创新设计的基本原理与法则

创新设计方法是以创造学理论，尤其是创造性思维规律为基础，通过对广泛的创造活动实践经验进行概括、总结、提炼而获得创造发明的一些原理、技巧和方法。创造技法的基本出发点是打破传统思维习惯，克服阻碍创新设计的各种消极的心理因素，充分发挥创新思维，以提高创造力为宗旨，进而促使多出创造性成果。

（1）创新设计方法的基本原理

1）主动原理

主动原理即创造者经常保持强烈的好奇心，用于设问探索。

2）刺激原理

刺激原理即广泛留心和接受各种外来刺激，善于吸纳各种知识和信息，对各种新奇刺激有强烈兴趣，并跟踪追击。

3）希望原理

希望原理即不安于现状，不满足于既得经验和既成事实，追求产品的完善化和理想化。

4）环境原理

环境原理即保持自由和良好的心境，有容许失败的社会经验。

5）多多益善原理

多多益善原理即树立创造性设想越多，创造成功的概率越大的信念，解决任何问题都要设想多个方案，只有设想很多方案，才能在比较鉴别的基础上提出最优方案。

6）压力原理

人不能在高压中生活，但可以利用高压来为人类服务。从心理学观点来说，认识“有恃无恐”的，“有恃”则有惰性；有惰性就不可能有所创造，而且天长地久，意志衰退，智慧枯竭，才干丧失。可见压力是驱散惰性，激发强烈的事业心，使求知欲和永不枯竭的探索精神增加，从而产生所需创造力的最有效的杠杆。人们的智力只有在各种客观要素结构的强大压力场内，才能真正释放出全部容量。

压力有求生存、扩大生存范围、改造自然的自然界压力；有社会体制、制度、政策、法律的社会压力。社会压力应建立在充分发挥人的智力的基础上，造成每个人都有压力感的环境，通过社会压力来提高专业水平和激发进取精神；经济压力表现为智力释放多少能量，能从经济上补偿多少能量，通过不断提高经济压力，不断进行反馈调节，才能激励人们去创新，去发明。工作过程也是实战智力的过程，只有在适当的工作压力下才能充分发挥自己的才能，在紧张而有节奏的满负荷工作压力场中，正常、优质、不断地发挥自己的智力。此外，还会产生对于自己所从事工作的强烈责任心的自我压力。

总之，对于压力的把握应该有“度”，使之成为创造的强大动力。

所有的创新设计法则都是根据基本法则加以实现的，有的是几个法则的组合运用。常用的创造法则有以下几种。

1）分析与综合法则

分析与综合法则就是先把设计所提出的要求，分解为各个层次和各种因素，分别加以研究，分析其本质，然后再按照设计要求，综合成为一个新的系统。

例如，要求设计一个在方形罐头上自动贴商标的机器。对于这样的工艺动作，要进行分解：

①从一叠商标纸中分离出一张，并给其涂上胶水；

②罐头进入贴商标的位置；

③将商标纸自动贴上并压紧；

④罐头退出。

然后逐个分析、研究实现这些动作的运动规律。要从一叠商标纸中取出一张，解决这个问题可以参考相同或相似的有关专业机器的动作，如啤酒瓶上贴商标或印刷机械印刷时从大量的纸张中分离出一张纸的方法，它们都是成熟的工艺动作，可供参考。在商标纸上上胶，可借鉴邮票上胶机的技术，也可采用间接上胶法，即先把胶水刷在胶水辊上，再将胶水辊上的胶水涂到商标纸上并粘取一张商标纸，最后把带有胶水的商标纸贴到方形罐头上。将罐头自动送入和送出贴商标工位，可根据整机的情况选用传送方式，如采用各式各样的自动传送带（如采用圆弧传送带），利用罐头传送盘将罐头送到正确工位，贴上商标，采用压刷或橡胶压盖等方法将商标压紧在罐头上，然后利用传送盘将罐头送出。

根据以上分析，按设计要求，就可综合组成一个新的设计方案。注意，综合不是将对象各个构成要素简单相加，而是使综合后的整体作用导致创造性的发现。

机器无非是由一些机构要素（如齿轮、齿条、链轮、链条、皮带、连杆、螺丝、凸轮等）综合而成，但是，用上述的机构要素并不能随意地拼凑成一部机器，因为一部机器有其内在的组合、合成规律。而综合的真正意义就是指将研究对象的各个方面、各个部分和各种要素有机地联系起来，从整体上把握事物的本质和规律。

综合创新，是运用综合法则的创新功能去寻求新的创造，其基本模式如图5.21所示。

图5.21　综合创新的基本模式

在进行机械创新设计的过程中要注意：并不是任何的综合都能产生新的机械创新设计产品。比如，将台钻用螺钉固定在车床的床头箱顶盖上，虽然是一种综合，但不是一种创新设计产品。因为综合不是将对象的各个构成要素简单相加，而是按其内在联系合理地组合起来，使综合后的整体作用导致创新性的发现，这才实现了组合后的产品在性能上具有“1+1＞2”的效果，而在结构上则为“1+1＜2”。当然，在机械创新设计实践中不乏综合创新的实例。

例如，现在广泛应用的同步带传动，就是将啮合传动与摩擦带传动技术综合而产生的，它具有传动功率大、传动准确等优点。

下面列举一些创新实践：①综合已有的不同科学原理可以创造出新的原理，如牛顿综合开普勒的天体运动定理和伽利略运动定律，创建了经典力学体系；②综合已有的事实材料可以发现新规律，如门捷列夫综合已知元素的原子属性与原子量、原子价的关系的事实和特点，发现了元素周期表；③综合已有的不同科学方法创造出新方法，如笛卡尔引进了坐标系综合几何学方法和代数法，创立了解析几何。这些都证明了综合就是创造，而且综合创新比起开发创新在技术更具有可行性，是一种适用的创新思路。

技术结合创造法很多，主要包括以下几种。

①先进技术成果综合 将同类产品多种先进技术成果，按其特点、优势、适用性，通过分析、综合，得出更高质量的新产品或更优化的生产工艺过程，从而获得较大的经济和社会效益。如首钢的高炉，吸取各国高炉的先进技术，综合后使许多指标达到国内先进水平，有的还具有国际水平。

②多学科技术综合法

把多学科、多领域的有关技术成果，综合地应用到某一新兴的技术上，创造出从未有过的最新技术和产品。如电子计算机包含了大规模集成电路、计算数学、精密机械等多学科、多领城的技术成果。

③新技术与传统技术综合法（改造更新）

如数控机床就是传统机床与计算机的结合而形成的新产品。

④自然科学与社会科学综合法

随着社会、经济的不断发展进步，人们对生产资料和消费资料的功能、规格、结构、外形等需求也在不断发展变化。分析研究这种发展变化的市场学、心理学、预测学、社会经济学同自然科学技术成果相结合，就会综合推出各种适销对路的新产品、新工艺来。

2）还原法则（抽象法则）

从事机械行业的人都明白，机器或机构想要达到一个目的，并不是只有一个途径，设计人员可以选择最简单、经济的方案来实现目的。必要时需要创新设计，此时设计人员只需抓住本质，而不必局限于在原有基础上的改进等。这就要用到还原创新原理。

还原法则又称抽象法则，即回到根本、回到事物的起点。还原创造法的定义是任何发明和革新都有创造的起点和创造的原点，创造的原点为基本功能要求，是唯一的；创造的起点为满足该功能要求的手段与方法，是无穷的。创造的原点可作为创造的起点，但并非任何创造的起点都可作为创造的原点。研究已有事物的创造起点，并深入到它的创造原点，再从创造原点另辟蹊径，用新的思维、新的技术重新创造该事物或从原点解决问题，即抽象出其功能，集中研究实现该功能的手段和方法，或从中选取最佳方案，这就是还原创造法的目的。

还原法则就是暂时放下所研究的问题，反过来追根溯源，分析问题的本质，从本质出发另辟蹊径进行创新的一种模式。还原换元是还原创新的基本模式。所谓换元，是通过置换或代替有关技术元素进行创造。在实际创新实践中可以理解为灵活地变换影响事物质和量的诸多因素的某一个或某些，从而产生大量的创新思路。

日本有一家食品公司，想生产自己的口香糖，却找不到作口香糖原料的橡胶，他们将注意力回到“有弹性”的起点上，设想用其他材料代替橡胶，经过多次失败后，他们用乙烯、树脂代替橡胶，再加入薄荷与砂糖，终于发明出日本式的口香糖，畅销市场。这个例子告诉我们：在进行还原创新过程中，最重要的是把起点放在事物最本质的功能上，而不是从所要实现的功能出发。

家用洗衣机的发明可以说是一个很好的例子。洗衣机的发明开始是从创造的起点考虑的，即模仿人的洗衣方法，如搓揉。但设计一个机构像人那样搓揉衣服又要适合不同大小的衣服是不容易的，如改用刷子擦洗，怎样才能使衣服各处都能刷到，也很难解决。此外，还可用古老的锤击法，动作简单，但容易损坏衣服，如扣子会被打碎等，故在相当长的时间内家用洗衣机难以发展。

采用还原法创新，即跳出以往考虑问题的起点，从人们的洗衣方法还原到问题的创造原点。洗衣机的创造原点并不是揉、搓、刷、擦、锤，它们仅是考虑问题的起点。那么原点是什么呢?应该是“洗”和“洁”，再附加一个“安全”，即不损伤衣物。至于采用什么方法，并没有限制。因为衣服上有赃物，才要“洗”而达到“洁”的目的。“洗”的作用是把衣服和脏污分离，而脏污主要是灰尘、油腻和汗渍。要将这些脏污与衣服分离，可采用洗衣粉这种表面活性剂，外加一个机械运动帮助它脱离滞留层。至于用什么机械运动并无限制，故除了搓、刷、揉、擦外，还有振动、挤压、漂洗等方法。从结构简单、安全等角度考虑，于是发明了漂洗的家用洗衣机，它用一个波轮旋转，搅动水流，使衣服在水中不断运动，互相摩擦达到清洗的目的。

3）对应法则

常用的对应法则有以下几种。

①相似对应法则。设计时，人脑中会自然产生一种倾向，会联想起同这次设计要求相似的设计过程和经验。(www.xing528.com)

②对比对应联想。联想起与这次设计要求完全相反的经验。

③接近对应联想。联想起在时间上或空间上与这次设计要求相关联的经验。

只有掌握对应联想的法则，把自己身边或岗位上革新的成果与发明对象进行联想，才会产生许多意想不到的设想。

如偏心轮泵因隔离片与偏心轮的摩擦、磨损等原因使两者之间密封破坏，影响到压缩效率，所以该产品被淘汰了，但它的结构简单，振动噪声小和寿命长等优点吸引工程师们不断去探讨和改进它。特别是家用电冰箱的发展，需要寻找一种效率高、体积小、振动噪音小、寿命长而不需要进场维修的压缩机。因此人们从偏心凸轮机构中，为减小摩擦、磨损提高寿命和效率而采用滚子从动件的事实，联想到也可用滚子来解决摩擦和磨损问题，由此设计了一种最新型的压缩机——滚动活塞式压缩机。它大有逐渐替代目前家用电冰箱上老式往复式压缩机的趋势。

4）移植法则

把一个研究对象的概念、原理和方法等运用于或渗透到其他研究对象，而取得成果的方法，就是移植创新。

移植方法一直都应用于植物的移植嫁接、医疗领域的人体器官移植等。同样，在科学技术的发展过程中，移植方法也是一种应用广泛的创新原理。在实际创新设计中，人们通过把某一科学领域的新发现、新技术或基本原理移植到另一科学领域或者是将一门或几门科学的理论和研究方法综合、系统地移植到其他学科领域之中，以获得科学技术的发展，从而得到更多创新的成果。

另外，还应该明确移植创新的定义，比如拉链广泛应用于服装领域，如果将拉链应用于书包上，这并不能算得上是移植创新。因为这是显而易见的事，而且两个领域跨度很小。一般来说，在移植创新过程中两个技术领域相距越远，移植的难度越大，就相应地会产生更高水平的创新设计。

移植的原理方法和大量的创新实践证明：移植原理能促进思维发散，只要某种科技原理转至新的领域具有可行性，通过新的结构或新的工艺，就可以产生创新。

例如，人们不断地设计新型高效节能的发动机，前几年，人们开发出了陶瓷发动机，它以高温陶瓷制成燃气涡轮的叶片、燃烧室等部件，或以陶瓷部件取代传统发动机中的汽缸内衬、活塞帽、预燃室、增压器等。陶瓷发动机具有耐腐蚀、耐高温性能，可以采用廉价燃料，可以省去传统的水冷系统，减轻了发动机的自重，因而大幅度地节省能耗、降低成本，增大了功效，是动力机械和汽车工业的重大突破。

5）离散法则

离散法则又称分离法则，其创新原理与综合创新原理相对应，思路相反。它是把某个创造对象分离或离散为有限个简单的局部，把问题分解，使主要矛盾从复杂现象中分离出来解决的思维方法。分离原理的创新模式如图5.22所示。

图5.22　分离原理创新模式

分离创新原理在数学、力学和机械行业等领域得到广泛应用。例如，在机械行业，组合夹具、组合机车、模块化机床就是分离创新原理的运用。离散法则是冲破商品互补性观念的限制，把互补性商品予以分离，创造发明出一种或多种新产品的一种方法。如把眼镜的镜架和镜片分离出来，发明出来一种新产品——隐形眼镜。隐形眼镜不用镜架，缩短了镜片与眼球之间的距离，同时起到美容和矫正视力的双重作用。

机械设计过程中，一般都是将问题分解为许多子系统和单元，对每一个子系统和单元进行分析和设计，然后综合，分离创新原理则是与其思路相反。脱卸式衣服、隐形眼镜都是分离创新的实例，还有很多的例子说明了分离创新原理的方法和可行性。然而在实际创新设计过程中分离与综合虽思路相反，但往往要相辅相成，要考虑局部与局部、局部与整体的关系，做到分中有合、合中有分。

6）强化法则

通过强化法则手段，提高质量，改善性能，增加寿命。如为提高刀具的耐磨性，可采用电火花强化刀具的工艺。为提高零件的强度，可对零件表面进行喷丸处理等。

7）换元法则

换元法则又称替换或代替，如代用材料、代用零件、代用方法等。

换元是一种着重解决具体问题的方法，而不是提出问题的方法。在创造发明活动中，换元是用一事物代替另一事物，通过代替事物去研究被代替事物的矛盾，使常规方法难以解决的问题获得解决的方法。另外，还可通过换元发现新的办法，进一步完善被代替的事物而进行创新。如探测高能粒子运动轨迹仪器——“气泡室”的发明原理，就是美国核物理学家格拉塞尔在喝啤酒时，看到啤酒杯中一串串上升的气泡，猛然想到自己一直在研究的怎样探测高能粒子的飞行轨迹的课题。于是，他利用啤酒代替高能粒子穿越介质，顺手捡起几粒小鸡骨代替高能粒子，等到酒杯中的气泡冒完之后，将其丢入杯中的啤酒里，只见随着碎骨的沉落，周围不断冒出气泡，气泡显示出了碎骨粒的下降轨迹。于是他急匆匆赶回实验室，经过不断试验，得出带电粒子穿过液态氢时，所经路线出现的是一串串气泡，清晰地呈现出粒子飞行轨迹的试验结构，格拉塞尔因此获得诺贝尔物理学奖。

8）迂回法则

当你在解决问题的过程中遭到一个屡攻不克的难关时，不妨暂且停止在这个问题上的僵持，而先转入下一步的工作，带着这个问题继续前进；或者试着改变一下视点，不在这个问题本身上钻牛角尖，而去注意与这个问题相关的各个方面，当你解决了其他问题后，这个悬而未决的问题也就迎刃而解了。

9）组合法则

组合法则十分普遍，也十分复杂。如同碳原子，以不同的晶格组合便可合成坚硬的绝缘体金刚石和脆弱的良导体石墨两种完全不同的物质。有时为了解决某个技术问题，或设计某种多功能产品，将两种或两种以上的技术思想或物质产品的一部分或整个部分进行适当的结合，就会形成新的技术思想，或设计出新产品。这种技术创造就称为组合创造，如组合音响、收录机、组合机床、混凝土搅拌车等就是根据组合法则而发明的。组合创造有以下几种类型。

①主体附加。在原有的技术思想中补充新的内容，在原有的物质产品上增加新的附件，如在自行车上加装里程表或测速装置。

②异类组合。有两种或两种以上不同功能的物质产品的组合，如手表圆珠笔、日历圆珠笔；有两种或两种以上不同领域的技术思想的组合，如激光的发明就是代光学与电子学结合的产物。

③同物组合。若干相同事物的组合，如对笔、子母灯、情侣表的组合等。

④重组。在事物的不同层次上分解原来的组合，尔后再以新的意图重新组合起来。重组作为一种创造手段，可更有效地挖掘和发挥现有技术的潜力。如螺旋桨飞机发明以来，螺旋桨都是设计在机首，两翼从机体伸出，尾部安装稳定翼。美国著名飞机设计专家卡里格·卡图按照空气的浮力和气推动原理，对螺旋桨飞机进行重组，将螺旋桨改放在机尾，仿如轮船一样推动飞机前进，而稳定翼则放在机头处，设计出世界上第一架头尾倒换的飞机。重组后的飞机，具有尖端悬浮系统，具有更加合理的流线型机体形状，不仅提高了飞行速度，而且排除了失速和旋冲的可能性，增强了安全性。再如儿童通过玩积木、活动模型，可以从小培养具有重组意识的创新设计能力。

10）逆反法则

逆反法则也称逆向创新原理，经验证明，人们在解决问题时，每当采取一种特定的思路取得成功后，这种思维方式就被视为“法宝”，而继续用这个“法宝”去处理新的问题，这种思维方式的稳定性与重复次数成正比，即重复次数越多，其稳定性越强，这在心理学上称为“思维定势”。要克服思维定势，必须对熟悉的事物持陌生的态度，用新的观点，从新的角度去考虑事物。如留声机就是根据电话机逆反思维得到的。

在进行机械创新设计的过程中，逆向思维也占据非常重要的地位。我国自古流传司马光砸缸的故事，就是逆向思维方法的经典例子。

逆向创新原理是从反面，从构成要素中对立的另一面思考，将通常思考问题的思路反转过来，寻求解决问题的新途径、新方法。逆向创新法又称反向探求法。

反向探求法一般有3个主要途径：功能性反向探求、结构性反向探求和因果关系反向探求。

创新思维具有独创性、联动性、多向性、综合性和洞察力5个特点。其中的逆向连动思维形式十分重要。习惯性思维是人们创新设计中的障碍，它往往束缚人的思路，因此应该突破这种习惯的束缚，多问为什么，发现问题，可以试着把问题颠倒，反向探求，也许可以得到创新性的收获。例如，18世纪初人们发现了通电导体可使磁针转动的磁效应，法拉第运用逆向思维探求“能不能用磁产生电呢?”于是，经过长时间的探索与实验后，他制造出了世界上第一台感应电动机，为人类进入电气化时代开辟了道路。

11）造型法则（仿生法则）

如百叶窗，因其排列密、间距小，清除灰尘较麻烦。为解决这个小问题，设计出仿手指状的一种清洁百叶窗的工具，这种工具设有8个手指状的刷子，使用时可以灵活方便地深入柵格间，再通过静电作用吸收灰尘。

12）群体法则

为什么名牌大学学生的素质通常优于普通学校学生的素质，名牌大学培养的“尖子人才”多?这是因为名牌大学有一种共生效应，该校的学生在优越的学习环境中，自觉或不自觉地受到刺激或共振，而共同进步。

任何机械产品的创新设计都是在寻找最优方案，在方案的制订和筛选时，要综合考虑产品的实用性、工艺性、经济性等因素。其中的价值优化也是一种创新过程。

13）价值优化原则

价值工程就是揭示产品的价值、成本、功能之间的内在联系。它以提高产品的价值为目的，提高技术经济指标。它最早是美国开始研究的。在设计、研制产品时，设计研制所需成本为C，取得功能为F，则产品的价值V为：

　　可见，产品的价值与其功能成正比，而与其成本成反比。设计创造具有高价值的产品，是人们追求的目标。价值优化或提高价值的指导思想，也是创造活动应遵循的理念。但优化设计并不一定每项性能指标都达到最优，一般可寻求一个综合考虑功能、技术、经济、使用等因素后都满意的系统，有些从局部看来不是最优，但从总体来看是相对最优。于是，优化设计的途径可以总结为：

①保持产品功能不变，通过降低成本，达到提高价值的目的；

②不增加成本的前提下，提高产品的功能质量，以实现价值的提高；

③虽成本有所增加，但使功能大幅度提高，使价值提高；

④虽功能有所降低，成本却大幅度下降，使价值提高；

⑤不但使功能增加，同时也使成本下降，从而使价值大幅度提高。这是最理想的途径，也是价值优化的最高目标。

以上介绍了创新基本原理，在实际创新设计中，作为创新设计人员一定要熟知这些原理和技法。但是这些创新原理和创新技法难免存在一定的局限性，因为真正的科学规律存在于事物之中，学习者应该多从实践中来理解这些原理并得到直观的结论，不能受已有原理的束缚，打破思维定势，才能创新。