TRIZ理論及其在袋裝飼料智能裝車機(jī)中的應(yīng)用

■黃 蕾 鄧援超

（湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，湖北武漢 430068)

1 TRIZ理論簡(jiǎn)單介紹

TRIZ原是俄文（Teorijz Rezhenija Izobretatel’skich Zadach）的縮寫(xiě)，其對(duì)應(yīng)英文TIPS（Theory of Invention Problem Solving），意為“發(fā)明問(wèn)題解決理論”[1]。1946年，以蘇聯(lián)海軍專利部G.S.Altshuller為首的專家開(kāi)始對(duì)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的專利文獻(xiàn)加以研究，經(jīng)過(guò)50多年收集整理、歸納提煉，發(fā)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)創(chuàng)新是有規(guī)律可循的，并在此基礎(chǔ)上建立了一套體系化的、實(shí)用的解決發(fā)明創(chuàng)造問(wèn)題的方法，即為T(mén)RIZ理論[2]。TRIZ理論方法不是針對(duì)某個(gè)具體的機(jī)構(gòu)、機(jī)械或過(guò)程，而是要建立解決問(wèn)題的模型及指明問(wèn)題解決對(duì)策的探索方向[1]。

TRIZ理論不僅能找到解決問(wèn)題的路徑，而且為解決問(wèn)題找到了通行的方法，為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了可實(shí)現(xiàn)的工具和路徑[3]。

TRIZ解題模式如圖1所示：

圖1 TRIZ解題模式

利用TRIZ理論解決創(chuàng)新問(wèn)題的流程分為：分析問(wèn)題，解決問(wèn)題，方案實(shí)現(xiàn)。分析問(wèn)題的TRIZ工具有系統(tǒng)功能分析和三軸分析法；解決問(wèn)題的方法有技術(shù)矛盾[4]，物理矛盾，HOW TO模型，物場(chǎng)模型等，這些方法又有相應(yīng)的工具來(lái)解決問(wèn)題，如技術(shù)矛盾對(duì)應(yīng)矛盾矩陣，物理矛盾對(duì)應(yīng)分離方法，HOW TO模型對(duì)應(yīng)知識(shí)庫(kù)，物場(chǎng)模型對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)解法等；最后通過(guò)解決問(wèn)題的工具方法找到備選方案，從而得到概念方案。

2 碼垛裝置背景介紹

此處研究的碼垛裝置是全自動(dòng)飼料裝車機(jī)中的一部分機(jī)械結(jié)構(gòu)，全自動(dòng)飼料裝車機(jī)取代人工裝車，利用其中裝車平臺(tái)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)飼料裝車全自動(dòng)化，而碼垛裝置為裝車平臺(tái)中負(fù)責(zé)將飼料包從裝車平臺(tái)上碼垛到車廂內(nèi)的機(jī)械，其外形構(gòu)造如圖2所示。

圖2 碼垛裝置結(jié)構(gòu)

閘門(mén)3通過(guò)其側(cè)邊的機(jī)架部分連接在滑套2上，滑套2可以在導(dǎo)柱4上面上下直線運(yùn)動(dòng)，氣缸1則是推動(dòng)滑套上下直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。

3 系統(tǒng)組件分析

3.1 問(wèn)題背景

全自動(dòng)袋裝飼料裝車機(jī)是一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目，考察的工廠實(shí)際情況如圖3所示。在做此實(shí)際項(xiàng)目中有一個(gè)限制條件，由圖3可知，安裝裝車機(jī)的廠房已經(jīng)做好，廠房的高度和槽的寬度已經(jīng)定好，企業(yè)要求不能更改此部分，以免全部重新做廠房。

圖3 工廠廠房

3.2 組件分析

只針對(duì)碼垛閘門(mén)部裝來(lái)做組件分析，因?yàn)閱?wèn)題主要出現(xiàn)在此裝置部分，沒(méi)有必要將系統(tǒng)擴(kuò)大做復(fù)雜分析，那樣會(huì)給分析帶來(lái)麻煩和不必要。

3.2.1 組件列表

組件列表可以回答系統(tǒng)是由哪些組件組成，包括系統(tǒng)作用對(duì)象、技術(shù)系統(tǒng)組件、子系統(tǒng)組件，以及和系統(tǒng)組件發(fā)生相互作用的超系統(tǒng)組件。

超系統(tǒng)組件：裝車平臺(tái)、斜皮帶機(jī)、水平皮帶機(jī)、二樓地面。

系統(tǒng)組件：閘門(mén)、滑套、導(dǎo)柱、連接板1、氣缸、連接板2。

作用對(duì)象：飼料袋。

3.2.2 結(jié)構(gòu)關(guān)系（見(jiàn)圖4）

圖4 碼垛閘門(mén)結(jié)構(gòu)關(guān)系

3.2.3 組件模型（見(jiàn)圖5）

3.3 提出問(wèn)題

3.3.1 從數(shù)據(jù)出發(fā)

在上面問(wèn)題背景中提到過(guò)，安裝袋裝飼料智能裝車機(jī)的廠房已經(jīng)提前制作完成，也就是說(shuō)二樓地面到一樓的高度空間已經(jīng)被定死，在項(xiàng)目開(kāi)始的設(shè)計(jì)階段，由于考慮到效率和程序問(wèn)題，設(shè)計(jì)完成斜皮帶機(jī)的長(zhǎng)度，裝車平臺(tái)的高度已經(jīng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在企業(yè)給出的數(shù)據(jù)中，飼料袋的高度取平均值為190 mm，碼垛閘門(mén)一次性完成3層飼料袋的碼垛，所以設(shè)計(jì)氣缸的行程為400 mm，每輛車輛需要裝載9層飼料袋。

結(jié)合樓層高度、皮帶機(jī)長(zhǎng)、裝載飼料袋高度、裝車平臺(tái)機(jī)架高度、飼料袋高、碼垛裝置高度等多樣數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在空間高度方面存在問(wèn)題，即裝車機(jī)需要的空間高度要大于廠房的高度。

3.3.2 找到關(guān)鍵問(wèn)題及薄弱環(huán)節(jié)

分析數(shù)據(jù)中每個(gè)導(dǎo)致問(wèn)題產(chǎn)生的原因：

①水平皮帶機(jī)因?yàn)樵诙?，?duì)討論的問(wèn)題沒(méi)有任何影響；

圖5 碼垛閘門(mén)組件模型

②由于每?jī)纱暳洗g的距離及斜皮帶機(jī)上的飼料袋數(shù)量取決于生產(chǎn)效率和裝載效率，所以其長(zhǎng)度沒(méi)法輕易改動(dòng)；

③廠房高度在問(wèn)題背景中已經(jīng)介紹過(guò)，是硬性規(guī)定，無(wú)法改變；

④碼垛飼料的層數(shù)以及飼料袋高度也是無(wú)法改變的參數(shù)；

⑤裝車平臺(tái)機(jī)架高度在數(shù)據(jù)分析中已經(jīng)告知是最優(yōu)化設(shè)計(jì)；

⑥碼垛裝置通過(guò)結(jié)構(gòu)的變換可能可以降低高度。

4 解決問(wèn)題

4.1 尋找問(wèn)題中的矛盾

在問(wèn)題分析中，已經(jīng)找到問(wèn)題的薄弱環(huán)節(jié)，碼垛裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)可以優(yōu)化的部分。通過(guò)上面的碼垛裝置外形結(jié)構(gòu)和組件模型分析，一層一層分析影響碼垛裝置高度的參數(shù)。決定碼垛裝置高度的是導(dǎo)柱的長(zhǎng)度，導(dǎo)柱的長(zhǎng)度由行程和氣缸的長(zhǎng)度決定。在這兩個(gè)參數(shù)中行程是不能改變的，那么唯一可以改變的只有氣缸的長(zhǎng)度，但是氣缸的長(zhǎng)度又取決于行程。

4.2 提取出一對(duì)技術(shù)矛盾

問(wèn)題描述：碼垛裝置的引入是為了取代裝車平臺(tái)的整體移動(dòng)，因?yàn)檠b車平臺(tái)整體體積太大，會(huì)跟車廂板發(fā)生碰撞。但是碼垛裝置的引入導(dǎo)致整個(gè)裝置高度變大，跟廠房的限制高度有沖突。

需要改善的方面：運(yùn)動(dòng)物體的體積減小，不跟車廂板干涉。

造成惡化的方面：運(yùn)動(dòng)物體的高度變大，與廠房高度沖突。

運(yùn)用39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)來(lái)描述該對(duì)技術(shù)矛盾：改善的參數(shù)：運(yùn)動(dòng)物體的體積；

惡化的參數(shù)：運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度。

4.3 尋找解決問(wèn)題的方案

采用矛盾矩陣的方法，提供的可優(yōu)先考慮的原理有：1，7，35，4

原理1：分割

① 將物體分成相互獨(dú)立的部分；

②將物體分成容易組裝和拆卸的部分；

③提高物體的可分性。

舉例說(shuō)明：可拆卸鏟斗唇緣設(shè)計(jì)。一個(gè)挖掘機(jī)鏟斗的唇緣是由鋼板制成的，只要它的一部分磨損或損壞，就必須更換整個(gè)唇緣。這是一項(xiàng)既費(fèi)力又費(fèi)時(shí)的工作，可使用分割原理來(lái)解決這一問(wèn)題。將唇緣分割成單獨(dú)的可分離的幾部分，這樣，就可以快速方便地將毀壞或磨損的部分更換。

原理7：嵌套

①把一個(gè)物體嵌入另一個(gè)物體，然后將這兩個(gè)物體再嵌入第三個(gè)物體，依此類推；

②讓某物體穿過(guò)另一物體的空腔。

舉例說(shuō)明：軸與套筒、軸承的配合；起重機(jī)的伸縮臂；數(shù)控機(jī)床的伸縮式導(dǎo)軌等。

原理35：物理或化學(xué)參數(shù)改變

①改變聚集態(tài)；

②改變濃度或密度；

③改變?nèi)岫龋?/p>

④改變溫度。

舉例說(shuō)明：柔性機(jī)構(gòu)，一般是指通過(guò)其部分或全部具有柔性的構(gòu)件變形而產(chǎn)生位移，傳動(dòng)力的機(jī)械結(jié)構(gòu)；形狀記憶合，即擁有“記憶"效應(yīng)的合金，形狀記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)；金屬表面滲碳處理增加耐磨性等。

原理4：非對(duì)稱原理

①用非對(duì)稱的形式代替對(duì)稱形式；

②如果物體已經(jīng)是非對(duì)稱的，那么增加其非對(duì)稱的程度。

舉例說(shuō)明：V形發(fā)動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是將所有汽缸分成兩組，把相鄰汽缸以一定夾角布置一起（左右兩列氣缸中心線的夾角γ＜180°），使兩組汽缸形成一個(gè)夾角的平面，從側(cè)面看汽缸呈V字形（通常的夾角為60°）；橢圓齒輪流量計(jì)，是由計(jì)量箱和裝在計(jì)量箱內(nèi)的一對(duì)橢圓齒輪，與上下蓋板構(gòu)成一個(gè)密封的初月形空腔（由于齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以不是絕對(duì)密封的）作為一次排量的計(jì)算單位；回旋鏢（Boomerang），這款誕生于上世紀(jì)末的雙引擎輕型通用飛機(jī)采用了非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在一個(gè)引擎失去動(dòng)力時(shí)的偏航和滾轉(zhuǎn)力矩只有普通雙發(fā)輕型機(jī)的一半和四分之一左右。

通過(guò)原理1和7的組合運(yùn)用，尋找到一種可以解決該問(wèn)題的方案。原理1為分割，原理7為嵌套。在該問(wèn)題中，氣缸的長(zhǎng)度太大，我們可以將其分割為兩段，然后將這兩段的行程進(jìn)行嵌套，就可以在不減小行程的基礎(chǔ)上將整個(gè)裝置的高度減小，其原理如圖6所示。

圖6 解決方案原理

由圖6可知，導(dǎo)柱9固定在3-連接板A上，氣缸B同過(guò)螺釘度固定在3-連接板A上，氣缸B的軸通過(guò)7-連接板B與2-滑套A相連接，7-連接板B通過(guò)墊塊6與4-氣缸A相連，氣缸A的軸通過(guò)連接板C與滑套B相連接。

當(dāng)氣缸B的軸向下運(yùn)行時(shí)，氣缸B不動(dòng)，氣缸A因與連接板B相連所以整體隨著一起運(yùn)動(dòng)，與其相連接的滑套A、連接板C、滑套B一起向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)氣缸B將所有行程運(yùn)行完成后，氣缸A的軸開(kāi)始向下運(yùn)行，氣缸A不動(dòng)，通過(guò)連接板與氣缸A相連接的滑套A和氣缸B也不動(dòng)，與氣缸A的軸通過(guò)連接板C相連的滑套B則跟著一起向下運(yùn)行直到氣缸A的行程走完。

通過(guò)上述說(shuō)明，可以看出，我們將原來(lái)的行程分割成了兩段行程，并將第2段行程嵌套在第一段行程中，這樣就將原來(lái)的長(zhǎng)氣缸換成了兩個(gè)短氣缸，將長(zhǎng)度減小將近一半。

從原理35可以想到一種新型的概念氣缸，將氣缸的軸用一種柔性材料制造，這種材料可以使得氣缸軸在剛開(kāi)始的時(shí)候只有部分長(zhǎng)度，當(dāng)走完一定行程后，氣缸的軸發(fā)生形變，使其可以繼續(xù)增加行程。這種新型的氣缸有待科技的進(jìn)步來(lái)完成，相信未來(lái)的科技可以做到，這樣就可以用小的氣缸空間獲得大的行程。

從原理4中不能獲得能為所用的方案。

5 小結(jié)

正如文章前面所講，TRIZ理論方法并不針對(duì)具體的機(jī)構(gòu)、機(jī)械或過(guò)程，它只是提供尋找方案的探索方向。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的思考和設(shè)計(jì)，可能也可以尋找到解決問(wèn)題的鑰匙，但是TRIZ理論方法可以快速的為我們找到答案提供靈感。TRIZ理論方法不只是應(yīng)用某一指定學(xué)科的知識(shí)，而是將所有行業(yè)的知識(shí)都集合起來(lái)。在解決簡(jiǎn)單問(wèn)題時(shí)，工程師運(yùn)用自己行業(yè)的專業(yè)知識(shí)就可以解決，但是對(duì)于稍顯復(fù)雜的問(wèn)題，就可能需要運(yùn)用到其他領(lǐng)域的知識(shí)，而且這種跨領(lǐng)域的靈感有時(shí)會(huì)碰撞產(chǎn)生更加富有市場(chǎng)性的創(chuàng)新方案。

當(dāng)然，不同人的知識(shí)積累和閱歷運(yùn)用TRIZ理論時(shí)都會(huì)產(chǎn)生不同程度的效果，接下來(lái)還需要做的工作是更加豐富個(gè)人知識(shí)，解決飼料智能裝車機(jī)中更多的創(chuàng)新問(wèn)題。