機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中的思維方法

孔蓉

摘 要 提高大學(xué)生機構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新能力，掌握好創(chuàng)新思維方法非常重要。文章介紹了思維方式的概念，討論了典型機構(gòu)演化創(chuàng)新過程中所涉及的思維方法，有利于提高機械專業(yè)大學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，可供機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計教學(xué)參考。

關(guān)鍵詞 機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計 思維方式 創(chuàng)新能力

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計訓(xùn)練既是培養(yǎng)機械專業(yè)學(xué)生打好機器創(chuàng)新設(shè)計基礎(chǔ)的重要環(huán)節(jié)，又是提高學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的重要途徑。但在機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計教學(xué)中，過去只注重介紹具體方法，很少分析其后的思維方式，不利于增強大學(xué)生創(chuàng)新能力。本文擬通過討論機構(gòu)創(chuàng)新方法與思維方式的內(nèi)在關(guān)系，讓機械學(xué)科學(xué)生不僅掌握好機構(gòu)演變創(chuàng)新技能，而且能運用好創(chuàng)新思維，提高其創(chuàng)新能力。

1 思維方式的概念

思維方式是人們的理性認識方式，是人的各種思維要素及其綜合，按一定的方法和程序表現(xiàn)出來的、相對穩(wěn)定的定型化的思維樣式，即認識的發(fā)動、運行和轉(zhuǎn)換的內(nèi)在機制與過程。從信息科學(xué)意義上說，思維方式是（思維）主體從外界獲得信息，加工信息，從而形成新信息的途徑和方法。①

常用思維方式有：發(fā)散性思維、收斂性思維、形象思維、抽象思維、直覺思維、聯(lián)想思維、類比思維、逆向性思維、差異性思維等。②

近年新提出的創(chuàng)新性思維概念：它是一種打破傳統(tǒng)的封閉意識，更新觀念，提出標(biāo)新立異，獨樹一幟新觀念的思維模式。其實，以上各種思維方式中或多或少包含有一些創(chuàng)新思維的成分、要素，創(chuàng)新性思維將各種思維的創(chuàng)新要素匯集起來，突出追求“新穎”的實質(zhì)。

2 機構(gòu)創(chuàng)新和思維方式

機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計有很多具體演化變換方法和技能，如：機構(gòu)運動變換、運動副變換、機構(gòu)型變換、同性異形變換、機構(gòu)組合變換、機構(gòu)簡化變換、運動鏈再生變換原理、反求設(shè)計變換等。③這些方法與技能無疑能使學(xué)生了解各種實際機構(gòu)如何從基本機構(gòu)演變而來，并仿效其進行新型機構(gòu)的設(shè)計。但這是否就能真正提高學(xué)生創(chuàng)新能力？不妨先了解教材中介紹的機構(gòu)演化方法。例如：由四桿機構(gòu)演化成的正弦機構(gòu)和倍角機構(gòu)。

正弦機構(gòu)（圖1）是由曲柄滑塊機構(gòu)演變而成，其中：滑塊被丁字形導(dǎo)桿C取代，連桿演變成滑塊B，連桿與導(dǎo)桿（原滑塊）間的轉(zhuǎn)動副用滑塊B與丁字導(dǎo)桿C間的移動副替代。若曲柄取為單位長度，則該機構(gòu)中滑塊B垂直位移可用曲柄轉(zhuǎn)角正弦值表達。但是正弦機構(gòu)在演變過程中得益于什么樣的思維方式，教材中很少論及。

圖2 倍角機構(gòu)

再看倍角機構(gòu)（圖2），教學(xué)中往往只講該機構(gòu)是利用了幾何學(xué)中定理：圓周角等于同弧上圓心角的一半，于是曲柄中心O自然為圓心，搖桿中心C必固定在曲柄銷運動軌跡的圓周上。從而使學(xué)生認為倍角機構(gòu)只有兩個運動構(gòu)件，是三構(gòu)件機構(gòu)，它與四桿機構(gòu)沒有關(guān)系，導(dǎo)致學(xué)生思維僵化。

以上例子所涉及的機構(gòu)演變方法雖然可以開闊學(xué)生的眼界，得到一些創(chuàng)新思路的啟發(fā)，但還只能使學(xué)生思維局限在具體的機構(gòu)中進行一些模仿性的創(chuàng)新設(shè)計，難于取得在原理上不同于已有機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計。

2.1 機構(gòu)變換原理與發(fā)散—收斂思維方式

應(yīng)用機構(gòu)運動變換原理中的機架變換和主動件變換方法來創(chuàng)新機構(gòu)時，不同機架和主動件的選擇方式及分析其對機構(gòu)運動帶來的影響，就體現(xiàn)出設(shè)計者思維發(fā)散性和收斂性。

圖3 四桿機構(gòu)的機架變換法

采用發(fā)散思維可以對四桿機構(gòu)選擇不同的機架，變換成曲柄搖桿機構(gòu)（圖3a）、雙曲柄機構(gòu)（圖3b）和雙搖桿機構(gòu)（圖3c）。同樣，也可以將思維發(fā)散到考慮機構(gòu)運動副變換的情形。圖4就是擴大轉(zhuǎn)動副或者改變運動副形式所形成幾種演變機構(gòu)。其中，a～b是轉(zhuǎn)動副B的三種不同變換方式的機構(gòu)，實質(zhì)上三者都是曲柄搖桿機構(gòu)。d～f是轉(zhuǎn)動副D演化成的曲柄滑塊機構(gòu)?？梢姡l(fā)散思維越靈活，機構(gòu)創(chuàng)新的形式越豐富。

圖4 四桿機構(gòu)的運動副變換

2.2 構(gòu)件形態(tài)變換原理與變異性思維方式

變異性思維在機構(gòu)創(chuàng)新中也常采用。圖5a表示的正弦機構(gòu)，兩移動副的導(dǎo)軌相互垂直，其運動輸出件丁字架的行程是曲柄長度的兩倍（2r）。若把丁字架的垂直導(dǎo)軌改變角度或者改變形狀，運動會有什么變化？還能叫正弦機構(gòu)嗎？

圖5 正弦機構(gòu)中構(gòu)件形態(tài)變換創(chuàng)新

圖5b是使兩導(dǎo)軌夾角從直角變?yōu)?Z角，丁字架行程由2r增大為2r/sin%Z。圖5c是將垂直導(dǎo)軌變成圓弧形導(dǎo)軌，當(dāng)圓弧形導(dǎo)軌半徑取為r時，其丁字架作有停歇的往復(fù)直線運動，不再是正弦機構(gòu)了。這種構(gòu)件形態(tài)變換原理實質(zhì)上運用了變異性思維。

2.3 機構(gòu)同性異形變換與差異性思維方式

同性異形機構(gòu)是指運動性能相同而形態(tài)不同的一組機構(gòu)。同性指機構(gòu)的運動特性相同，自由度數(shù)相同，輸入、輸出構(gòu)件的運動規(guī)律相同。異形指機構(gòu)的組成結(jié)構(gòu)不同。同性異形變換就是根據(jù)原始機構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)變換，找到一組運動性能相同而組成結(jié)構(gòu)不同的機構(gòu)族。

同性異形機構(gòu)變換的典型例子——由雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu)演化成的十字滑塊聯(lián)軸節(jié)（圖6）和由雙搖桿機構(gòu)演化成的雙圓盤聯(lián)軸器（圖7）?？梢姸呓Y(jié)構(gòu)差異很大，但兩種聯(lián)軸器都能保證輸入軸和輸出軸在不同心的情況下保持相同的轉(zhuǎn)動關(guān)系。

圖6 雙轉(zhuǎn)塊型十字聯(lián)軸器

圖7 轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿型聯(lián)軸軸

該變換方法采用同中求異的思維方式，在運動規(guī)律相同的條件下，找出不同的結(jié)構(gòu)形式。創(chuàng)新者首先需要明確創(chuàng)新對象必須保持不變的要素是什么？可以改變的要素有哪些？然后應(yīng)用邏輯思維中的枚舉法和具體的機構(gòu)變換創(chuàng)新方法來逐一改變這些要素，比較新機構(gòu)與原機構(gòu)的差異，選擇滿足需要且在某方面（如強度、結(jié)構(gòu)簡潔性等）有最理想特性的新機構(gòu)。

圖2所示的三構(gòu)件倍角機構(gòu)就是通過同中求異思維將搖桿2與曲柄1之間的滑塊簡化而省去，并將滑塊處兩個低副用一個高副取代而成，其運動規(guī)律不變。同樣，圖5a所示三構(gòu)件正弦機構(gòu)也是運用同中求異的思維方式，由圖1的四構(gòu)件正弦機構(gòu)演變、簡化而成。

2.4 機構(gòu)移植創(chuàng)新變換與聯(lián)想思維方式

普通帶傳動成本低、運行平穩(wěn)、噪聲小，適于兩軸較遠距離的轉(zhuǎn)動。但它靠摩擦力傳遞運動和動力，難保證準(zhǔn)確的傳動比。而齒輪傳動的傳動比恒定，但遠距離傳動成本高。運用聯(lián)想思維方式將輪齒移植到帶上，創(chuàng)造出齒形同步帶。它與齒型帶輪構(gòu)成的傳動系統(tǒng)，兼有帶傳動和齒輪傳動的優(yōu)點，帶與帶輪間無相對滑動，保證了準(zhǔn)確的傳動比和較高的傳動效率。

2.5 機構(gòu)型變換與類比思維方式

以機構(gòu)的基本型為原始機構(gòu)，通過機構(gòu)型模擬變換、機構(gòu)型倒置擴展變換、機構(gòu)傳動原理的仿效等獲得新機構(gòu)的變換理論與方法，稱為機構(gòu)型變換原理。④該變換常采用類比思維方式。圖8所示的爬樓小車就是類比齒輪傳動原理，把階梯視為特殊齒條，將車輪設(shè)計成能與之嚙合的四齒狀滾輪，利用齒輪嚙合原理來實現(xiàn)爬樓功能。

2.6 機構(gòu)反求設(shè)計與逆向、創(chuàng)新思維方法

機構(gòu)反求設(shè)計是消化吸收先進技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計方法。它以現(xiàn)代設(shè)計理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運用各種專業(yè)人員的工程設(shè)計經(jīng)驗、知識和創(chuàng)新思維，對已有新產(chǎn)品進行解剖、挖潛和開拓，對已有技術(shù)或產(chǎn)品進行創(chuàng)造性再設(shè)計。它強調(diào)再設(shè)計、再創(chuàng)造，應(yīng)用它來開發(fā)新機構(gòu)是機構(gòu)創(chuàng)造發(fā)明的重要途徑。

反求設(shè)計的思維方式較復(fù)雜，為多種思維（下轉(zhuǎn)第138頁）（上接第129頁）方式的結(jié)合。首先，若不清楚已有先進產(chǎn)品或新技術(shù)的工作機理或技術(shù)的核心思想，就必須逆向思維，從產(chǎn)品的功能、用途、特性、材料、尺寸或技術(shù)特點出發(fā)，反向分析、推演出產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)和工作原理或技術(shù)的理論依據(jù)，對于機械類產(chǎn)品還應(yīng)繪出機構(gòu)圖進行相關(guān)的運動分析和動力學(xué)分析。對多種同類產(chǎn)品還需要對工作原理和核心技術(shù)進行比較，分析優(yōu)缺點，吸收長處。再綜合運用同中求異、發(fā)散與收斂等思維方式結(jié)合具體創(chuàng)新技能去重新改進設(shè)計原來產(chǎn)品，克服其不足，最后形成比原產(chǎn)品更好的產(chǎn)品或比原技術(shù)更加高級的技術(shù)。

3 結(jié)束語

創(chuàng)新的本質(zhì)是求變，求變的途徑是思維方式。機構(gòu)演變設(shè)計中蘊藏著各種思維方式，只有在機構(gòu)設(shè)計教學(xué)中重視和掌握好創(chuàng)新思維方式，才可能培養(yǎng)出有設(shè)計原創(chuàng)性新型機構(gòu)能力的學(xué)生，同時，還有助于他們將機構(gòu)創(chuàng)新思維方法移植到其他領(lǐng)域進行創(chuàng)新活動。