基于TRIZ的机械产品创新设计研究.pdf

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1、分类号：T H l 2 2密级：天津理工大学研究生学位论文基于T R I Z 的机械产品创新设计研究(申请硕士学位)学科专业：机械设计及理论研究方向：计算机集成设计与制造作者姓名：唐志舵指导教师：郑清春教授2 0 1 1 年1 月刿删|f|f 脚肿f Y 18 718 6。T h e s i sS u b m i t t e dt oT i a n j i nU n i V e r s i 哆o fT e c h n o l o g yf o rt h eM a s t e r sD e g r e eR e s e a r c ho nM e c h a n i c a lP r o d u

2、 C tC r e a t i V eD e s i g nB a s e do nT 砒ZB yT a n gZ h i d u oS u p e i s o rP r o f Z h e n gQ i n g c h u nJ a n u a r y2 0 1 1独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：髯

3、忌够签字日期：动f f 年月少f 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨盗堡墨太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨盗堡墨盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：瓣签字日期：列f 年月f 日导师签名：勘嘲签字日期：础，年月日摘要作为国民经济支柱产业的机械行业正朝着多样化、多功能化、自动化、系列化的方向发展，产品个性化的需求越来越广泛，产品的市场竞争越来越激烈，企业要想生存和发展就要不断研制丌发

4、符合用户需求的新产品。因此，当前企业急需解决如何提高快速响应市场的产品创新设计能力的问题。本文重点研究了机械产品创新设计的理论方法及其使能工具，提出面向用户需求的基于T R I Z 的机械产品创新设计的系统框架，并在此基础上开发了基于T R I Z 的机械产品创新设计平台。本文的主要研究内容有以下几个方面：1 概述了国内外对创新、产品创新、机械产品创新设计的研究现状和发展趋势，指出了课题研究的主要内容和意义。2 简述T R I Z 理论的主要内容，结合用户需求机制提出了基于T R I z 的机械产品创新设计系统框架，为企业使用T R I Z 进行创新设计理清了思路。3 研究了计算机辅助创新设计

5、及其使能工具，详细了介绍C A T I A 产品功能优化模块的功能及应用流程，并在该应用流程的指导下完成了某齿轮泵的改进设计。4 结合T R I Z 理论和用户需求分析，开发了一个基于T R I Z 的机械产品创新没计平台，可以帮助企业设计人员根据用户对产品的需求评价快速地完成产品创新设计。关键词：机械产品创新T R I Z 计算机辅助设计产品功能优化A b s t r a c tA sap i l l a ri n d u s 仃yo fn a t i o n a le c o n o m y t h em a c h i n e 拶i n d u s t 叮i sm o v i n gi

6、nt h ed i v e r s e，m u l t i-向n c t i o n a l，a u t o m a t e d，s 甜a l i z e dd i r e c t i o n，t h ei l e m a n df o rp e r s o n a l i z e dp r o d u c t sa r em o r ea n dm o r ec o m p r e h e n s i v e，t h ec o m p e t i t i o no fp r o d u c tm a r k e ti sm o r ea n dm o r ef i e r c e I no

7、r d e rt os u i V ea n dd e V e l o p，e n t e 印r i s e sh a v et or e s e a r c ha n dd e v e l o pn e wp r o d u c t st h a tm e e tc u s t o m e rn e e d sc o n t i n u o u s ly T h e r e f o r e，t h ec u r r e n te 1 1 t e 印打s e sa r es t a r v i n gf o rr e s o l v e i n gt h ep r o b l e mh o w

8、t o 锄1 1 1 a n c et h ep r o d u c ti n n o V a t i o na b i l i t yr a p i dr e s p o n d i n gt ot h em a r k e t 7 r h i sp a p e rf o c u s e so nt h et h e o r e t i c a lm e t h o d so fm e c h a n i c a lp r o d l l c t si I l l l o v a t i o nd e s i 星口a J l dt h e i re n a b l i n gt 0 0 l

9、s，o a e r sas y s t e m i cm I I T l e w o r ko fm e c h a n i c a lp r o d u c t si I l l l o v a t i v ed e s i 朗f o ru s e rn e e d sb a s e do nT R I Z，a n do nt h i sb a s i s，r e s e a r c h sa I l dd e V e l o p sam e c h a n i c a lp r o d u c t si f H l o V a t i v ed e s i g np l a t f o r

10、 mb a s e do nT R I Z T h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r et h ef 0 1 l o w i n g：1 O V e i e wo ft h e 南r e i g na n dd o m e s t i cr e s e a r c hs t a t u sa I l dd e v e l o p m e n tt 瑚do fi I l n o V a t i o n，p r o d u c ti 1 1 1 1 0 V a t i o n，m e c h a I l i c a lp r o d u c

11、 t si n I l o v a t i o nd e s i g n，p o i n t st h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n dm e a n i n go ft h ep a p 筑2 0 吡t l i n e sm em a i ne l e m e n t so ft h eT RI Zt h e o o 脆r sas y S t e m i c 行姗e w o r ko fm e c h a n i c a lp r o d u c t si n n o V a t i V ed e s i g nb a s e do nT R

12、 I Zc o m b i n i n gw i t ht h eu s e rd e m a I l dm e c h a n i s m，c l a r i 蜘n gt h et h i n k i n gf o ri 姗o v a t i v ed e s i g nf o re n t e r p r i s e st ou s eT R I Z 3 R e s e a r c ht h ec o m p u t e ra i d e d i n V e n t i V ed e s i 盟a n dt h ee n a b l i n gt o o l s，垂v eam i n u

13、t ed e s 谢p t i o no ft h e 如n c t i o na n da p p l i c a t i o np r o c e s so ft 1 1 ep r o d u c t 如n c t i o no p t i m i z a t i o nm o d u l eo fC A T I A，a n di m p r 0 V et h es t m c t u r eo fag e a rp u m pu n d e rt h eg u i d a n c e 4 C o m b i n i n gw i t hT R I Zt h e o 巧a n du s e

14、 rr e q u i 砌m e n t s，d e v e l o pam e c h a n i c a lp r o d u c ti 1 1 1 1 0 v a t i o nd e s i 髓p l a t f 0 咖b a s e do nT R I Z，c a I lh e l pe n t e 叩r i sd e s i 印e rt oc o m p l e t et l l ee V a l u a t i o no fp r o d u c ti r u l o v a t i o nr a p i da c c o r d i n gt ot h eu s e rr e

15、q u i r e m e I l t s K e yw o r d s：M e c h a n i c a lP r o d u c t sI 肌o V a t i o nD e s i g n，T R I Z，C o m p u t e rA i d e d i n v e n t i v eD e s i 印，P r o d u c tF u n c t i o nO p t i m i z a t i o n目录第一章绪论11 1 产品创新的研究综述11 1 1 创新理论的研究11 1 2 产品创新的研究综述31 2 机械产品创新设计研究综述61 2 1 机械产品创新设计内涵与意义61

16、 2 2 机械产品创新设计的过程71 2 3 机械产品创新设计研究概况71 3 课题的提出及主要研究内容91 3 1 课题的提出91 3 2 课题的主要研究内容j 1O1 3 3 课题的概况1 0第二章基于T R I Z 的机械产品创新设计系统框架1 12 1T RIZ 理论的产生、定义及发展1 l2 1 1T R I Z 理论的产生112 1 2T R I Z 理论的定义1 12 1 3T R I Z 理论的发展历程1 22 2T RlZ 理论的研究和应用1 22 2 1 国外的研究和应用一122 2 2 国内的研究和应用132 3T RlZ 理论的内容1 42 3 1 技术系统进化法则1

17、42 3 2 物质一场分析法1 52 3 3 矛盾冲突与3 9 项工程技术参数152 3 44 0 条发明原理1 72 3 5 分离原理和冲突矩阵182 3 67 6 种发明问题标准解1 92 3 7A R I Z 算法l92 4 基于丁R l Z 的机械产品创新设计系统框架2 02 4 1 产品评价分析2 02 4 2 产品功能分析212 4 3 产品矛盾分析2 22 4 4 产品矛盾求解2 22 4 5 基于T R I Z 的机械产品创新设计的总体框架2 32 5 小结2 3第三章计算机辅助创新设计的使能工具2 43 1 机械产品概念设计2 43 1 1 概念设计的内涵2 43 1 2 机

18、械产品概念设计的研究2 43 2 计算机辅助创新设计2 53 2 1 计算机辅助创新设计的发展2 53 2 2 计算机辅助创新设计的使能工具开发2 63 3C A TIA 产品功能优化2 73 3 1P F O 功能组成与解决问题流程2 83 3 2 产品功能模型2 83 3 3 功能模型修剪2 93 3 4 问题解决3 13 4 小结一3 2第四章产品功能优化实例分析3 34 1C A TIA 产品功能优化环境设置3 34 2 某高压齿轮泵的结构及存在问题3 44 3 利用P F O 进行齿轮泵的结构改进3 44 3 1 建立齿轮泵的功能模型图3 44 3 2 功能模型图分析3 54 3 3

19、 模型修剪3 74 3 4 问题解决3 94 4 改进后的齿轮泵4 04 5 小结4 l第五章基于T R I Z 的机械产品创新设计平台开发4 25 1 平台开发及运行环境4 25 2 平台的总体结构4 25 2 1 平台的开发目标一4 25 2 2 平台的总体框架4 25 3 设计平台实例应用4 35 3 1 查看用户调查4 45 3 2 查看内部回馈4 45 3 3 点击产品优化进行P F 0 4 55 4 小结4 8第六章结论与展望4 9参考文献5 0发表论文和科研情况说明5 3致谢5 4第一章绪论第一章绪论在当今世界一体化经济的形势下，尤其在加入世贸组织后，作为国民经济支柱产业的机械行

20、业正面临着前所未有的机遇和挑战。当前，科技同新月异，机械产品j 下向多样化、多功能化、自动化、系列化发展，机械产品个性化的需求越来越广泛，机械产品的结构和功能日益复杂和完善，产品的淘汰和更新时问不断缩短，产品的市场竞争越来越激烈。机械企业要想生存和发展就要不断研制开发符合用户需求的新产品，因此，全球普遍关注怎样提高机械产品的创新设计能力。本文以研究机械产品创新设计的理论为基础，结合用户需求机制，试图开发一个面向一般机械产品的基于T R I Z 的机械产品创新设计的计算机辅助平台，帮助机械产品设计人员正确地使用创新设计理论及软件，提高员工的产品创新设计能力和企业的产品市场竞争力。1 1 产品创新

21、的研究综述1 1 1 创新理论的研究1 创新的概念创新是人类社会文明进步的原动力，是科技发展和经济增长的源泉。人类社会的进步史以及中华民族的发展史中的发展时期总是充满了人文和科技的创新，总是伴随着创新。创新是一个复杂的系统工程，涵盖政治、经济、文化、科技等众多领域，涉及观念、体制、组织等多个环节；在这个系统工程中，人是创新的基础，充分发挥人的创新能力，是创新系统能够有效运作的关键性因素I l J。最早的创新概念源于1 9 1 2 年，由美籍奥裔经济学家熊彼特教授(1 8 8 3 1 9 5 0)在经济发展理论中提出的技术创新理论【2】。熊彼特认为，创新就是建立一种从未没有过的关于生产要素和生产

22、条件的新组合的生产函数，并将其引入到生产体系中去。他所说的创新，包括引入新产品、引进新技术(新工艺)、开辟新市场、控制新的原材料供给来源和实现新的企业组织形式等五种情况。按照熊彼特的看法，创新是一个丌发新产品和新工艺然后将它们转化成生产力并应用于市场的全过程。因这种概念可以较好地体现出技术革命在经济发展中的作用，有助于纠正科技与经济脱节的弊端，有利于促进科技与经济的结合，故熊彼特的创新概念已经在联合国、经济合作与发展组织、欧洲联盟等一些有影响力的国际组织中得到了广泛认可和使用。2 创新理论的发展阶段及分类自1 9 1 2 年提出创新概念后，创新成为了一个普遍的话题和研究焦点。创新理论经历了近百

23、年的研究和发展，大体可分成p J：熊彼特阶段、新熊彼特阶段和繁荣发展阶段。第一章绪论1)熊彼特阶段(1 9 1 2 年1 9 5 0 年)此阶段是创新理论的提出阶段，还没有形成完整的创新理论框架。熊彼特创新理论的四个基本要点：创新的含义；创新与企业家的关系；创新与资本主义的产生、发展和经济周期之间的关系；创新与社会主义产生之问的关系。这一阶段最重要的成就即是提出了创新的概念。2)新熊彼特阶段(1 9 5 1 年1 9 7 0 年)此阶段是创新理论的单向研究阶段，着重研究技术创新理论。到了二十世纪五十年代以后，以微电子技术为核心的新技术革命蓬勃兴起。诸多熊彼特的支持者倍加关注熊彼特理论，他们开始

24、探讨：如何抓住机遇、迎接挑战，以技术上的突破来推动经济上的增长，渐渐形成了新熊彼特学派。在这一阶段中，技术创新渐渐从经济发展周期研究及管理学中分离出来，初步形成了一个理论体系。3)繁荣发展阶段(1 9 7 1 年今)此阶段是创新理论的分解研究和深造阶段，创新理论发展成两个独立学派：一个是研究技术变革及推广的技术创新学派，另一个是研究制度形成及变革的制度创新学派。二十世纪七十年代，技术创新理论的研究出现了一个新的局面：学者开始从不同角度对技术创新的不同侧面及层次进行全面的比较探讨。八十年代初期，初步形成了技术创新的整体理论框架。技术创新学派主要研究：起源、理论基础、环境因素、决策机制、动力机制、

25、阻力机制、过程和应用与实现等方面，其研究已经进入了重点、综合和实用回归性的阶段。1 9 7 1 年，英国经济学家诺思和戴维斯在制度变革和美国经济增长中，首度在制度创新领域进行了实质性探索，开创了制度创新学派。制度创新学派主要研究：制度创新的含义、推动因素、过程分析和制度创新的模型等方面。制度创新补充和发展了熊彼特教授的创新理论。经过近百年的发展，今天的创新系统包含三大类【l】：科技创新、制度创新和意识创新，如图卜l 所示。它们分别属于生产力、生产关系和上层建筑的范畴，它们的相互作用共同推动生产的发展、经济的繁荣以及社会的进步。对于一个国家而言，创新是提高综合国力的重要措施；而对于一个企业来说，

26、提高综合实力、获得最大效益的主要手段就是进行技术创新，它是企业创新的根本所在，是企业的生存之本，是企业能够在R 趋激烈的市场竞争中获得生存和发展的必然选择。企业技术创新主要包括【4】：工艺创新和产品创新等，其中后者是企业技术创新的重中之重，也是本论文的重点研究对象。第一章绪论1 1 2 产品创新的研究综述图卜1 创新系统图1 产品创新的概念及其分类产品创新是企业的生命，就像人的造血功能一样，企业要想有活力，就必须不断进行产品创新。因此说，产品创新就是企业生存和发展的基础，也是现代企业创新体系中的一个主要组成部分。然而至今产品创新尚未有统一的定义。经合组织(O E C D)这样定义产品创新【5】

27、：产品技术发生了变化以便提供新的或更好的服务给用户；美国宾州大学曼斯菲尔德教授给产品创新下的定义是1 6】：企业从构思新产品开始，到销售和交付新产品结束的探索性活动；清华大学傅家骥教授认为【7 1，产品创新就是为了获得一种新的或改进的产品或工业设备；武汉理工大学胡树华教授认为【8】，产品创新是一个建立在产品整体概念的基础上贯穿于产品构思、设计、生产及营销全过程并且以市场为导向的系统工程。产品创新有以下几种分类形式：(1)根据产品改进程度的不同，可分为全新型产品创新和改进型产品创新一J。前者是指技术原理和产品用途发生显著变化的设计；而后者是指技术原理并没有太大改变，只是根据市场需求对现有产品进行

28、功能扩展和技术改进。(2)根据产品创新动力的不同，可分为市场拉动型创新和技术推动型创新【l。前者是指根据市场需求发生变化而引起的创新；而后者是指由技术突破或科研成果带动的创新。(3)根据产品创新时间的不同，可分为率先型创新和模仿型创新。前者是指企业凭借自身的努力和研究，达到核心概念及技术的突破，并继续完成后续的创新环节，率先第一章绪论实现技术的产品化和市场化；而后者是指通过模仿和学习率先创新企业的创新思路及行为，吸取他们的成功经验和失败教训，引进他们的核心技术，并在他们基础上进行改进和再开发。(4)根据产品创新主体的不同，可分为自主型创新和合作型创新。前者是指企业不依靠或购买现有的先进技术，而

29、是通过自身的努力和研究来攻破技术难关，实现预期的目的；而后者是指企业与企业之问或企业、科研机构与高等院校之间的联合创新方式。现代企业的产品创新是技术推动和市场拉动共同作用的结果。企业可以根据自身的技术实力和经济实力，并结合本行业的特点，选择合适的产品创新形式，将技术水平和市场需求相匹配，寻找风险与收益的最佳结合点。2 产品创新的基本方式和过程产品创新有五种基本方式【l l J：(1)模仿率先创新者；(2)开发新市场的全部产品；(3)引进其它企业或领域的先进技术；(4)改进现有产品的技术；(5)改进现有产品的制造工艺。产品创新是一个根据市场用户需求构思新概念、提出新方案、制造新产品并销售的过程，

30、即采用某种科技原理或思维方法满足用户的某种新需求，或者用更高级的方式来满足用户。产品创新的过程包括三个阶段【1 2】：技术开发、生产开发和市场开发，技术开发阶段是指将新构思转化为新样品的过程，生产开发阶段是指将新样品转变成新产品的过程，市场开发阶段是指将新产品转化为市场需求的新产品的过程。3 产品创新的国内外研究1)关于产品创新成败的研究自从美国产业会议理事会(C I C)在1 9 6 4 年提交关于如何防止产品创新失败的报告后，国外开始大量研究产品创新成败的影响因素，进行了很多著名的实例性研究。早期研究主要是探索性的案例及案例组研究，但其研究的结论没有普遍性和系统性。M v e r S和M

31、a r q u i s【l3 J 开创了调查研究大样本的先河，他们研究了5 个产业1 2 1 家公司的5 6 7 个创新项目的成败影响因素，但研究结果大部分是描述性的、可靠性较低。英国苏塞克斯大学R o t h w e H 等人【1 4 J 在P r o j e c tS A P P H 0 研究中采用成对比较法，首次在大样本调查研究中取得重大进展。M i s h r a 等人5】对比较研究了中国、加拿大和韩国三国企业产品创新的成败因素。胡树华、张洁等人【1 6】运用C o o p e r 模型，对我国9 l 家大中型企业进行了新产品成败因素的鉴别分析和维度分析，得出了影响成败的强关联因素和主

32、要维度，他们认为新产品成败是可判别和预测的，还建立了新产品成败判别式并给出了临界判别值。2)关于产品创新管理的研究新产品管理的研究是产品创新管理研究的开始。1 9 5 7 年出版的新产品管理标志着新产品管理研究的开始，该书作者布兹(B o o z)和汉密尔顿(H 锄i l t o n)在书中第一次提出了较为完整的产品生命周期理论(P r o d u c tL i f eC y C l e，P L C)，后来英国戈拍兹(G o p e n)等人用数学方法建立了P L C 的戈拍兹生长曲线等数学模型【1 7-1 9】。美国于1 9 7 6年成立了产品开发管理协会(P D M A)，主要是为了研究产

33、品创新管理，并在1 9 8 4 年创办了n eJ o u m a lo fP r o d u c tI 加o v a t i o nM a n a g e m e n t(产品创新管理)，标志着开始研究产品创新管理体系【1 7。9 1。1 9 8 3 年，美国密执根大学教授C M 甜eC r a w f o“1 9 1 在新产品管第一章绪论理中，详细探讨了新产品从构思到市场化的全过程，强调产品创新的可靠保证就是合理的战略与严密的评价程序，提出了一个评价体系：即新产品概念检验一预评价一评价一样品测试一产品试用一市场分析一财务分析一市场投放准备一总评价与反思。2 0 世纪8 0 年代，国内以清华大

34、学傅家骥教授、吴贵生教授、浙江大学马庆国教授、许庆瑞教授、武汉理工大学胡树花教授为代表的学者们，开始了在价值工程、开发管理和技术创新等学科领域内的产品创新问题研究，对功能成本优化理论、组织管理与创新动力以及创新管理体系设计等方面进行了大量探索工作，并取得了一定的成果6 1 8，l9 1。3)关于加速产品创新的研究国内外近些年对于产品创新加速的研究成果主要有以下几个方面：关于新产品的开发速度与竞争优势的研究众多学者认为，产品快速开发能够使企业取得技术领先地位，建立产品标准，抢先占据有利地位，赢得声誉并获得高额收益；但盲目提高产品开发速度，同样也会导致产品创新的失败。部分学者认为1 2 U|，只有

35、以不降低产品质量、不加大或很少加大研发成本为前提，提高产品创新的速度，才能给企业带来有效的竞争优势，产品创新才能成功。关于产品创新加速方法的研究众多学者指出【2 1】，只有不断加强对企业产品创新的组织和管理，才能有效提高开发速度。、M l 锄o n 和M i l l s o n【2 2 J 把产品开发的加速方法总结成五类：简化、消除拖延、精简步骤、加速运转和平行处理。傅永钢【2 3】指出快速开发与投放的方法有四种：直接法、迂回包抄法、吐故纳新法和改头换面法。关于产品创新加速方法有效性的研究部分学者将研究精力放在了产品创新加速方法有效性分析和评价的方面。H a n l e v和Z i r g e

36、 r 指出1 2 引，产品的开发时间有其内在决定因素，在1 2 种加速方法中只有跨职能部门的开发小组、全力投入的开发小组成员、把快速开发当做目标和重叠丌发产品活动等4 种显著影响产品的开发时间。陈世敏和陈国权指出【25 1，加速方法、环境因素与组织机制有互相适应关系，他们把加速方法分为：供货商参与、并行开发和组织学习等三类，并且阐明了这三类方法各自适用的机制和情形。关于产品创新速度目标与其它目标间均衡的研究科技的进步为产品的快速开发创造了广阔的空间，但很多学者指出，不能用牺牲产品质量和过度增加开发成本的方式来获得快速的产品开剔2 6 J。全球普遍实施可持续发展战略，越来越多企业开始关注环保，开

37、发设计绿色环保产品也已成为一种时尚和潮流。从上述可知，国内外在研究产品创新方面有了不少进展和成果，而在研究当今企业进行产品创新活动方面，尚有很多不足。大多研究学者都是从宏观角度进行研究，集中在工业工程领域和管理工程领域，而研究具体的产品创新设计方法不多。目前，企业最关注的还是可以引导企业进行产品创新活动的具体技术及其能够使用的软件工具，所以有待在此方面进行加强和完善。、第一章绪论1 2 机械产品创新设计研究综述1 2 1 机械产品创新设计内涵与意义设计是人类征服自然、改造世界的创造性实践活动，其本质就是创新。现代世界，产品的竞争越来越激烈，实质就是设计水平和制造能力的竞争。产品的设计质量决定着

38、产品的技术和经济性能，产品的许多质量问题，多是因不良设计所造成的，所以设计对产品的技术和经济性起着决定性的作用。根据德国工程师协会文件V D l 2 2 2 5 的调查【l】，7 5 8 0 的产品成本是在设计阶段确定的，在很大程度上设计决定着产品的质量、结构、性能、可靠性和成本等。国内外学者在论述机械产品设计过程方面主要有四种不同的看法【2 7】。第一种是P a l l l和B e i t z 提出，机械产品设计过程有四个环节：明确任务、概念设计、技术设计和施工设计；第二种是K o l l e r 提出，机械产品设计过程有四个环节：产品规划、功能设计、定性设计和定量设计；第三种是N e l

39、s o n 提出，机械产品设计过程有两个环节：概念设计和产品详细设计与检测；第四种是邹慧君提出，机械产品设计过程有四个环节：产品规划、方案设计、详细设计和改进设计。总之，机械产品设计有两个主要步骤：概念设计和构型设计，其中，概念设计目的是制定方案，构型设计目的是根据制定的方案设计出具体构型。机械创新设计例(M C D，M e c h a n i c a lC r e a t i v eD e s i 舯)是指设计人员充分发挥创造力和智慧，应用人类现有的科学原理和技术方法，进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性和实用性的机构或机械产品的实践活动。M C D 包括两部分：一个是改进和完善生活或生产

40、中已有产品的技术性能、经济性能、可靠性及适用性等，即改进型创新设计；另一个是创造设计出新产品、新机器，以满足生活或生产的新需要，即全新型创新设计。改进型创新设计是企业需要经常做的日常设计活动，也是目前M C D 的研究重点。研究机械创新设计的意义有【2 9】：(1)提供有效的发明创造新机器和新机械的理论和方法；(2)有助于加快和实现机械产品的智能化、集成化、自动化、最优化，实现真正的专家系统；(3)经过机械创新设计的产品在同类产品中的有较强竞争力，尤其是当专利技术产品化后，能够创造出更高的经济效益和社会效益；(4)有助于培养和开发设计者的创造性思维，增加他们的创新能力，提高他们进行创新设计的自

41、觉性。虽然机械创新设计和传统设计有部分相同的设计过程，但M C D 不只是简单的重复和模仿，更多的是要求设计人员在新成果的基础上，敢于怀疑和思考，充分发挥个人的智慧和创造力，充分利用现有的科学原理和技法进行重新构思，追寻新颖、独特和非重复的创新成果。机械创新设计的主要特点有：(1)涉及的学科领域广(机械、液压、控制等众多领域)，且它们相互交叉、渗透和融合，所以设计方案具有多解性和近似性，复、多级筛选，必须具有新颖性第一章绪论1 2 2 机械产品创新设计的过程产品创新设计，古老而又新颖。自从人类社会出现商品以后，就开始了原始的产品创新活动。产品创新作为一门学科则开始于熊彼特教授1 9 1 2 年

42、提出创新概念，距今已经历了近百年的发展。机械产品创新设计是一门新的设计技术和方法，有待继续开发。不同的技术专家采用不同的分析工具和结构学、运动学与动力学模型，形成了不同风格的理论体系和方法，他们提出了不同的设计过程，但本质一样。归纳来说，机械产品创新设计的一般过程包括三部分：综合过程、分析过程和选择过程，如图1 2 所示【孙J。图卜2 机械产品创新设计的一般过程1 2 3 机械产品创新设计研究概况结构学运动学动力学第二次世界大战后，科学技术R 新月异，产品更新速度同益加快，用户的个性化需第一章绪论求不断增强，传统的生产模式已经不能适应日益激烈的市场竞争。面对市场竞争加剧和生产模式变更的形势，企

43、业必须不断地进行产品创新，设计人员也要不断提高创新能力，唯此才可制造出符合市场需求的、具有竞争力的新产品，故而各国开始普遍关注创新设计。2 0 世纪6 0 年代起【3 0 1，英国就用国策和财政来支持新设计技术的发展并进行推广；美国专门成立了设计委员会；德国乌尔姆设计学院提出“设计就是科学技术”的口号，并且设计学已经发展到了一定规模。国外许多学者很早就开始研究机械产品创新设计。美国J e h l l s o nRc 教授【3 1 均E 常注重设计方法学在机械创新设计中的应用，它从这个角度总结了机械产品创新设计的过程，运用创造性方法做了很多的工业创新设计案例并取得了成功，他的杰出贡献就是在机械设

44、计过程中引入了创新思维技法。N i g e l 教授【3 2】提出了种描述创新设计过程的模型。2 0 世纪6 0 年代开始，我国加紧研究新产品开发设计与实验，使开发设计由经验设计和模仿设计发展到自主创新。八十年代后，我国引入了国际上的先进技术和工具，许多学者开始对创新设计的理论、方法和工具进行深入研究，并提出了适用的方法或模型，研究成果如表卜1 所示【2 7，3 邺引。表卜l 国内学者在创新方法和模型方面的研究学者方法或模犁从创造性思维和创新技法方面，提出了基于空间探索的创造性设计潘云鹤教授方法。赵燕伟教授提出了基丁：多级菱形思维模型的方案没计新方法。孙守迁教授提出了基于组合原理的概念创新殴计

45、方法。在机械产品方案没计中，提出了机械产品方案创新设计的C A D 方法邹慧君教授和实现模型。王玉新教授研制了智能化的计算机辅助机构创新设计软件系统。构建了基于广义映像原理支持产品创新设计自动化的软件原型系徐志刚教授统。采用设计目录法对复杂技术产品进行了智能优化，提出了广义优化冯培恩教授的概念。发展了一个名为“三叶草”的设计自动化系统概念模型，目标是建邓家裎教授立支持产品创新设计的新一代设计自动化技术系统。黄克正教授进行了基丁I n t e n l e t 的协同产品创新设计理论研究与系统开发。总的来说，机械产品创新设计的发展大体经历了三个主要阶段【3 4】：(1)2 0 世纪年代前，传统创新

46、设计，以描述和说明为重点；(2)2 0 世纪6 0 9 0 年代，计算机辅局新设计，以数学建模和计算机应用为主；(3)2 0 世纪9 0 年代末本世纪初，基于知动信息技术创新设计和基于虚拟现实技术的网络协同创新设计。目前的研究多集中在创新设计理论和方法学、创新思维与技法、创新设计过程程和网络化协同创新设计等几个方面，虽然已经有学者研究了机械产品创新设计的系匀8-6 0创的型工第一章绪论具但是都处在原始系统阶段。随着信息技术、数据库和人工智能(A I)等高新科技的深入研究和应用，计算机辅助产品创新理论和计算机辅助产品创新软件正逐渐走向成熟。所以今后的研究重点是：怎样应用计算机辅助技术和软件引导企

47、业开展机械产品创新设计工程。1 3 课题的提出及主要研究内容1 3 1 课题的提出1 产品创新设计是新世纪中国机械行业面临的重大课题机械行业历来是我国经济的支柱产业，它为国民经济各部门、国防建设和人民生活提供各种装备。2 1 世纪初，我国成功加入世界贸易组织，我国经济就要全面融入到国际经济体系中，随之机械行业就迎来了千载难逢的发展机遇，同时又面临着严峻的挑战。一方面，机械行业在知识经济快速发展的形式下要发生质的变化，需要将产品的质量、功能、安全性、效率等指标提升到现代化机械的新阶段，需要把机械产品的整个生命周期纳入到产品创新中，通过数字化、信息化及智能化不断提高市场响应力；另一方面，我国机械行

48、业一直处于低谷的发展阶段，大部分产品在档次、技术含量和附加值上较低，虽然有些高档产品但不具备较强的国际市场竞争力，从而导致产品落后、滞销，企业经济效益低。深究其因，主要有两个：一个是企业缺少创新的理念，不能自主开展产品创新活动，开发新产品多具有的盲目性和偶然性；另一个是企业缺少创新理论方法的支持，不能有效地开展产品创新活动。目前，企业急需得到开发新产品的具体的理论和技术的支持，所以说产品创新设计是新世纪我国机械行业面临的重大课题。2 当前机械产品创新设计研究存在的问题当前企业竞争激烈，机械产品的研发趋势是：(1)高新技术大量渗透；(2)产品个性化、小型化、智能化、多功能化和低成本化；(3)产品

49、易于制造，易于更新换代。因此，开展机械产品创新工程，需要更广的跨学科知识结构网，需要更为完善的创新理论方法和更先进的技术，需要更为有效的计算机辅助产品创新设计工具。目前，在研究机械产品创新设计方面主要还存在以下几个问题：(1)创新设计虽不再被赋予“遗传论”和“天赋论”，但是至今创造还不是每个人都能够做到的，主要由于产品创新设计没有统一的理论框架，尚未形成系统的理论体系。(2)产品创新大都从经济学和管理学角度研究，多具有宏观性，多是关注创新战略和模式；在研究产品的具体创新方法方面还不完善，满足不了企业开展产品创新的要求。(3)解决技术矛盾提出的设计方案多是妥协折衷设计，就是降低系统的某一特性来提

50、高系统的另一特性，未能从本质上解决产品的矛盾，不能有效地提高产品性能。E)虽然开工具，缺少。企业没从第一章绪论市场源头考虑创新，所以产品缺乏新颖性和创新性不能经受市场考验、不能满足用户需求。1 3 2 课题的主要研究内容本文的主要研究内容有：(1)研究现代设计方法，如何将现代设计方法应用到机械产品创新设计中；(2)如何查找产品缺陷，确定产品的技术矛盾，寻找技术矛盾的非妥协设计，从本质上解决产品的矛盾问题；(3)怎样把市场需求、技术和企业三者有机结合，共同帮助企业开展产品创新工程；(4)建立一个机械产品创新设计平台，引导产品设计人员，利用产品创新设计方法和软件，有效地进行产品创新设计。1 3 3