第1篇　機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第1章　緒論

1.1　創(chuàng)新與創(chuàng)新方法

1.1.1　創(chuàng)新的概念

創(chuàng)新的概念最早由美國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家舒彼特（J.A.Schumper）在1912年出版的《經(jīng)濟(jì)發(fā)展理論》一書中提出，他把創(chuàng)新的具體內(nèi)容概況為以下幾個(gè)方面：采用新技術(shù)，生產(chǎn)新產(chǎn)品，研制新材料，開辟新市場(chǎng)，采用新的組織模式或管理模式。同時(shí)，他還提出“創(chuàng)新”是一種生產(chǎn)函數(shù)的轉(zhuǎn)移。

在世界進(jìn)入知識(shí)經(jīng)濟(jì)的時(shí)代，創(chuàng)新更是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石。當(dāng)今世界中，創(chuàng)新能力的大小已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力強(qiáng)弱的重要因素。

創(chuàng)造是一種完成新成果的過程，但這種新成果可能有一定的參照物，而不強(qiáng)調(diào)原本不存在的事物。創(chuàng)造往往是借助一種現(xiàn)實(shí)去實(shí)現(xiàn)另一種目的的過程。如我們常說的勞動(dòng)創(chuàng)造了世界，勞動(dòng)創(chuàng)造了人。如借助已經(jīng)出現(xiàn)的蒸汽機(jī)，安裝在陸地車輛上，則創(chuàng)造出機(jī)車；安裝在船上，則創(chuàng)造出輪船。現(xiàn)實(shí)生活中，人們常把發(fā)明與創(chuàng)造聯(lián)系在一起。實(shí)際上，嚴(yán)格區(qū)別二者的差異也沒有工程意義。但在哲學(xué)范疇中，二者是有一定差別的。

創(chuàng)新與創(chuàng)造也沒有本質(zhì)差別，創(chuàng)新是創(chuàng)造的具體實(shí)現(xiàn)。但創(chuàng)新更強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造成果的新穎性、獨(dú)特性和實(shí)用性。所以創(chuàng)新是指提出或完成具有獨(dú)特性、新穎性和實(shí)用性的理論或產(chǎn)品的過程。

從創(chuàng)新的內(nèi)容看，一般把創(chuàng)新分為知識(shí)創(chuàng)新（也稱理論創(chuàng)新）、技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新。知識(shí)創(chuàng)新是指人們認(rèn)識(shí)世界、改造世界的基本理論的總結(jié)。一般以理論、思想、規(guī)則、方法、定律的形式指導(dǎo)人們的行動(dòng)。知識(shí)創(chuàng)新的難度最大，如哲學(xué)中的“辯證唯物主義”、物理學(xué)中的“相對(duì)論”、機(jī)械原理中的“三心定理”“格拉肖夫法則”等都是知識(shí)創(chuàng)新。知識(shí)創(chuàng)新是人們改造世界的指導(dǎo)理論。

技術(shù)創(chuàng)新是指針對(duì)具體的事物，提出并完成具有新穎性、獨(dú)特性和實(shí)用性的新產(chǎn)品的過程。如計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、加工中心、航天飛機(jī)、宇宙飛船等許多的高科技產(chǎn)品都是技術(shù)創(chuàng)新的具體體現(xiàn)。

應(yīng)用創(chuàng)新是指已存在的事物應(yīng)用到某個(gè)新領(lǐng)域，并發(fā)生很大的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益的具體實(shí)現(xiàn)過程。如把軍用激光技術(shù)應(yīng)用到民用的舞臺(tái)燈光、醫(yī)療手術(shù)刀等，把曲柄滑塊機(jī)構(gòu)應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的主體機(jī)構(gòu)，把平行四邊形機(jī)構(gòu)應(yīng)用到升降裝置中等都是典型的應(yīng)用創(chuàng)新。

社會(huì)實(shí)踐中，有兩種創(chuàng)新方式：一是從無到有的創(chuàng)新；二是從有到新的創(chuàng)新。從無到有的創(chuàng)新都有一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的過渡期，這種創(chuàng)新的過程就是發(fā)明的過程，是知識(shí)的積累和思維的爆發(fā)相結(jié)合的產(chǎn)物。如人類社會(huì)先有牲畜驅(qū)動(dòng)的車輛，發(fā)明內(nèi)燃機(jī)后，將內(nèi)燃機(jī)安置在車輛上，并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后才發(fā)明了汽車，實(shí)現(xiàn)了從無到有的突破。原始的汽車經(jīng)過多年的不斷改進(jìn)，其安全性、舒適性、可靠性、實(shí)用性等性能不斷提高，這是經(jīng)過從有到新的不斷創(chuàng)新的結(jié)果。

1.1.2　創(chuàng)新方法

從思維的角度，創(chuàng)新方法有以下八種。

（1）群體集智法

群體集智法是針對(duì)某一特定的問題，運(yùn)用群體智慧進(jìn)行的創(chuàng)新活動(dòng)。群體集智法主要有三種具體的途徑：會(huì)議集智法、書面集智法和函詢集智法。

①會(huì)議集智法　又稱智慧激勵(lì)法，是美國(guó)創(chuàng)造學(xué)家奧斯本發(fā)明的，通常也稱作奧斯本法。技術(shù)開發(fā)部門在工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)常運(yùn)用智慧激勵(lì)法解決工程技術(shù)問題。

②書面集智法　是會(huì)議集智法的改進(jìn)形式，在運(yùn)用奧斯本法的過程中，人們發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)力和控制力強(qiáng)的人會(huì)影響他人提出的有價(jià)值的設(shè)想，因此提出了運(yùn)用書面形式表達(dá)思想的改進(jìn)型技法。書面集智法最常用的是“635法”模式，即每次會(huì)議6個(gè)人，每人在卡片上寫3個(gè)設(shè)想，每輪限定時(shí)間5分鐘。

③函詢集智法　又稱德爾菲法，其基本原理是借助信息反饋，反復(fù)征求專家書面意見來獲得創(chuàng)意。視情況需要，這種函詢可進(jìn)行數(shù)輪，以期得到更多有價(jià)值的設(shè)想。

（2）系統(tǒng)分析法

任何產(chǎn)品不可能一開始就是完美的，人們對(duì)產(chǎn)品的未來期望也不可能在原創(chuàng)產(chǎn)品問世時(shí)就一并實(shí)現(xiàn)，而大量的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是在做完善產(chǎn)品的工作，因此對(duì)原有產(chǎn)品從系統(tǒng)論的角度進(jìn)行分析是最為實(shí)用的創(chuàng)造技法。系統(tǒng)分析法主要有三種：設(shè)問探求法、缺點(diǎn)列舉法、希望點(diǎn)列舉法。

①設(shè)問探求法　設(shè)問能促使人們思考，但大多數(shù)人往往不善于提出問題，有了設(shè)問探求法，人們就可以克服不愿提問或不善于提問的心理障礙，從而為進(jìn)一步分析問題和解決問題奠定基礎(chǔ)。因?yàn)樘釂栴}本身就是創(chuàng)造。設(shè)問探求法在創(chuàng)造學(xué)被譽(yù)為“創(chuàng)造技法之母”。其主要原因在于：它是一種強(qiáng)制性思考，有利于突破不愿提問的心理障礙；也是一種多角度發(fā)散性的思考過程，是廣思、深思與精思的過程，有利于創(chuàng)造實(shí)踐。

②缺點(diǎn)列舉法　是指任何事物總是有缺點(diǎn)的、找到這些缺點(diǎn)并設(shè)法克服這些缺點(diǎn)，事物就能日益完善。卓越的心理素質(zhì)是運(yùn)用缺點(diǎn)列舉法的思想基礎(chǔ)。

③希望點(diǎn)列舉法　希望是人們對(duì)某種目的的心理期待，是人類需求心理的反映。設(shè)計(jì)者從社會(huì)希望或個(gè)人愿望出發(fā)，通過列舉希望點(diǎn)來形成創(chuàng)造目標(biāo)或課題，在創(chuàng)新技法中稱為希望點(diǎn)列舉法。它與缺點(diǎn)列舉法在形式上是相似的，都是將思維收斂于某“點(diǎn)”而后又發(fā)散思考，最后又聚集于某種創(chuàng)意。

（3）聯(lián)想法

聯(lián)想是由于現(xiàn)實(shí)生活中的某些人或事物的觸發(fā)而想到與之相關(guān)的人或事物的心理活動(dòng)或思維方式。聯(lián)想思維由此及彼，由表及里，形象生動(dòng)，奧妙無窮，是科技創(chuàng)造活動(dòng)中最常見的一種思維活動(dòng)。發(fā)明創(chuàng)造離不開聯(lián)想思維。

聯(lián)想是對(duì)輸入人頭腦中的各種信息進(jìn)行加工、轉(zhuǎn)換、連接后輸出的思維活動(dòng)。聯(lián)想并不是不著邊際的胡思亂想。足夠的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)積累是聯(lián)想思維縱橫馳騁的保證。聯(lián)想法可分為相似聯(lián)想、接近聯(lián)想、對(duì)比聯(lián)想、強(qiáng)制聯(lián)想。

①相似聯(lián)想　相似聯(lián)想是從某一思維對(duì)象想到與它具有某種相似特征的另一對(duì)象的思維方式。這種相似可以是形態(tài)上的，也可以是功能、時(shí)間與空間意義上的。把表面差別很大，但意義相似的事物聯(lián)想起來，更有助于建設(shè)性創(chuàng)造思維的形成。

②接近聯(lián)想　接近聯(lián)想是由某一思維對(duì)象聯(lián)想到與之相接近的思維對(duì)象上的聯(lián)想思維方式。這種接近可以是時(shí)間和空間上的，也可以是功能、用途或者是結(jié)構(gòu)和形態(tài)上的。

③對(duì)比聯(lián)想　客觀事物間廣泛存在著對(duì)比關(guān)系，如遠(yuǎn)與近、上與下、寬與窄、凸與凹、冷與熱、軟與硬……由對(duì)比引起聯(lián)想，對(duì)于發(fā)散思維和啟動(dòng)創(chuàng)意具有特別的意義。

④強(qiáng)制聯(lián)想　強(qiáng)制聯(lián)想是將完全無關(guān)或關(guān)系相當(dāng)偏遠(yuǎn)的多個(gè)事物或想法牽強(qiáng)附會(huì)地聯(lián)系起來，進(jìn)行邏輯型的聯(lián)想，以此達(dá)到創(chuàng)造目的的創(chuàng)新技法。強(qiáng)制聯(lián)想實(shí)際上是使思維強(qiáng)制發(fā)散的思維方式，它有利于克服思維定式，因此往往能產(chǎn)生許多非常奇妙的、出人意料的創(chuàng)意。

（4）類比法

比較分析多個(gè)事物之間的某種相同或相似之處，找出共同的優(yōu)點(diǎn)，從而提出新設(shè)想的方法稱為類比法。按照比較對(duì)象的情況，類比法可分為擬人類比、直接類比、象征類比和因果類比。

①擬人類比　以人為比較對(duì)象，將人作為創(chuàng)造對(duì)象的一個(gè)因素，從人與人的關(guān)系中，設(shè)身處地考慮問題，在創(chuàng)造物的時(shí)候，充分考慮人的情感，將創(chuàng)造對(duì)象擬人，把非生命對(duì)象生命化，體驗(yàn)問題，引起共鳴，是擬人類比創(chuàng)新技法的特點(diǎn)。擬人類比創(chuàng)新思想被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)中，如適應(yīng)現(xiàn)代建筑物業(yè)管理的樓宇智能控制系統(tǒng)、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的開發(fā)等都利用了擬人類比進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

②直接類比　在創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，將創(chuàng)造對(duì)象與相類似的事物或現(xiàn)象作比較，稱為直接類比。直接類比的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快速，可以避免盲目思考。類比對(duì)象的本質(zhì)特性越接近，則成功創(chuàng)新的可能性就越高。

③象征類比　象征類比是借助實(shí)物形象和象征符號(hào)來比喻某種抽象的概念或思維感情。象征類比依靠知覺感知，并使問題關(guān)鍵顯現(xiàn)、簡(jiǎn)化。文化創(chuàng)作與創(chuàng)意中經(jīng)常運(yùn)用這種創(chuàng)造技法。

④因果類比　兩事物有某種共同屬性，根據(jù)一事物的因果關(guān)系推知另一事物的因果關(guān)系的思維方法，稱為因果類比法。

（5）仿生法

師法自然，特別是自然界，以此獲得創(chuàng)造靈感，甚至直接仿照生物原型進(jìn)行創(chuàng)造發(fā)明，就是仿生法。仿生法是相似創(chuàng)造原理的具體應(yīng)用。仿生法具有啟發(fā)、誘導(dǎo)、拓展創(chuàng)造思路的顯著功效。仿生法不是簡(jiǎn)單地再現(xiàn)自然想象，而是將模仿與現(xiàn)代科技有機(jī)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)出具有新功能的仿生系統(tǒng)，這種仿生創(chuàng)造思維的產(chǎn)物是對(duì)自然的超越。

（6）組合創(chuàng)新法

在發(fā)明創(chuàng)新活動(dòng)中，按照所采用的技術(shù)來源可分為兩類：一類是采用全新技術(shù)原理取得的成果，屬突破型發(fā)明；另一類是采用已有的技術(shù)并進(jìn)行重新組合的成果，屬組合再生型發(fā)明。從人類發(fā)明史看，初期以突破為主，隨后，這類發(fā)明的數(shù)量呈減少趨勢(shì)。特別在19世紀(jì)50年代以后，在發(fā)明總量中，突破型發(fā)明的比重在大大下降，而組合型發(fā)明的比重急劇增加。在組合中求發(fā)展，在組合中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，這已經(jīng)成為現(xiàn)代科技創(chuàng)新活動(dòng)的一種趨勢(shì)。

組合創(chuàng)新技法在工程中應(yīng)用及其廣泛。人類在數(shù)千年的發(fā)展歷程中積累了大量的各種技術(shù)。這些技術(shù)在其應(yīng)用領(lǐng)域中逐漸發(fā)展成熟，有些已達(dá)到相當(dāng)完善的程度，這是人類極其珍貴的巨大財(cái)富。由于組合的技術(shù)要素比較成熟，因此組合創(chuàng)新一開始就站在一個(gè)比較高的起點(diǎn)上，不需要花費(fèi)較多的時(shí)間、人力與物力去開發(fā)專門技術(shù)，不要求創(chuàng)造者對(duì)所應(yīng)用的技術(shù)要素都有較深的造詣，所以進(jìn)行創(chuàng)造發(fā)明的難度明顯較低，成功的可能性當(dāng)然要大得多。

組合創(chuàng)新運(yùn)用的是已有成熟的技術(shù)，但這不意味其創(chuàng)造的是落后或低級(jí)的產(chǎn)品，實(shí)際上適當(dāng)?shù)慕M合，不但可以產(chǎn)生全新的功能，甚至可以是重大發(fā)明。航天飛船飛離地球，將“機(jī)遇號(hào)”與“勇氣號(hào)”火星探測(cè)器送上火星，這是人類偉大的發(fā)明創(chuàng)造；火星之旅運(yùn)用的成熟技術(shù)數(shù)不勝數(shù)，如缺少其中的某項(xiàng)成熟技術(shù)，登陸火星和成功的勘測(cè)都無疑將以失敗告終。組合創(chuàng)新技法實(shí)際上是加法創(chuàng)造原理的應(yīng)用。根據(jù)組合的性質(zhì)，它可以分為功能組合、材料組合、同類組合和異類組合。

①功能組合　人們生產(chǎn)商品的目的是為了應(yīng)用。一種商品的功能已為人們普遍接受，通過組合，可以使產(chǎn)品同時(shí)具有人們所需要的多種功能，以滿足人類不斷增長(zhǎng)的消費(fèi)需求。取暖的熱空調(diào)器與制冷的冷空調(diào)器原來都是單獨(dú)的，科技人員設(shè)法將這兩種功能組合起來，發(fā)明了可以方便轉(zhuǎn)換的兩用空調(diào)，提高了人類的生活質(zhì)量。手表原來只有計(jì)時(shí)功能，別出心裁的設(shè)計(jì)者將指南針與溫度計(jì)的功能組合在表上，使人們可以隨時(shí)監(jiān)察自己的體溫或判別方位，滿足了某些消費(fèi)者的特殊需要。另外，功能組合在國(guó)防科技發(fā)明中也有巨大的潛能。

②材料組合　很多場(chǎng)合要求材料具有多種功能特性，而實(shí)際上單一材料很難同時(shí)兼?zhèn)湫枨蟮乃行阅堋Ｍㄟ^特殊的制造工藝將多種材料加以適當(dāng)組合，可以制造出滿足特殊需要的材料，如塑鋼門窗就是鋁材和塑料的組合。

③同類組合　將同一種功能或結(jié)構(gòu)在一種產(chǎn)品上重復(fù)組合，以滿足人們對(duì)此功能的更高要求，這是一種常用的創(chuàng)新方法。如使用多個(gè)氣缸的汽車、使用多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)、多節(jié)火箭，這些采用同類組合的運(yùn)載工具，目的都是為了獲得更大的動(dòng)力。

④異類組合　創(chuàng)新的目的是獲得具有新功能的產(chǎn)品，不同的商品往往有著不同的功能，如果能將這些本屬于不同商品的相異功能組合在一起，這樣的新產(chǎn)品實(shí)際上就具有了能滿足人們需求的新功能，這就是異類組合。有些商品有某些相同的成分，將這些不同的商品加以組合，使其共用這些相同的成分，可以使總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格更便宜，使用也更方便。將具有相似傳動(dòng)箱的車床、鉆床、銑床組合而成的多功能機(jī)床可以分別完成其幾類機(jī)床的機(jī)械加工工作。此外，技術(shù)組合和信息組合等也是常用的組合創(chuàng)新技法。技術(shù)組合是將現(xiàn)有的不同技術(shù)、工藝、設(shè)備等加以組合而形成的發(fā)明方法。信息組合則是將有待組合的信息元素制成表格，表格有交叉點(diǎn)即為可供選擇的組合方案。前者特別適用于大型項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用推廣；后者操作簡(jiǎn)便，是信息社會(huì)中能有效提高效率的創(chuàng)新技法。

（7）反求設(shè)計(jì)法

反求設(shè)計(jì)是典型的逆向思維運(yùn)用。反求工程是針對(duì)消化吸收先進(jìn)技術(shù)的一系列工作方法和技術(shù)的綜合工程。通過反求設(shè)計(jì)，在掌握先進(jìn)技術(shù)中創(chuàng)新，也是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要途徑之一。在現(xiàn)代化社會(huì)中，科技成果的應(yīng)用已成為推動(dòng)生產(chǎn)力發(fā)展的重要手段。把別的國(guó)家的科技成果加以引進(jìn)，消化吸收，引起提高，再進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，進(jìn)而發(fā)展自己的新技術(shù)，是發(fā)展民族經(jīng)濟(jì)的捷徑，這一過程稱為反求工程。

在兩種創(chuàng)新方式中，反求設(shè)計(jì)就屬于第二種創(chuàng)新方式。借助已有的產(chǎn)品、圖樣、音像等已存在的可感觀的事物，創(chuàng)新出更先進(jìn)、更完美的產(chǎn)品。人的思維方式是習(xí)慣從形象思維開始，用抽象思維去思考。這種思維方式符合大部分人所習(xí)慣的形象—抽象—形象的思維方式。由于對(duì)實(shí)物有了進(jìn)一步的了解，并以此為參考，發(fā)揚(yáng)其優(yōu)點(diǎn)，克服其缺點(diǎn)，再憑借基礎(chǔ)知識(shí)、思維、洞察力、靈感與豐富的經(jīng)驗(yàn)，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了良好的環(huán)境。因此，反求設(shè)計(jì)是創(chuàng)新的重要方法之一。

（8）功能設(shè)計(jì)法

功能設(shè)計(jì)是典型的正向思維運(yùn)用。功能設(shè)計(jì)法是傳統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法，又稱為正向設(shè)計(jì)法。這種設(shè)計(jì)方法步驟明確、思路清晰，有詳細(xì)的公式、圖表作為設(shè)計(jì)依據(jù)，是設(shè)計(jì)人員經(jīng)常采用的方法。設(shè)計(jì)過程一般為根據(jù)給定產(chǎn)品的功能要求，制訂多個(gè)原理方案，從中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇最佳方案。對(duì)原理方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并考慮材料、強(qiáng)度、剛度、制造工藝、使用、維修、成本、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益等多種因素，最后設(shè)計(jì)出滿足人類要求的新產(chǎn)品。

正向設(shè)計(jì)過程符合人們學(xué)習(xí)過程的思維方式，其創(chuàng)新程度主要表現(xiàn)在原理方案的新穎程度，以及結(jié)構(gòu)的合理性與可靠性等，所以正向設(shè)計(jì)也是創(chuàng)新的重要設(shè)計(jì)方法。