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机械设计设计是怎样的创新过程

发布时间:2021-04-16 13:55:07

❶ 大学生如何进行机械创新设计+200分

机械创新设计是一个极其重要而又困难的实践性较强的研究课题。目前创新设计方法研究虽然已取得一些成果,但创新学还处于发展初期,各种不同理论及工具不断涌现,远没有形成普遍可以接受的统一的理论体系。

本文认为,要进行机械创新设计要有两个必要条件:一是充分获取适用的知识;二是要使用符合创新设计思维并能激发创新思维的设计系统。设计过程充满了矛盾,所获取的知识应有助于矛盾的迅速解决,这就要求知识获取工具紧密集成到设计过程中,因此要统一研究知识获取工具与设计系统。另外,人类的创新设计思维模式是在长期的成功设计经验中总结形成的,因此设计系统必需符合创新设计思维规律。创新设计思维规律应作为算机辅助创新设计系统的理论基础。

基于上述考虑,本文从创新设计思维的研究出发,融合知识获取方法,研究创新设计理论,进而开发机械产品创新设计系统。

1 机械创新设计思维规律

我们常把思维的过程称为“思路”,是因为可用路径问题来说明人类思维过程。本文提出两个机械创新设计思维原则:

一是最短路径原则。设计者得到产品的功能要求后,往往首先检索出最佳设计实例,这样可以最迅速接近目标,然后运用价值工程方法,找出价值较低的极少数组件作为研究对象,再分析所得对象存在的矛盾,尝试作最小变动以解决矛盾,如矛盾没有解决则拟作更大变动或扩大研究对象范围,最后得出最优结果。通过这样途径所消耗的能量最少,体现了最短路径原则。

二是相似性联想。汤川秀树的定同理论认为,联想能力就是找出事物彼此相似性的创造力,相似性是指事物间的内在联系。

要用计算机系统来辅助设计师从自然界中发现形态各异的事物的相似性是很困难的,因此本文只研究从机械产品实例中挖掘相似性,以促进机械创新设计。

机械设计过程是从功能要求到作用原理,再到物理结构的映射过程[1]。在CBR系统中,功能要求、作用原理与物理结构可作为实例索引,因此可统称它们为索引项目。同一索引的不同类索引项目之间的联想可称为纵向联想,而不同索引的同类索引的联想可称为横向联想。

判断联想是否合理的依据是相似性,相似性由已有产品实例确定。比如,“超声波研磨机产品实例”使“超声波振动”作用原理与“研磨”功能要求纵向地产生了内在联系;又如,多种产品实例可满足同一功能要求,那么它们用于实现该功能的作用原理及物理结构具有相似性。

功能要求是联想的起点,经验丰富的设计师通常记忆有大量的设计实例,因而掌握纵向及横向相似性,所以能迅速地进行横向及纵向的联想,能触类旁通,得出具有相似作用原理及物理结构的实例(简称相似实例)并进行组合优化,最后得到最优解。

这两项原则已被多种设计方法不自觉地采用了,基于实例推理不但能迅速接近最优解,体现最短路径原则;物场分析法(简称TRIZ)分析了上百万设计实例,确定功能要求与作用原理及物理载体的内在联系,以及不同作用原理或物理载体的可替代关系,使设计师可根据功能要求找到适当的作用原理及物理载体,体现相似性联想原则。

2 计算机辅助创新设计系统

两项创新设计思维原则充分体现在计算机辅助创新设计系统的设计中,系统还利用了多种创新设计方法及人工智能技术。计算机辅助创新设计系统的流程如图1所示,它包含如下关键技术:

2.1 实例检索

利用基于实例推理(CBR)技术时首先要深入研究它的优缺点。CBR是一种以实例为知识载体的知识供应方法。当前它仍有如下不足:首先,系统为了达到实用通常建立庞大的实例库,这导致管理困难,系统运行效率低;其次,通过检索得到的只是一个或很少实例,而其它不符合检索要求但含有适用知识的实例没有利用,支持创新的力度不够;最后,实例调整严重依赖领域知识,难度大,所以很多CBR系统简化为实例检索系统[2]。导致这三项缺点的深层原因是实例是独立的,不同实例所蕴含的知识难以组合利用。为了克服这个矛盾本文提出通过相似性联想找出相似实例,并利用遗传算法进行组合优化,实现实例知识的重用。

本系统的实例检索功能用商品化PDM系统IMAN中的产品结构与配置管理功能及搜索功能来实现,实例的可视化表示与管理依靠IMAN的产品结构树功能实现。

2.2可视化的实例模型表达及矛盾分析

概念设计技术的发展方向为研究一种统一的设计方案表达方法[3]。文献[4]对日本学者吉川弘之提出的FBS图进行扩充,使用两个框架分别描述一个设计方案的功能层次与结构层次,并存储功能单元与结构单元的对应关系,使计算机理解产品的结构及其功能。这种方法的缺点是结构与功能的关系不够直观,因此本系统在功能层次图与结构层次图的基础上增加功能关系图,以语义网络的方式描述结构及之间的作用关系,使结构与功能处于同一张图中,设计者可直观地理解产品原理,根据功能关系图并运用价值工程方法分析实例存在的矛盾。

实现创新的关键是正确分析产品中所存在的矛盾[5]。产品设计中的基本矛盾是产品功能成本比不能满足用户要求,它有两种表现形式,一是未能实现某些产品功能质量目标;二是某些功能质量得到改善而某些功能质量却恶化。

矛盾分析结果用于指导新作用原理、新物理结构的联想,进而找出相似实例。

2.3基于WEB的创新设计知识库

本系统的创新设计知识库包括作用原理库、物理结构库与实例库。当系统根据相似性搜索到新作用原理或物理结构后,相应的实例自动调出。

作用原理库与物理结构库的开发借鉴了TRIZ的成果,再针对机械领域补充整理出二百四十余种作用原理(其中包括五十余种基本措施)。在每种作用原理下分别存储多种物理结构,形成物理结构库。实例库主要针对几种常见的家电产品进行开发。

创新设计知识库是创新设计系统的核心部件,它是一种WEB文本知识库,文本经过笔者开发的机械知识XML标记处理,使知识库建立在国际标准XML文本之上,因此可实现知识资源的异地共享,并且在此知识库之上可建立基于WEB的机械产品计算机辅助创新设计系统,满足异地协同设计的需要。

2.4相似性的量化方法及改进的遗传算法

每种产品的结构不同,需要不定相同的遗传算法编码。本系统为了提高运行效率,采用浮点数编码方式。

在传统的遗传算法中,初始群体是通过用随机的方法来产生的[6],这具有一定的盲目性。因此本文提出利用实例的作用原理或物理结构的相似性作为筛选实例产生初始群体的依据。

实现该途径的关键在于相似性的量化也即相似度的计算方法。相似度实质是实例的关联知识,必须以一定的算法在实例集合中挖掘得到。纵向联想的相似度实质是功能目标与实现手段的关系程度,横向联想的相似度实质是实现手段的可替代关系程度。相似度越高意味着得到已有产品实例的更多支持。根据相似度来筛选初始群体就等于利用以前的设计经历,使初始群体的产生有合理的基础,因此能加快遗传算法的收敛。本文根据相似性联想原理提出如下纵向及横向联想的相似度计算方法。

设产品实例集合为C,功能元素集合为F,作用原理或物理结构元素集合为G。分别记为:C={Ci|i=1,2,…,n}; F={Fj|j=1,2,…,m}; G={Gk|k=1,2,…,q}。实例集合中的实例Ci以不同的隶属度uij及uik分别隶属于Fj及Gk。 设元素Gk到元素Fj的纵向联想相似度为rkj,则:

rkj =

又设G空间中有元素Gk和Gm。实例Cji分别以隶属度uik和uim隶属于元素Gk和Gm,设从Gk到Gm的横向联想相似度为rkm,则:

rkm =

隶属度作为实例对象的一项属性来存储。系统根据以上算法从实例集合中挖掘相似度知识,辅助设计师从相似度较高的方向进行联想,并用于指导遗传算法初始群体的产生,从而促进设计创新。

3 结论

本文研究创新设计思维规律并用于指导机械产品创新设计系统的开发,系统的成功应用证明了关于创新设计思维规律论断的正确性以及多种新技术的可行性。系统可通过矛盾分析与联想,搜索到适用的作用原理、措施、物理结构及实例以解决矛盾,完成概念设计阶段的功能优化与原理优化,是实现机械广义优化设计方法的新成果。

❷ 机械设计的一般过程及方法都有哪些内容

机械设计的一般过程及方法:

1、确定设计任务

需要提出设版计任务书,其中包含提出任务、分析需求和确定权任务三个步骤。

2、方案设计

根据制定的设计任务书进行方案设计,对设备的功能、用材、原理等提出可能的解决方案并反复确认,确认一个选定的方案。

3、技术设计

确定方案时,需要提供原理图或者机械结构图,亦或者机构运动简图。设计方案后,开始对机械部分进行技术设计,外形、结构、材料、标准件、图纸等。

4、编写技术文件

设备图纸的加工、验收、试运行和技术文件的编制。

(2)机械设计设计是怎样的创新过程扩展阅读:

机械设计的基本要求

1、造型美观、减少污染

2、满足可靠性要求 :尽量减少零件数目。

3、操作方便、工作安全操作系统简便可靠,减轻操作人员的劳动强度。

4、实现预定的功能: 在规定的工作条件下、规定的工作期限内能正常运行。

5、满足经济性要求 :要求设计及制造成本低、机器生产率高、能源和材料耗费少、维护及管理费用低。

❸ 机械设计的一般流程是什么

1、整体规划 输出: 计划书

2、计划书:说明产品开发的意义、内容、费用、期限的文件

3、设计阶段 输出:设计计划书、设计规格书(包含计算书)

4、设计计划书:整体设计工作如何进行的计划书,最好利用产品的WBS文件,保证合理性;

5、规格书:表示机械基本性能的文件;这些参数部分来自于市场/客户,是我们追求的目标;另一部分这是通过计算形成的;这里的数据尽量准确,而且但同时又要给出一个合理的调节范围,因为现场情况复杂,客户并不能给出准确的需要,又或者这种需要本身就是多样的,

6、草图阶段 输出:产品原理图

7、产品原理图:产品的原理图/方案图,这里尽量多给出不同的方案,比较各个方案;

8、产品原理图+设计规格书=creo中的记事本lay文件+整机骨架文件

9、计划图阶段 输出:计划图

10、计划图:相当于各个功能模块的具体设计,理论上应该产品的全部的设计信息,形状、规格、尺寸,但是实际中工程图信息不便于包含在三维组件中,尤其采用协同设计时,骨架文件传递过来的尺寸信息没有办法设置公差,公差配合标注也不够方便

11、计划图=部件的骨架文件+组件

12、工程图阶段 输出:零件工程图

13、工程图:零件的加工指定图,包含零件的全部信息

14、装配图阶段 输出:装配图、检验文件、使用说明书

15、装配图:指明各个零件的装配关系,模拟实际的装配过程,发现存在的问题,装配图中还应该包括主要性能尺寸的标注,装配方法的要求,装配效果的约束,

16、对于运动方式比较简单的产品=creo的装配件,但是如果是比较复杂的运动=creo仿真文件

17、检验文件:包含内容有对装配图中的主要尺寸进行检验的说明、对设计功能进行试装验证的说明

18、使用说明书:产品的使用说明。

(3)机械设计设计是怎样的创新过程扩展阅读:

机械设计(machine design),根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。

机械设计的主要流程:

1、根据用户订货、市场需要和新科研成果制定设计任务。

2、初步设计。包括确定机械的工作原理和基本结构形式,进行运动设计、结构设计并绘制初步总图以及初步审查。

3、技术设计。包括修改设计(根据初审意见)、绘制全部零部件和新的总图以及第二次审查。

4、工作图设计。包括最后的修改(根据二审意见)、绘制全部工作图(如零件图、部件装配图和总装配图等)、制定全部技术文件(如零件表、易损件清单、使用说明等)。

5、定型设计。用于成批或大量生产的机械。对于某些设计任务比较简单(如简单机械的新型设计、一般机械的继承设计或变型设计等)的机械设计可省去初步设计程序。

参考资料来源:网络--机械设计

❹ 机械设计的设计阶段是什么

一部机器的质量基本上决定于设计质量。制造过程对机器质量所起的作用,本质上就在于实现设计时所规定的质量。因此,机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。
所讨论的设计过程仅指狭义的技术性的设计过程。它是一个创造性的工作过程,同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。要很好地把继承与创新结合起来,才能设计出高质量的机器。作为一部完整的机器,它是一个复杂的系统。要提高设计质量,必须有一个科学的设计程序。虽然不可能列出一个在任何情况下都有效的惟一程序。以下对各阶段分别加以简要说明。
(一)计划
在计划阶段中,应对所设计的机器的需求情况做充分的调查研究和分析。通过分析,进一步明确机器所应具有的功能,并为以后的决策提出由环境、经济、加工以及时限等各方面所确定的约束条件。在此基础上,明确地写出设计任务的全面要求及细节,最后形成设计任务书,作为本阶段的总结。设计任务书大体上应包括:机器的功能,经济性及环保性的估计,制造要求方面的大致估计,基本使用要求,以及完成设计任务的预计期限等。此时,对这些要求及条件一般也只能给出一个合理的范围,而不是准确的数字。例如可以用必须达到的要求、最低要求、希望达到的要求等方式予以确定。
(二)方案设计
根据不同的工作原理,可以拟定多种不同的执行机构的具体方案。例如仅以切削螺纹来说,既可以采用工件只作旋转运动而刀具作直线运动来切削螺纹(如在普通车床上切削螺纹),也可以使工件不动而刀具作转动和移动来切削螺纹(如用板牙加工螺纹)。这就是说,即使对于同一种工作原理,也可能有几种不同的结构方案。
原动机部分的方案当然也可以有多种选择。由于电力供应的普遍性和电力拖动技术的发展,现在可以说绝大多数的固定机械都优先选择电动机作为原动机部分。热力原动机主要用于运输机、工程机械农业机械。即使是用电动机作为原动机,也还有交流和直流的选择,高转速和低转速的选择等。
传动部分的方案就更为复杂多样了。对于同一传动任务,可以由多种机构及不同机构的组合来完成。因此,如果用Ⅳ,表示原动机部分的可能方案数,N2和N3分别代表传动部分和执行部分的可能方案数,则机器总体的可能方案数Ⅳ为Ni×N2×N3个。
以上仅是就组成机器的三个主要部分讨论的。有时,还须考虑到配置辅助系统,对此,本书不再讨论。
在如此众多的方案中,技术上可行的仅有几个。对这几个可行的方案,要从技术方面和经济及环保等方面进行综合评价。评价的方法很多,现以经济性评价为例略做说明。根据经济性进行评价时,既要考虑到设计及制造时的经济性,也要费用考虑到使用时的经济性。如果机器的结构方案比较复杂,则其设计制造成本就要相对地增大,可是其功能将更为齐全,生产率也较高,故使用经济性也较好。反过来,结构较为简单、功能不够齐全的机器,设计及制造费用虽少,但使用费用却会增多。评价结构方案的设计制造经济性时,还可以用单位功效的成本来表示。例如单位输出功率的成本、单件产品的成本等。
进行机器评价时,还必须对机器的可靠性进行分析,把可靠性作为一项评价的指标。从可靠性的观点来看,盲目地追求复杂的结构往往是不明智的。一般地讲,系统越复杂,则系统的可靠性就越低。为了提高复杂系统的可靠性,就必须增加并联备用系统,而这不可避免地会提高机器的成本。
环境保护也是设计中必须认真考虑的重要方面。对环境造成不良影响的技术方案,必须详细地进行分析,并提出技术上成熟的解决办法。
通过方案评价,最后进行决策,确定一个据以进行下步技术设计的原理图或机构运动简图。
在方案设计阶段,要正确地处理好借鉴与创新的关系。同类机器成功的先例应当借鉴,原先薄弱的环节及不符合现有任务要求的部分应当加以改进或者根本改变。既要积极创新,反对保守和照搬原有设计,也要反对一味求新而把合理的原有经验弃置不用这两种错误倾向。
(三)技术设计
技术设计阶段的目标是产生总装配草图及部件装配草图。通过草图设计确定出各部件及其零件的外形及基本尺寸,包括各部件之间的连接,零、部件的外形及基本尺寸。最后绘制零件的工作图、部件装配图和总装图。
为了确定主要零件的基本尺寸,必须做以下工作:
1、机器的运动学设计。根据确定的结构方案,确定原动件的参数(功率、转速、线速度等)。然后做运动学计算,从而确定各运动构件的运动参数(转速、速度、加速度等)。
2、机器的动力学计算。结合各部分的结构及运动参数,计算各主要零件所受载荷的大小及特性。此时求出的载荷,由于零件尚未设计出来,因而只是作用于零件上的公称(或名义)载荷。
3、零件的工作能力设计。已知主要零件所受的公称载荷的大小和特性,即可做零、部件的初步设计。设计所依据的工作能力准则,须参照零、部件的一般失效情况、工作特性、环境条件等合理地拟定,一般有强度、刚度、振动稳定性、寿命等准则。通过计算或类比,即可决定零、部件的基本尺寸。
4、部件装配草图及总装配草图的设计。根据已定出的主要零、部件的基本尺寸,设计出部件装配草图及总装配草图。草图上需对所有零件的外形及尺寸进行结构化设计。在此步骤中,需要很好地协调各零件的结构及尺寸,全面地考虑所设计的零、部件的结构工艺性,使全部零件有最合理的构形。
5、主要零件的校核。有一些零件,在上述第3)步中由于具体的结构未定,难于进行详细的工作能力计算,所以只能做初步计算及设计。在绘出部件装配草图及总装配草图以后,所有零件的结构及尺寸均为已知,相互邻接的零件之间的关系也为已知。只有在这时,才可以较为精确地定出作用在零件上的载荷,决定影响零件工作能力的各个细节因素。只有在此条件下,才有可能并且必须对一些重要的或者外形及受力情况复杂的零件进行精确的校核计算。根据校核的结果,反复地修改零件的结构及尺寸,直到满意为止。
在技术设计的各个步骤中,近三四十年来发展起来的优化设计技术,越来越显示出它可使结构参数的选择达到最佳的能力。一些新的数值计算方法,如有限元法等,可使以前难以定量计算的问题获得极好的近似定量计算的结果。对于少数非常重要、结构复杂且价格昂贵的零件,在必要时还须用模型试验方法来进行设计,即按初步设计的图纸制造出模型,通过试验,找出结构上的薄弱部位或多余的截面尺寸,据此进行加强或减小来修改原设计,最后达到完善的程度。机械可靠性理论用于技术设计阶段,可以按可靠性的观点对所设计的零、部件结构及其参数做出是否满足可靠性要求的评价,提出改进设计的建议,从而进一步提高机器的设计质量。上述这些新的设计方法和概念,应当在设计中加以应用与推广,使之得到相应的发展。
草图设计完成以后,即可根据草图业已确定的零件基本尺寸,设计零件的工作图。此时,仍有大量的零件结构细节要加以推敲和确定。设计工作图时,要充分考虑到零件的加工和装配工艺性、零件在加工过程中和加工完成后的检验要求和实施方法等。有些细节安排如果对零件的工作能力有值得考虑的影响时,还须返回去重新校核工作能力。最后绘制出除标准件以外的全部零件的工作图。
按最后定型的零件工作图上的结构及尺寸,重新绘制部件装配图及总装配图。通过这一工作,可以检查出零件工作图中可能隐藏的尺寸和结构上的错误。人们把这一工作通俗地称为纸上装配。
(四)技术文件编制
技术文件的种类较多,常用的有机器的设计计算说明书、使用说明书、标准件明细表等。
编制设计计算说明书时,应包括方案选择及技术设计的全部结论性的内容。
编制供用户使用的机器使用说明书时,应向用户介绍机器的性能参数范围、使用操作方法、日常保养及简单的维修方法、备用件的目录等。
其他技术文件,如检验合格单、外购件明细表、验收条件等,视需要与否另行编制。
(五)计算机在机械设计中的应用
随着计算机技术的发展,计算机在机械设计中得到了日益广泛的使用,并出现了许多高效率的设计、分析软件。利用这些软件可以在设计阶段进行多方案的对比,可以对不同的包括大型的和很复杂的方案的结构强度、刚度和动力学特性进行精确的分析。同时,还可以在计算机上构建虚拟样机,利用虚拟样机仿真对设计进行验证,从而实现在设计阶段充分地评估设计的可行性。可以说,计算机技术在机械设计中的推广使用已经并正在改变机械设计的进程,它在提高设计质量和效率方面的优势是难以预估的。
以上简要地介绍了机器的设计程序。广义地讲,在机器的制造过程中,随时都有可能出现由于工艺原因而修改设计的情况。如需修改时,则应遵循一定的审批程序。机器出厂后,应该有计划地进行跟踪调查;另外,用户在使用过程中也会给制造或设计部门反馈出现的问题。设计部门根据这些信息,经过分析,也有可能对原设计进行修改,甚至改型。这些工作,虽然广义上也属设计程序的组成部分,但是属于另一个层次的问题,本书不再讨论其具体的内容。但是作为设计工作者,应当有强烈的社会责任感,要把自己工作的视野延伸到制造、使用乃至报废利用的全过程中去,反复不断地改进设计,才能使机器的质量继续不断地提高,更好地满足生产及生活的需要。

❺ 机械创新设计的一般过程分为哪几个阶段

问题提出--调研论证--解决方案--可靠性研究--初步设计--试制样机内--评审--改进设计--试制样机--定型
一、需求(解决什么问题)容
二、现有技术的优点、弱点
三、解决的方法(机械方法、光、机、电、液一体化、自动化程度等等)
四、初步设计-样机试制
五、多次改进直到成功

❻ 机械创新设计有哪些过程

创新设计的正常开展和完成,必须正确运用创新设计方法。常用的创新设计方法主要有下面几种:
一、智力激励法
智力激励法又叫集思广益法,它是由美国创造学家A.F.奥斯本提出的。人的创造性思维特别是直觉思维在受激发情况下能得到较好的发挥。一批人集合在一起,针对某个问题进行讨论时,由于每个人的知识和经验不同,观察问题的角度和分析问题的方法各异,提出的各种意见能互相启发,从而诱导出更多创意。通过激智、集智、交流,可实现创新的目的。智力激励法可以通过召开会议,也可以通过信函、书面等形式,达到互相启发、补充和完善见解,或发展为新的见解。
二、提问追溯法
提问追溯法是有针对性地、系统地提出问题,在回答问题过程中,便可能产生各种解决问题的设想,使设计所需要的信息更充分,解法更完善。提问追溯法提出的问题如下:
1)有没有其他用途?有没有新的用途?稍加改进有没有其他用途?
2)能否借用其他经验或发明?是否有相似的东西?是否有可模仿或可借用的东西?3)能否在结构、造型或其他方面变化一下?能否增加或减少什么?能否加高或降低一点?能否加长或缩短一点?能否加厚或减薄一点?能否减轻或加重一点?能否扩大或缩小一点?能否重新组合或再分解?
4)能否用其他东西代替?能否用代用的原材料、半成品或其他的代用制造方法?
5)能否增加或减少功能?
6)能否在成本不变的前提下提高产品的性能?
7)能否采用廉价代用材料、简化结构、使用简单而高效的制造工艺、提高零部件的标准化程度来降低成本?
通过一连串从不同角度的发问,可启发思维,提出新的设计方案。
三、缺点列举法
运用缺点列举法始于发现事物的缺点,挑出事物的毛病。在明确需要克服的缺点后,有的放矢地进行创造性思考,并通过改进设计去获得新的设计方案。例如,一家生产汽车喇叭继电器的小厂,为了改变产品销路不畅的被动局面,厂长和技术人员、销售人员一起对有关产品进行分析,在广泛收集用户意见的基础上,分析产品的缺点,然后针对缺点采取各种不同的措施,改进了原有的产品,很快打开了销路,销售量一年内便增长了一倍。
四、希望点列举法
希望点列举法从设计者(发明者)或用户的意愿出发提出新设想、新要求,从而激发人们去开发新产品或改进原有的产品。例如有了黑白电视机,还希望有彩色的、遥控的。又如人们希望在给别人打电话时不仅能闻其声,而且能见其人,为适应这种要求,开发了可视电话。
希望点列举法与缺点列举法都是将思维收敛于某“点”,然后发散思维,最后又集中于某种创意。但希望点列举法比缺点列举法涉及的目标更广,而且更侧重自由联想。
五、联想类比法
联想是由一个事物想到另一个事物的心理过程。对应联想由一件事物联想到与其对立的另一事物。例如由小想到大,由集中想到分散等。要增强联想能力,必须注意增加知识和经验,不但注意吸纳本专业及其他专业的学科知识,更要重视参加各种实践活动。利用联想进行发明创造是一种常用而且十分有效的方法,很多发明家都善于联想,也得益于联想的妙用。例如,贝尔发明电话,开始没有成功,以后从吉他的声音中想到了共鸣原理,改进了装置,才使电话发明成功。又如布拉特从看到蜘蛛织网联想到可以从上到下造桥,从而发明了吊桥,突破了传统的造桥模式。
联想类比由一事物或现象联想到与其有类似特点(如性质、外形、结构、功能等)的其他事物或现象。例如,由水波想到声波、光波;由水波可出现干涉现象,想到光也有干涉现象等。
六、反向探求法
反向探求将人们通常思考问题的思路反转过来,从背逆常规的途径探寻新的解法,因此反向探求法亦称为逆向思维法。例如在钨丝灯泡发明初期,为了避免钨丝在高温下的氧化,需要将灯泡内抽真空,但是使用后发现抽真空后的灯丝通电后仍会变脆。为了解决这个问题,当时多数人的意见是继续提高灯泡内的真空度。而美国科学家兰米尔却应用反向探求法提出向灯泡内充气的方法,他分别试验了将氢气、氧气、氮气、二氧化碳气、水蒸气等充入灯泡,试验结果表明氮气有明显的减少钨蒸发的作用,可使钨丝在其中长期工作,因而发明了充气灯泡。又例如:化学能为什么不能变成电能?声音既是振动,那么振动为什么不能复现原声?根据这些反问,相继发明了电池、留声机。
七、组合创新法
组合创新法是将现有技术或产品通过功能、原理、结构等方面的组合变化形成新的技术思想或新产品。组合法的优点是组合形式多样,应用广泛,便于操作,经济有效。组合创新法应用的技术单元一般是已经成熟或比较成熟的技术,不需要从头开始,因而可以最大限度地节约人力、物力和财力。在当代社会生产和生活中,存在着大量已经开发出来的技术,只要合理组合,就能创造出适合需要的技术系统。例如,美国的“阿波罗”宇宙飞船由700万个零件组成,但没有一个零件是新研制的,用这些已有的零件组合出把人送上月球又重返地球的神奇系统。同样“阿波罗”宇宙飞船技术中的全部技术都是现有技术的组合。
组合创新法的类型很多。常用的有性能组合、原理组合、功能组合、结构重组、模块组合等。虽然组合创新法所使用的技术是已有的技术,但适当组合后,同样可以做出重大的发明。

❼ 机械设计创新论文

机械创新设计是一个极其重要而又困难的实践性较强的研究课题。目前创新设计方法研究虽然已取得一些成果,但创新学还处于发展初期,各种不同理论及工具不断涌现,远没有形成普遍可以接受的统一的理论体系。

本文认为,要进行机械创新设计要有两个必要条件:一是充分获取适用的知识;二是要使用符合创新设计思维并能激发创新思维的设计系统。设计过程充满了矛盾,所获取的知识应有助于矛盾的迅速解决,这就要求知识获取工具紧密集成到设计过程中,因此要统一研究知识获取工具与设计系统。另外,人类的创新设计思维模式是在长期的成功设计经验中总结形成的,因此设计系统必需符合创新设计思维规律。创新设计思维规律应作为算机辅助创新设计系统的理论基础。

基于上述考虑,本文从创新设计思维的研究出发,融合知识获取方法,研究创新设计理论,进而开发机械产品创新设计系统。

1 机械创新设计思维规律

我们常把思维的过程称为“思路”,是因为可用路径问题来说明人类思维过程。本文提出两个机械创新设计思维原则:

一是最短路径原则。设计者得到产品的功能要求后,往往首先检索出最佳设计实例,这样可以最迅速接近目标,然后运用价值工程方法,找出价值较低的极少数组件作为研究对象,再分析所得对象存在的矛盾,尝试作最小变动以解决矛盾,如矛盾没有解决则拟作更大变动或扩大研究对象范围,最后得出最优结果。通过这样途径所消耗的能量最少,体现了最短路径原则。

二是相似性联想。汤川秀树的定同理论认为,联想能力就是找出事物彼此相似性的创造力,相似性是指事物间的内在联系。

要用计算机系统来辅助设计师从自然界中发现形态各异的事物的相似性是很困难的,因此本文只研究从机械产品实例中挖掘相似性,以促进机械创新设计。

机械设计过程是从功能要求到作用原理,再到物理结构的映射过程[1]。在CBR系统中,功能要求、作用原理与物理结构可作为实例索引,因此可统称它们为索引项目。同一索引的不同类索引项目之间的联想可称为纵向联想,而不同索引的同类索引的联想可称为横向联想。

判断联想是否合理的依据是相似性,相似性由已有产品实例确定。比如,“超声波研磨机产品实例”使“超声波振动”作用原理与“研磨”功能要求纵向地产生了内在联系;又如,多种产品实例可满足同一功能要求,那么它们用于实现该功能的作用原理及物理结构具有相似性。

功能要求是联想的起点,经验丰富的设计师通常记忆有大量的设计实例,因而掌握纵向及横向相似性,所以能迅速地进行横向及纵向的联想,能触类旁通,得出具有相似作用原理及物理结构的实例(简称相似实例)并进行组合优化,最后得到最优解。

这两项原则已被多种设计方法不自觉地采用了,基于实例推理不但能迅速接近最优解,体现最短路径原则;物场分析法(简称TRIZ)分析了上百万设计实例,确定功能要求与作用原理及物理载体的内在联系,以及不同作用原理或物理载体的可替代关系,使设计师可根据功能要求找到适当的作用原理及物理载体,体现相似性联想原则。

2 计算机辅助创新设计系统

两项创新设计思维原则充分体现在计算机辅助创新设计系统的设计中,系统还利用了多种创新设计方法及人工智能技术。计算机辅助创新设计系统的流程如图1所示,它包含如下关键技术:

2.1 实例检索

利用基于实例推理(CBR)技术时首先要深入研究它的优缺点。CBR是一种以实例为知识载体的知识供应方法。当前它仍有如下不足:首先,系统为了达到实用通常建立庞大的实例库,这导致管理困难,系统运行效率低;其次,通过检索得到的只是一个或很少实例,而其它不符合检索要求但含有适用知识的实例没有利用,支持创新的力度不够;最后,实例调整严重依赖领域知识,难度大,所以很多CBR系统简化为实例检索系统[2]。导致这三项缺点的深层原因是实例是独立的,不同实例所蕴含的知识难以组合利用。为了克服这个矛盾本文提出通过相似性联想找出相似实例,并利用遗传算法进行组合优化,实现实例知识的重用。

本系统的实例检索功能用商品化PDM系统IMAN中的产品结构与配置管理功能及搜索功能来实现,实例的可视化表示与管理依靠IMAN的产品结构树功能实现。

2.2可视化的实例模型表达及矛盾分析

概念设计技术的发展方向为研究一种统一的设计方案表达方法[3]。文献[4]对日本学者吉川弘之提出的FBS图进行扩充,使用两个框架分别描述一个设计方案的功能层次与结构层次,并存储功能单元与结构单元的对应关系,使计算机理解产品的结构及其功能。这种方法的缺点是结构与功能的关系不够直观,因此本系统在功能层次图与结构层次图的基础上增加功能关系图,以语义网络的方式描述结构及之间的作用关系,使结构与功能处于同一张图中,设计者可直观地理解产品原理,根据功能关系图并运用价值工程方法分析实例存在的矛盾。

实现创新的关键是正确分析产品中所存在的矛盾[5]。产品设计中的基本矛盾是产品功能成本比不能满足用户要求,它有两种表现形式,一是未能实现某些产品功能质量目标;二是某些功能质量得到改善而某些功能质量却恶化。

矛盾分析结果用于指导新作用原理、新物理结构的联想,进而找出相似实例。

2.3基于WEB的创新设计知识库

本系统的创新设计知识库包括作用原理库、物理结构库与实例库。当系统根据相似性搜索到新作用原理或物理结构后,相应的实例自动调出。

作用原理库与物理结构库的开发借鉴了TRIZ的成果,再针对机械领域补充整理出二百四十余种作用原理(其中包括五十余种基本措施)。在每种作用原理下分别存储多种物理结构,形成物理结构库。实例库主要针对几种常见的家电产品进行开发。

创新设计知识库是创新设计系统的核心部件,它是一种WEB文本知识库,文本经过笔者开发的机械知识XML标记处理,使知识库建立在国际标准XML文本之上,因此可实现知识资源的异地共享,并且在此知识库之上可建立基于WEB的机械产品计算机辅助创新设计系统,满足异地协同设计的需要。

2.4相似性的量化方法及改进的遗传算法

每种产品的结构不同,需要不定相同的遗传算法编码。本系统为了提高运行效率,采用浮点数编码方式。

在传统的遗传算法中,初始群体是通过用随机的方法来产生的[6],这具有一定的盲目性。因此本文提出利用实例的作用原理或物理结构的相似性作为筛选实例产生初始群体的依据。

实现该途径的关键在于相似性的量化也即相似度的计算方法。相似度实质是实例的关联知识,必须以一定的算法在实例集合中挖掘得到。纵向联想的相似度实质是功能目标与实现手段的关系程度,横向联想的相似度实质是实现手段的可替代关系程度。相似度越高意味着得到已有产品实例的更多支持。根据相似度来筛选初始群体就等于利用以前的设计经历,使初始群体的产生有合理的基础,因此能加快遗传算法的收敛。本文根据相似性联想原理提出如下纵向及横向联想的相似度计算方法。

设产品实例集合为C,功能元素集合为F,作用原理或物理结构元素集合为G。分别记为:C={Ci|i=1,2,…,n}; F={Fj|j=1,2,…,m}; G={Gk|k=1,2,…,q}。实例集合中的实例Ci以不同的隶属度uij及uik分别隶属于Fj及Gk。 设元素Gk到元素Fj的纵向联想相似度为rkj,则:

rkj =

又设G空间中有元素Gk和Gm。实例Cji分别以隶属度uik和uim隶属于元素Gk和Gm,设从Gk到Gm的横向联想相似度为rkm,则:

rkm =

隶属度作为实例对象的一项属性来存储。系统根据以上算法从实例集合中挖掘相似度知识,辅助设计师从相似度较高的方向进行联想,并用于指导遗传算法初始群体的产生,从而促进设计创新。

3 结论

本文研究创新设计思维规律并用于指导机械产品创新设计系统的开发,系统的成功应用证明了关于创新设计思维规律论断的正确性以及多种新技术的可行性。系统可通过矛盾分析与联想,搜索到适用的作用原理、措施、物理结构及实例以解决矛盾,完成概念设计阶段的功能优化与原理优化,是实现机械广义优化设计方法的新成果。

机械设备设计创新的过程属于什么技术

机械设备设计创新的过程属于:机械设计与自动化的专业技术。

❾ 机械创新设计中的创新思维有哪些形式

机械创新设计是人类创造活动的具体领域,需要设计者对创新思维的特点、本质、形成过程有所掌握,认识创新思维与其他类型的思维、创新原理、创新技法的关系等。创新设计不是简单的模仿或技术改造,而应具有突破性、新颖性、创造性、实用性以及带来的社会效益性。
创新思维是一种高层次的思维活动,它是建立在常规思维基础上的人脑机能在外界信息激励下,自觉综合主观和客观信息后产生新的客观实体(如工程领域中的新成果,自然规律或科学理论的新发现等)的思维活动和过程。创新思维的主要特点有:综合性、跳跃性、新颖性、潜意识的自觉性、顿悟性、流畅灵活性等。
人类现代文明的一切成果,无不是人的创新思维的结果。创新思维是人们从事创造发明的源泉,是创造原理和创新技法的基础。例如,逆反创造原理源于有序思维、综合创造原理源于发散一收敛思维、迂回创造原理源于创新思维的形成过程原理等。了解和掌握创新思维的基本知识有助于创新思维的培养,有利于学习、掌握创造原理和创新技法。有利于人们从事各类创新活动。
创新思维的形成过程大致可分为3个阶段。
1、储存准备阶段
这一阶段就是明确要解决的问题,围绕问题收集信息,并试图使之概括化和系统化,使问题和信息在脑细胞及神经网络中留下印记。大脑的信息存储和积累是诱发创新思维的先决条件,存储愈多,诱发愈多。任何一项创造发明都需要一个准备过程,只是准备的时间长短不同。
2、悬想加工阶段
在围绕问题进行积极的思索时,大脑会不断地对神经网络中的递质、突触、受体进行能量积累,为产生新的信息而运作。这一阶段人脑能总体上根据各种感觉、知觉、表象提供的信息,认识事物的本质,使大脑神经网络的综合创造力有超前力量和自觉性。在准备之后,一种研究的进行或一个问题的解决,难以一蹴而就,往往需经过探索尝试,故这一阶段也常常叫做探索解决问题的潜伏期、孕育阶段。
3、顿悟阶段
人脑有意无意地突然出现某些新的形象、新的思想,使一些长久未能解决的问题在突然之间得以解决。进入这一阶段,问题的解决一下子变得豁然开朗。创造主体突然间被特定情景下的某一特定启发唤醒,创新意识猛然被发现,以前的困扰顿时一一化解,问题顺利解决。这一阶段是创新思维的重要阶段,被称为“直觉的跃进”,“思想上的光芒”。这一阶段客观上是由于重要信息的启示、艰苦不懈的思索。主观上是由于孕育阶段内,研究者未全身心投入去思考,从而使无意识思维处于积极活动状态,不像专注思索时思维按照特定方向运行,这时思维范围扩大,多种信息相互联系并相互影响,从而为问题的解决提供了良好的条件。

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