第3章 机械创新设计方法
3.1 创新与设计
1.创新的涵义
目前尚无统一的创新的定义。国内外学者对“创新”一词从不同角度下了许多定义，综合起来，可以说创新就是人类运用已有的知识、经验和技能，研究新事物，解决新问题，产生新的思想及物质成果，用以满足人类物质及精神生活需求的社会实践活动。
创新具有两个最显著的特点：新颖性和实用性。例如，美国一家公司在市场调查时发现，人们使用其生产的电熨斗时感到不便的是它拖着一根电线，于是就决心割掉这根“尾巴”。经过研究终于研制出了世界上第一台不带电线的电熨斗。新电熨斗由熨铁和一个连接电源的熨铁架两部分组成。使用前，将熨铁放到熨架上，当加热到一定温度时指示灯就会亮起来，这时就可以使用电熨斗了。而熨铁每加热一次能使用1min，而加热一次仅需6s。后来德国一家公司又推出一种感应式电熨斗，即在熨衣板上设有感应电源，熨衣时自然产生温度，且温度可调，使用很方便。这种不仅新颖而且实用的设计就是“创新”，或者说“科技创新”。
创新活动是一种社会活动，它不可能离开社会实践，更不可能不对社会产生一定影响。于是，根据创新活动对社会的影响效果，创造活动大致可划分为正向创新活动和负向创新活动两大类。凡是有利于（或者至少无害于）社会发展、符合社会公德的创新活动，可称为正向创新活动，如哥白尼日心说的创立、核电站的诞生、电视机的问世、拉链的出现等。相反，凡是不利于社会发展、违背社会公德的创新活动，则称为负向创新活动，如从事那些我国专利法中明文规定的“违反国家法律、社会公德或者妨害公共利益的发明创造”的活动以及互联网上各类“黑客”的活动等。应该指出，在某些情况下，就创新本身而言是难以明确判断其创新活动的正向性或负向性的，如原子弹及各类武器的发明等。甚至，有些内容完全相同的创新活动在不同时期、不同地点、不同社会背景之下，还可能具有正负向互相转化的趋势。因此，我们极力主张人们做有利于社会发展、造福于人类的“创新活动”。
2.创新与设计
创新是设计的本质属性，一个不包含任何新的技术要素的方案称不上是设计。按照创新的程度，设计可以分为三类：①开发型设计，是指在设计原理方案未知的情况下，根据功能要求和设计约束进行的全新的创造，如爱迪生发明电灯泡；②适应型设计，是指在总的方案和原理不变的情况下，根据生产技术的发展和使用要求的变化对产品的结构和性能进行更新改造，如上文所说的电熨斗的设计；③变参数型设计，是指在功能、原理、方案不变的情况下，只对结构设置和尺寸加以改变，如进行减速器的设计。
世界文明的发展已经充分证明，创新是人类文明进步的原动力，是技术进步、经济发展的源泉。创新是设计的本质，也是设计活动的最终目标，在现代设计方法中，强调创新设计是为了使设计者更充分地发挥创造力，更好地利用最新科技成果，设计出更具竞争力的新颖产品。创造性思维是创造发明的源泉和核心；创造原理是建立在创造性思维之上的人类从事创造活动的途径和方法的总结；创造技法则以创造原理为指导，是人们在实践的基础上总结出的从事发明创造的具体操作步骤和方法，是进行创造发明和创新设计的理论基础。为此，设计者需要对创造性思维的特点、形成过程及与其他类型思维的关系、创造原理与创造技法等有所掌握和认识。
3.2 创造性思维
1.创造性思维
人们对于创造性思维特点的看法也极不一致。从大量科学统计发现，不同研究者在其论著中所表述的创造性思维的“特点”大相径庭。创造性思维的特点就是“思维结果的新颖性”。据此，我们可对创造性思维下这样的定义：创造性思维是设计者为满足社会客观需求而将内在驱使力与创新活动的外在动力相结合，在科学理论与设计方法的指导下，在创造活动中表现出来的一种从瞬间灵感和想象中产生的、具有独创性的新成果的高级、复杂的思维活动。
虽然创造性思维是创造活动的核心，是创造活动中不可缺少的部分，然而创造活动毕竟是一个完整的活动过程，因而仅仅依靠创造性思维也是难以完整地完成创造活动全过程的，甚至是难以完整地完成其中的思维活动全过程。这是因为，创造活动的思维过程之中必然有逻辑思维的介入，同时这种逻辑思维也必然要与创造性思维发生一定的联系。
人类的知识和经验总是不断发展的。在发展的某一阶段，当人类的知识和经验积累到一定程度时，就会导致原有逻辑的矛盾，而要解决这些矛盾，就需要非逻辑思维特别是创造性思维来加以完成。
创造性思维一旦突破原有的逻辑，就必然会在更高层次上上升为新的逻辑思维，并把新的知识、新的发现纳入到已知体系之中继而作为已有知识的形式而保留下来。如果创造性思维不在更高层次上与逻辑思维相融，那么这些新的发现、新的经验、新的突破就不会上升为知识和理论，因而就不可能广泛地指导人们认识世界和利用世界。比如，19世纪想制造飞机的人，大多数都被人视为“疯子”或“狂人”，而且，当时的物理定律和数学公式似乎也都是为“飞机不可能飞上天”服务的，以致一些大科学家、大发明家也都“逻辑地”论证飞机不可能飞上天。然而，在飞机发明成功以后，这些“异想天开”的创造性思维很快便上升到了新的逻辑思维高度并继而转化为新的知识。现在的知识和逻辑不仅能够正确地说明飞机可以在天空飞行，而且还可进一步论证其可靠性和稳定性是如何好。
因此，由逻辑思维—创造性思维—更高层次的逻辑思维—更高层次的创造性思维—……这样无穷地发展下去，便构成了人类常规活动—创造性活动—更高层次上的常规活动—更高层次上的创造性活动—……的螺旋式上升发展。这就是逻辑思维和创造性思维在人类创造性活动中的密切联系，这也许就是人类认识自然和利用自然的一条基本规律。
既然创造性思维是能产生出新颖性思维结果的思维，那么创造性思维的形式就不可能只限于一种；相反，也不能简单地认定某一种思维形式只能形成或不可能形成创造性思维，比如创造性思维既可由联想思维的形式形成，亦可由灵感思维的形式形成；反之，联想思维和灵感思维所产生的结果也并不全部都是新颖的，因而它们也并不完全都是创造性思维。例如，看到天上飞的鸟后联想到蝴蝶也能飞，这种联想就没有什么新颖性。所以说，并没有哪一种思维形式全部能产生创造性思维，也没有哪一种思维形式全部不可能产生创造性思维。
2.创造性思维的形式
创造性思维是多种思维类型的复合体，通常是成对的辩证组合，下面介绍依据不同的角度划分的成对的思维类型。
（1）形象思维与抽象思维 这是根据思考问题过程中思维活动运用的材料形式不同而划分的。
形象思维所采用的材料是形象化的意象，如设计一个零件时，设计者在头脑中浮现该零件的形状、颜色等外部特征，以及想象零件如何安装、组合等。形象思维是基本的思维活动，具有灵活、新奇的特点，在创新过程中具有激发想象力的作用。
抽象思维是以抽象的概念和推论为形式，较为严密的思维方式。
在实际的创新活动中，形象与抽象两种思维方式相辅相成。
（2）发散思维与集中思维 这是按照思维的方向划分的。
发散思维指思维者根据问题提供的信息，不依常规而是沿着不同的方向和角度，从多方面寻求问题的各种可能答案的一种思维方式。在人的言语或行为上表现为充分、灵活、独特的特点。
集中思维是一种在大量的设想或方案的基础上，引出一两个正确答案或最好答案的思考方式，具有综合、归纳的特征。
一个创新成果的出现，既需要以充分的信息为基础，设想多种方案，又需要对各种信息进行综合、归纳，从多种方案中找出较好的方案，即通过多次的发散、集中、再发散、再集中的循环，才能真正完成。
如英国著名的物理学家贝尔纳具有极强的发散思维的能力，他曾从事过晶体学、生命化学的研究，探索过生命物质的结构，研究过水、氨基酸、维生素、蛋白质、病毒等，他的同事们公认他具有过人的洞察力、极强的想象力、极高的天资，思维极具独特性。但他的科学成就从未达到他本应达到的高度。
“他是科学原始思想的发动机，他总是提出一些课题，抛出一种思想，自己涉足一番，然后留给别人创造出最后的成果。”
“世界上很多重要论文的原始思想都来源于贝尔纳，但在别人的名义下发表了。”
（3）逻辑思维与非逻辑思维 这是按照在思维过程中是否严格遵守逻辑规则划分的。
逻辑思维是严格遵循逻辑规则，按部就班，有条不紊地进行思维的一种思考方式。其基本形式有：①分析：把作为整体的认识对象分解后，分别认识和把握，可以化繁为简，将问题的思考引向深入，但由于破坏了整体性，易发生认识的片面性；②综合：是在分析的基础上把对象的各个部分按照内在联系结合起来的思维方式；③归纳：从个别或特殊的事物中概括出共同本质或一般原理的思维操作方法；④演绎：从一般前提出发得到特殊结论的思维过程，新颖性较少。
非逻辑思维是与逻辑思维相对应而言的另外一种思维方式，不严格遵循逻辑规律，突破常规，更具灵活的自由思维方式。其基本形式有：①联想：指由一事物引发而想到另一事物的心理活动，增强联想能力，对工程技术人员具有重要意义；②想象：是在联想的基础之上加工原有意象而产生出新意象的思维活动，改造的意象具有超乎他人或前人的新颖性，即为创造性想象；③直觉：不受固定的逻辑规则约束而直接得出问题答案或领悟事物本质的思维方式；④灵感：指在创造活动中，创造性新设想的突然闪现，它是一个突然出现的瞬息即逝的短暂的思维过程。
（4）直达思维与旁通思维 是按照解决问题的途径划分的思维方式。
直达思维是为解决问题，采用直接的方法，始终不离开问题的情境和要求进行思考。其特点是直达、快速，对于解决简单的问题特别有效。
旁通思维通过对问题的情境和条件的分析、辨识，将问题转化为另一个等价的问题或以某问题为中介间接地去解决问题，经常通过转换、类比、模拟、移植、置换、转向等方式，是解决复杂问题的新思路。
直达思维与旁通思维是互相为用，互相补充的，尤其重要的是，只有通过旁通思维以后又反归到直达思维，才能真正解决所提出的问题。
3.创造性思维的特点
（1）独创性（突破性，求异性） 具备与前人不同的见解，突破一般思维的常规惯例，提出新原理，创造新模式，贡献新方法。
（2）联动性（由此思彼） 联动思维表现为纵向联动、横向联动、逆向联动。
（3）多向性 善于从不同的角度想问题。
（4）跨越性 在无意中作出发明。
（5）综合性 对已有材料进行深入分析，综合概括出其规律或利用已有的信息、现象、概念等组合起来形成新的技术思想或设计出新产品。
4.创新失误分析
（1）失误的经验是宝贵的财富 爱因斯坦曾经说过：“在科学上，每一条路都应该走一走，发现一条走不通的路，就是对科学的一大贡献。”
美国工程师卡尔逊在发明复印机的过程中曾经走过许多弯路，探索过多种方法都失败了。他通过查阅资料发现，前人关于实现复印功能的所有方法都试图利用化学原理实现。此后，他开始在物理效应领域寻求实现复印的方法，并最终发明了静电复印机。
（2）思维定势影响创新 思维定势对创新实践的作用具有二重性，既具有积极作用，也具有消极作用。
思维定势是以过去的经验为基础的思维方式，对于处理简单的问题无疑是非常有效的。但思维定势会使人倾向于用已经认识的规律解释新的现象，这会使人丧失透过新现象、发现新规律的机会。如1895年物理学家伦琴使用阴极射线管进行研究时发现阴极射线管附近的荧光物质发出荧光，发光的原因是阴极射线管发出射线，伦琴把其命名为X射线。而发射X射线的阴极射线管是物理学家克鲁克斯发明的，他和许多科学家也多次发现这种荧光现象，但他们都试图用已知的规律来解释这个问题，错失了物理学新发现的机会。
思维定势还会使人们在遇到新问题时不自觉地受到已有解决方法的限制，影响构思解决方法的灵活性和广泛性。如人们发明缝纫机时，受到人工缝纫布料时缝针尾部穿线的限制，使得对缝纫机尾部功能原理构思受到限制。后来人们突破了思维定势，构思出用针尖带孔的针，用面线和底线进行缝纫的机械缝制方法。
（3）违背科学原理导致创新失误 创新实践的选题应该是可行的，如果选题违背了科学原理，这样的目标无论通过怎样的努力都不可能实现。如永动机的发明失败。
在机械设计中，对设计对象的工作原理应用错误也会导致设计失败。如在大型搅拌机中如采用蜗杆减速器。
（4）“过期发明”导致创新失误 有些从事创新活动的人不注意掌握科技信息，做别人已经做过的事，这种活动结果可能是有用的，但不是新颖的，这样的发明称为“过期发明”。我国一些企业曾经为此付出过巨大的代价。
我国的一家保温瓶厂为了减少在保温瓶生产过程中对贵重金属的消耗，曾花费了几年的时间，动用大量的人力、物力、财力，成功解决了保温瓶镀膜“以镁代银”的工艺。而当企业准备申请国家专利时，经查找专利文献。发现英国一家公司早在1929年就申请了这项专利，工艺过程完全相同。为了解决50年前就已解决的问题，企业付出了不必要的代价。
在互联网被广泛应用之前，全面检索科学与技术信息的过程很繁琐，难度和成本都很高。现在，互联网已经成为一种最便捷的信息媒介，从事科技创新的人，一定要注意充分利用信息媒介，及时了解相关最新信息，防止出现这种重复工作而导致的创新失误。
（5）“不合时宜”导致创新失误 一项发明要被社会接受，也需要发明的用途与当时的社会需求相吻合，否则也会造成创新失误，使发明的结果无人问津。
如20世纪30年代，英国人阿立·布卢姆林申请了立体声技术的专利。从申请专利开始，到1942年阿立·布卢姆林去世，都没有人采用这项专利。直到十多年以后，这种技术才被各种音响设备使用，而此时专利已经失效，使申请人及其公司未从中获取丝毫回报。
一项发明的实现需要必要的技术手段支持，如果当时的技术手段不足以支持发明的实现，即使有了很好的构思，也无法将构思转变为现实的功能。
如英国著名数学家巴贝奇，在1812年开始研制差分机，1834年开始设计性能更强大、计算精度更高的解析机。但是巴贝奇的设计在当时的生产条件下是无法实现的。当时没有任何电子元件，能够采用的元器件只有齿轮、凸轮、曲柄、离合器等机械元器件，能采用的原动机只有蒸汽机。当时的机械加工和检验手段也很差，渐开线齿轮的范成加工还没有发现，车削过程需要人工手持车刀完成。长度测量中普遍应用的游标卡尺还没有被发明，要进行如此复杂的机械装置的加工、装配与调试，难度可想而知。
巴贝奇为了他的计算机设计耗费了毕生的精力，直到1871年去世时已经倾家荡产，留给后人的是几万张等待加工的图样和一大堆加工好等待装配的零部件，他毕生都在进行机械计算机的设计，但没有完成任何一台计算机的装配。
（6）脱离社会需求导致创新失误 创新活动的基本特征之一是创新结果的实用性。创新结果必须能够满足社会的某种需求，得到社会的承认。
如某企业生产开式冲床，考虑到开式冲床床身受力情况不好，影响承载能力，将冲床床身结构改为双立柱闭式结构。修改后的设计使床身受力更合理，承载能力显著增强。但是封闭的工作台面限制了操作空间，使得可加工零件的尺寸受到了限制，只能加工小零件或细长形状的零件，而这种尺寸限制又与增大了承载能力不匹配。由于这种新产品不符合市场对冲床工作参数的需求，使得这项新产品开发失败。
3.3 一般创新技法
1.创造技法的概念
创造技法是以创造学理论，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、提炼而得出来的创造发明的一些原理、技巧和方法。
2.创造技法的基本原理
（1）主动原理 积极、主动树立问题意识。
（2）刺激原理 留心和接收外来刺激，对新奇保持兴趣。
（3）希望原理 不安于现状，不满足既得经验和事物。
（4）环境原理 保持良好心境，容许失败。
（5）多多益善原理 设想越多，创造成功的概率越大，择善而从。
（6）压力原理 智力只有在各种主客观因素构成的压力场内，才会真正释放出能量。
3.创造性技法
常用的创造性技法见表3-1。
表3-1 常用创造性技法
（续）
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3.4 TRIZ理论
3.4.1 TRIZ理论的形成
产品设计是要解决问题。如果产品的初始状态与理想状态之间存在距离，则称之为问题。设计过程是解决问题的过程，是使产品由初始状态通过单步或多步变换实现或接近理想状态的过程。如果实现变换的所有步骤都已知，则称为“常规问题”（Routine problem），如果至少有一步未知，则称为“发明问题”（Inventive problem）。解决常规问题的设计是常规设计，解决发明问题的设计是创新设计。
TRIZ（The Theory of Innovation Problem Solving）是俄语“发明问题解决理论”的首字母英语置换词，它是由前苏联学者根里奇·阿奇舒勒（Genrich.S.Altshuller）和他的同事从1946年开始，在研究了250万份高水平专利的基础上，提出的一套具有完整体系的发明问题解决理论和方法。
通过对大量的专利研究，阿奇舒勒发现，只有大约20%的理论是真正的创新。许多宣称为专利的研究，其实早已经在其他的行业中出现过或被应用过。所以，阿奇舒勒认为跨产业缺乏交流阻碍了创新，发明问题的原理一定是存在的，掌握了这些原理，就能够提高发明的效率，缩短发明的周期，并且使发明问题的解决更具有可预见性。
举个例子，在做简单的算术乘法问题时我们能利用乘法口诀很快得到答案，如果乘法的数字复杂一些，我们可以借助于计算器来进行计算。但是如果我们遇到的是发明问题，世界上还没有这项发明，我们想要将它创造出来，我们应该借助于什么工具呢？TRIZ提出了发明问题的解决理论和工具。
假设我们遇到一个发明问题，使用通常的方法不能直接找到此问题的具体解，那么，就将此问题先转换为一个TRIZ问题，然后利用TRIZ体系中的理论和工具来解决TRIZ问题，获得TRIZ问题的解，最后将TRIZ问题的解与具体问题相对照，考虑实际情况，转化为具体问题的解，如图3-1所示。
阿奇舒勒这样形容TRIZ在创新中的作用：你能等100年得到启发，或者你能用TRIZ原则在15min内解决问题。TRIZ这个强而有力的工具消除在不同性能测量之间的冲突所引起对妥协和交换的需要，为创新带来了可执行的方法论。
图3-1 用TRIZ求解发明问题更简单
当阿奇舒勒对250万个专利进行研究时，发现可以根据创新程度的不同，将这些专利技术解决方法分为5个“创新等级”。
第1级：技术系统的简单改进，所要求技术在系统相关的某行业范围内（32%）；
第2级：包括技术矛盾解决方法的发明，要求系统相关的不同行业知识（45%）；
第3级：包含物理矛盾解决方法的发明，要求系统相关行业以外的知识（18%）；
第4级：包含突破性解决方法的新技术，要求不同科学领域知识（4%）；
第5级：新现象的发现（1%）。
注：括号中数字为占总专利的比重。
对于第1级，阿奇舒勒认为不算是创新，而对于第5级，他认为“如果一个人在旧的系统还没有完全失去发展希望时，就选择一个完全新的技术系统，则成功之路和被社会接受的道路是艰难而又漫长的。因此发明几种在原来基础上的改进是更好的策略”。他建议将这两个等级排除在外，TRIZ工具对于其他3个等级的创新作用更大。一般来说，等级2、3称为“革新（Innovative）”，等级4称为“创新（Inventive）”。
3.4.2 TRIZ理论的发展与应用
自TRIZ理论诞生以来，国外就一直比较注重TRIZ理论的研究、教育和实践工作。
前苏联把注重国民创新能力的开发写入到前苏联宪法中，并在大学中开设“科学研究原理”、“技术创造原理”等相关的创新课程，以提高学生的创新思维能力。
从20世纪60年代末开始，前苏联就建立了各种形式的发明创造学校，成立了全国性和地方性的发明家组织，在这些组织和学校里，可以试验解决发明课题的新技巧，并使它更加有效。在俄罗斯80多座城市里，大约有100所这样的学院及学校在做培训工作。每年都有几千名科学工作者、工程师和大学生们学习TRIZ理论。
美国也有大学开设了TRIZ课程，而且成立了有关TRIZ的研究、咨询机构。自1993年以来，一些著名公司如通用汽车、克莱斯勒、施乐、罗克维尔和强生等已经开始研究和应用TRIZ理论，并有成功案例的报道。
欧洲以瑞典皇家工科大学（KTH）为中心，集中了十几家企业，已经开始实施利用TRIZ进行创造性设计的研究计划。
日本从1996年开始不断有杂志介绍TRIZ的理论以及应用实例。东京大学的烟村洋太郎教授也开始将TRIZ引入教学中提高学生创造力的尝试，开设了“机械创造学”等课程，在日本介绍TRIZ理论的书籍陆续开始出版。
最著名的TRIZ培训机构就是1971年在阿塞拜疆创办的世界上第一所发明学校。该大学的任务是训练学生具备解决各种发明创造性课题的能力，培养具有各种发明创造才能的人才。事实上，前苏联及东欧各国大都开设了以TRIZ作为发明创造的工具的课程，不仅在大学理工科中进行传授，甚至在中、小学阶段也有普及TRIZ理论的教材。
在创新的实践方面，前苏联在设计部门要求所配备的设计工程师和创新发明工程师的比例为7∶1，即7名工程师就需配备1名创新发明工程师，并规定，凡担任经济、科技领导职务者必须先获得发明教育文凭，从而使前苏联在20世纪70年代中期专利申请量和批准量跃居世界第二，在冷战时期保持了对美国的军事力量平衡。
前苏联解体后，TRIZ理论系统地传入西方，在美、欧各地得到了广泛的研究与应用，在亚洲的日本和韩国也得到广泛重视。目前，TRIZ已成为最有效的创新问题求解方法和计算机辅助创新技术的核心理论。
如今TRIZ已在全世界广泛应用，创造出成千上万项重大发明。经过半个多世纪的发展，TRIZ理论和方法已经发展成为一套解决新产品开发实际问题的成熟的理论和方法体系，并经过实践的检验，为众多知名企业和研发机构取得了重大的经济效益和社会效益。
这样的例子举不胜举。2001年，波音公司邀请25名前苏联TRIZ专家，对波音450名工程师进行了两星期培训加讨论，取得了767空中加油机研发的关键技术突破，最终波音公司战胜空客公司，赢得了15亿美元空中加油机的订单。
2003年，“非典”肆虐时，新加坡的研究人员利用TRIZ的40条创新原理，提出了防止非典流行的一系列方法，许多措施为新加坡政府采用，收到了很好的效果。
2004年，UT斯达康通讯有限公司利用TRIZ解决机顶盒天线连接问题和电磁兼容问题，缩短了新产品研发周期，节省大量研发经费。
TRIZ创新理论现在已经在欧美和亚洲发达的国家和地区的企业得到广泛的应用，大大提高了创新的效率。据统计，应用TRIZ理论与方法，可以增加80%～100%的专利数量并提高专利质量；可以提高60%～70%的新产品开发效率；可以缩短产品上市时间50%。
3.4.3 TRIZ理论的主要内容
1.技术系统进化论
技术系统进化论属于TRIZ的基础理论，其主要观点是：科技产品的进化并不是随意的，也同样遵循着一定的客观规律和模式。所有技术的创造与升级都是向最强大的功能发展的。
阿奇舒勒通过对大量发明专利的分析，发现所有产品向最先进的功能进化时，都有一条“小路”引领着它前进。这条“小路”就是进化过程中的规律，表示出来就是一条S形的“小路”，即所谓的S曲线。任何一种产品、工艺或技术都在随着时间向着更高级的方向发展和进化，并且它们的进化过程都会经历相同的几个阶段，分别是诞生期、成长期、成熟期和衰退期。
阿奇舒勒通过研究给出了技术系统演变的8个模式，它们对于产品的创新具有重要的指导作用。
1）技术系统演变遵循产生、成长、成熟和衰退的生命周期。
2）技术系统演变的趋势是提升理想状态。
3）矛盾的导致是由于系统中子系统开发的不均匀性。
4）首先是部件匹配，然后失配。
5）技术系统首先向复杂化演进，然后通过集成向简单化发展。
6）从宏观系统向微观系统转变，即向小型化和增加使用能量场演进。
7）技术向增加动态性和可控性发展。
8）向增加自动化减少人工介入演变。
2.矛盾
在TRIZ中，工程中所出现的种种矛盾可以归结为3类：一类是物理矛盾，一类是技术矛盾，一类是管理矛盾。
（1）物理矛盾 通俗来讲，物理矛盾就是指系统（系统指的是机器、设备、材料、仪器等的统称）中的问题是由一个参数导致的。其中的矛盾是，系统一方面要求该参数正向发展，另一方面要求该参数负向发展；例如，系统要求温度既要升高，也要降低；质量既要增大，也要减小；缝隙既要窄，也要宽等。这种矛盾的说法看起来也许会觉得荒唐，但事实上在多数工作中都存在这样的矛盾。物理矛盾一般来说有两种表现：一是系统中有害性能降低的同时导致该子系统中有用性能的降低；二是系统中有用性能增强的同时导致该子系统中有害性能的增强。
（2）技术矛盾 所谓的技术矛盾就是由系统中两个因素导致的，这两个参数相互促进、相互制约。解决技术矛盾问题的传统方法是在多个要求间寻求“折中”，也就是“优化设计”，但每个参数都不能达到最佳值。而TRIZ则是努力寻求突破性方法消除冲突，即“无折中设计”。TRIZ将导致技术矛盾的因素总结成通用参数。阿奇舒勒总结出工程领域内常用的表述系统性能的39个通用参数，通用参数一般是物理、几何和技术性能的参数。尽管现在有很多对这些参数的补充研究，并将个数提高到了50多个，但在这里我们仍然只介绍核心的这39个参数，见表3-2。
表3-2 39个通用参数及其定义
（续）
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39个工程参数中常用到运动物体（Moving objects）与静止物体（Stationary objects）两个术语，运动物体是指自身或借助于外力可在一定的空间内运动的物体；静止物体是指自身或借助于外力都不能使其在空间内运动的物体。
为了应用方便，上述39个通用工程参数可分为如下3类：
物理及几何参数：（1）～（12），（17）～（18），（21）。
技术负向参数：（15）～（16），（19）～（20），（22）～（26），（30）～（31）。
技术正向参数：（13）～（14），（27）～（29），（32）～（39）。
负向参数（Negative parameters）指这些参数变大时，使系统或子系统的性能变差。如子系统为完成特定的功能所消耗的能量（第19，20条）越大，则设计越不合理。
正向参数（Positive parameters）指这些参数变大时，使系统或子系统的性能变好。如子系统可制造性（第32条）指标越高，子系统制造成本就越低。
（3）管理矛盾 所谓管理矛盾是指，在一个系统中，各个子系统已经处于良好的运行状态，但是子系统之间产生不利的相互作用、相互影响，使整个系统产生问题。比如：一个部门与另一个部门的矛盾，一个工艺与另一个工艺的矛盾，一个机器与另一个机器的矛盾，虽然各个部门、各个工艺、各个机器等都达到了自身系统的良好状态，但对其他系统产生副作用。
例如，一个车间突然接到在油中淬火一批大尺寸零件的订单，但车间没有单独的地方对零件进行淬火，只能在公用的地方进行。桥式起重机从煅炉中吊起来炽热的零件放入油槽中淬火，零件刚一接触到油槽中的油，车间马上充满了刺鼻的浓烟。浓烟向上漂浮，严重地影响到起重机驾驶员的工作，使其无法呼吸。
在这个例子中，起重机驾驶员的工作和淬火的工作本身都没有很大的问题，但是淬火已经严重影响到起重机驾驶员，这就可以看成车间这个系统中的管理矛盾。对于管理矛盾是要依靠具体子系统的物理矛盾或是技术矛盾来解决的。在该例中，可以将管理矛盾转变成淬火的技术矛盾，即淬火能正常经行，而不产生浓烟。最后的解决办法可以是在油的表面放置二氧化碳气体，当炽热的零件接触到油的时候，就不会使空气中的氧气和油相接触，于是就产生不了浓烟。
3.40个发明原理
阿奇舒勒工作的结果是每个科学家不必研究所有的专利来寻找解决问题的方法。研究者只需看清矛盾，用相关内容找到解决问题的方法。为了解决矛盾矩阵中每个参数对应构成的矛盾，TRIZ提供了40个解决这些矛盾的创新原则，如分割、抽取、组合等，见表3-3。
表3-3 40个发明原理
4.阿奇舒勒矛盾矩阵
前面已经讲过，两个通用工程参数导致了系统的技术矛盾，那么将这两个参数相结合就能够找出解决矛盾的办法，于是TRIZ用了数学上比较常见的矩阵的方式来简单地表述出找到解决办法的途径，见表3-4，为阿奇舒勒矛盾矩阵（局部）。
在阿奇舒勒的矛盾矩阵中，将39个通用工程参数横向、纵向顺次排列，横向代表恶化的参数，纵向代表改善的参数，在工程参数纵横交叉的方格内的数字代表建议使用的40个发明原理的序号。矩阵共组成了1521个方格，其中有1263个方格内有数字。在没有数字的方格中，“+”方格处于相同参数的交叉点，系统矛盾由一个因素导致，这是物理矛盾，不在技术矛盾应用范围之内。“-”方格表示没有找到合适的发明原理来解决问题，当然只是表示研究的局限，并不代表不能够应用发明原理。
表3-4 查找阿奇舒勒矛盾矩阵
5.综合应用实例
下面以开口扳手（美国专利5406868）举例说明通用工程参数、阿奇舒勒矛盾矩阵、40个发明原理的综合应用。
例 专利开口扳手如图3-2所示。当我们使用开口扳手拧开六角螺栓时，扳手受力集中在螺栓的2条棱边，见局部图3-3，棱边容易变形而造成扳手打滑。
图3-2 开口扳手
图3-3 开口扳手局部图
下面使用TRIZ的阿奇舒勒矛盾矩阵和发明原理来解决此问题。
1.首先确定工程参数
现在存在的主要问题是：扳手受力集中在螺栓的两条棱边，棱边容易变形而造成扳手打滑，这是欲改善的特性。对应到通用工程参数中选择“31物体产生的有害因素”，以此作为改善的参数。
为避免打滑，扳手的开口尺寸需要做到合适，在确保可卡入螺栓头的前提下，扳手开口与螺栓头之间的间隙尽可能地小。因此，在扳手的制造过程中，对开口尺寸需要进行严格的控制，保证尺寸精度，这就是被恶化的特性。对应到通用工程参数中选择“29制造精度”，作为被恶化的参数。
2.然后查找阿奇舒勒矛盾矩阵
欲改善的参数：31物体产生的有害因素；被恶化的参数：29制造精度。查找阿奇舒勒矛盾矩阵，见表3-4。
从矩阵表查找31和29对应的方格，得到方格中推荐的发明原理序号共4个，分别是：4，17，34，26。与表3-3的发明原理目录对应，得到这4条发明原理依次是：
4——增加不对称性；
17——一维变多维；
34——抛弃或再生；
26——复制。
3.发明原理的分析
4——增加不对称性：可能的设计是，扳手的开口可以设计成不对称的，此方案对问题的彻底解决贡献有限。
17——一维变多维：从点—线—面一体，从单—双—多的进化路径看，增大扳手开口的接触面积对问题的彻底解决贡献最大。
34——抛弃或再生：此方案对问题的彻底解决无贡献。
26——复制：此方案对问题的彻底解决无贡献。
4.发明原理的应用
综合以上4条发明原理的分析，一维变多维是最具有价值的发明原理，其次是增加不对称性原理。
而美国专利5406868，正是基于发明原理17“一维变多维”来进行了扳手的结构改进，增大扳手与螺栓头的接触面积，从而解决了开口扳手存在的问题，如图3-4所示。
图3-4 开口扳手设计图