作者：闻邦椿
出版社：机械工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
机械设计手册 第6版 第7卷试读：
前言
本版手册为新出版的第6版七卷本《机械设计手册》。由于科学技术的快速发展，需要我们对手册内容进行更新，增加新的科技内容，以满足广大读者的迫切需要。《机械设计手册》自1991年面世发行以来，历经5次修订，截至2016年已累计发行38万套。作为国家级重点科技图书的《机械设计手册》，深受社会各界的重视和好评，在全国具有很大的影响力，该手册曾获得全国优秀科技图书奖二等奖（1995年）、机械工业部科技进步奖二等奖（1997年）、机械工业科学技术奖一等奖（2011年）、中国出版政府奖提名奖（2013年），并多次获得全国科技畅销书奖等奖项。1994年，《机械设计手册》曾在我国台湾建宏出版社出版发行，并在海内外产生了广泛的影响。《机械设计手册》荣获的一系列国家和部级奖项表明，其具有很高的科学价值、实用价值和文化价值。《机械设计手册》已成为机械设计领域的一部大型品牌工具书，已成为机械工程领域权威的和影响力较大的大型工具书，长期以来，它为我国装备制造业的发展做出了巨大贡献。
第5版《机械设计手册》出版发行至今已有7年时间，这期间我国国民经济有了很大发展，国家制定了《国家创新驱动发展战略纲要》，其中把创新驱动发展作为了国家的优先战略。因此，《机械设计手册》第6版修订工作的指导思想除努力贯彻“科学性、先进性、创新性、实用性、可靠性”外，更加突出了“创新性”，以全力配合我国“创新驱动发展战略”的重大需求，为实现我国建设创新型国家和科技强国梦做出贡献。
在本版手册的修订过程中，广泛调研了厂矿企业、设计院、科研院所和高等院校等多方面的使用情况和意见。对机械设计的基础内容、经典内容和传统内容，从取材、产品及其零部件的设计方法与计算流程、设计实例等多方面进行了深入系统的整合，同时，还全面总结了当前国内外机械设计的新理论、新方法、新材料、新工艺、新结构、新产品和新技术，特别是在现代设计与创新设计理论与方法、机电一体化及机械系统控制技术等方面做了系统和全面的论述和凝练。相信本版手册会以崭新的面貌展现在广大读者面前，它将对提高我国机械产品的设计水平、推进新产品的研究与开发、老产品的改造，以及产品的引进、消化、吸收和再创新，进而促进我国由制造大国向制造强国跃升，发挥出巨大的作用。
本版手册分为7卷55篇：第1卷 机械设计基础资料；第2卷 机械零部件设计（连接、紧固与传动）；第3卷 机械零部件设计（轴系、支承与其他）；第4卷 流体传动与控制；第5卷 机电一体化与控制技术；第6卷 现代设计与创新设计（一）；第7卷 现代设计与创新设计（二）。
本版手册有以下七大特点：
一、构建新体系
构建了科学、先进、实用、适应现代机械设计创新潮流的《机械设计手册》新结构体系。该体系层次为：机械基础、常规设计、机电一体化设计与控制技术、现代设计与创新设计方法。该体系的特点是：常规设计方法与现代设计方法互相融合，光、机、电设计融为一体，局部的零部件设计与系统化设计互相衔接，并努力将创新设计的理念贯穿于常规设计与现代设计之中。
二、凸显创新性
习近平总书记在2014年6月和2016年5月召开的中国科学院、中国工程院两院院士大会上分别提出了我国科技发展的方向就是“创新、创新、再创新”，以及实现创新型国家和科技强国的三个阶段的目标和五项具体工作。为了配合我国创新驱动发展战略的重大需求，本版手册突出了机械创新设计内容的编写，主要有以下几个方面：（1）新增第7卷，重点介绍了创新设计及与创新设计有关的内容。
该卷主要内容有：机械创新设计概论，创新设计方法论，顶层设计原理、方法与应用，创新原理、思维、方法与应用，绿色设计与和谐设计，智能设计，仿生机械设计，互联网上的合作设计，工业通信网络，面向机械工程领域的大数据、云计算与物联网技术，3D打印设计与制造技术，系统化设计理论与方法。（2）在一些篇章编入了创新设计和多种典型机械创新设计的内容。“第11篇 机构设计”篇新增加了“机构创新设计”一章，该章编入了机构创新设计的原理、方法及飞剪机剪切机构创新设计，大型空间折展机构创新设计等多个创新设计的案例。典型机械的创新设计有大型全断面掘进机（盾构机）仿真分析与数字化设计、机器人挖掘机的机电一体化创新设计、节能抽油机的创新设计、产品包装生产线的机构方案创新设计等。（3）编入了一大批典型的创新机械产品。“机械无级变速器”一章中编入了新型金属带式无级变速器，“并联机构的设计与应用”一章中编入了数十个新型的并联机床产品，“振动的利用”一章中新编入了激振器偏移式自同步振动筛、惯性共振式振动筛、振动压路机等十多个典型的创新机械产品。这些产品有的获得了国家或省部级奖励，有的是专利产品。（4）编入了机械设计理论和设计方法论等方面的创新研究成果。
1）闻邦椿院士团队经过长期研究，在国际上首先创建了振动利用工程学科，提出了该类机械设计理论和方法。本版手册中编入了相关内容和实例。
2）根据多年的研究，提出了以非线性动力学理论为基础的深层次的动态设计理论与方法。本版手册首次编入了该方法并列举了若干应用范例。
3）首先提出了和谐设计的新概念和新内容，阐明了自然环境、社会环境（政治环境、 经济环境、人文环境、国际环境、国内环境）、技术环境、资金环境、法律环境下的产品和谐设计的概念和内容的新体系，把既有的绿色设计篇拓展为绿色设计与和谐设计篇。
4）全面系统地阐述了产品系统化设计的理论和方法，提出了产品设计的总体目标、广义目标和技术目标的内涵，提出了应该用IQCTES六项设计要求来代替QCTES五项要求，详细阐明了设计的四个理想步骤，即“3I调研”“7D规划”“1+3+X实施”“5（A+C）检验”，明确提出了产品系统化设计的基本内容是主辅功能、三大性能和特殊性能要求的具体实现。
5）本版手册引入了闻邦椿院士经过长期实践总结出的独特的、科学的创新设计方法论体系和规则，用来指导产品设计，并提出了创新设计方法论的运用可向智能化方向发展，即采用专家系统来完成。
三、坚持科学性
手册的科学水平是评价手册编写质量的重要方面，因此，本版手册特别强调突出内容的科学性。（1）本版手册努力贯彻科学发展观及科学方法论的指导思想和方法，并将其落实到手册内容的编写中，特别是在产品设计理论方法的和谐设计、深层次设计及系统化设计的编写中。（2）本版手册中的许多内容是编著者多年研究成果的科学总结。这些内容中有不少是国家863、973计划项目，国家科研重大专项，国家自然科学基金重大、重点和面上项目资助项目的研究成果，有不少成果曾获得国际、国家、部委、省市科技奖励及技术专利，充分体现了本版手册内容的重大科学价值与创新性。
下面简要介绍本版手册编入的几方面的重要研究成果：
1）振动利用工程新学科是闻邦椿院士团队经过长期研究在国际上首先创建的。本版手册中编入了振动利用机械的设计理论、方法和范例。
2）产品系统化设计理论与方法的体系和内容是闻邦椿院士团队提出并加以完善的，编写者依据多年的研究成果和系列专著，经综合整理后首次编入本版手册。
3）仿生机械设计是一门新兴的综合性交叉学科，近年来得到了快速发展，它为机械设计的创新提供了新思路、新理论和新方法。吉林大学任露泉院士领导的工程仿生教育部重点实验室开展了大量的深入研究工作，取得了一系列创新成果且出版了专著，据此并结合国内外大量较新的文献资料，为本版手册构建了仿生机械设计的新体系，编写了“仿生机械设计”篇（第50篇）。
4）激光及其在机械工程中的应用篇是中国科学院长春光学精密机械与物理研究所王立军院士依据多年的研究成果，并参考国内外大量较新的文献资料编写而成的。
5）绿色制造工程是国家确立的五项重大工程之一，绿色设计是绿色制造工程的最重要环节，是一个新的学科。合肥工业大学刘志峰教授依据在绿色设计方面获多项国家和省部级奖励的研究成果，参考国内外大量较新的文献资料为本版手册首次构建了绿色设计新体系，编写了“绿色设计与和谐设计”篇（第48篇）。
6）微机电系统及设计是前沿的新技术。东南大学黄庆安教授领导的微电子机械系统教育部重点实验室多年来开展了大量研究工作，取得了一系列创新研究成果，本版手册的“微机电系统及设计”篇（第28篇）就是依据这些成果和国内外大量较新的文献资料编写而成的。
四、重视先进性（1）本版手册对机械基础设计和常规设计的内容做了大规模全面修订，编入了大量新标准、新材料、新结构、新工艺、新产品、新技术、新设计理论和计算方法等。
1）编入和更新了产品设计中需要的大量国家标准，仅机械工程材料篇就更新了标准126个，如GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》和GB/T 3077—2015《合金结构钢》等。
2）在新材料方面，充实并完善了铝及铝合金、钛及钛合金、镁及镁合金等内容。这些材料由于具有优良的力学性能、物理性能以及回收率高等优点，目前广泛应用于航空、航天、高铁、计算机、通信元件、电子产品、纺织和印刷等行业。增加了国内外粉末冶金材料的新品种，如美国、德国和日本等国家的各种粉末冶金材料。充实了国内外工程塑料及复合材料的新品种。
3）新编的“机械零部件结构设计”篇（第4篇），依据11个结构设计方面的基本要求，编写了相应的内容，并编入了结构设计的评估体系和减速器结构设计、滚动轴承部件结构设计的示例。
4）按照GB/T 3480.1～3—2013（报批稿）、GB/T 10062.1～3—2003及ISO 6336—2006等新标准，重新构建了更加完善的渐开线圆柱齿轮传动和锥齿轮传动的设计计算新体系；按照初步确定尺寸的简化计算、简化疲劳强度校核计算、一般疲劳强度校核计算，编排了三种设计计算方法，以满足不同场合、不同要求的齿轮设计。
5）在“第4卷 流体传动与控制”卷中，编入了一大批国内外知名品牌的新标准、新结构、新产品、新技术和新设计计算方法。在“液力传动”篇（第23篇）中新增加了液黏传动，它是一种新型的液力传动。（2）“第5卷 机电一体化与控制技术”卷充实了智能控制及专家系统的内容，大篇幅增加了机器人与机器人装备的内容。
机器人是机电一体化特征最为显著的现代机械系统，机器人技术是智能制造的关键技术。由于智能制造的迅速发展，近年来机器人产业呈现出高速发展的态势。为此，本版手册大篇幅增加了“机器人与机器人装备”篇（第26篇）的内容。该篇从实用性的角度，编写了串联机器人、并联机器人、轮式机器人、机器人工装夹具及变位机；编入了机器人的驱动、控制、传感、视角和人工智能等共性技术；结合喷涂、搬运、电焊、冲压及压铸等工艺，介绍了机器人的典型应用实例；介绍了服务机器人技术的新进展。（3）为了配合我国创新驱动战略的重大需求，本版手册扩大了创新设计的篇数，将原第6卷扩编为两卷，即新的“现代设计与创新设计（一）”（第6卷）和“现代设计与创新设计（二）”（第7卷）。前者保留了原第6卷的主要内容，后者编入了创新设计和与创新设计有关的内容及一些前沿的技术内容。
本版手册“现代设计与创新设计（一）”卷（第6卷）的重点内容和新增内容主要有：
1）在“现代设计理论与方法综述”篇（第32篇）中，简要介绍了机械制造技术发展总趋势、在国际上有影响的主要设计理论与方法、产品研究与开发的一般过程和关键技术、现代设计理论的发展和根据不同的设计目标对设计理论与方法的选用。闻邦椿院士在国内外首次按照系统工程原理，对产品的现代设计方法做了科学分类，克服了目前产品设计方法的论述缺乏系统性的不足。
2）新编了“数字化设计”篇（第40篇）。数字化设计是智能制造的重要手段，并呈现应用日益广泛、发展更加深刻的趋势。本篇编入了数字化技术及其相关技术、计算机图形学基础、产品的数字化建模、数字化仿真与分析、逆向工程与快速原型制造、协同设计、虚拟设计等内容，并编入了大型全断面掘进机（盾构机）的数字化仿真分析和数字化设计、摩托车逆向工程设计等多个实例。
3）新编了“试验优化设计”篇（第41篇）。试验是保证产品性能与质量的重要手段。本篇以新的视觉优化设计构建了试验设计的新体系、全新内容，主要包括正交试验、试验干扰控制、正交试验的结果分析、稳健试验设计、广义试验设计、回归设计、混料回归设计、试验优化分析及试验优化设计常用软件等。
4）将手册第5版的“造型设计与人机工程”篇改编为“工业设计与人机工程”篇（第42篇），引入了工业设计的相关理论及新的理念，主要有品牌设计与产品识别系统（PIS）设计、通用设计、交互设计、系统设计、服务设计等，并编入了机器人的产品系统设计分析及自行车的人机系统设计等典型案例。（4）“现代设计与创新设计（二）”卷（第7卷）主要编入了创新设计和与创新设计有关的内容及一些前沿技术内容，其重点内容和新编内容有：
1）新编了“机械创新设计概论”篇（第44篇）。该篇主要编入了创新是我国科技和经济发展的重要战略、创新设计的发展与现状、创新设计的指导思想与目标、创新设计的内容与方法、创新设计的未来发展战略、创新设计方法论的体系和规则等。
2）新编了“创新设计方法论”篇（第45篇）。该篇为创新设计提供了正确的指导思想和方法，主要编入了创新设计方法论的体系、规则，创新设计的目的、要求、内容、步骤、程序及科学方法，创新设计工作者或团队的四项潜能，创新设计客观因素的影响及动态因素的作用，用科学哲学思想来统领创新设计工作，创新设计方法论的应用，创新设计方法论应用的智能化及专家系统，创新设计的关键因素及制约的因素分析等内容。
3）创新设计是提高机械产品竞争力的重要手段和方法，大力发展创新设计对我国国民经济发展具有重要的战略意义。为此，编写了“创新原理、思维、方法与应用”篇（第47篇）。除编入了创新思维、原理和方法，创新设计的基本理论和创新的系统化设计方法外，还编入了29种创新思维方法、30种创新技术、40种发明创造原理，列举了大量的应用范例，为引领机械创新设计做出了示范。
4）绿色设计是实现低资源消耗、低环境污染、低碳经济的保护环境和资源合理利用的重要技术政策。本版手册中编入了“绿色设计与和谐设计”篇（第48篇）。该篇系统地论述了绿色设计的概念、理论、方法及其关键技术。编者结合多年的研究实践，并参考了大量的国内外文献及较新的研究成果，首次构建了系统实用的绿色设计的完整体系，包括绿色材料选择、拆卸回收产品设计、包装设计、节能设计、绿色设计体系与评估方法，并给出了系列典型范例，这些对推动工程绿色设计的普遍实施具有重要的指引和示范作用。
5）仿生机械设计是一门新兴的综合性交叉学科，本版手册新编入了“仿生机械设计”篇（第50篇），包括仿生机械设计的原理、方法、步骤，仿生机械设计的生物模本，仿生机械形态与结构设计，仿生机械运动学设计，仿生机构设计，并结合仿生行走、飞行、游走、运动及生机电仿生手臂，编入了多个仿生机械设计范例。
6）第55篇为“系统化设计理论与方法”篇。装备制造机械产品的大型化、复杂化、信息化程度越来越高，对设计方法的科学性、全面性、深刻性、系统性提出的要求也越来越高，为了满足我国制造强国的重大需要，亟待创建一种能统领产品设计全局的先进设计方法。该方法已经在我国许多重要机械产品（如动车、大型离心压缩机等）中成功应用，并获得重大的社会效益和经济效益。本版手册对该系统化设计方法做了系统论述并给出了大型综合应用实例，相信该系统化设计方法对我国大型、复杂、现代化机械产品的设计具有重要的指导和示范作用。
7）本版手册第7卷还编入了与创新设计有关的其他多篇现代化设计方法及前沿新技术，包括顶层设计原理、方法与应用，智能设计，互联网上的合作设计，工业通信网络，面向机械工程领域的大数据、云计算与物联网技术，3D打印设计与制造技术等。
五、突出实用性
为了方便产品设计者使用和参考，本版手册对每种机械零部件和产品均给出了具体应用，并给出了选用方法或设计方法、设计步骤及应用范例，有的给出了零部件的生产企业，以加强实际设计的指导和应用。本版手册的编排尽量采用表格化、框图化等形式来表达产品设计所需要的内容和资料，使其更加简明、便查；对各种标准采用摘编、数据合并、改排和格式统一等方法进行改编，使其更为规范和便于读者使用。
六、保证可靠性
编入本版手册的资料尽可能取自原始资料，重要的资料均注明来源，以保证其可靠性。所有数据、公式、图表力求准确可靠，方法、工艺、技术力求成熟。所有材料、零部件、产品和工艺标准均采用新公布的标准资料，并且在编入时做到认真核对以避免差错。所有计算公式、计算参数和计算方法都经过长期检验，各种算例、设计实例均来自工程实际，并经过认真的计算，以确保可靠。本版手册编入的各种通用的及标准化的产品均说明其特点及适用情况，并注明生产厂家，供设计人员全面了解情况后选用。
七、保证高质量和权威性
本版手册主编单位东北大学是国家211、985重点大学、“重大机械关键设计制造共性技术”985创新平台建设单位、2011国家钢铁共性技术协同创新中心建设单位，建有“机械设计及理论国家重点学科”和“机械工程一级学科”。由东北大学机械及相关学科的老教授、老专家和中青年学术精英组成了实力强大的大型工具书编写团队骨干，以及一批来自国家重点高校、研究院所、大型企业等30多个单位、近200位专家、学者组成了高水平编审团队。编审团队成员的大多数都是所在领域的著名资深专家，他们具有深广的理论基础、丰富的机械设计工作经历、丰富的工具书编篡经验和执着的敬业精神，从而确保了本版手册的高质量和权威性。
在本版手册编写中，为便于协调，提高质量，加快编写进度，编审人员以东北大学的教师为主，并组织邀请了清华大学、上海交通大学、西安交通大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、天津大学、华中科技大学、北京科技大学、大连理工大学、东南大学、同济大学、重庆大学、北京化工大学、南京航空航天大学、上海师范大学、合肥工业大学、大连交通大学、长安大学、西安建筑科技大学、沈阳工业大学、沈阳航空航天大学、沈阳建筑大学、沈阳理工大学、沈阳化工大学、重庆理工大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学院沈阳自动化研究所等单位的专家、学者参加。
在本版手册出版之际，特向著名机械专家、本手册创始人、第1版及第2版的主编徐灏教授致以崇高的敬意，向历次版本副主编邱宣怀教授、蔡春源教授、严隽琪教授、林忠钦教授、余俊教授、汪恺总工程师、周士昌教授致以崇高的敬意，向参加本手册历次版本的编写单位和人员表示衷心感谢，向在本手册历次版本的编写、出版过程中给予大力支持的单位和社会各界朋友们表示衷心感谢，特别感谢机械科学研究总院、郑州机械研究所、徐州工程机械集团公司、北方重工集团沈阳重型机械集团有限责任公司和沈阳矿山机械集团有限责任公司、沈阳机床集团有限责任公司、沈阳鼓风机集团有限责任公司及辽宁省标准研究院等单位的大力支持。
由于编者水平有限，手册中难免有一些不尽如人意之处，殷切希望广大读者批评指正。主编 闻邦椿第44篇 机械创新设计概论
主 编 闻邦椿
编写人 闻邦椿 宋桂秋
审稿人 雒建斌第1章 概述1 创新是我国科技和经济发展的重要战略
创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力，是中华民族最深沉的民族禀赋，也是提高社会生产力和综合国力的战略支撑。《国家创新驱动发展战略纲要》把创新驱动发展作为国家的优先战略，以科技创新为核心带动全面创新，以体制机制改革激发创新活力，以高效率的创新体系支撑高水平的创新型国家建设，推动经济社会发展动力根本转换，为实现中华民族伟大复兴的中国梦提供强大动力。该纲要确定了三步走的战略目标：
第一步，到2020年进入创新型国家行列，基本建成中国特色国家创新体系，有力支撑全面建成小康社会目标的实现。
第二步，到2030年跻身创新型国家前列，发展驱动力实现根本转换，经济社会发展水平和国际竞争力大幅提升，为建成经济强国和共同富裕社会奠定坚实基础。
第三步，到2050年建成世界科技创新强国，成为世界主要科学中心和创新高地，为我国建成富强民主文明和谐的社会主义现代化国家、实现中华民族伟大复兴的中国梦提供强大支撑。
在2010年6月召开的两院院士大会上，胡锦涛同志就实现创新驱动发展对两院院士和全国科技工作者提出六点希望：
1）坚持勇于创新，积极引领科技加快发展。实现创新驱动发展，最根本的是要依靠科技的力量，关键的是要大幅提高自主创新能力，要不断取得基础性、战略性、原创性的重大成果。
2）坚持服务发展，积极推动科技与经济紧密结合。实现创新驱动发展，最关键的是要促进科技与经济紧密结合，既要找准创新创业主攻方向，又要把科技成果迅速转化为现实生产力。
3）坚持创新为民，积极促进科技成果造福人民。实现创新驱动发展，必须坚持要把以人为本的思想贯穿科技工作始终。让广大人民群众共享创新创业成果，让广大人民生活得更健康、更舒适、更安全、更幸福。
4）坚持锐意改革，积极推动科技发展体制机制创新。实现创新驱动发展，必须建立健全科学合理、富有活力、更有效率的国家创新体系。
5）积极培养与提携优秀青年才俊。实现创新驱动发展，人才为本。要善于发现青年人才，积极培养青年人才，大力提携青年人才，营造多出成果、多出人才的学术环境。
6）坚持建言献策，积极发挥决策咨询的重要作用。实现创新驱动发展，需要科学决策，科学决策需要科学咨询。
在2014年6月召开的两院院士大会上，习近平同志强调，我国科技发展的方向就是创新、创新、再创新。实现创新驱动发展战略，最根本的是要增强自主创新能力，最紧迫的是要破除体制机制障碍，最大限度解放和激发科技作为第一生产力所蕴藏的巨大潜能。要坚定不移地走中国特色自主创新道路，坚持自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来的方针，加快创新型国家的建设步伐。
在2016年5月30日召开的两院院士大会上，习近平同志强调，科技兴则民族兴，科技强则国家强。我们要在我国发展新的起点上，把科技创新摆在更加重要的位置，吹响建设世界科技强国的号角，实现“两个一百年”奋斗目标。实现中华民族伟大复兴的中国梦，必须坚持走中国特色自主创新的道路，面向世界科技前沿，面向经济主战场，面向国家重大需求，加快各领域科技创新，掌握全球科技竞争先机。
努力贯彻和执行创新的有关方针和政策，促进其进一步发展，这是人类文明进步和时代变化的要求，是我国实施创新驱动发展战略的必然需求，是使我国制造业实现中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变的要求，也是把握全球新产业革命机遇的迫切要求。同时，要坚持“以人为本、重点突破、开放融合、支撑引领”的原则，促进绿色低碳、网络智能、全球共创分享、实现可持续发展，探索我国自主创新发展之路，坚定不移地为实现中华民族伟大复兴的中国梦做出努力。2 创新设计的概念和基本内涵
创新设计是指在创意、创造和创新思想的指导下所进行的设计工作，它是创造性活动的先导和准备，涵盖了科学技术创新、文化艺术创新、服务创新、管理和体制创新及产业模式创新等各种创新。创新设计的任务应该包括任何一种设计工作，即产品设计、工艺设计、流程设计、工业设计（造型设计）、建筑设计、工程项目设计、服务设计和商业设计等。创新设计是为国家和社会的物质文明和精神文明的建设而服务的，只有在广泛应用先进科学技术及科学方法的条件下，在完成设计任务时采用多个学科的理论和方法，并在相互交叉和融合的情况下才能很好地完成设计任务。
创新这一概念是由美籍奥地利经济学家约瑟夫·阿罗斯·熊比特（Joseph Alois Schumpeter）首先提出的，在其1912年出版的德文版《经济发展理论》一书中，他首次提出了创新（innovation）一词。他将创新定义为新的生产函数的建立，也就是把一种从来没有过的生产要素和生产条件的新组合引入生产体系。创新包括技术创新和组织管理创新。
人类社会的发展经历了农耕时代、老工业化时代、新工业化时代、信息时代和信息网络时代，设计也随着时代的发展而不断发展，人们可以人为地将设计定义为早期的设计1.0、工业化时代的设计2.0、信息网络时代的设计3.0及智能制造时代的设计4.0。根据时代的特点，可以把设计工作分为传统设计、新工业化时代的设计和现代创新设计三个阶段。现代创新设计是随时代不断发展而产生的一种创新设计模式。3 创新设计的特点
创新设计是现代设计方法中最典型的和最有发展前景的一种设计方法，属于现代设计的范畴，创新设计的特点见表44.1-1。表44.1-1 创新设计的特点
一百多年来，设计工作者和研究工作者为了更好地做好设计工作，曾提出了80余种设计方法，这些方法可以分为设计思想类、设计目标类、设计环境类、设计程序类、设计内容类、设计方法类、设计质量检验类和综合类等。这些设计方法无论从创新设计的思想上，还是方法步骤上都各具特色。针对某项具体的设计工作，采用单一方法完成好设计工作是十分困难的，因此利用系统化设计、基于系统工程的综合设计理论和方法、多学科交叉融合设计是解决设计问题的主要方法，也是创新设计的突出特点。4 创新设计的发展与现状4.1 创新设计的发展历程
人类的神奇力量，是来自于人类的头脑所独有的创新思维能力。马克思说：“自然界没有创造出任何机器，没有制造出机床、铁路、电报、走锭精纺机等。它们是人类劳动的产物，是变成了人类意志驾驭自然的器官或人类在自然界活动的器官的自然物质，是物化的知识力量。”因此，推动人类发展的原动力是人类大脑因自然因素与内在需求相结合而产生高度复杂的自然物质之中的创新思维与创新能力。
人类与其他动物最本质的区别是能够思维和创造，人类在劳动中设计创造了工具，创造了物质文明和多样文化并不断进化发展。设计创造，尤其是工具装备的设计创造是信息知识和技术创意转化为生产力的关键环节，在人类进入文明时期，特别是在生产力和经济形态发展进化中发挥着基础和关键的作用。工具装备的创新和资源利用方式的进步，推动了人类从农耕自然经济经过工业经济向知识网络经济的进化。
人类文明史就是一部人类生生不息的创新发展史，设计创新正是人类文明不断进步的原动力。
中国古代文明以及中华民族五千年文明史的形成和连续发展，充分证明了中华民族是一个充满智慧、富有创新的民族。中国为人类贡献了许多重大发明，在相当长的历史时期里，引领了世界技术创新的潮流。英国学者坦普尔评价道，现代社会赖以建立的基本的发明创造，可能有一半以上来自中国。对于欧洲来说，无论是地理大发现、文艺复兴，还是走出中世纪进入现代社会，中国古代的发明都起着至关重要的作用。但是，中国没有成为近代科学的故乡。从15世纪开始，欧洲先后进入了蒸汽时代、电气时代，中国落后了。1840年，英国完成了产业革命，中国却爆发了鸦片战争，中国输掉战争的根本原因是以传统农业、手工业为基础的落后生产力同以现代技术为基础的生产力之间的较量。近代中国落后的原因见表44.1-2。表44.1-2 近代中国落后的原因
近代以来，西方列强通过文艺复兴和启蒙运动等思想运动，使人们从封建专制和神学统治中解放出来，为创新、为人类智慧和才能的发展铺平了道路。创新不仅作为第一生产力创造出巨大的物质财富，而且也带来科技产业、社会经济运行方式和社会体制的巨大变革。20世纪初，全球社会生产力的发展中只有5%是依靠技术创新取得的。美国从1929年到1978年的50年中，生产增长率的40%是依靠技术创新取得的。而到目前，发达国家中的这一比例高达70%～80%。
近年来，由于大量创新设计成果的不断涌现，科学技术得到极大的发展，世界经济运行方式也随着发生了根本的变化。人们在通信、计算机、网络、生物、材料和电子工程等领域中，创造出过去不可想象的新产品、新工艺、新系统和新行业。2000年，全球的信息产业超过了石油工业，成为全球第一大产业。另一方面，在知识经济形态中，知识存量的改变加快，社会需求更加趋于多样化，技术更新速度加快，高新技术产品的寿命周期更短，企业之间乃至国家之间的竞争更加激烈。在这种情况下，企业竞争力完全取决于其创新能力的大小，人们清楚地认识到，国家的经济发展不仅取决于自然资源、资本和劳动力等有形资源，更要依赖于知识和创新等无形资源。
总之，纵观人类的进步史和中华民族的发展史，生机勃勃的发展时期总是充满着人文科学和科学技术的创新，发展和进步总是伴随着创新而存在。农耕时代的设计和手工业制造，适应了农业自然经济的需求，创造发展了农耕文明。工业时代的设计发明和创造，引发了第一、第二次工业革命，实现了生产力的大飞跃，创造了现代工业文明。今天和未来的设计创新，将导致网络化、智能化、绿色、低碳和可持续发展。设计创新推动社会文明进步，设计是制造服务的先导和关键环节，设计不仅推动着生产和生活方式的变革，还承载反映了社会精神文明进化水平。设计创新创造美好生活，设计创新创造美好未来。探究创新设计的历史，对于认知创新设计的发展规律，展望未来，提升我国设计创新的能力，实施创新驱动发展战略，促进从制造大国向制造强国跨越，建设创新型国家有着十分重要的意义。创新是一个国家国民经济可持续发展的基石，拥有持续的创新能力，就具备了发展知识经济的巨大潜力。4.2 创新设计的国内外发展现状4.2.1 国外创新设计发展现状
建设创新型国家已经成为发达国家的重大发展战略。欧盟围绕着增强欧洲整体创新能力实施了一系列重大战略决策及政策举措。2011年，欧盟成立了领导力委员会，制定了面向未来创新设计的《欧洲非技术性创新与用户创新联合计划》，并颁布了《为发展和繁荣而设计》纲要。纲要明确提出了未来20年间欧盟在设计创新领域面临的三大挑战：①如何有效地在全球化视野下深度定位和发展欧洲创新设计战略；②如何将创新设计融入欧洲合作开发的创新体系造福企业、公共部门和全社会；③如何提供足够的公共资金来提高欧洲公民设计素质，建立欧洲设计竞争力评价和提升体系。国外创新设计现状见表44.1-3。4.2.2 我国创新设计发展现状
我国目前正处于工业化的中后期，面临着发达国家重振实体经济和新兴发展中国家低成本竞争的双重挑战，处于发展方式转型、产业结构调整、资源环境匮乏、迎接新产业革命挑战的关键时期，也必将迈入以创新设计提升竞争力，创新驱动发展的新阶段。我国设计事业正处于设计2.0向设计3.0的过渡阶段，也必将逐步融入全球创新发展的浪潮，形成区域集聚发展、产业特色鲜明的特征。我国创新设计发展态势正在形成，基于工业设计的创意园区逐步拓展到基于创新设计的创新生态园区，发展为“产、学、研、媒、用、金”相结合的创新平台。我国创新设计现状见表44.1-4。表44.1-3 国外创新设计现状表44.1-4 我国创新设计现状（续）5 创新设计发展的智能化
面向全球知识网络时代，创新设计作为一种具有创意的集成创新与创造活动，既是科技成果转化为现实生产力的关键环节，也是在支撑和引领新一轮产业革命。创新设计要有创新思维，还要运用好创新的原理和创新的技法。创新有其基本原理和理想方法，这些原理和方法体现了创新过程中的一些内在规律和创新的基本法则。按照这些规律和法则去从事创新活动，就容易取得成功。
创新设计正在向智能化方向发展。目前，在各个领域已广泛应用了专家系统，专家系统是创新设计向智能化方向发展的具体形式之一。专家系统是20世纪后半期开始研究和发展起来的一种新的具有重大实际应用价值的技术，它能给企业部门带来良好的经济效益。专家系统能够高效、准确、周到、迅速和不知疲倦地工作，几乎所有的专家系统都至少将人的工作效率提高10倍，甚至数百倍。专家系统就是一种在特定领域内具有专家解决问题能力的程序系统。专家系统覆盖了计算机应用的许多领域，按其所完成任务的性质和特征，可以分为解释专家系统、预测专家系统、设计专家系统、规划专家系统、诊断专家系统、控制专家系统、决策专家系统和咨询专家系统等几类。第2章 创新设计的指导思想与目标1 创新设计的指导思想
创新设计的实施需要正确的指导思想，创新设计首先要从国家和广大人民的利益出发，用科学发展观的思想作指导。科学发展观属于现代科技哲学，其核心内容就是坚持以人为本，即从人民的利益出发，同时基于发展的思想和创新的理念，指导我们的各项创新工作。创新设计应重视研究创新创造遵循的内在规律，实现科学技术创新、文化艺术创新、服务创新、管理和体制创新及产业模式创新等各种创新。有了创新，才有发展，有了创造，才能前进，才能取得全面、稳定、协调和可持续的发展。
以科学发展观的思想指导创新设计工作，是做好创新设计的基础。创新设计具有以人为本、全面性与系统性、实践性与科学性、继承性与创新性、协调性与稳定性和可持续性与长期性几方面特点，与国家提出的创新、协调、绿色、开放和共享的要求相一致。缺乏科学的哲学思想做指导，创新工作将难以全面地、系统地、科学地、创造性地、和谐地、可持续地开展。
众所周知，几年前我国发生过一桩轰动全国的奶制品污染事件。某公司为了获取经济利益而无视儿童生命安全，在奶粉中加入了三聚氰胺，许多婴幼儿在食用这种奶粉之后被发现患有肾结石，甚至患病致死。这种为了局部利益而不顾整个社会利益的行为，对整个社会的发展造成了严重的影响和难以估量的重大损失。由此充分说明，正确的指导思想对于我们工作的重要性。
再如，十多年前国家曾下令关闭了淮河流域的数百个小型造纸厂，原因是这些小型造纸厂无视环境保护法规，将生产过程中的污水排入淮河，不仅使淮河流域的鱼类等灭绝，还对当地百姓的饮水造成威胁。从本企业的利益看，这些企业的存在可以解决职工的生活问题，但从国家和全国人民的利益以及全人类长远利益来看，不应该让这些企业继续存在下去，也就是当企业的利益和国家及人民利益相矛盾时，首先要服从国家和人民的利益，这是衡量创新设计是否正确的准则。
某些资本主义国家过分提倡自由经济的经营模式，而没有突出国家利益、人民利益及全人类的利益，没有将国家、人民和全人类的利益放在首要位置，导致了全球金融危机和经济危机的发生，这些国家对金融资本管理的软弱无力和缺乏应有的严格管理制度是导致2008年国际金融危机发生的根本原因。
总之，有少数的企事业单位和个人，为一己之利，不顾国家、人民和社会整体的利益，采取了一些不正确的手段和做法，违反了国家可持续发展的基本原则。因此，创新设计必须坚持正确的指导思想，创新设计工作才能沿着正确的方向前进。2 创新设计的目标
创新设计的目标包括创新设计的总体目标、广义目标和技术目标。2.1 创新设计的总体目标和广义目标
创新设计的总体目标和广义目标的具体内容见表44.2-1。表44.2-1 创新设计的总体目标和广义目标的具体内容（续）2.2 创新设计的技术目标
创新设计的技术目标与其他设计的目标相同，且十分明确和具体，就是产品的功能与性能。功能包括了主功能和辅助功能；性能包括了三大性能，即结构性能、使用性能、制造性能以及特殊性能。面向产品功能与三大性能的1+3+X系统化设计内容如图44.2-1所示。图44.2-1 面向产品功能与三大性能的1+3+X系统化设计内容
目前在有关文献中对机械产品性能有较多的叙述，但缺乏全面、系统的归纳和分类。机械产品的综合性能大体包括以下三大方面的24项具体内容（见图44.2-2），可以称它为24性。
为了更好地理解产品的功能和性能，人们常常把功能划分为主功能和辅助功能，而将性能划分为三大性能，即结构性能、使用性能和制造性能。把功能与性能作详细地区分和阐述有利于设计者对设计目标加以全面和系统的了解和掌握。产品的功能和性能的具体描述见表44.2-2。图44.2-2 机械产品的综合性能表44.2-2 产品的功能和性能的具体描述第3章 创新设计的任务、内容与方法1 创新设计的任务
现代创新设计的具体任务包括产品设计、流程设计、工艺设计、工程设计、建筑设计、服务设计和商业设计等。现代创新设计具体任务的详细说明见表44.3-1。表44.3-1 现代创新设计具体任务的详细说明2 创新设计的基本内容
创新设计应包含的基本内容见表44.3-2。
创新设计所涉及的内容十分广泛，同时也是一项非常复杂的任务，一项设计常常同时包含上述多项内容。表44.3-2 创新设计应包含的基本内容（续）3 创新设计的方法3.1 创新设计应采取的科学技术与方法
要使创新设计取得好的效果，必须广泛采用现代科学技术的成就与具体的方法，见表44.3-3。
为了做好创新设计，要做好以下五项工作：
1）应用科学方法论的体系和规则。
2）将科学方法论的应用引向智能化。
3）具备创新思维，掌握其原理和方法。
4）制订创新设计规划并科学地系统化实施。
5）创造适合于创新设计的良好环境和条件。3.2 创新设计方法的分类
在执行创新设计过程中，要采用各种理想的、实用的和有效的设计方法。
一百多年来，国内外的设计理论与方法的研究工作者和设计工作者为了提高设计质量，对设计理论与方法进行了详细研究，提出了80余种理论与方法（见表44.3-4）。图44.3-1所示为从不同角度对这些设计理论与方法进行了分类。表44.3-3 创新设计应采取的科学技术与方法表44.3-4 设计理论与方法图44.3-1 设计理论与方法的分类
在实际设计实践中，表44.3-4所列出的设计方法可以组合运用，构成组合型设计方法。组合型设计方法是将两种以上单一目标设计法综合在一起对产品进行设计，例如，将设计目标、设计内容与设计方法综合在一起对产品进行设计，其中包括：
1）QFD设计法和三次设计法。
2）全生命周期优化设计法。
3）面向产品结构性能的动态优化设计法。
4）面向产品使用性能的智能化设计法。
5）面向产品制造性能或综合性能的可视化设计法。
6）三化或三优综合设计法。
7）1+3+X综合设计法。
8）多学科交叉融合设计法。
9）六西格玛设计法。
10）面向产品广义质量或面向产品全部功能和性能的广义优化设计法。
需要说明的是，前面所列举的各种方法不是相互对等的，甚至有的设计方法涵盖了另外一种方法，本文未完全按照对等的原则加以分类。3.3 综合设计理论方法的产生
基于设计方法的分类，形成了基于系统化的综合设计理论与方法，见表44.3-5。表44.3-5 综合设计理论与方法
上述内容和表述方法区别于目前一般设计方法学的内容，丰富和完善了设计方法学的概念和内容，为设计工作提供了更加完整的和具体的理论和方法，对提高设计质量发挥了积极的作用。第4章 创新设计的未来发展战略1 创新设计的总体战略
中国工程院重大咨询项目“创新设计发展战略研究”中提出了创新设计的总体战略：
1）重点突破。通过创新设计探索绿色低碳、智能高效的新型工业化发展道路，在设计软件等共性关键技术以及重点产业领域实现突破和跨越，提升产品和系统、工艺装备、经营服务等创新设计能力。
2）支撑引领。通过创新设计支撑和引领新产业革命，全面提升自主创新和可持续发展能力，加快我国产业转型升级，满足经济社会发展需要，提高公共安全和国家安全保障能力。
3）开放融合。通过汇集全球先进设计理念、技术和人才等资源要素，推动跨地区、跨产业、跨学科的创新设计融合发展，形成面向产业、和谐包容的创新设计服务体系，推动中国设计走向世界。
4）以人为本。通过用户需求推动创新设计发展，大力培养创新设计人才，形成大众创业、万众创新的良好环境，化人口红利为创新红利。
上述创新设计的总体战略，具体来说就是要将创新设计作为企事业单位转型升级的重要手段之一，将创新设计纳入文化创意产业和新产业革命挑战的发展战略之中，做好产、学、研、媒、用、金的有机结合，通过创新驱动发展战略，实现建设一个创新型国家的战略目标，实现中国制造向中国创造、中国速度向中国质量、中国产品向中国品牌的三大转变。2 创新设计的重点任务2.1 提升重点产业领域的创新设计能力
通过创新设计提高关键技术创新、系统集成创新和服务模式创新的能力，形成具有自主知识产权的新产品、新材料、新工艺。在传统制造业、战略性新兴产业、现代服务业的重点领域实施创新设计示范工程，培养一批具有创新能力、掌握关键核心技术和拥有自主品牌的世界著名企业。
1）利用创新设计改造提升传统产业。通过创新设计提升钢铁冶金、纺织服装、家用电器、建筑建材、煤炭电力、道路桥梁和汽车等产业制造、系统集成和服务水平，实现从产量规模到技术质量领先、从输出产品到输出系统和服务及从物理生产到“互联网+”的转变。
2）发展战略性新兴产业和现代服务业的创新设计。重点提升“互联网+”时代的新一代信息技术、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车和节能环保等战略性新兴产业，以及软件、互联网、电子商务和文化创意等现代服务业等的创新设计能力，加速形成国际竞争优势，推动服务业创新。
3）推动公共服务和生态环境领域的创新设计。重点提升公共安全和国家安全、社会管理与服务、生态与环境等领域的创新设计能力。创建信息化、网络化、智能化的技术和装备支撑体系，建立先进设计规范和标准，提高国家安全、社会服务的保障能力以及生态环境效益水平。2.2 加强设计共性关键技术研发
攻克信息化设计、过程集成设计、复杂过程和系统设计等共性技术；发展绿色、智能、个性与定制化、商业模式、服务和品牌设计等关键技术。研发用于智能产品、智能制造、智能管理及大数据挖掘领域的设计工具，以及云计算、虚拟仿真、智能控制和嵌入式操作系统等软件。2.3 建设完善创新设计系统
制定创新设计发展产业政策，设立创新设计基金，构建公共服务平台；加快构建以企业为主体，市场为导向，产、学、研、媒、用、金协同的创新机制；建立创新设计竞争力评价指标，完善知识产权保护法规；发展各类创新设计教育，促进国际交流，构建创新人才体系；建设质量第一、用户至上、诚信合作的具有中国特色的创新设计文化。3 创新设计的路线图
按照2015—2025及2030—2050的时间节点，创新设计的路线图如下：
1）按照2015—2025及2030—2050的时间节点，提出创新设计各阶段所要实现的目标、应完成的内容、应采取的措施及检验的方法。
2）按照2015—2025及2030—2050的时间节点，兼顾产、学、研、媒、用、金各方面在提升我国创设计进程中的职责和作用、提出创新设计的阶段目标、主要措施和检验标准等。
3）按照2015—2025及2030—2050的时间节点，提出具有全球影响的中国好设计、中国好品牌、中国好企业和中国设计之都等发展阶段目标、主要措施和检验标准。
4）按照2015—2025及2030—2050的时间节点，提出创新设计的相关法律、政策环境、社会文化环境、住处网络与支撑服务环境及国际交流合作环境的阶段目标、主要措施和检验标准。
5）按照2015—2025及2030—2050的时间节点，提出创新设计的教育、人才的培训、激励评价和队伍建设的阶段目标、主要措施和检验标准。4 创新设计的发展趋势4.1 绿色低碳
人类进入工业化时代以来，生产力快速发展，人口与消费持续增长，化石能源和矿产资源被大规模开发利用，开发、改造、征服自然的发展观念滋长，生态环境与生产制造的矛盾日益激化，传统制造业对能源资源的高消耗和对环境的污染，已成为制约其发展的重要因素。1972年，联合国在斯德哥尔摩召开人类环境大会并发布《人类环境宣言》，这标志着人类发展观念的转变，也促进了设计对于生态环境价值的重视，推动了全球设计理念的革新和传统技术的改造升级，以实现资源、能源的高效利用和对生态环境破坏的最小化。
绿色经济是以环境保护与资源的可持续利用为核心的经济发展模式，是包含节能减排、清洁生产、低碳经济和循环经济等模式在内的集资源高效利用、低污染排放、低碳排放以及工业生态链、社会公平发展等核心理念为一体的经济活动，是最具活力和发展前景的包容性经济发展方式。
绿色设计是绿色经济、可持续发展的基础和源头，因为设计决定了产品和系统全生命周期的资源、能源消耗和排放的总水平。加强自主创新和技术进步是产业转型升级的关键环节，创新设计促进产业从低附加值转向高附加值，从高能耗、高污染转向低能耗、低污染，从粗放型转向集约型。在产品和系统从材料选备、制造集成、包装运输、运行使用到废物和遗骸处理、回收、再利用的全生命循环周期中，必须大力推广生态化设计、可拆卸性设计和绿色包装设计，必须考虑资源、能源的节约、循环、可持续利用及生态环境的保护与修复。创新设计亦将发展成为一种基于生态效率的新型思维方式，为推动绿色生态文明的建设提供了新的可能。4.2 网络智能
信息技术为所有产品带来革命性的变化。传统的电子和机械产品，已升级为各种复杂的系统。以移动互联网、大数据、云计算、社会媒体和内存数据库技术为代表的新一代信息技术迅猛发展，与制造、能源和材料等传统领域的创新设计发展相叠加，智能制造与创新设计引领的新一轮产业变革正开启帷幕。未来创新设计技术在产品中嵌入微型具有感知、处理和通信等功能部件，使越来越多的产品兼具信息的获取、决策操作的执行以及诸多的处理和交互功能，使其成为智能化产品及系统。先进传感、集成电路和计算机技术的发展使机器的感知、运算能力快速提升，知识、信息的海量获取与存储使人类进入大数据时代。数字化、智能化技术和装备将贯穿产品全生命周期，数字技术、网络技术和智能技术日益渗透融入产品研发、设计和制造的全过程，推动产品的生产过程产生重大变革。一方面，缩短了设计环节和制造环节之间的时间周期，极大地降低了新产品进入市场的时间成本。产品、服务及系统的智能创新设计将创造无数产品差异化和增值服务的机会。企业通过智能互联，将重塑现有的价值链，进而引发生产效率的再次大规模提升。另一方面，智能产品将改变现有的产业结构和竞争本质，开启企业竞争的新时代。
智能化的创新设计极大地扩展产品差异化的可能性，从大规模制造的理性时代转向个性化生产的感性时代，科技附加值变为创意生活方式，体验取代功能，高感性取代高科技。智能化的创新设计还将为用户创造完美舒适且节能环保的个性化、人性化智能工作和生活方式，让用户享受到更为轻松自在、体贴安心的工作和家居生活。融合了传感功能的可穿戴设备、智能汽车、智能家电及智能住宅将逐步走向消费者。全球网络是一个更广泛深刻的概念，它是在经济全球化的基础上，以先进的交通工具和通信工具为载体，尤其是在互联网的帮助下，将全世界人们的生活联系成一个有机的整体。互联网商业模式创新设计也已出现，比如中国发展迅猛的网络电视。4.3 超常融合
创新设计将致力于设计创造绿色材料、超常结构功能材料以及智能材料；将设计创造出多样的增材减材、绿色低碳工艺与智能装备；空天海洋、深部地球、运载物流、化工核能、新能源、生物医学和微纳系统等超常环境、超常功能、超常尺度装备将成为设计制造的新领域和新目标；CAD将进化为基于全球网络、大数据和云计算的数字虚拟现实，多元优化、超算分析、控制管理等操作系统、工具和应用软件将成为竞争力和附加值的核心要素，并催生出以大数据分析、网络超算、软件和服务增值等网络设计服务新业态；设计创造将融合多学科、跨领域的系统集成创新，将融合理论、试验、虚拟现实和大数据等科学方法。4.4 共创分享
未来的创新设计不仅要满足中高端个性化、多样化需求，也要满足普通大众可分享的基本、多样的需求，为此，创新创造的设计智慧可以无限汇集，借助于工业社会规模化、标准化和自动化为特征的大
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]