李春明，劉 慶，崔運(yùn)靜，劉 曉，孫 鳳，曹 惠

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580) (2.山東石油化工學(xué)院機(jī)械與控制工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061)

創(chuàng)新是社會(huì)發(fā)展的原動(dòng)力，在我國(guó)雙創(chuàng)(大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新)的大背景下，創(chuàng)新方法理論體系的補(bǔ)充與完善對(duì)于促進(jìn)和指導(dǎo)創(chuàng)新活動(dòng)具有重要意義。網(wǎng)絡(luò)化的普及推動(dòng)了制造業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展。制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的本質(zhì)是將制造業(yè)、“互聯(lián)網(wǎng)+”和雙創(chuàng)背景緊密結(jié)合，從而優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、改善供給、釋放和發(fā)展新動(dòng)能、促進(jìn)制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)[1]。其核心理論的支撐是創(chuàng)新方法。創(chuàng)新方法在各高校均受到重視，各專業(yè)的課程均體現(xiàn)了對(duì)創(chuàng)新的重視[2-3]。本文在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充并完善通用創(chuàng)新方法、產(chǎn)品創(chuàng)新方法、機(jī)械組合方法的理論體系。

1 創(chuàng)新方法的四層結(jié)構(gòu)體系

創(chuàng)新方法按照適用范圍的級(jí)別可分為以下4個(gè)層次：

1)心理活動(dòng)。聯(lián)想、想象、克服思維定勢(shì)、利用記憶的特點(diǎn)和挖掘創(chuàng)新想法等均以潛意識(shí)理論[5]為基礎(chǔ)指導(dǎo)創(chuàng)新活動(dòng)。阻礙創(chuàng)新的四大陷阱分別是大意、輕信、貪婪和浮躁。因此，在開展創(chuàng)新活動(dòng)時(shí)要特別注意：培養(yǎng)細(xì)心觀察及留意平常事件的習(xí)慣；堅(jiān)定掌握第一手資料及追本求源的態(tài)度；提升淡泊名利及敢于坐冷板凳的境界；保持全力以赴、水滴石穿和腳踏實(shí)地的風(fēng)格。

2)通用創(chuàng)新技法。指適合于各行各業(yè)各領(lǐng)域的創(chuàng)新方法。當(dāng)明確了需要?jiǎng)?chuàng)新的問題之后，采用一些套路性技法對(duì)于提高創(chuàng)新速度及豐富創(chuàng)新成果具有積極的推動(dòng)作用。

3)某一領(lǐng)域的創(chuàng)新方法。該層次的創(chuàng)新方法往往帶有上面兩個(gè)層次創(chuàng)新方法的影子，如基于想象的小人法[6]。隨著社會(huì)的發(fā)展，改革成為各領(lǐng)域的重點(diǎn)研究問題。在政策制定、調(diào)整和完善上，也往往需要?jiǎng)?chuàng)新方法[7-8]。一些領(lǐng)域也逐漸形成了創(chuàng)新方法理論體系[9]，如機(jī)械產(chǎn)品。

4)具體研究對(duì)象的創(chuàng)新方法。該層次的創(chuàng)新方法適用于機(jī)械、機(jī)構(gòu)、洗衣機(jī)、微波爐等硬產(chǎn)品的創(chuàng)新，也適用于法規(guī)、章程、措施、政策等軟產(chǎn)品的創(chuàng)新。

每個(gè)層次的創(chuàng)新方法都是下面幾個(gè)層次創(chuàng)新方法的基礎(chǔ)。

2 通用創(chuàng)新方法

通用創(chuàng)新方法可總結(jié)為以下6個(gè)方面。

1)移花接木法。特點(diǎn)是“用它山之石攻玉”，包括換元法、移植法和類比法等。

2)博采眾家法。特點(diǎn)是“博采各家之長(zhǎng)”，包括窮舉法、集智法和組合法等。

3)捕捉靈感法。特點(diǎn)是“正確運(yùn)用思維技巧”，包括觀察法、提問法、多向法和放手法等。

4)轉(zhuǎn)移陣地法。特點(diǎn)是“以退為進(jìn)，在核心問題周圍開展研究”，包括回源法、攻心法和簡(jiǎn)化法等。

5)移山填海法。特點(diǎn)是“獲得別人的智力支持而完成自己的創(chuàng)新”，包括正確判斷別人而吸取創(chuàng)新點(diǎn)的判謊法、使團(tuán)隊(duì)成員更好地工作的借智法和使合作者鼎力相助的協(xié)調(diào)法等。

6)懲前毖后法。特點(diǎn)是“分析與利用創(chuàng)新失誤”，包括鑒誤法、靶向法和指針法等。創(chuàng)新失誤是指沒有獲得預(yù)期的創(chuàng)新結(jié)果。創(chuàng)新活動(dòng)的探索性決定了創(chuàng)新失誤的可能性。運(yùn)用鑒誤法可將失誤經(jīng)驗(yàn)當(dāng)成財(cái)富，使失誤的經(jīng)歷成為指向成功的路標(biāo)，在哪里跌倒就在哪里站起來，然后尋求更適宜的探索途徑。愛迪生進(jìn)行了幾千次燈絲材料的失敗試驗(yàn)，確定了大量不適用的材料，最終發(fā)明了燈泡。運(yùn)用靶向法可立足于實(shí)際而保證創(chuàng)新成果獲得社會(huì)的承認(rèn)和回報(bào)。創(chuàng)新成果必須與當(dāng)時(shí)的社會(huì)需求相一致，否則會(huì)無人問津。1931年，英國(guó)的艾倫·道爾·盧布姆林申請(qǐng)了立體聲技術(shù)的專利。1954年該專利失效兩年后，市場(chǎng)上開始出現(xiàn)立體聲唱片和放音設(shè)備。今天，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)普遍用于各種音響設(shè)備，為全世界帶來歡樂，但是，專利申請(qǐng)人及其公司未能從中獲得絲毫回報(bào)。運(yùn)用指針法可基于基本的科學(xué)規(guī)律而避免脫離科學(xué)軌道，不使努力白費(fèi)。要在創(chuàng)新過程當(dāng)中不斷地結(jié)合基本科學(xué)規(guī)律，做到定性分析與定量分析相結(jié)合，先用科學(xué)原理明確方向，再用專業(yè)知識(shí)努力工作，當(dāng)遇到難題時(shí)，再用科學(xué)原理審視研究方向。

7)豐富理論法，如實(shí)踐法、補(bǔ)漏法等。

在文獻(xiàn)[4]基礎(chǔ)上補(bǔ)充的方法主要有攻心法、簡(jiǎn)化法和放手法。

攻心法不作技術(shù)上、理論上或方式上的創(chuàng)新與改進(jìn)，而是根據(jù)人的潛意識(shí)能影響人的意識(shí)和行為的原理，充分考慮消費(fèi)者、設(shè)計(jì)者和交談?wù)叩男睦恚ㄟ^產(chǎn)品的外形、色彩、包裝、廣告詞等影響其潛意識(shí)，使其接受[10]。

簡(jiǎn)化法通過提煉要點(diǎn)、化整為零和降低難度等方式將復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單問題。TRIZ(發(fā)明問題的解決理論)的最終理想解是簡(jiǎn)化法的主導(dǎo)思想。使用該方法的有以下實(shí)例：

1)圓珠筆芯因磨損而漏油。創(chuàng)新：限制油量，使基于當(dāng)時(shí)制造技術(shù)所生產(chǎn)的筆尖在磨損之前會(huì)因用完了油而不存在漏油問題。

2)計(jì)算機(jī)讀寫設(shè)備的設(shè)計(jì)問題。創(chuàng)新：逐漸簡(jiǎn)化機(jī)械設(shè)備，出現(xiàn)了選數(shù)器、穿孔卡片、穿孔紙帶、磁鼓存儲(chǔ)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤和軟盤驅(qū)動(dòng)器等。

3)計(jì)算機(jī)便攜式存儲(chǔ)設(shè)備的設(shè)計(jì)問題。創(chuàng)新：逐漸增大容量比，出現(xiàn)了軟盤、光盤、移動(dòng)硬盤、U盤等。

4)1980年，手表的制造成本大且價(jià)高。創(chuàng)新：以塑料模塊代替機(jī)械零件，使零件數(shù)由150減到51，制造成本隨之減半，使降低手表價(jià)格成為可能。

5)力學(xué)理論問題。創(chuàng)新：作一些可接受的簡(jiǎn)化假設(shè)，然后采用數(shù)學(xué)手段推導(dǎo)出關(guān)系式，比如流體力學(xué)的雷諾方程和結(jié)構(gòu)力學(xué)的有限元法等。

3 產(chǎn)品創(chuàng)新方法

產(chǎn)品創(chuàng)新方法主要有以下4個(gè)方面：

1)基于窮舉法和組合法的功能實(shí)現(xiàn)法，包括功能分解、實(shí)現(xiàn)方式列舉、方案篩選和評(píng)價(jià)等[8]。

2)TRIZ利用4法。①基于技術(shù)系統(tǒng)九大進(jìn)化法則、最終理想解、發(fā)明問題的解決算法和科學(xué)知識(shí)庫(kù)等的創(chuàng)新切入點(diǎn)確定法。②基于窮舉法的技術(shù)沖突矩陣法[11]。③基于窮舉法的物理矛盾分離法。④基于換元法的工藝系統(tǒng)物場(chǎng)分析法。

3)反向設(shè)計(jì)法。反向設(shè)計(jì)是以先進(jìn)技術(shù)或產(chǎn)品的實(shí)物、軟件(圖紙、程序、技術(shù)文件等)和影像(照片、廣告等)作為研究對(duì)象，探索并掌握其關(guān)鍵技術(shù)，然后開發(fā)出同類型創(chuàng)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)可使產(chǎn)品研制周期縮短40%以上，并可實(shí)現(xiàn)高起點(diǎn)創(chuàng)新。只復(fù)現(xiàn)原產(chǎn)品的功用可以打破外國(guó)對(duì)市場(chǎng)的壟斷。如果有技術(shù)突破和提升，則可開發(fā)出更有競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新產(chǎn)品。日本的電器多數(shù)都是以“引進(jìn)—提高—外銷”模式發(fā)展起來的。

4)以點(diǎn)帶面的方法。局部的創(chuàng)新也可形成新產(chǎn)品。①基于換元法的資源分析法，如電動(dòng)車與汽車的動(dòng)力源不同，其傳動(dòng)和操縱系統(tǒng)均有很大的創(chuàng)新空間。②運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)法，機(jī)構(gòu)各構(gòu)體之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)可獲得更高效、更輕便和更經(jīng)濟(jì)的機(jī)器，如自動(dòng)化生產(chǎn)線上的各機(jī)械手。

由一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)獲得其他物體的運(yùn)動(dòng)，并且各物體運(yùn)動(dòng)之間存在確定的關(guān)系，這種運(yùn)動(dòng)稱為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。機(jī)器是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，具有代替或減輕人類勞動(dòng)、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等功能。機(jī)構(gòu)是機(jī)器的理論模型。機(jī)械是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱，指執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置及其理論模型。機(jī)械原理以理論力學(xué)和多(剛)體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，研究機(jī)構(gòu)的組成、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等問題。機(jī)械設(shè)計(jì)以材料力學(xué)和彈性力學(xué)為基礎(chǔ)研究機(jī)器的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、材料、受力、變形、承載等問題，包括設(shè)計(jì)新機(jī)器和改造舊機(jī)器兩個(gè)方面。機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新最具實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 機(jī)構(gòu)組合的創(chuàng)新方法

構(gòu)體(構(gòu)件)是機(jī)構(gòu)(機(jī)器)中的運(yùn)動(dòng)單元。各構(gòu)體之間的連接部分稱為運(yùn)動(dòng)副。在機(jī)構(gòu)當(dāng)中，構(gòu)體是剛性的，可抽象為由各運(yùn)動(dòng)副元素剛性連結(jié)而成的體。作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)體有3個(gè)自由(獨(dú)立運(yùn)動(dòng))，兩個(gè)相互垂直方向上的移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。一個(gè)構(gòu)體相對(duì)于另一個(gè)構(gòu)體轉(zhuǎn)動(dòng)，則被約束住倆移動(dòng)自由，兩者之間的運(yùn)動(dòng)副為轉(zhuǎn)動(dòng)副。一個(gè)構(gòu)體相對(duì)于另一個(gè)構(gòu)體移動(dòng)，相當(dāng)于繞無窮遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)動(dòng)，則被約束住一個(gè)移動(dòng)自由和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由，兩者之間的運(yùn)動(dòng)副為移動(dòng)副。轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副屬于二約束副。一個(gè)構(gòu)體相對(duì)于另一個(gè)構(gòu)體滾滑，則被約束住垂直于滾滑方向的移動(dòng)自由，兩者之間的運(yùn)動(dòng)副為滾滑副，屬于一約束副。純滾動(dòng)副屬于二約束副。有兩個(gè)及兩個(gè)以上轉(zhuǎn)動(dòng)副的構(gòu)體稱為桿(如曲柄、搖桿、連桿和多副桿等)，有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的構(gòu)體稱為塊(如滑塊、導(dǎo)桿和搖塊等)，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)副的構(gòu)體稱為板(如十字滑塊)?；谝陨戏治?，如圖1所示的平面機(jī)構(gòu)自由數(shù)(自由度)Fn的計(jì)算公式為：

Fn=3n-2P2-P1=3×5-2×6-1×2=1

(1)

式中：n為活動(dòng)構(gòu)體數(shù)；P2為二約束副數(shù)；P1為一約束副數(shù)。如果將構(gòu)體3處的虛約束去掉，則引入齒輪上下運(yùn)動(dòng)的自由。

圖1 平面機(jī)構(gòu)

以平面四桿機(jī)構(gòu)為基本機(jī)構(gòu)，將一個(gè)活動(dòng)構(gòu)體及兩端的倆轉(zhuǎn)動(dòng)副以滾滑副替代(一副三代)，則演化出凸輪機(jī)構(gòu)或齒輪機(jī)構(gòu)；將一個(gè)構(gòu)體以可伸縮柔體替代并將兩端轉(zhuǎn)動(dòng)副放大為純滾動(dòng)副，該柔體相當(dāng)于2個(gè)以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接的構(gòu)體鏈，則演化出帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有2個(gè)自由，主動(dòng)輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速隨載荷的變化而變化；將一個(gè)構(gòu)體以撓性體替代并將兩端轉(zhuǎn)動(dòng)副放大為純滾動(dòng)副，該撓性體相當(dāng)于3個(gè)以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接而成的構(gòu)體鏈，且中間構(gòu)體以轉(zhuǎn)動(dòng)副與固定體相連接，則演化出鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有1個(gè)自由；構(gòu)體環(huán)上增加1個(gè)構(gòu)體、增加運(yùn)動(dòng)副的1個(gè)自由或解除固定體的1個(gè)約束，則演化出倆自由機(jī)構(gòu)。

將多個(gè)基本機(jī)構(gòu)按照一定的規(guī)則組合起來稱為機(jī)構(gòu)組合。主要有以下4類形式：

1)串連式。前置機(jī)構(gòu)的某個(gè)輸出為后置機(jī)構(gòu)的輸入，兩者有一對(duì)體固結(jié)(圖2(a))，如牛頭刨床的動(dòng)力主機(jī)構(gòu)。

圖2 4類機(jī)構(gòu)組合方式

2)并連式。倆基本機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)具有并連的形式，共有一對(duì)或多對(duì)體固結(jié)。協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)雙滑塊的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為分解式(圖2(b))，2個(gè)主動(dòng)體固結(jié)。壓縮機(jī)的雙螺桿滑塊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為固結(jié)式(圖2(c))，2個(gè)從動(dòng)體也固結(jié)。圖2(d)為獨(dú)立式，2個(gè)機(jī)構(gòu)只有固定體相固結(jié)。圖2(e)為一體合成式，具有2個(gè)主動(dòng)體。飛機(jī)的雙缸襟翼操縱機(jī)構(gòu)為二體合成式(圖2(f))，也具有2個(gè)主動(dòng)體。

3)封閉式?；A(chǔ)機(jī)構(gòu)有倆自由，附加機(jī)構(gòu)有一個(gè)自由。兩者有2對(duì)構(gòu)體相固結(jié)。圖2(g)可稱為平動(dòng)式，如齒輪連桿步進(jìn)轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)。如果主動(dòng)體為左邊轉(zhuǎn)動(dòng)體，則可稱為被動(dòng)式。如果主動(dòng)體為右邊轉(zhuǎn)動(dòng)體，則可稱為主動(dòng)式。

4)裝載式。楫機(jī)構(gòu)的機(jī)架(固定體)與舟機(jī)構(gòu)的一個(gè)活動(dòng)構(gòu)體相固結(jié)(圖2(h))，如挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)。

上述組合形式適用于2個(gè)組合機(jī)構(gòu)及演化機(jī)構(gòu)的組合。

每增加一個(gè)基本機(jī)構(gòu)就增加一倍該機(jī)構(gòu)的自由數(shù)，每固結(jié)一對(duì)活動(dòng)構(gòu)體就減1。這是計(jì)算復(fù)雜機(jī)構(gòu)自由數(shù)的一個(gè)新算法。

5 結(jié)論

1)四層創(chuàng)新技法的結(jié)構(gòu)體系為新方法的研究提供了較清晰的空間。

2)機(jī)械原理側(cè)重于理論，機(jī)械設(shè)計(jì)側(cè)重于實(shí)踐。兩者的概念均應(yīng)與基礎(chǔ)學(xué)科相一致，更應(yīng)與語言的語義相一致。

3)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新方法包括組合、演化、窮舉、寬泛等。機(jī)器創(chuàng)新方法包括整體和零件創(chuàng)新[12]等，本文完善了機(jī)構(gòu)組合法。