第1篇 機械創新設計基礎
第1章 緒論
1.1 創新與創新方法
1.1.1 創新的概念
創新的概念最早由美國經濟學家舒彼特（J.A.Schumper）在1912年出版的《經濟發展理論》一書中提出，他把創新的具體內容概況為以下幾個方面：采用新技術，生產新產品，研制新材料，開辟新市場，采用新的組織模式或管理模式。同時，他還提出“創新”是一種生產函數的轉移。
在世界進入知識經濟的時代，創新更是一個國家經濟發展的基石。當今世界中，創新能力的大小已經成為一個國家綜合國力強弱的重要因素。
創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，而不強調原本不存在的事物。創造往往是借助一種現實去實現另一種目的的過程。如我們常說的勞動創造了世界，勞動創造了人。如借助已經出現的蒸汽機，安裝在陸地車輛上，則創造出機車；安裝在船上，則創造出輪船。現實生活中，人們常把發明與創造聯系在一起。實際上，嚴格區別二者的差異也沒有工程意義。但在哲學范疇中，二者是有一定差別的。
創新與創造也沒有本質差別，創新是創造的具體實現。但創新更強調創造成果的新穎性、獨特性和實用性。所以創新是指提出或完成具有獨特性、新穎性和實用性的理論或產品的過程。
從創新的內容看，一般把創新分為知識創新（也稱理論創新）、技術創新和應用創新。知識創新是指人們認識世界、改造世界的基本理論的總結。一般以理論、思想、規則、方法、定律的形式指導人們的行動。知識創新的難度最大，如哲學中的“辯證唯物主義”、物理學中的“相對論”、機械原理中的“三心定理”“格拉肖夫法則”等都是知識創新。知識創新是人們改造世界的指導理論。
技術創新是指針對具體的事物，提出并完成具有新穎性、獨特性和實用性的新產品的過程。如計算機、機器人、加工中心、航天飛機、宇宙飛船等許多的高科技產品都是技術創新的具體體現。
應用創新是指已存在的事物應用到某個新領域，并發生很大的社會與經濟效益的具體實現過程。如把軍用激光技術應用到民用的舞臺燈光、醫療手術刀等，把曲柄滑塊機構應用于內燃機的主體機構，把平行四邊形機構應用到升降裝置中等都是典型的應用創新。
社會實踐中，有兩種創新方式：一是從無到有的創新；二是從有到新的創新。從無到有的創新都有一個較長時間的過渡期，這種創新的過程就是發明的過程，是知識的積累和思維的爆發相結合的產物。如人類社會先有牲畜驅動的車輛，發明內燃機后，將內燃機安置在車輛上，并進行多次實驗改進后才發明了汽車，實現了從無到有的突破。原始的汽車經過多年的不斷改進，其安全性、舒適性、可靠性、實用性等性能不斷提高，這是經過從有到新的不斷創新的結果。
1.1.2 創新方法
從思維的角度，創新方法有以下八種。
（1）群體集智法
群體集智法是針對某一特定的問題，運用群體智慧進行的創新活動。群體集智法主要有三種具體的途徑：會議集智法、書面集智法和函詢集智法。
①會議集智法 又稱智慧激勵法，是美國創造學家奧斯本發明的，通常也稱作奧斯本法。技術開發部門在工程設計中，經常運用智慧激勵法解決工程技術問題。
②書面集智法 是會議集智法的改進形式，在運用奧斯本法的過程中，人們發現表現力和控制力強的人會影響他人提出的有價值的設想，因此提出了運用書面形式表達思想的改進型技法。書面集智法最常用的是“635法”模式，即每次會議6個人，每人在卡片上寫3個設想，每輪限定時間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，反復征求專家書面意見來獲得創意。視情況需要，這種函詢可進行數輪，以期得到更多有價值的設想。
（2）系統分析法
任何產品不可能一開始就是完美的，人們對產品的未來期望也不可能在原創產品問世時就一并實現，而大量的創新設計是在做完善產品的工作，因此對原有產品從系統論的角度進行分析是最為實用的創造技法。系統分析法主要有三種：設問探求法、缺點列舉法、希望點列舉法。
①設問探求法 設問能促使人們思考，但大多數人往往不善于提出問題，有了設問探求法，人們就可以克服不愿提問或不善于提問的心理障礙，從而為進一步分析問題和解決問題奠定基礎。因為提問題本身就是創造。設問探求法在創造學被譽為“創造技法之母”。其主要原因在于：它是一種強制性思考，有利于突破不愿提問的心理障礙；也是一種多角度發散性的思考過程，是廣思、深思與精思的過程，有利于創造實踐。
②缺點列舉法 是指任何事物總是有缺點的、找到這些缺點并設法克服這些缺點，事物就能日益完善。卓越的心理素質是運用缺點列舉法的思想基礎。
③希望點列舉法 希望是人們對某種目的的心理期待，是人類需求心理的反映。設計者從社會希望或個人愿望出發，通過列舉希望點來形成創造目標或課題，在創新技法中稱為希望點列舉法。它與缺點列舉法在形式上是相似的，都是將思維收斂于某“點”而后又發散思考，最后又聚集于某種創意。
（3）聯想法
聯想是由于現實生活中的某些人或事物的觸發而想到與之相關的人或事物的心理活動或思維方式。聯想思維由此及彼，由表及里，形象生動，奧妙無窮，是科技創造活動中最常見的一種思維活動。發明創造離不開聯想思維。
聯想是對輸入人頭腦中的各種信息進行加工、轉換、連接后輸出的思維活動。聯想并不是不著邊際的胡思亂想。足夠的知識與經驗積累是聯想思維縱橫馳騁的保證。聯想法可分為相似聯想、接近聯想、對比聯想、強制聯想。
①相似聯想 相似聯想是從某一思維對象想到與它具有某種相似特征的另一對象的思維方式。這種相似可以是形態上的，也可以是功能、時間與空間意義上的。把表面差別很大，但意義相似的事物聯想起來，更有助于建設性創造思維的形成。
②接近聯想 接近聯想是由某一思維對象聯想到與之相接近的思維對象上的聯想思維方式。這種接近可以是時間和空間上的，也可以是功能、用途或者是結構和形態上的。
③對比聯想 客觀事物間廣泛存在著對比關系，如遠與近、上與下、寬與窄、凸與凹、冷與熱、軟與硬……由對比引起聯想，對于發散思維和啟動創意具有特別的意義。
④強制聯想 強制聯想是將完全無關或關系相當偏遠的多個事物或想法牽強附會地聯系起來，進行邏輯型的聯想，以此達到創造目的的創新技法。強制聯想實際上是使思維強制發散的思維方式，它有利于克服思維定式，因此往往能產生許多非常奇妙的、出人意料的創意。
（4）類比法
比較分析多個事物之間的某種相同或相似之處，找出共同的優點，從而提出新設想的方法稱為類比法。按照比較對象的情況，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 以人為比較對象，將人作為創造對象的一個因素，從人與人的關系中，設身處地考慮問題，在創造物的時候，充分考慮人的情感，將創造對象擬人，把非生命對象生命化，體驗問題，引起共鳴，是擬人類比創新技法的特點。擬人類比創新思想被廣泛應用于自動控制系統開發中，如適應現代建筑物業管理的樓宇智能控制系統、機器人、計算機軟件系統的開發等都利用了擬人類比進行創新設計。
②直接類比 在創新設計時，將創造對象與相類似的事物或現象作比較，稱為直接類比。直接類比的特點是簡單、快速，可以避免盲目思考。類比對象的本質特性越接近，則成功創新的可能性就越高。
③象征類比 象征類比是借助實物形象和象征符號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，并使問題關鍵顯現、簡化。文化創作與創意中經常運用這種創造技法。
④因果類比 兩事物有某種共同屬性，根據一事物的因果關系推知另一事物的因果關系的思維方法，稱為因果類比法。
（5）仿生法
師法自然，特別是自然界，以此獲得創造靈感，甚至直接仿照生物原型進行創造發明，就是仿生法。仿生法是相似創造原理的具體應用。仿生法具有啟發、誘導、拓展創造思路的顯著功效。仿生法不是簡單地再現自然想象，而是將模仿與現代科技有機結合起來，設計出具有新功能的仿生系統，這種仿生創造思維的產物是對自然的超越。
（6）組合創新法
在發明創新活動中，按照所采用的技術來源可分為兩類：一類是采用全新技術原理取得的成果，屬突破型發明；另一類是采用已有的技術并進行重新組合的成果，屬組合再生型發明。從人類發明史看，初期以突破為主，隨后，這類發明的數量呈減少趨勢。特別在19世紀50年代以后，在發明總量中，突破型發明的比重在大大下降，而組合型發明的比重急劇增加。在組合中求發展，在組合中實現創新，這已經成為現代科技創新活動的一種趨勢。
組合創新技法在工程中應用及其廣泛。人類在數千年的發展歷程中積累了大量的各種技術。這些技術在其應用領域中逐漸發展成熟，有些已達到相當完善的程度，這是人類極其珍貴的巨大財富。由于組合的技術要素比較成熟，因此組合創新一開始就站在一個比較高的起點上，不需要花費較多的時間、人力與物力去開發專門技術，不要求創造者對所應用的技術要素都有較深的造詣，所以進行創造發明的難度明顯較低，成功的可能性當然要大得多。
組合創新運用的是已有成熟的技術，但這不意味其創造的是落后或低級的產品，實際上適當的組合，不但可以產生全新的功能，甚至可以是重大發明。航天飛船飛離地球，將“機遇號”與“勇氣號”火星探測器送上火星，這是人類偉大的發明創造；火星之旅運用的成熟技術數不勝數，如缺少其中的某項成熟技術，登陸火星和成功的勘測都無疑將以失敗告終。組合創新技法實際上是加法創造原理的應用。根據組合的性質，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 人們生產商品的目的是為了應用。一種商品的功能已為人們普遍接受，通過組合，可以使產品同時具有人們所需要的多種功能，以滿足人類不斷增長的消費需求。取暖的熱空調器與制冷的冷空調器原來都是單獨的，科技人員設法將這兩種功能組合起來，發明了可以方便轉換的兩用空調，提高了人類的生活質量。手表原來只有計時功能，別出心裁的設計者將指南針與溫度計的功能組合在表上，使人們可以隨時監察自己的體溫或判別方位，滿足了某些消費者的特殊需要。另外，功能組合在國防科技發明中也有巨大的潛能。
②材料組合 很多場合要求材料具有多種功能特性，而實際上單一材料很難同時兼備需求的所有性能。通過特殊的制造工藝將多種材料加以適當組合，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 將同一種功能或結構在一種產品上重復組合，以滿足人們對此功能的更高要求，這是一種常用的創新方法。如使用多個氣缸的汽車、使用多個發動機的飛機、多節火箭，這些采用同類組合的運載工具，目的都是為了獲得更大的動力。
④異類組合 創新的目的是獲得具有新功能的產品，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，這樣的新產品實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，可以使總體結構簡單，價格更便宜，使用也更方便。將具有相似傳動箱的車床、鉆床、銑床組合而成的多功能機床可以分別完成其幾類機床的機械加工工作。此外，技術組合和信息組合等也是常用的組合創新技法。技術組合是將現有的不同技術、工藝、設備等加以組合而形成的發明方法。信息組合則是將有待組合的信息元素制成表格，表格有交叉點即為可供選擇的組合方案。前者特別適用于大型項目創新設計和關鍵技術的應用推廣；后者操作簡便，是信息社會中能有效提高效率的創新技法。
（7）反求設計法
反求設計是典型的逆向思維運用。反求工程是針對消化吸收先進技術的一系列工作方法和技術的綜合工程。通過反求設計，在掌握先進技術中創新，也是創新設計的重要途徑之一。在現代化社會中，科技成果的應用已成為推動生產力發展的重要手段。把別的國家的科技成果加以引進，消化吸收，引起提高，再進行創新設計，進而發展自己的新技術，是發展民族經濟的捷徑，這一過程稱為反求工程。
在兩種創新方式中，反求設計就屬于第二種創新方式。借助已有的產品、圖樣、音像等已存在的可感觀的事物，創新出更先進、更完美的產品。人的思維方式是習慣從形象思維開始，用抽象思維去思考。這種思維方式符合大部分人所習慣的形象—抽象—形象的思維方式。由于對實物有了進一步的了解，并以此為參考，發揚其優點，克服其缺點，再憑借基礎知識、思維、洞察力、靈感與豐富的經驗，為創新設計提供了良好的環境。因此，反求設計是創新的重要方法之一。
（8）功能設計法
功能設計是典型的正向思維運用。功能設計法是傳統的常規設計方法，又稱為正向設計法。這種設計方法步驟明確、思路清晰，有詳細的公式、圖表作為設計依據，是設計人員經常采用的方法。設計過程一般為根據給定產品的功能要求，制訂多個原理方案，從中進行優化設計，選擇最佳方案。對原理方案進行結構設計，并考慮材料、強度、剛度、制造工藝、使用、維修、成本、社會經濟效益等多種因素，最后設計出滿足人類要求的新產品。
正向設計過程符合人們學習過程的思維方式，其創新程度主要表現在原理方案的新穎程度，以及結構的合理性與可靠性等，所以正向設計也是創新的重要設計方法。