机械创新设计论文_何为“机械创新设计”？与一般的设计有什么区别？ _生活经验

机械创新设计论文浅谈机械创新设计中的反求设计
摘要：介绍了机械创新设计中反求设计的定义、反求对象的分析内容及反求设计的一般方法和步骤，并详细说明三种反求设计的内容和具体方法。
关键词：创新设计反求设计反求对象反求工程
反求设计(也称逆向设计)是设计人员以先进设备的软件(图样、程序、技术文件)、影像(图片、照片等)和实物作为研究对象，应用现代设计理论方法、人机工程学等有关专业知识，进行系统的分析和研究，进而开发出同类的先进产品的过程。
1 对反求对象的分析
在进行反求设计前，首先要对反求设计的对象(全文简称反求对象)进行分析。
1．1 对反求对象的设计指导思想和功能原理的分析
产品的设计指导思想决定了产品的设计方案，深入分析并掌握产品的设计指导思想是分析了解整个产品设计的前提。充分了解反求对象的功能有助于对产品原理方案的分析、理解和掌握，且有可能在进行反求设计时得到基于原产品而又高于原产品的原理方案。
1．2 对反求对象材料的分析
对反求对象材料的分析包括了材料成分的分析、材料组织结构的分析和材料的性能检测几大部分。反求对象材料分析的过程如下：
图1反求对象材料分析的过程
在对反求对象进行材料分析时，要充分考虑到材料表面的改性处理技术。
1．3 对反求对象的工艺和装配的分析
反求设计和反求工艺是相互联系的，缺一不可。在缺乏制造原型产品的先进设备与先进工艺方法和未掌握某些技术技巧的情况下，对反求对象进行工艺分析通常采用以下几种常用的方法。
(1)采用反判法编制工艺规程。以零件的技术要求如尺寸精度、形位公差、表面质量等为依据，查明设计基准，分析关键工艺，优选加工工艺方案，并依次由后向前递推加工工序，编制工艺规程。
(2)改进工艺方案，保证引进技术的原设计要求。在保证引进技术的设计要求和功能的前提条件下，局部地改进某些实现较为困难的工艺方案。
(3)用曲线对应法反求工艺参数。先将需分析的产品的性能指标或工艺参数建立第一参照系，以实际条件建立第二参照系，根据已知点或某些特殊点把工艺参数及其有关的量与性能的关系拟合出一条曲线，并按曲线的规律适当拓宽，从曲线中找出相对于第一参照系性能指标的工艺参数，即是需求的工艺参数。
(4)材料国产化，局部改进原型结构以适应工艺水平。由于材料以及工艺对加工方法的选择起决定性作用，所以，在无法保证使用原产品的制造材料时，或在使用原产品的制造材料后，工艺水平不能满足要求的情况下，可以使用国产化材料，以适应当前的工艺水平。对反求对象进行装配分析，应主要考虑：用什么装配工艺来保证产品的性能要求，能否将原产品的若干个零件组合成一个部件，如何提高装配速度等。
1．4 对反求对象精度的分析
产品的精度直接影响到产品的性能，对反求对象精度的分析包括了对反求对象形体尺寸的确定、精度的分配等内容。在确定形体尺寸时，根据反求对象软件、影像或实物的不同，所选用的反求方法也有所不同。若是实物反求，则可通过常用的测量设备(如万能量具、投影仪、坐标机等)对产品直接进行测量，以确定形体尺寸；若是软件反求和影像反求，则可采用参照物对比法，利用透视成像的原理和作图技术并结合人机工程学和相关的专业知识，通过分析计算来确定形体尺寸。在进行精度的分配时，根据产品的精度指标及总的技术条件、产品的工作原理图，并且综合考虑生产技术水平、产品生产的经济性和国家技术标准等，按以下步骤进行：明确产品的精度指标；综合考虑理论误差和原理误差，进行产品工作原理设计和安排总体布局；在完成草图设计后，找出全部的误差源，进行总的精度计算；编写技术设计说明书，确定精度；在产品的研制、生产的全过程中，根据实际生产情况，对所作的精度分配进行调整、修改。
1．5 对反求对象造型的分析
产品造型设计是产品设计与艺术设计相结合的综合性技术。其主要目的是运用工业美学、产品造型原理、人机工程学原理等对产品的外形造型、色彩设计等进行分析，以提高产品的外观质量和舒适方便程度。例如，在数控系统的设计中，就要充分考虑到数控系统的显示器的布局问题，图形和汉字显示问题，数控系统操作面板的造型和色彩问题，各个功能操作按
键的造型、色彩、布局及操作的方便性问题等等。
1．6 对反求对象系列化与模块化的分析
分析反求对象时，要考虑到所引进的产品是否已经系列化，是否为系列型谱中的一个，在系列型谱中是否具有代表性，产品的模块化程度如何等具体问题，使得在设计制造时少走弯路，提高产品质量，降低成本，生产出多品种、多规格、通用化较强的产品，从而提高产品的市场竞争力。
2 反求设计的研究内容与方法
2．1 软件反求设计法
软件反求设计法是以产品的样本资料、产品标准、产品规范以及与设计、研制、生产制造有关的技术资料和技术文件等为研究对象的反求工程技术。软件反求设计的目的是通过对所引进的如上所述的技术软件的分析、研究，提高本国在该产品技术上的设计、生产制造能力。软件反求设计的组成如图2所示。
图2 软件反求设计的内容
2．2 影像反求设计法
影像反求设计是以产品照片、图片、影视画面等参考资料为对象来进行分析设计的。其内容见图3 。
在运用影像反求设计的方法进行分析、设计时，由于研究对象主要是产品的外观图片、画面、影像等，很难甚至无法了解到产品的内部结构。为此，在进行设计时，要求工程技术人员必须掌握相应的理论和分析方法，如中心投影规律，透视变换和透视投影，透视图的形成原理、色彩、阴影等相关知识。影像反求设计法的设计步骤：广泛地收集参考资料；多方面分析、研究参考资料；设计产品的方案；评价方案；设计反求技术。
图3 影像反求设计的主要内容
2．3 实物反求设计法
实物反求设计法的研究对象为引进的比较先进的设备或产品实物，其目的是通过对产品的设计原理、结构、材料、工艺装配等进行分析研究，研制开发出与被分析产品功能、结构等方面相似的产品。实物反求设计是一个认识产品—再现产品—超越原产品的过程。
实物反求可分为对整个设备的反求(即整机反求)、对组成机器的部件的反求(即部件反求)和对机器零件的反求(即零件反求)三个组成部分。实物反求设计的过程如图4所示。
图4 实物反求设计法的过程
实物反求设计法一般是通过三坐标测量机或激光扫描机等先进的数据采集设备获取复杂零件的三维数据点，然后利用反求软件进行数据点处理，实现由点一线一面的CAD三维模型设计。所以，软件反求设计法主要包含两项内容，一是实物模型表面数据点的获取，即数字化技术，二是曲面造型技术。
3 结语
反求技术与NC加工技术相结合称之为反求工程。目前常用的方法是实物反求设计法即针对现有工件(样品或模型)利用3D数字化测量仪器准确、快速地量取轮廓坐标值，并加以建构曲面，对曲面进行编辑、修改后，传到CAD~CAM系统，再由CAM所产生刀具的NC加工路径送至CNC加工制作所需模具，或者送到快速成型机(Rapid Prototyping)将样品模型制作出来。反求工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递的重要而简洁的途径之一。
参考文献
[1]张春林.机械创新设计[M].北京：机械工业出版社，2007
[2]张美麟.机械创新设计[M].北京: 机械工业出版社，2005.
[3]吕仲文.机械创新设计[M].北京: 机械工业出版社，2005.
[4]罗绍新.机械创新设计[M].北京: 机械工业出版社，2005.
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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。
机械创新设计大赛作品简介怎么写？作品内容简介本作品是一张方便老年人或者腿脚不便的人站立的椅子。主要是通过使用者上肢的运动来带动一面的动作，从而可以调整人的坐姿与重心，来减少下肢的运动来实现站立姿势。本机构主要用到了平面连杆以及其它一些机械结构来实现椅面的调整，来带动使用者的行动。并且如果使用者需要的话，在坐下来的时候也可以起到减少其下肢运动的作用。
主要创新点我们主要是考虑到老年人或者其他腿脚不方便的人群，在站起来的时候总是很费力；而且往往在坐下来的过程中也是一屁股就坐了下去。为了改变这样的状况，我们将人站立过程中的手脚并用，该为手起到主要作用，方便特殊人群。
推广应用价值我们的社会对老年人的关爱渐见凸现，在这样的背景下，对老年人日常行动的关爱也就更为重要了。而且对于特殊群体，比如下肢受伤，残疾等等的人群，我们的设计也可以助他们一臂之力。方便了使用者日常行动，而且也减轻了子女或者看管人的看护负担。这样的话，他们坐下就不愁再站起来了。
2 自动搀扶助步车
参赛学校：青岛大学
参赛者：王新刚、曹志强、郑虎阶、徐晟、孙海峰，指导教师：师忠秀、庞严英
作品内容简介本产品主要应用于腿部残疾、腿部骨折处于恢复期的病人。主要运用了自动检测和电器控制的原理；巧妙地将助步车和动力装置结合起来，实现了动力助步；并添加了单片机系统、光电检测装置以及继电器，可以自动检测病人的行动意图，并且实现了车随人动。该车充分考虑了不同使用者的需要，设置了多种不同的工作模式；另外，本车增添了多处人性化设计及安全保护措施，结构简单、操作方便、产品的可靠性高；创新地利用支撑板代替双拐，这样可以减轻病人长时间拄拐带来的劳累；由于该车操作的方便性以及车身对人体的搀扶作用，病人可以独立使用，从而大大减轻家人及护士的负担。基本技术指标：1、整车指标：速度0~0.5m/s连续可调；电机：DC12V、46rpm、P=15W 。电源：12V、14Ah；光电开关：检测距离：0.1m/0.3m、DC 6～36V 。
主要创新点（1）系统能够自动检测人体的行动意图并自动启动相关系统进行动力助步；（2）本车实现了车随人动，提高了使用者的方便性和舒适性；（3）本车实现了在一定范围内的无级变速；（4）本车采用了多种工作模式以适应不同的使用人群；（5）独特的控制电路大大简化了控制系统；（6）多处人性化设计和安全措施，使本车更安全实用；（7）病人可以独立使用，从而减轻了家人及护士的护理负担。
推广应用价值该车的应用前景非常广阔，可应用于医院的康复中心、也可提供给残疾人使用、还可以应用于行动不便的老年人，用于搀扶助步。
3 语音识别控制的多自由度欠驱动助残机械手
参赛学校：上海交通大学
参赛者：李顺冲、扬飞鸿、陈侃、黄俊杰，指导教师：高雪官
作品内容简介为了尽量能使机械手与人手大小相仿，同时也为了体现欠驱动手的优势，机械手将通过一个电机驱动，通过差分机构自适应地分配动力，差分机构与电动机可藏入手掌和手腕内。手指的结构：我们的机械手共使用4个手指，分别为拇指、食指、中指和小指。除拇指外，其他每个手指尺寸均相同，这样就可以模块化设计、加工，可以互换，也可以根据实际需要增减机械手的手指数。食指、中指和小指这三个手指每个手指都由三个指节组成。拇指结构与其他三指基本相同，但只有两个指节。弹性推杆差分机构：由于只使用一个电机驱动各个手指，为了使驱动力可以自适应地分配到各手指，需要一套驱动力差分机构。我们的方案是这样的。滑块安装于手掌内的导轨中，通过一个丝杠-螺母机构驱动，可以沿导轨做往复运动。滑块与手指间通过弹性推杆来连接。在滑块向前运动过程中，当各个手指没有接触物体时，弹性推杆不收缩，可以看作是一刚性杆，驱动各手指运动。
主要创新点所谓的欠驱动就是指机构的驱动数目少于自由度数目。我们的机械手就运用了欠驱动抓握原理，由一个电机驱动全部的四个手指（共11个关节）实现对物体的抓握，这种机械手在抓握时能够很好地适应物体的形状。机械手的大小与人手相仿，同一般的灵巧机械手相比虽然功能有所减少，但在同样完成抓握动作的情况下，它的结构更简单，重量更轻，体积更小。
推广应用价值能够采用语音进行控制的欠驱动机械手，操作简单，使用方便，价格低廉，必然能为手部残疾的人士带来福音。
4 多功能助食装置
参赛学校：广东工业大学
参赛者：陈其庆、陈志忠、刘智勇、赖锦涛、何影冰，指导教师：傅惠南、吕志强
作品内容简介为了填补市场上并没有靠用脚控制来实现进餐的器械的空缺，我们设计出本装置，同一种动力输入，输出多种功能。由脚控制，能够帮助进餐，翻书等功能。它由底座、支撑柱、桌面、转台、递送装置、自动复原机构、翻书装置和脚踏组成。助食的操作步骤有：1、对转台控制脚踏施力，通过软刹线传动，驱动分度机构旋转带动餐桌转动，实现食物选?。?、对递送装置的控制脚踏持续输入动力，通过软刹线传动，令递送装置上的机械臂先往下摆动一定角度再下降到菜的位置；3、对夹子控制脚踏施力，控制夹子的张开与夹紧，使其夹住食物；4、缓慢撤消对递送装置的动力，机械臂回复到原来位置，实现送菜；5：对夹子控制脚踏施力，使夹子松开食物。翻书的操作步骤是：首先利用手臂中滑块的直线向下运动使吸盘吸紧书，然后利用吸盘的吸力和滑块向上运动使书提到一定高度，接着利用装在转台下的翻书杆和转台的转动使书翻过。
主要创新点（1）理念新：是独特的靠脚控制进餐的新装置。且同一动作输入，输出多种功能。（2）实现方式新：采用简单的机构实现复杂的功能，结构巧妙，操作简便，表现在：设计出仅由一控件分时序控制两个自由度动作的新机构，取代传统的一个控制对应一个自由度的做法；采用转台旋转来食物代替传统的用机械手选取食物；使用集夹菜夹饭两个功能于一体的夹子，取代传统的筷子和勺子；使用软刹线传动代替复杂的传动机构；采用弹簧复原，实现一控件控制两个相反方向的运动。
推广应用价值目前，市场上并没有靠用脚控制来实现吃食物的器械，为了填补市场空缺，同时克服现有助残装置功能单一、结构复杂的缺点，我们设计出本装置，用脚控制，不仅能够帮助进餐、翻书、和练习玩打击乐器等多种功能，而且结构简单，操作简便。它能帮助双手残疾人解决“吃饭难”和翻书难的问题，避免直接用脚吃饭和翻书的尴尬与不便，美化了他们的生活，以及丰富了他们的精神生活。总之，它的出现，将会为双手不便利的人带来了另一种新生活。
5 基于角度主动控制的机械助残腿
参赛学校：上海交通大学
参赛者：徐立文、卢天明、卢炜、袁兴亮、毛文超，指导教师：殷跃红
作品内容简介现在市面上销售的智能假肢大多非常昂贵，而且适应性和稳定性都不理想。对于原本就肢体残疾且生活困难的残疾人，他们更需要一种简单易用价格便宜的假肢。我们的作品就是定位于给这个特殊人群提供的廉价，且相对功能强大的假肢。我们制作的是膝关节离断的下肢，主要包括大腿，膝盖，小腿。市面上被动的多轴假肢已经非常成熟，且有相对标准化的零配件。所以我们的作品即是在现有的成熟产品基础上，添加电自锁及自动释放的功能。
主要创新点膝关节我们采用四连杆机构，可以非常逼真的模仿出人体膝关节软组织的运动轨迹，并且在运动角度最大的轴上安装电磁多片离合器，通过安装在小腿上的压力传感器，控制其开启或闭合。当压力传感器感觉到人体重量时，离合器闭合，关节锁死，无法继续弯曲，但通过轴上的单向轴承可以继续伸直。当压力传感器没有压力时，离合器打开，关节放松，同时由一根弹簧使小腿抬起一个小角度，假肢可以完成步行中的甩腿动作。这样可以最大程度的改善假肢行走时的不自然动作，使行走姿态尽可能接近正常人。
推广应用价值假肢的行走姿态最大限度地接近正常人运动，对于残疾人辅助行走可谓意义重大，市场前景看好。
6 全自动翻书机
参赛学校：海军工程大学
参赛者：苏杰、阎洪波、龙坤雄、侯文姝，指导教师：严承华、金传喜
作品内容简介本产品主要为不方便用手翻书的残疾朋友设计。该翻书机由载书台、控制箱组成。载书台由电磁式书夹和载书板构成。控制箱由吸纸装置、翻页装置（同步带、同步带轮、翻书棒）、电动机和控制电路构成。控制电路以AT89s52单片机为核心。工作原理：以顺序翻书为例，控制脚动开关或声控装置，则右边的书夹松开，吸纸装置吸起书的一角，然后由同步带的传动带动翻书棒翻起一页纸，右边的书夹合上。翻书棒将该页纸翻到左边时，左边的书夹打开再合上，完成一次翻页，装置回到初始位置准备下次翻页。反向翻书时，原理相同。本产品使用220伏交流电源即可。
主要创新点（1）吸页装置是根据流体力学的“负压原理” ，使用电脑散热风扇制作出来的，效果非常好；（2）翻书棒的动作设计：使用同步带传动带动固定在同步带上的翻书棒平动，翻页平稳，正反向传动比较可靠；（3）在书夹的设计上妙地将夹子的机械部分和电磁铁结合在一起，只需通断电就可以控制书夹的开合，简单好用；（4）相对于纯机械的翻书机，该设计采用单片机控制，实现了自动化、机电一体化。残疾朋友只需用脚或者其他部位触动开关，即可完成翻书动作。
推广应用价值第一、该作品可以实现自动翻不同大小，不同厚度的书籍。能够很好地满足双手残疾的人看书学习的需求。第二、该作品全部由简单的零部件组成，加工工艺要求不高，且部分使用标准件，互换性好。第三，该设计成本低廉，厂家有一定的利润空间。另外，该作品不仅可以供手臂残疾者使用，也可以供那些因某种原因不方便用手的人使用，如因病暂时不方便用手的人。而且其原理可以推广到翻谱、复印等产品里。因此该作品具有非常广阔的应用前景。
何为“机械创新设计”？与一般的设计有什么区别？机械设计制造及其自动化专业
业务培养目标：本专业培养具备机械设计制造基础知识与应用能力，能在工业生产第一线从事机械制造领域内的设计制造、科技开发、应用研究、运行管理和经营销售等方面工作的高级工程技术人才。
业务培养要求：本专业学生主要学习机械设计与制造的基础理论，学习微电子技术、计算机技术和信息处理技术的基本知识，受到现代机械工程师的基本训练，具有进行机械产品设计、制造及设备控制、生产组织管理的基本能力。
毕业生应获得以下几方面的知识和能力：
1．具有较扎实的自然科学基础、较好的人文、艺术和社会科学基础及正确运用本国语言、文字的表达能力；
2．较系统地掌握本专业领域宽广的技术理论基础知识，主要包括力学、机械学、电工与电子技术、机械工程材料、机械设计工程学、机械制造基础、自动化基础、市场经济及企业管理等基础知识；
3．具有本专业必需的制图、计算、实验、测试、文献检索和基本工艺操作等基本技能；
4．具有本专业领域内某个专业方向所必要的专业知识，了解其科学前沿及发展趋势；
5．具有初步的科学研究、科技开发及组织管理能力；
6．具有较强的自学能力和创新意识。
主干课程：
主干学科：力学、机械工程。
主要课程：工程力学、机械设计基础、电工与电子技术、微型计算机原理及应用、机械工程材料、制造技术基础。
主要实践性教学环节：包括军训，金工、电工、电子实习，认识实习，生产实习，社会实践，课程设计，毕业设计(论文)等，一般应安排40周以上。
相近专业：材料成型及控制工程工业设计过程装备与控制工程车辆工程机械工程及自动化机械电子工程汽车服务工程机械类车辆保险与理赔专业（
机械工程及自动化专业
业务培养目标：本专业培养具备机械设计、制造、自动化基础知识与应用能力，能在工业生产第一线从事机械工程及自动化领域内的设计制造、科技开发、应用研究、运行管理和经营销售等方面工作的高级技术人才。
业务培养要求：本专业学生主要学习机械设计、制造的基础理论、受到现代机械工程师的基本训练，具有从事机构设计、制造及生产管理、控制的基本能力。
毕业生应获得以下几方面的知识与能力：
1. 具有较扎实的自然科学基础，较好的人文、艺术和社会科学基础及正确运用本国语言、文字的表达能力；
2.较系统地掌握本专业领域宽广的技术理论基础知识，主要包括力学、机械学、电工与电子学、流体力学、工程热力学、市场经济及企业管理等基础知识；