创新和创造是人类一种有目的、有约束探索活动,人们在长期的创新实践中总结了基本的创新原理,这些原理给从事机械创新设计的人员提供参考。下面系统的介绍几种创新原理:
3.1 综合创新原理
机器分解开来无非是一些机构要素(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的拼凑成一部机器,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的联系起来,从而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。其基本模式如下图所示:

我们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的简单相加,而是按其内在联系合理的组合起来,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>1的效果,而在结构上则为1+1<1。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: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;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;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,是一种使用的创新思路。
3.2 分离创新原理
分离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下图:

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。
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,还有很多的例子告诉了我们分离创新原理的方法和可行性。然而我们在实际创新设计过程中要知道,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,分中有合,合中有分。
3.3 移植创新原理
把一个研究对象的概念,原理和方法等运用与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,我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、系统的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。
我们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,如过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,就相应的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: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,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。
3.4 逆向创新原理
我们在进行机械创新设计的过程中,逆向思维也占据其非常重要的地位。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。
反向探求法一般有三个主要途径: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、连动性、多向性、综合性、和洞察力五个特点。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。我们应该能突破这种习惯的束缚,多问为什么,发现问题,我们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。
3.5 还原创新原理
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,我们可以选择最简单、经济的方案来实现目的。必要时需要创新设计,此时我们只需抓住本质,而不必局限于在原有基础上的改进等。这就用到还原创新原理。
还原法则又称抽象法则,即回到根本、回到事物的起点。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。
日本有一家食品公司,想生产自己的口香糖,却找不到做口香糖原料的橡胶,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。
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。在实际创新实践中我们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。
3.6 价值优化原理
任何机械产品的创新设计都是在寻找最优方案,在方案的制定和筛选时,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。
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、研制产品的时,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知道思想,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,但却使功能大幅度提高,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,我们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,我们要明白真正的科学规律存在与事物之中,我们应该多从实践中来理解这些原理并得到直观的结论,不能受到已有原理的束缚,打破思维定势,才能创新。