基于功能方法樹與TRIZ的鋼索夾設(shè)計(jì)

黃振勇 ，羅建設(shè)

(1．中國(guó)民航飛行學(xué)院 飛機(jī)修理廠，四川 德陽(yáng) 618307；2．成都工業(yè)學(xué)院 模具技術(shù)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

羅建設(shè)(1979- ),男(漢族),四川宣漢人，講師，博士,研究方向：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

基于功能方法樹與TRIZ的鋼索夾設(shè)計(jì)

黃振勇1，羅建設(shè)2

(1．中國(guó)民航飛行學(xué)院 飛機(jī)修理廠，四川 德陽(yáng) 618307；2．成都工業(yè)學(xué)院 模具技術(shù)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

結(jié)合功能方法樹與TRIZ方法的特點(diǎn)，在充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上提出了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決矛盾的一種新方法，并將其應(yīng)用到鋼索夾的具體設(shè)計(jì)中，得到了鋼索夾的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，為鋼索夾的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

功能方法樹；TRIZ；鋼索夾

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程是解決問(wèn)題的過(guò)程，它是把“我們希望得到”映射到“我們?nèi)绾蔚玫健?，即是從用戶需求到產(chǎn)品功能要求，最后到滿足功能的物理結(jié)構(gòu)。本文將功能方法樹與TRIZ理論在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)有機(jī)地結(jié)合，提出了一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新方法，同時(shí)將該方法應(yīng)用于調(diào)整飛機(jī)軟式操縱系統(tǒng)時(shí)使用的鋼索夾的設(shè)計(jì)中，改善了鋼索夾的使用性能和可操作性，提高了工作效率。

圖1 功能分解

1 功能方法樹

產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是功能分解，其主要任務(wù)是把用戶需求映射為產(chǎn)品的總功能，但產(chǎn)品的總功能通常很難立即找到相應(yīng)的實(shí)體解，因此必須把總功能逐層分解為相對(duì)比較簡(jiǎn)單的、容易尋求實(shí)體解的子功能或功能單元，通過(guò)功能建?？梢郧逦匕盐展δ艿妮斎搿⑤敵黾肮δ苤g的相互關(guān)系，如圖1所示。

功能方法樹是將從用戶需求中提取的復(fù)雜的產(chǎn)品總功能分解為若干個(gè)較小的、簡(jiǎn)單的分功能，并通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)單的分功能的求解和對(duì)這些解的組合來(lái)求出總功能的解[1]。這些組合可以得到若干不同的方案，在這些方案中選擇出一個(gè)或幾個(gè)最佳方案，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2 發(fā)明問(wèn)題解決理論(TRIZ)

TRIZ是俄文“發(fā)明問(wèn)題解決理論”的縮寫，是基于知識(shí)的、面向人的解決發(fā)明問(wèn)題的系統(tǒng)化方法學(xué)。新產(chǎn)品的研制或改型設(shè)計(jì)，主要是不斷解決產(chǎn)品所存在的沖突。運(yùn)用TRIZ中的工具可以解決基本矛盾和沖突[2]，從而避免設(shè)計(jì)過(guò)程中的盲目性和局限性。

TRIZ的主要內(nèi)容包括：技術(shù)系統(tǒng)演變的8個(gè)模式、40條發(fā)明原理、39個(gè)技術(shù)參數(shù)、矛盾矩陣、76個(gè)發(fā)明問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)解決方案、發(fā)明問(wèn)題解決算法(ARIZ)和工程知識(shí)庫(kù)等。

圖2 TRIZ流程圖

3 基于功能方法樹與TRIZ的鋼索夾設(shè)計(jì)

3.1 功能方法樹與TRIZ的結(jié)合

應(yīng)用功能方法樹的功能模型對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行描述，抽象出產(chǎn)品的總功能，再由功能分解方法將其分解，直到分解為更小且容易實(shí)現(xiàn)的功能元；各功能元可以選擇一種或幾種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，形成功能結(jié)構(gòu)樹，每個(gè)功能元通過(guò)相互協(xié)調(diào)來(lái)完成所期望的總功能。

圖2為基于TRIZ的發(fā)明問(wèn)題解決過(guò)程模型[3]。依據(jù)該模型，首先分析問(wèn)題，包括功能分析、理想解、可用資源及沖突區(qū)域的確定；如果存在技術(shù)沖突或物理沖突，選擇發(fā)明原理或分離原理解決；如果需要替代技術(shù)，選擇技術(shù)進(jìn)化模式與進(jìn)化路線；如果已確定要解決的問(wèn)題，但不知如何解決，可選擇科學(xué)效應(yīng)。然后對(duì)通過(guò)上述方法得到的方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，如果仍然不滿足需求，則必須對(duì)問(wèn)題進(jìn)行重新分析；反之，就可以進(jìn)行后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖3 功能方法樹與TRIZ結(jié)合模型

綜上所述，TRIZ主要是解決設(shè)計(jì)中如何做的問(wèn)題(how)，對(duì)設(shè)計(jì)中做什么的問(wèn)題(what)未能給出合適的工具。其出發(fā)點(diǎn)是借助于經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的沖突，沖突發(fā)現(xiàn)的過(guò)程也是通過(guò)對(duì)問(wèn)題的定性描述來(lái)完成的[4-5]。其他的設(shè)計(jì)理論，特別是功能方法樹能解決做什么的問(wèn)題。所以將兩者有機(jī)地結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，將有助于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖4 功能分解樹力

3.2 鋼索夾的設(shè)計(jì)

在小型飛機(jī)結(jié)構(gòu)大檢修過(guò)程中，有時(shí)需要對(duì)鋼索進(jìn)行檢查、調(diào)整或更換，就必須使用鋼索夾。當(dāng)拆卸該段鋼索時(shí)，對(duì)不需要拆下的鋼索應(yīng)先夾上鋼索夾，或是在鋼索輪轂或鋼索扇形盤上插上鋼銷，以保持一定的張力，防止整個(gè)鋼索系統(tǒng)松垮，導(dǎo)致鋼索從滑輪上脫落。

3.2.1 鋼索夾總功能的提取

鋼索夾在使用過(guò)程中的空間及位置的局限性對(duì)鋼索夾的設(shè)計(jì)提出了特殊要求。通過(guò)對(duì)維護(hù)人員需求和實(shí)際工作要求的分析可知，維護(hù)人員希望得到簡(jiǎn)易裝卸、且安全可靠的鋼索夾。

3.2.2 功能分解

基于鋼索夾的總功能以及在使用過(guò)程中的需求、限制等，應(yīng)用功能方法樹進(jìn)行功能分解，得到如圖4所示的功能分解樹。

3.2.3 確定沖突

無(wú)論是新設(shè)計(jì)還是對(duì)已有產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中首先要保證或提高產(chǎn)品的某些內(nèi)部性能，但這種提高往往導(dǎo)致產(chǎn)品其他內(nèi)部性能的降低，這就是設(shè)計(jì)中的沖突。傳統(tǒng)鋼索夾使用過(guò)程中，想要快速安裝鋼索夾，就要縮短其定位、安裝和夾緊的時(shí)間，但同時(shí)也降低了其可靠性，即快速安裝/拆卸鋼索夾和可靠性間存在沖突。

3.2.4 解決矛盾

本文選擇沖突矩陣作為問(wèn)題解決的工具。首先從39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)中選擇并確定技術(shù)沖突的一對(duì)特性參數(shù)：1)改善的參數(shù)：時(shí)間損失(No.25)；2)帶來(lái)負(fù)面影響的參數(shù)：可操作性(No.33)。由沖突矩陣確定可用發(fā)明原理為：不對(duì)稱(No.4)、預(yù)操作(No.10)、機(jī)械系統(tǒng)的替代(No.28)、拋棄與修復(fù)(No.34)。

3.2.5 得出方案

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)信息檢索、科學(xué)效應(yīng)庫(kù)、專利庫(kù)等，本文得到問(wèn)題的創(chuàng)新方案的過(guò)程為：1) 利用No.4、No.10 、No.28：機(jī)械系統(tǒng)的替代，將物體由對(duì)稱變?yōu)椴粚?duì)稱——通過(guò)不對(duì)稱進(jìn)行夾緊及機(jī)械自鎖；在操作開(kāi)始前，使物體局部或全部產(chǎn)生所需的變化——在鋼索夾設(shè)計(jì)中事先將其一端連接好，得到創(chuàng)新方案b，如圖5(b)所示。2)利用No.10：預(yù)先對(duì)物體進(jìn)行特殊安排，使其處于易操作的位置——在鋼索夾設(shè)計(jì)中，另一端事先固定好螺帽，得到創(chuàng)新方案c，如圖5(c)所示。3)利用No.10、No.28：機(jī)械系統(tǒng)替代——改變螺帽擰緊形式，得到方案d，如圖5(d)所示。

圖5功能方法樹與TRIZ結(jié)合模型

3.2.6 確定方案

方案a所示為原有鋼索夾，與其相比，方案b、c和d在易操作性和快速拆裝方面有了很大的改進(jìn)，但是方案b降低了可靠性，即降低了其對(duì)鋼索的夾緊力，容易使鋼索發(fā)生滑動(dòng)導(dǎo)致夾緊失效。方案c和d在易操作性、快速拆裝方面有很大提高，并且沒(méi)有降低其可靠性，因此方案c和d是較為合理的設(shè)計(jì)方案?？筛鶕?jù)具體的使用限制和應(yīng)用空間來(lái)具體選擇合適的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

產(chǎn)品是功能的實(shí)現(xiàn)，任何產(chǎn)品都包括一個(gè)或多個(gè)功能，為了實(shí)現(xiàn)這些功能，產(chǎn)品要由相關(guān)的多個(gè)零部件組成。為了提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，需要不斷對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，這就需要發(fā)現(xiàn)并解決產(chǎn)品的沖突。本文結(jié)合功能方法樹與TRIZ2個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)模型，并通過(guò)對(duì)鋼索夾進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了其實(shí)用性，得到了較為合理的新的鋼索夾設(shè)計(jì)方案。

[1] 劉新福,劉東升,梁建芬,等.基于功能方法樹的車床刀架概念設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2005,24(4):462-465.

[2] 檀潤(rùn)華.創(chuàng)新設(shè)計(jì)-TRIZ:發(fā)明問(wèn)題解決理論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[3] DOMB E.QFD and TIPS/TRIZ [EB/OL].[2013-01-01].http://www.TRIZ-Journal.com.

[4] 檀潤(rùn)華,馬建紅,張換高,等.基于QFD及TRIZ的概念設(shè)計(jì)過(guò)程研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2002,19(9):1-4.

[5] 侯智,張根保,余德忠,等.基于QFD、TRIZ和穩(wěn)健設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法體系結(jié)構(gòu)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2003,19(3):17-19.

DesignofCableClipBasedonFunctionalMeansTreeandTRIZ

HUANGZhenyong1,LUOJianshe2

(1. Aircraft Repair Plant, Civil Aviation Flight university of China, Deyang 618307, China; 2. Key Laboratory for Mold Technology of Sichuan Province, Chengdu Technological University, Chengdu 610031, China)

Product evolution process is the process of solving product conflict. How to identify and solve the conflict becomes a key factor for product improvement. This paper presents a new method to solve the contradiction, based on full play to the advantages of the characteristic function means tree and TRIZ method, and applies to the improved design scheme of cable clamp. The improved design scheme provides the basis for the detailed design of the cable clamp.

function means tree；TRIZ；cable clamp

2013-01-30

四川省教育廳項(xiàng)目“高強(qiáng)度汽車用鋼的熱沖壓成形關(guān)鍵技術(shù)研究”(11ZB014)

黃振勇(1982- ),男(漢族),山西大同人，助理工程師，碩士,研究方向：機(jī)務(wù)維修。

TH122

A

2095-5383(2013)02-0029-03