1.3　机械产品常规设计、现代设计与创新设计

机械工程是工程的一个主要领域。机械工程设计（mechanical engineering design）或简称为机械设计（mechanical design），是指机械装置、产品、系统或生产线设计。机械设计主要包括机器设计（machine design）和机构设计（mechanism design）。机械设计方法对机械产品的性能有决定作用。机械产品设计方法可分为常规设计方法（又称传统设计方法）、现代设计方法和创新设计方法。它们之间有区别，也有共同性。

1.3.1　机械系统设计的重要性

机械系统是将机器看作具有特定功能的、相互间具有有机联系的组成部分所构成的一个整体。机械系统设计是从系统的观点来进行机器的设计，这将大大有利于机器设计的创新性、多样化和综合最优化。机械系统设计的重要意义主要表现在如下几个方面：

（1）设计的创新性

机械系统设计把实现机器功能和进行功能分解作为设计出发点。由于功能的抽象化和功能分解的多样化，将大大有利于机械设计的创新，而不拘泥于老套。

将机器所要实现的功能加以抽象化，可以开阔设计者的思路，采用多种工作原理实现机器的功能，有利于机器的创新。

功能分解和功能结构的多样性，可使机器总功能的实现方案多种多样，设计者可以从中寻求适合某些要求的综合最优方案。

（2）设计的全面性

机械系统设计需要考虑产品生命周期全过程各个阶段的要求，包括市场的显需求或隐需求；寻求设计方案的综合最优化；实现产品制造的经济性和先进性；满足用户要求和有利于维护保养；考虑回收利用等问题。机械系统设计中考虑的问题比较全面，从而可以大大提高设计水平和质量。

系统设计的全面性使所设计的产品更具市场竞争力，能满足人类可持续发展的需要。

（3）设计的系统性

任何一台机器要达到最有效能的运动均离不开人和环境所构成的外部条件。我们把机器本身称为内部系统，把人和环境称为外部系统。内部系统和外部系统组成了全系统，也可称为广义机械系统，如图1-1所示。

人与环境是机械系统存在的外部条件，人与环境对机械的效能起着一定的支配作用。机械系统的整体性是在内部系统与外部系统的相互联系中体现出来的。

例如，一台精密加工机床的效能与操作者的生理、心理和技术水平有关，也与环境对机床的影响有关。

机械系统设计强调了机器本身是由各部分组成的相互联系、相互作用的系统，各部分的要求离不开整体的需求，从而使机器的设计更具整体优良性能。一个系统中，部分的作用是通过总体来体现的，有了总体的概念，才能处理好各个部分的设计。

机械系统设计的系统性还表现在人、机、环境的广义系统的考虑方面，从而使机械系统更有利于发挥人-机的整体效率，使机器的效能得到充分的发挥。人-机系统把人看作系统的一个组成部分，同时按人的特性和能力来设计和改造系统。

环境可以作为人-机系统的干扰因素来理解，系统设计就是要排除环境的不利影响。

（4）设计的综合最优化

机械系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体。各部分的设计必须符合整体的需要，离开整体需要的部分设计是没有意义的。因此系统设计特别强调系统思想，追求目标系统综合最优化。

机械系统的各个组成部分不能离开整体来研究，各个组成部分的作用不能脱离整体的协调来考虑。在一个整体系统中，即使每个组成部分并不很完善，但通过一定方式加以协调、综合也可成为具有良好功能的系统；反之，即使各个组成部分都很好，若协调不好也可成为性能不佳的系统。

系统的综合最优化要求机械系统设计时追求整体最优、全局最优。为了达到这一目标，通常采用综合评价方法来寻求综合最优的机械系统方案。

1.3.2　常规设计

常规机械产品设计是依据力学和数学建立的理论公式或经验公式为先导，以实践经验为基础，运用图表和手册等技术资料，进行设计计算、绘图和编写设计说明书的设计过程。无论哪一类设计，为了提高机械产品设计质量和设计水平，必须遵循科学的设计程序。一个完整的常规机械设计主要由下面的各个阶段组成：

①市场需求分析。进行需求分析、市场预测、可行性分析，本阶段的标志是完成市场调研报告。

②明确产品的功能目标。确定设计参数及制约条件，最后给出详细的设计任务书（或要求明细表）作为设计、评价和决策的依据，本阶段的标志是明确设计任务书。

③方案设计（概念设计）。需求是以产品的功能来体现的，功能与产品设计的关系是因果关系。体现同一功能的产品可以有多种多样的工作原理。因此，这个阶段的最终目标就是在功能分析的基础上，通过构想设计理念、创新构思、搜索探求、优化筛选，最后决策确定出一个相对最优方案是本阶段的工作标志。

④技术设计（构形设计）。技术设计是机械设计过程中的主体工作，该阶段的工作任务主要是将方案（主要是机械运动方案）具体转化为机器及其零部件的合理构形，也就是要完成机械产品的总体设计、部件和零件设计，该阶段的工作标志是完成设计说明书和全部设计图的绘制工作。

构形设计时要求零件、部件设计满足机械的功能要求；零件结构形状便于制造加工；常用零件尽可能实现标准化、系列化和通用化；总体设计还应满足总功能、人机工程学、造型美学以及包装和运输等方面的要求。

构形设计时一般先由总装配图分拆成部件、零件草图，经审核无误后，再由零件工作图、部件工作图绘制出总装配图。

最后还要编制技术文件，如设计说明书，标准件、外购件明细表，备件、专用工具明细表等。

⑤制造样机。制造样机并对样机的各项力学性能进行测试与分析，完善和改进产品的设计，为产品的正式投产提供有力证据。

常规机械设计方法是应用最为广泛的设计方法，也是相关教科书中重点讲授的内容。如机械原理中的连杆机构综合方法、凸轮廓线设计方法、齿轮几何尺寸的计算方法、平衡设计方法、飞轮设计方法以及其他常用机构的设计方法等都是常规的设计方法。

常规设计是以成熟技术为基础，运用公式、图表、经验等常规方法进行的产品设计，其设计过程有章可循，目前的机械设计大都采用常规的设计方法。机械设计的主体是常规设计方法。常规机械设计方法是机械设计中不可替代的方法。

在常规机械设计过程中，也包含了设计人员的大量创造性成果，例如，在方案设计阶段和结构设计阶段中，都含有设计人员的许多创造性设计过程。

1.3.3　现代设计

现代设计是传统设计活动的延伸和发展，是随着设计经验的积累，经历4个基本发展阶段是：直觉设计阶段（17世纪以前）、经验设计阶段（大约17世纪至20世纪）、半理论半经验设计阶段（20世纪初至20世纪60年代末）和现代设计阶段（20世纪70年代初至今）。传统设计是以经验总结为基础，运用长期设计实践和理论计算而形成的经验、公式、图表、手册等为设计依据，是一种以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳动为特征的设计方法，不能更好地满足当今时代要求。

现代设计是以计算机为工具、以工程设计与分析软件为基础、运用现代设计理念的新型设计方法。它的特点是产品开发的高效性和高可靠性。计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、有限元设计、并行设计、虚拟设计等都是重要的现代设计方法。20世纪50年代后期的工业发达国家开始在军事工业中使用计算机辅助设计（CAD）技术，主要是飞机与汽车制造业这些大型工业。CAD技术由初期代替图板进行计算机辅助绘图，发展为整个产品的辅助设计，包括产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等。CAD技术提高了设计效率、优化了设计方案、减轻了技术人员劳动强度、加强了设计的标准化，缩短了产品的更新换代的周期。现代的CAD（计算机辅助设计）与CAM（计算机辅助制造）、CAPP（计算机辅助工艺规程设计）、CNC（计算机数字化控制技术）、CIMS（计算机集成制造系统）、PDM（产品数据管理）等技术结合起来，已经大大改变了过去落后的设计制造和生产管理模式。集成的、智能化的CAD系统成为当今CAD工程的发展趋势。

现代设计方法具有很大的通用性。例如，优化设计的基本理论既可用于机构的优化设计、机械零件的优化设计，也可用于电子工程、建筑工程等诸多领域。因此，通用的现代设计方法和专门的现代设计方法发展都很快。比如，优化设计与机械优化设计、可靠性设计与机械可靠性设计、计算机辅助设计与机械的计算机辅助设计等并行发展，设计优势明显，应用范围日益扩大。ADINA、NASTRAN、I-DEAS、PRO-E、UG、Solid Edge，Solid Works，ADAMS等都是常用的工程设计分析应用软件。

现代设计方法强调运用计算机、工程设计与分析软件和现代设计理念的同时，其基本的设计过程仍然是运用常规设计的基本内容。因此，强调现代设计方法时，切不可忽视常规设计方法的重要性。

1.3.4　机械创新设计

常规性设计是以运用公式、图表为先导，以成熟技术为基础，借助设计经验等常规方法进行的产品设计，其特点是设计方法的有序性和成熟性。

现代设计强调以计算机为工具，以工程软件为基础，运用现代设计理念的设计过程，其特点是产品开发的高效性和高可靠性。

创新设计是指设计人员在设计中发挥创造性，提出新方案，探索新的设计思路，提供具有社会价值的、新颖的而且成果独特的设计成果。其特点是运用创造性思维，强调产品的独特性和新颖性。

通俗地讲，机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果（含理论、方法、技术原理等），进行创新构思，应用新技术、新理论、新方法进行产品的分析和设计，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品（装置）的一种实践活动。创新设计包括全新设计和适应型创新设计两类。需要指出的是，创新设计和概念设计并不是同一个概念。概念设计的核心是进行设计创新，而创新设计并不仅限于概念设计阶段，在产品设计的各个阶段均有创新设计的问题，但是最主要的是在概念设计阶段进行创新。

设计的本质是创新。机械创新设计则是指机械工程领域内的创新设计，充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术知识进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品（装置）的一种实践活动。机械创新设计涉及机械设计理论与方法的创新、制造工艺的创新、材料及其处理的创新、机械结构的创新、机械产品维护及管理等许多领域的创新。

机械创新设计是相对常规设计而言的，它不仅是一项复杂而又耗时的脑力工作，而且是一项紧张而又繁重的体力劳动。机械创新设计特别强调人在设计过程中，特别是在总体方案、结构设计中的主导性及创造性作用。一般来说，机械创新设计时很难找出固定的创新方法。创新成果是知识、智慧、勤奋和灵感的结合，现有的创新设计方法大都是根据对大量机械装置的组成、工作原理以及设计过程进行分析后，在进一步归纳整理，找出形成新机械的方法，再用于指导新机械的设计中。为了提高设计效率，减轻设计者在设计过程中的脑力和体力劳动，寻求科学的设计方法和有效的设计工具成为人们努力的目标，而设计自动化是人类最终的理想。

机器创新设计本身也存在创新程度多少和创新水平高低之分。评价机器创新设计水平的关键是新颖性的高低。新颖性主要表现在机器工作原理要新、结构要新、组合方式要新。

一种新机器工作原理的构思往往可创造出一类新的机器，例如，激光技术的应用产生了激光加工机床、激光治疗仪、激光测量仪等。创造出一种新的执行机构类型也可造就一类新机器，例如，抓斗大王包起帆采用多自由度差动滑轮组和复式滑块机构创造、发明了性能独特的“异步抓斗”。采用新的组合方式亦可创造出一种新机器，例如，美国阿波罗飞船在没有重新设计和制作一件元件、零件的情况下，通过功能分解选用现有的元器件及零部件，用功能组合原理建造出世界第一艘阿波罗飞船，并取得了满意的结果。组合创新实质上是用现有的元器件去实现崭新的设计方案。由此可见，机器创新设计的内涵是十分广泛的。

归纳起来，机器创新设计的内容一般包括四个方面：

①机器工作原理的创新。采用新的工作原理，就可设计出崭新的机器。例如，采用石英晶体振荡的定时性原理，创造出新一代的计时器——石英手表；又如采用静电感应和激光原理创造出激光打印机并取代了机械式打字机。

②机器功能解的创新设计。这属于方案设计范畴，其中包括新功能的构思、功能分析和功能结构设计、功能的原理解创新、功能元的结构创新等，从机械方案设计角度看，核心部分还是机械运动方案的创新。把机械运动方案创新设计作为机器创新设计的重点是十分必要的。

③机械零部件的创新设计。机械方案确定以后，机械的构形设计阶段也有许多内容可以进行设计创新，例如，用新构形的零部件可以提高机器的工作性能、减小尺寸及重量；又如采用新材料可以提高零部件的强度、刚度和使用寿命等。

④工业艺术造型的创新设计。对机器的造型、色彩、面饰等进行创新设计可以增强机械产品的竞争力。产品的工业艺术造型设计得好，可令使用者爱不释手，同时也使机器的功能得到充分的体现。

机械创新设计的内容虽然主要包括四个方面，但是最关键的还是前两方面的创新设计，这属于机器方案创新设计范畴。

根据以上阐述内容，可以对机械创新设计定义如下：在机械设计过程中，对各个阶段的某些设计内容进行创造性设计，使之具有首创性、新颖性。

1.3.5　机械创新设计主要内容

机械是机器和机构的总称，因此机械创新设计主要包括机构创新设计和机器创新设计两大部分。

（1）机构创新设计

机构的功用是实现各种工艺动作。由于机械是机器和机构的总称，而机构又是机器中执行机械运动的主体，所以机械创新的实质内容是机构的创新。常见机构创新设计方法主要有：利用机构的组合、机构的演化与变异和运动链的再生原理进行创新设计。

（2）机器创新设计

机器创新设计的关键内容是进行机器运动方案的设计，也就是对机器中实现运动功能的机构系统方案进行创新设计。机器创新设计的基本内容包括机械产品需求分析、机器工作机理描述、机械产品设计过程模型和功能求解模型、工艺动作过程的构思与分解、机械运动方案的组成原理、机械运动方案设计的评价体系和评价方法以及机电一体化系统设计的基本原理。