基于功能分析與TRIZ的林果采摘裝置概念設(shè)計

于慧伶　郭潔　陳廣勝

摘要 傳統(tǒng)的依賴于產(chǎn)品研發(fā)人員經(jīng)驗與靈感的設(shè)計方法已經(jīng)無法滿足使用者快速、高質(zhì)量的功能需求。筆者提出將功能分析與TRIZ矛盾解決工具相結(jié)合的林果采摘裝置概念設(shè)計方法，以采摘剪為例從功能角度加以分析，建立功能模型，挖掘其中的不足功能，應(yīng)用39個通用工程參數(shù)和40條發(fā)明原理描述和解決問題功能，從而縮短研發(fā)時間，實現(xiàn)林果采摘創(chuàng)新設(shè)計。研究表明該方法在林果采摘裝置設(shè)計過程中具有創(chuàng)新加強和有效性。

關(guān)鍵詞 功能分析；TRIZ；矛盾矩陣；林果采摘裝置

中圖分類號 S225 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）05-01566-03

Abstract The traditional design method which depends upon the experience and inspiration of researchers can no longer meet user demands for functions of high speed and quality. A conceptual design method of fruit picking device which is based on functional analysis and the theory of contradiction matrix of TRIZ was proposed. Plucking shears is taken as an example through analyzing function， establishing functional model， mining the insufficient function， describing and solving the function problems with 39 contradiction matrices and 40 innovation principles to shorten the time of research and development and achieve innovations of fruit picking device. The research illustrates the robustness and effectiveness of the method in the design of fruit picking device.

Key words Functional analysis； TRIZ； Contradiction matrix； Fruit picking device

產(chǎn)品創(chuàng)新是企業(yè)競爭力的核心。隨著科技的發(fā)展，制造水平的進步，使得產(chǎn)品的生命周期大幅度縮減，越來越多的新產(chǎn)品涌向市場。產(chǎn)品的設(shè)計過程是一個面向功能的設(shè)計過程[1]。應(yīng)用系統(tǒng)化、科學(xué)化的概念設(shè)計方法對現(xiàn)有產(chǎn)品加以分析，可以幫助研發(fā)人員快速地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品功能中所存在的缺陷與沖突，提出概念設(shè)計方案，從而在短時間內(nèi)有效地研發(fā)出低成本、高質(zhì)量、具有創(chuàng)新性的產(chǎn)品。

將功能分析與TRIZ理論相融合，運用功能分析將抽象的采摘結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的功能模型，以展現(xiàn)出系統(tǒng)組件與組件之間相互作用的目的與性能，從而不受結(jié)構(gòu)的約束，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問題的癥結(jié)；運用TRIZ理論中的矛盾解決工具描述和分析所發(fā)現(xiàn)的問題，獲得改進設(shè)計方案。筆者應(yīng)用該設(shè)計流程對采摘剪進行了改進設(shè)計嘗試。

1 基于功能分析與TRIZ的概念設(shè)計流程

產(chǎn)品設(shè)計需要經(jīng)歷一個極其復(fù)雜的過程。研究表明，產(chǎn)品設(shè)計成本的80%～90%是由概念設(shè)計階段決定的[2]，其設(shè)計結(jié)果的優(yōu)劣對產(chǎn)品開發(fā)的效率和效果具有十分重要的影響。

功能分析是系統(tǒng)設(shè)計過程中制定功能結(jié)構(gòu)方案的重要方法，有助于設(shè)計人員對系統(tǒng)的工作原理和功能結(jié)構(gòu)進行深入地認識與理解。將功能分析引入到林果采摘裝置概念設(shè)計當中，可以幫助研究設(shè)計人員對采摘功能進行明確地把握，合理化功能結(jié)構(gòu)，彌補不足功能，去掉不合理功能，從而降低設(shè)計成本，提高產(chǎn)品價值。TRIZ理論被認為是可以有助于挖掘和開發(fā)人們的創(chuàng)造潛能、全面系統(tǒng)地闡述發(fā)明創(chuàng)造和技術(shù)創(chuàng)新的理論，被西方的專家稱為“超級發(fā)明術(shù)”，在許多國家企業(yè)當中得到了廣泛地應(yīng)用并極大地提高了企業(yè)的市場競爭力。將功能分析與TRIZ理論兩種方法相融合，可以完善林果采摘裝置概念設(shè)計的流程，避免設(shè)計人員投入不必要的時間與精力，從而保證設(shè)計的時效性與創(chuàng)新性。其具體設(shè)計流程如下。

1.1 組件分析 任何產(chǎn)品作為一個系統(tǒng)，都包含一個或多個功能以滿足用戶的使用需求。而功能的實現(xiàn)是由執(zhí)行不同功能的組件所完成的。

功能分析理論認為，系統(tǒng)分為技術(shù)系統(tǒng)、子系統(tǒng)和超系統(tǒng)。技術(shù)系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，并通過子系統(tǒng)之間的相互作用實現(xiàn)一定的功能。子系統(tǒng)由組件和操作構(gòu)成，通過組件之間的相互作用實現(xiàn)較小的功能。超系統(tǒng)是比技術(shù)系統(tǒng)更高級的系統(tǒng)，包括技術(shù)系統(tǒng)和與之有關(guān)的其他系統(tǒng)。不同的系統(tǒng)層次由相應(yīng)的組件所組成，完成各自的功能。組件分析的目的在于描述系統(tǒng)的組成、確定組件的數(shù)量以及各個組件的層次，從而建立組件模型。

1.2 結(jié)構(gòu)分析 在組件分析的基礎(chǔ)上，進一步分析確定各組件之間的相互作用關(guān)系，即為結(jié)構(gòu)分析。分析結(jié)果是建立結(jié)構(gòu)模型，具體包括：結(jié)構(gòu)矩陣和結(jié)構(gòu)表格。

在結(jié)構(gòu)矩陣中，行、列為模型組件，行、列的交叉處表示未經(jīng)特殊性分析的系統(tǒng)組件對之間的相互作用。若某對組件之間存在作用關(guān)系，則用“+”填列，不存在關(guān)系則用“-”填列。

結(jié)構(gòu)表格是對組件對之間相互作用關(guān)系的詳細描述，分析項目如下：

（1）功能載體。是指執(zhí)行特定功能的物體，即功能作用的主體。

（2）功能對象。將對其實行某種特定功能的物體，即功能載體作用的客體。

（3）行動。是指功能載體對功能對象的作用方式，應(yīng)用一個動詞進行表述。

（4）所改變的參數(shù)。功能載體通過改變功能對象的參數(shù)而對其產(chǎn)生應(yīng)用，實現(xiàn)功能。為了與后續(xù)矛盾問題分析保持一致，此處參數(shù)需從TRIZ理論提出的39個通用工程參數(shù)中選取。

（5）功能種類。TRIZ理論認為，功能包括有益功能和有害功能。有益功能是指有利于實現(xiàn)物體需求的功能，而有害功能是指影響實現(xiàn)物體性能的副作用。通過有益有害功能的判斷，可以初步確定系統(tǒng)中所存在的問題，為系統(tǒng)改進提供方向。

（6）完成級別。是對有益功能的進一步分析以確定相應(yīng)功能的完成程度，包括不足功能、充分功能和過量功能。

1.3 建立功能模型 功能建模是指在組件分析和結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上采用圖形化的方法構(gòu)建系統(tǒng)功能模型，確定系統(tǒng)的組件構(gòu)成和各組件的功能。在功能模型中，用矩形代表組件、六角形代表超系統(tǒng)、橢圓形代表系統(tǒng)作用對象。系統(tǒng)作用對象為系統(tǒng)功能的受體，屬于特殊的超系統(tǒng)組件。功能載體作用于功能對象的有益充分功能用直線箭頭連接，不足功能用虛線箭頭連接，過量功能用加粗的直線箭頭連接，有害功能用波浪箭頭連接。以采摘剪局部分析為例，如圖1所示。整個刀片與枝條相互作用形成一個簡單的系統(tǒng)，枝條為系統(tǒng)的作用對象，刀片為系統(tǒng)的組件。凹形刀片與凸形刀片同時作用于枝條表面，對其進行切割作用，改變枝條的形狀參數(shù)。由于刀片本身存在一定的缺陷，使其作用不足，故用虛線箭頭連接。

1.4 運用TRIZ理論解決系統(tǒng)問題 一個系統(tǒng)當中可能同時存在多個有害、過量或者不足的功能。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)分析中的結(jié)構(gòu)表格，將這些缺陷功能提取出來，建立功能清單。并非清單上的所有功能都引發(fā)了系統(tǒng)問題。功能模型的優(yōu)點在于能夠以圖形化的方式有效地反應(yīng)關(guān)鍵不足所帶來的因果關(guān)系，從而幫助研究設(shè)計人員在眾多的問題功能中高效、準確地發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵功能，確定影響系統(tǒng)功能的作用組件。當因改進產(chǎn)品而改變其中一個組件設(shè)計，即提高產(chǎn)品某方面的性能時，可能會影響到與之相關(guān)聯(lián)的另一個組件，結(jié)果可能使產(chǎn)品系統(tǒng)另一些方面的性能受到影響，這樣就構(gòu)成了技術(shù)矛盾[3]。為解決產(chǎn)品設(shè)計過程中的技術(shù)矛盾問題，TRIZ理論提供了矛盾解決工具阿奇舒勒矛盾矩陣。

由于各個行業(yè)、領(lǐng)域中都存在著大量的工程參數(shù)，這些參數(shù)的名稱不同，為了標準化定義技術(shù)矛盾，阿奇舒勒及其團隊在對大量專利研究分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)提出了39個通用工程參數(shù)，以及與技術(shù)矛盾相對應(yīng)的標準解40個發(fā)明原理[4]。矛盾矩陣以39個通用工程參數(shù)為橫縱行標題，40個發(fā)明原理為橫縱行交叉處矛盾的解決方法，建立起技術(shù)矛盾與發(fā)明原理之間的對應(yīng)關(guān)系。

研究人員首先應(yīng)用39個通用工程參數(shù)對技術(shù)矛盾進行重新描述，確定欲改善的工程參數(shù)以及隨之被惡化的工程參數(shù)；查找阿奇舒勒矛盾矩陣表，得到推薦的發(fā)明原理序號，按照序號查找發(fā)明原理，得到發(fā)明原理名稱，將所推薦的發(fā)明原理逐一應(yīng)用到具體問題上，探討每個原理在具體問題上的應(yīng)用實現(xiàn)；最后根據(jù)研究結(jié)果篩選出最理想的解決方案，完成產(chǎn)品的設(shè)計。

2 采摘剪功能分析

采摘獲取過程約占整個果實生產(chǎn)作業(yè)量的40%[5]。其作業(yè)質(zhì)量的優(yōu)劣會直接影響到果實的存儲、運輸以及銷售，最終對市場價格和經(jīng)濟效益造成影響。采摘剪是被廣泛應(yīng)用于果實采摘過程中的一種摘取工具。目前市場上生產(chǎn)采摘剪的企業(yè)有很多，但所生產(chǎn)的采摘剪大都由剪刀片、手柄等簡單部件組成。為了提高產(chǎn)品的競爭力，加強采摘剪使用時的高效性和實用性，對采摘剪進行研究，以期獲得改進的概念設(shè)計方案。

對采摘剪進行組件分析，構(gòu)成采摘剪的組件包括：①連接保險鉤 ②手柄 ③彈性裝置 ④凹形刀片 ⑤凸形刀片 ⑥鉚釘 ⑦枝條 其中①—⑥為技術(shù)系統(tǒng)組件，⑦為超系統(tǒng)組件中的系統(tǒng)作用對象。

3 采摘剪矛盾求解

運用TRIZ理論中的矛盾解決理論定義果實采摘中存在的功能問題。由于矛盾組件是刀片與枝條，欲改進刀片與枝條之間的作用關(guān)系，所以改善參數(shù)為刀片的形狀，刀片形狀的改變很可能導(dǎo)致采摘效率的降低，所以惡化參數(shù)為功率。根據(jù)改善參數(shù)與惡化參數(shù)查詢矛盾矩陣表，可得到解決問題的發(fā)明原理：第2、4、6條。

原理2：提取法。此原理是指將物體中有用或有害的部分提取出來進行相應(yīng)的處理。包含2方面的含義，一方面是指從物體中抽出產(chǎn)生負面影響的部分或?qū)傩?；另一方面是指從物體中抽出必要的部分或?qū)傩浴?/p>

原理4：非對稱法。此原理利用不對稱性進行創(chuàng)新設(shè)計。包含2方面的含義，一方面是指將物體的對稱形式轉(zhuǎn)化為不對稱形式；另一方面是指如果物體已經(jīng)是不對稱的，則加強它的不對稱程度。

原理6：一物多用法。也稱多元性原理，是指使一個物體能夠執(zhí)行多種不同功能，以取代其他物體的介入。

4 采摘剪改進設(shè)計方案

對查詢矛盾矩陣所得到的發(fā)明原理進行逐條分析，由原理4和原理6所得啟示，結(jié)合本領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用需要，提出2種改進設(shè)計方案。

方案1：根據(jù)原理4，改進現(xiàn)有刀片形狀，加劇凸形刀片和凹形刀片的非對稱程度，使其在采摘果實時能夠夾緊枝條，避免枝條打滑傾斜，從而保證將枝條90度剪下，避免枝端尖銳。

方案2：根據(jù)原理6，增加刀片的功能，使其在執(zhí)行剪切作用的同時能夠?qū)崿F(xiàn)枝端的打磨功能。具體做法為：在凸形刀片和凹形刀片的內(nèi)側(cè)制作類似于銼刀的不平紋路，這樣在刀刃逐漸剪切夾緊的過程中，紋路與枝端之間會有相互的摩擦作用，從而降低枝端的尖銳程度。

5 結(jié)論

將功能分析與TRIZ理論相結(jié)合的林果采摘裝置概念設(shè)計方法應(yīng)用于已有產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計當中，不僅有助于研究設(shè)計人員打破思維慣性和經(jīng)驗設(shè)計的約束，指明改進設(shè)計方向，還可以幫助他們解決創(chuàng)新設(shè)計中所遇到的技術(shù)矛盾，實現(xiàn)高水平的改進創(chuàng)新。以采摘剪為例的改進設(shè)計，通過組件分析、結(jié)構(gòu)分析、功能建模和矛盾求解4個步驟，獲得了最終設(shè)計方案，表明了該概念設(shè)計方法的實用性和健壯性。

參考文獻

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