基于改進可拓學第三創(chuàng)造法的產品創(chuàng)新設計

桂方志，任設東，趙燕偉，樓炯炯

(浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室，浙江 杭州 310014)

基于改進可拓學第三創(chuàng)造法的產品創(chuàng)新設計

桂方志，任設東，趙燕偉，樓炯炯

(浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室，浙江 杭州 310014)

針對可拓設計方法中第三創(chuàng)造法對現(xiàn)有產品模型的建立以及缺點列舉中的不足，提出建立產品事元模型，并引入功能分析與因果鏈分析方法的改進第三創(chuàng)造法。該方法利用功能分析方法對產品的缺點進行分析，并通過因果鏈分析方法找出引起產品缺點的深層原因，以形成關鍵問題，最后運用第三創(chuàng)造法對關鍵問題的改進，得到產品創(chuàng)新設計方案。應用改進后的第三創(chuàng)造法，對現(xiàn)有普通斷線鉗進行創(chuàng)新設計并生成了多種不同的設計方案，對這些方案進行優(yōu)度評價，選取優(yōu)度最高者作為最終設計。設計結果驗證了該方法的可行性和有效性。

第三創(chuàng)造法；事元模型；功能分析；因果鏈分析；創(chuàng)新設計

解決發(fā)明問題即創(chuàng)新設計，其核心是設計過程中的沖突消解[1]。四川大學李彥等[2]認為，對于產品的創(chuàng)新設計一般基于以下3個方面：1)運用領域知識的知識創(chuàng)新，如專家系統(tǒng)、基于實例推理CBR等；2)改變思維方式的思維創(chuàng)新，如頭腦風暴法、橫向思維法等；3)以工程技術為基礎的發(fā)明問題解決方法，如TRIZ、創(chuàng)造模版法等?？赏貙W是我國學者蔡文提出的一種解決矛盾問題的方法。趙燕偉、蘇楠[3]將可拓學理論應用于產品設計，形成可拓設計方法，該方法針對產品設計過程中出現(xiàn)的矛盾問題，利用可拓學理論進行研究以尋求最優(yōu)設計方案[4]；陳建等[5]根據(jù)可拓設計方法研究了轉換橋方法消解產品的綠色設計沖突問題，并將其應用于油鋸的綠色設計；LIAO Yongqiang等[6]將可拓設計方法與Kano需求模型相結合，對產品族的創(chuàng)新設計進行了研究。

可拓學第三創(chuàng)造法[7-8]是從已有產品缺點出發(fā)并進行改善的概念設計方法，其中對產品缺點的分析采用缺點列舉法。缺點列舉法[9]的關鍵是從產品的功能、使用過程和環(huán)境以及消費者的反饋等方面找到產品的缺點或產品使用過程中的不便，產品表面的缺點易于發(fā)現(xiàn)并易于解決，但引起產品缺陷的內在因素卻很難把握。另外，可拓學第三創(chuàng)造法采用的是建立產品物元模型，物元模型能夠描述產品的特征及特征的量值，但是不能清楚地反映產品與其作用對象之間的相互作用。

針對上述不足，本文提出改進可拓學第三創(chuàng)造法。由可拓學基元理論可知，物與物之間的相互作用可用事元來描述，因此本文主要采用事元及其復合元模型對產品進行描述，并對各組件從功能特征方面用物元模型描述，以便從功能層面找出產品的缺點，進而生成更多創(chuàng)意。對產品缺陷的分析采用功能分析和因果鏈分析。功能分析和因果鏈分析是源于社會科學研究的兩種基本方法[10-11]，在TRIZ理論中，這兩種方法作為重要的分析工具，在解決沖突問題中起著關鍵作用。

1 可拓學第三創(chuàng)造法

廣東工業(yè)大學楊春燕[12]提出利用拓展分析方法及可拓變換實現(xiàn)產品創(chuàng)新設計的第三創(chuàng)造法，該方法針對現(xiàn)有產品的缺點，通過有序的流程對產品中存在的不足進行改進，形成新的設計方案，使其滿足客戶需求。在此基礎上，齊寧寧等[13]在可拓變換前加入了物元特征相關分析，豐富了設計流程，使設計過程更加清晰合理，并用該方法對生活中的垃圾桶進行了創(chuàng)新設計。

可拓學第三創(chuàng)造法是針對現(xiàn)有產品的缺點，通過可拓學理論將缺點進行改進的產品創(chuàng)新設計方法。其核心思想包括以下幾個方面。

1.1 物元建模

第三創(chuàng)造法中的物元建模包括產品的多元模型建立和缺點分物元的建立。產品的多元模型可用多維物元模型表示，缺點分物元用一維物元模型表示。

1.2 拓展分析

為了從盡可能多的途徑獲得解決矛盾問題的方法，可對基元進行拓展，即拓展分析方法[7]。拓展分析方法包括發(fā)散分析方法、相關分析方法、蘊含分析方法以及可擴分析方法。拓展分析方法不能直接解決矛盾問題，而是給問題提供多種解決途徑，分析之后需采用可拓變換的方法才能獲得解決方案。

1.3 可拓變換

可拓變換是可拓理論中解決矛盾問題的主要方法，可將矛盾問題轉化為相容問題[7]，其包括基本變換(置換、增刪、擴縮、分解、復制等)和傳導變換。

1.4 優(yōu)度評價

在可拓學中，優(yōu)度評價方法[7]是利用關聯(lián)函數(shù)來評價產品優(yōu)劣的基本方法。它從產品的技術、經濟和社會角度確定衡量指標，并賦予其權系數(shù)。通過建立關聯(lián)函數(shù)確定各指標的關聯(lián)度，最后計算得出設計方案的優(yōu)度。優(yōu)度的高低反映了方案的優(yōu)劣，選擇優(yōu)度最高的設計方案確定產品的最優(yōu)設計。

2 改進可拓學第三創(chuàng)造法

2.1 改進可拓學第三創(chuàng)造法流程

針對傳統(tǒng)可拓學第三創(chuàng)造法中缺點列舉的不足，本文首先從功能層面分析現(xiàn)有產品功能層面的缺點，再通過因果鏈分析方法找出缺點的內在原因，形成關鍵問題；然后通過對產品的關鍵問題進行拓展分析，并用可拓變換的方法生成眾多產品創(chuàng)新設計方案；最后對改進的方案進行優(yōu)度評價，選擇優(yōu)度值最高者作為最終設計的新產品方案。該方法的流程如圖1所示。

圖1 改進第三創(chuàng)造法設計流程圖Fig.1 Flowchart of the modified third creation method

2.2 功能分析

功能分析是TRIZ理論解決問題的重要分析方法，該方法從產品各組件的功能出發(fā)，發(fā)現(xiàn)其中不足之處[14]。功能分析能完整定義系統(tǒng)各組件之間的功能關系，以便找出其中的問題。錢煒苗等[15]提出將功能分析與約束理論相結合的方法，對太陽能組件接線盒的設計問題的根本原因進行分析并產生解決方案。盧希美等[16]利用功能分析方法找出系統(tǒng)組件之間的相互作用，建立了物場模型，并用實例檢驗了該方法的可行性。蔡敢為等[17]針對傳統(tǒng)液壓裝載機的概念設計引入功能分析方法，設計了新型機構式裝載機。通過功能分析能夠確定產品改進設計的目標，從產品薄弱點確定設計的重點。其主要過程包括組件分析、相互作用分析以及功能模型的建立。

1)在TRIZ理論中，組件分為系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件，在進行組件分析時需要根據(jù)研究對象劃分系統(tǒng)組件和超系統(tǒng)組件。

2)兩個物體相互接觸就會產生相互作用。相互作用一般是通過矩陣形式表示的，若某組件與其他組件之間均不存在相互作用，則表示該組件對整個系統(tǒng)不產生功能，可直接從組件中去除。

3)功能包括有用功能和有害功能，功能模型是用于描述系統(tǒng)組件或超系統(tǒng)組件的參數(shù)。從性能上看，有用功能中又存在正常功能、過度功能和不足功能，只有正常功能符合產品改進的期望值，才可以保留，而過度功能、不足功能以及有害功能都是不希望在新產品中出現(xiàn)的，可以通過一定的方法對其改進。

2.3 因果鏈分析

功能分析能夠找出產品功能層面的缺陷或問題，因果鏈分析能夠找出缺點或問題最根本的原因。因果鏈分析是以圖形的方式呈現(xiàn)工程系統(tǒng)中的初始缺點及其潛在聯(lián)系，通過探討具體問題實現(xiàn)產品的改進[18]。該分析方法在很多領域都得到了廣泛的應用：O. Abramov等[19]用該方法分析了在農藥制備過程中的物理沖突；A. Zeller[20]在程序編譯過程中能自動找到程序中出現(xiàn)問題的因果鏈；賈仁安[21]提出了用于火力發(fā)電系統(tǒng)的因果鏈分析法，采用系統(tǒng)反饋環(huán)模型，找出產生沖突的因素所在，并采取措施予以解決。在因果鏈分析中，缺點分為初始缺點、中間缺點和末端缺點，三者之間存在因果關聯(lián)。其分析過程如下[13]：

1) 根據(jù)產品的結構、性能等列出需解決的初始缺點；

2) 從初始缺點出發(fā)，找出影響該缺點的直接因素，一般可通過查閱相關文獻等方法來獲得，中間缺點可以有多層；

3) 重復2)，直至達到停止的條件，形成末端缺點；

4) 根據(jù)產品實際情況，在中間缺點和末端缺點中篩選出關鍵缺點。

3 案例分析

斷線鉗是用于剪切鋼絲、鋼筋、電纜等棒材和線材的工具，廣泛應用于建筑、通信等行業(yè)[22]，其結構如圖2所示，它是由兩個曲杠桿組成的復合式杠桿結構，其工作方式是兩塊刀片的刀刃對材料進行對口咬合。本文采用改進后的第三創(chuàng)造法對斷線鉗進行創(chuàng)新設計。

圖2 斷線鉗的結構Fig.2 The structure of bolt cutter

3.1 模型建立

根據(jù)斷線鉗的功能，建立斷線鉗的事元模型：

其中

將斷線鉗的主要組件用物元表示：

3.2 功能分析

功能分析是對產品分析的基礎，通過功能分析，能夠將產品各組件的功能詳細展現(xiàn)出來并能找出其中存在的問題。

3.2.1 組件分析

在組件分析之前，需根據(jù)產品的約束條件對斷線鉗進行系統(tǒng)劃分。斷線鉗的操作方式是操作者內壓手柄使兩刀片的刀刃擠壓材料，本文保持力的施加對象不變，因此將操作組件作為超系統(tǒng)，其他組件作為工程系統(tǒng)，相應組件分析如表1所示。

表1 斷線鉗系統(tǒng)組件分析

3.2.2 相互作用分析

考慮表1中斷線鉗兩兩組件之間的相互作用，其分析如表2所示。其中“+”表示兩組件之間有相互作用，暗示兩者之間可能存在功能；“-”表示兩者無相互作用，則在后續(xù)分析過程中不再考慮這兩者的功能。斷線鉗組件的相互作用分析如表2所示。

表2 斷線鉗相互作用分析

3.2.3 功能建模

功能體現(xiàn)在兩組件之間發(fā)生參數(shù)或狀態(tài)變化。若某功能是有用的，可根據(jù)其作用對象的不同，將有用功能分為基本功能(對象是系統(tǒng)目標)、輔助功能(對象是超系統(tǒng)組件)或附加功能(對象是其他組件)，這3種功能的重要性是不同的。有害功能是產品設計中必須要避免的，所以需特殊對待。對斷線鉗的各組件功能進行兩兩分析，結果如表3所示。

表3 斷線鉗功能表

3.2.4 圖形化表示

對上述斷線鉗功能表進行圖形化描述，能夠使各組件之間功能的關系更加直觀。不同功能的圖形化描述如表4所示。

表4 功能圖形化表示

將表3中的功能進行圖形化表示如圖3所示。

圖3 斷線鉗的功能模型圖Fig.3 The function model of bolt cutter

3.2.5 功能缺點列舉

將圖3所反映出的問題列出來，就可得到如表5所示的功能缺點列表，根據(jù)這些缺點，就可以進行下一步因果鏈分析，找出問題的潛在原因。

表5 斷線鉗功能缺點

3.3 因果鏈分析

因果鏈分析關鍵在于對矛盾的挖掘，對于某一個矛盾問題，引起其產生的原因可能有很多，但是在究其原因的時候，需要注意矛盾的層次性，在找某一缺點的原因時，只需分析其直接誘因，而不必究其內涵，如果在找原因時跳躍性太大，會丟失很多產生問題的原因，減少了解決問題的關鍵點。

由功能分析找到了斷線鉗存在的3個缺點，針對缺點S1進行因果鏈分析，其結果如圖4所示。

圖4 因果鏈分析Fig.4 Cause-effect chain analysis

每個缺點都可能是解決問題的突破口，材料方面的原因與斷線鉗的創(chuàng)新設計無關，因此無需繼續(xù)分析其深層次原因。從圖4的分析結果可以提煉出關鍵缺點，并可將其轉換為關鍵問題，以采用適當方法加以解決。本文提取出的關鍵缺點、其問題表述以及可能解決的方案如表6所示。

表6 因果鏈分析結果

3.4 拓展分析

由功能分析和因果鏈分析得出產品創(chuàng)新設計的關鍵問題，將這些問題用一維基元表示：

對這些缺點基元進行如下拓展分析。

3.4.1 對刀片和待剪切材料進行蘊含分析

在刀片變鈍的情況下，必須對刀片進行磨刀或者換刀，磨刀需要有磨刀裝置，磨刀裝置又可集成到斷線鉗上或采用獨立磨刀裝置兩種方式……。因此，其蘊含分析過程如圖5(a)所示。

若采用在斷線鉗上安裝磨刀裝置，則根據(jù)可加分析原理，將斷線鉗與磨刀裝置構成“聚合物”；若采用拿來其他獨立的磨刀機構，則可根據(jù)可積分析原理將斷線鉗與磨刀裝置構成完整的工程系統(tǒng)。

同理，對剪切材料蘊含分析如圖5(b)所示。

(a)缺點D1蘊含分析

(b)缺點D4蘊含分析圖5 蘊含分析Fig.5 Implication analysis

根據(jù)上述蘊含分析結果，再利用發(fā)散分析將思路具體化：

D412┤

3.4.2 對刀片進行可擴分析

在刀片變鈍或者已經無法再使用的情況下，可采取的另一種方法就是將其更換掉，但是目前的斷線鉗的刀片是一體化結構，因此可按一定條件對刀片進行可分解分析：

D2//(l){D21，D22}，l=用途

3.4.3 對斷線鉗的機械原理進行發(fā)散分析

斷線鉗的功能是剪切材料，現(xiàn)有斷線鉗為雙杠桿機構，兩刃口在剪切時呈現(xiàn)V形，材料會產生滑移，因此，可將斷線鉗的V形對口咬合改為平行對口咬合。故而對斷線鉗的機械原理進行發(fā)散分析：

D3┤

3.4.4 對斷線鉗的組件進行相關分析

由于斷線鉗的各組件之間具有相關性，通過相關分析能夠清楚表明它們之間的相互關系，其相關網模型如下：

3.5 可拓變換

可拓變換方法有多種，針對不同的模型可采取不同的變換。由上述拓展分析結果可知，斷線鉗的各項缺點都有很多不同變換方向，因此可以采用不同的設計方案。設可拓基本變換方法為

M31=(手柄，用途，傳送動力)

M02=(斷線鉗，機械原理，杠桿)

則根據(jù)上述拓展分析，分別對其作如下可拓變換：

變換1

變換2

變換3

變換4

根據(jù)上述變換并結合實際分析，可得到以下設計方案。

方案1 替換壓板材料，使其具備磨刀功能，其物元模型可表示為

方案2 改變機構的機械原理，采用四邊形機構進行傳動，使刀刃剪切時保持平行，增大剪切力，其物元模型可表示為

方案3 將方案2中的刀片模塊化，其物元模型可表示為

3.6 優(yōu)度評價

針對普通斷線鉗的制造以及應用情況，從其技術、經濟和社會方面進行全方位衡量，確定其衡量條件：

根據(jù)評價指標的重要程度高低，對MI1、MI2、MI3、MI4賦予權系數(shù)，即

則其關聯(lián)函數(shù)為

由上式計算改進后方案的關聯(lián)度分別為K21(230)=0.895，K22(220)=0.947，K23(240)=0.842。

由于產品的創(chuàng)新等級和便利性指標是一個離散的數(shù)據(jù)，對方案的創(chuàng)新等級、便攜性以及互換性衡量指標進行量化[18]，可令

則關聯(lián)度矩陣為

由關聯(lián)度規(guī)范化[19]公式

式中，kij表示第i個方案的第j個衡量指標，m為方案總數(shù)量?？蓪⑸鲜鲫P聯(lián)度規(guī)范化為

由優(yōu)度計算公式：

根據(jù)評價結果，選擇優(yōu)度最高者作為最終設計方案，即采用方案3作為斷線鉗的創(chuàng)新設計方案，該方案的機構原理如圖6所示。

圖6 方案3機構原理圖Fig.6 Schematic diagram of the program 3

4 結束語

可拓設計以解決設計過程中的矛盾問題為目標，其中提出的三個創(chuàng)造法能初步處理產品開發(fā)過程中的矛盾問題并可應用于產品設計中。本文改進了可拓設計方法中第三創(chuàng)造法的不足之處，采用事元建立產品模型，采取功能分析和因果鏈分析相結合的分析方法對缺點進行列舉，并利用可拓學中的方法對普通斷線鉗進行改進，設計出了3種不同的設計方案，通過優(yōu)度評價獲得最優(yōu)的設計方案，對產品的創(chuàng)新設計提供一種可行有效的思路。文中僅對結構簡單的普通斷線鉗進行了創(chuàng)新設計，對于該方法在復雜裝備中的創(chuàng)新設計的應用仍需進一步研究。

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Product innovation design using the modified third creation method

GUI Fangzhi, REN Shedong, ZHAO Yanwei, LOU Jiongjiong

(Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Manufacturing Technology, Minister of Education/Zhejiang Province, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Due to the deficiency of product modeling and defect listing in the third creation method, a modified third creation method of Extenics was proposed using the affair model, and the functional analysis and cause-effect chain analysis were introduced. The product defects were found by functional analysis and the underlying cause can be determined by the cause-effect chain analysis. Then, the key defects were determined. Finally, the defects were resolved using the modified third creation method and a new product was formed with many design schemes. Also, new bolt cutters were designed by selecting the optimum scheme, and they proved the feasibility and effectiveness of the method.

third creation method; affair model; functional analysis; cause effect chain analysis; innovative design

桂方志，男，1992年生，碩士研究生，主要研究方向為數(shù)字化制造、可拓設計。

任設東，男，1989年生，博士研究生,主要研究方向為數(shù)字化制造、可拓設計。

趙燕偉，女，1959年生，教授，博士生導師，主要研究方向為數(shù)字制造/數(shù)字裝備建模與仿真的基礎理論和關鍵技術、現(xiàn)代物流系統(tǒng)智能配送與優(yōu)化調度、可拓設計等。

10.11992/tis.201610016

http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20170227.2211.020.html

2016-10-14.

日期：2017-02-27.

國家自然科學基金項目(51275477).

任設東.E-mail：renshedong@zjut.edu.cn.

TP18;TH122

A

1673-4785(2017)01-0038-09

桂方志，任設東，趙燕偉，等. 基于改進可拓學第三創(chuàng)造法的產品創(chuàng)新設計[J]. 智能系統(tǒng)學報， 2017, 12(1): 38-46.

英文引用格式：GUI Fangzhi， REN Shedong， ZHAO Yanwei， et al. Product innovation design using the modified third creation method[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2017, 12(1): 38-46.