三个执行机构，即上冲头、下冲头和料筛。现以上冲头主加压机构为例，说明其机构构型设计的创新过程。

首先对机构进行功能分析。上冲头主加压机构应当具有以下几种基本功能：

其一，运动形式变换功能，能将电动机的转动变换为冲头的直线移动；

其二，运动方向交替变换功能，实现冲头的往复直线运动；

其三，运动缩小功能。通过减少速度或者位移实现增加压力，从而减少电动机的功率。

在此基础上，可以选择实现各基本功能的技术手段。如针对运动形式变换功能，可以考虑在齿轮齿条机构、曲柄滑块机构和凸轮推杆机构中选择功能载体；针对运动方向交替变换功能，可以考虑在扇形齿轮机构、曲柄摇杆机构和凸轮摆杆机构中选择功能载体；针对运动缩小功能，可以考虑在直齿轮传动、杠杆机构和斜面挤压机构中选择功能载体。

（2）将选择的功能载体按基本功能和基本机构列出组合表，即功能-技术矩阵，或者叫形态学矩阵。经过排列组合，理论上可以得到多种机构方案。通过分析判断，可以从中选择几种作为初步方案。本陈列柜展示了其中的五种方案。请大家观察根据这五种方案制作的上冲头主加压机构模型，对照它们的机构运动简图，分析思考各个方案的运动特点。

第9展柜　结构方案创新

在原理方案确定的基础上，可以进行结构方案的创新设计，以提供大量的可供选择的设计方案，使设计者可以在其中进行评价、比较和选择，并进行参数优化。如何进行结构方案的创新设计？常用的方法有三种：一是对结构方案进行变异；二是进行提高性能的设计；三是开发新型结构。

（1）首先看结构方案变异设计，在这种方法中，主要是对功能面进行变异。所谓功能面，是指决定机械功能的零件表面，它通常是与相对运动零件接触的表面。例如，V带的侧面、齿轮的啮合面。在陈列柜左上方，以弹簧压紧结构变异设计为例，说明功能面变异的基本原理。如要实现用弹簧产生的压紧力压紧某零件，使其保持确定位置，可以选择弹簧类型和被压紧零件的功能面为变异要素，进行组合，便可得到多种弹簧压紧结构方案。

除了功能面变异外，还可以通过连接的变异、支承的变异、材料的变异等方式，获得不同的结构方案。

（2）机械产品的性能不但与原理设计有关，结构设计的质量也直接影响产品的性能，甚至影响产品功能的实现。提高性能的设计，不仅是一种结构方案创新的方法，同时也是结构设计应追求的目标。

陈列柜中有两个设计实例。第一个是关于对球面支承强度和刚度改善的结构变异设计。左边的原设计为两个凸球面接触，综合曲率半径较小，接触应力大。改进后的方案能够提高支承的强度和刚度。

（3）第二个是关于摆杆与推杆的球面位置的设计，请大家观察分析，是哪一种结构方案可以改善导杆运动中的力学特性。

（4）在结构创新设计中，我们不仅要对原型结构进行变异设计，而且要运用新的机械设计理论和创新思维，进行新型结构的设计。陈列柜里展示有组合轴承与弹性结构的例子。组合轴承有利于改善载荷分配情况；弹性结构有利于快动连接。

第10展柜　外观创新设计

外观设计是产品设计的重要内容，它是应用技术和艺术处理手段赋予产品以美的外形的创新计设计实践。外观创新设计的目的在于使产品的精神功能和实有功能达到新的融合，取得最佳的整体效果。

请观看陈列柜中的产品，分析它们在外形设计方面有没有创新的地方。

（1）打火机是常见的日用品，手枪型、书本型、烟袋型、动物型的打火机层出不穷，它们那别具一格的外观创新设计，使打火机成为许多人收藏的艺术品。显而易见，外观创新设计的打火机，不仅丰富了人们的文化生活，而且提高了产品的市场竞争力，也会给生产经营者带来新的附加价值。

（2）再看小型吸尘器的外观设计。它那流线型的主体造型、拟人化的手柄构型和时尚的色彩设计，不仅使人心旷神怡，而且还会让人联想到它那可靠的吸收尘土的功能。

（3）最后观看挖掘机的仿真模型。对于工程机械，过去人们不太重视它的外观设计，对产品的美学质量与市场价值缺乏认识。现在的工程机械不仅讲究内在质量，而且注重外在质量。眼前的挖掘机，以直线为主进行主体造型，给人以方正、简捷、刚直、稳定的视觉效果。同时，它那合理而鲜明的色彩设计，也给了挖掘机宜人的美感。

机械产品的外观创新设计也没有固定的模式，但富有创新性的外观设计一般应具有以下基本特征：显示现代科技的功能美；表现人机关系的宜人美；反映时代新潮的时尚美。