基于TRIZ理論的便捷式榨汁機(jī)優(yōu)化設(shè)計

徐夢媛， 魯玉軍， 唐曹丹， 胡小勇

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

TRIZ(theory of inventation problem solving)表示發(fā)明創(chuàng)造解決理論，其拼寫是由有相同含義的俄文單詞替換英文單詞構(gòu)成[1-2]。TRIZ中包含多種分析和解決問題的工具，提供一種系統(tǒng)化創(chuàng)新方法[3-4]，尤其在解決產(chǎn)品創(chuàng)新模糊前端設(shè)想的問題和產(chǎn)品進(jìn)化過程中發(fā)揮著重要的作用[5]。

產(chǎn)品設(shè)計主要分為概念設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計2個階段。其中，概念設(shè)計階段對產(chǎn)品性能和70%的成本起著決定性的作用。計算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件(computer aided innovation，CAI)可以有力支持產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計[6]，有效填補(bǔ)概念設(shè)計工具的空白。課題組運用TRIZ創(chuàng)新設(shè)計方法，結(jié)合IKC計算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計平臺[7]對傳統(tǒng)便捷式榨汁機(jī)結(jié)構(gòu)占用空間大、儲汁量低等問題開展優(yōu)化設(shè)計研究。

1 問題描述

目前，便捷式榨汁機(jī)因其便捷的特點受到人們的青睞[8-12]，因此制作者不斷對便捷式榨汁機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善。一些學(xué)者通過集中增加濾網(wǎng)和接汁桶或吸管口以減少人為過濾和傾倒汁液的操作[13-14]，或者通過增加保溫層對汁液進(jìn)行保溫或保冷[15]，但都未能較好地解決榨汁機(jī)便捷攜帶的問題，反而因功能復(fù)雜化而帶來的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。目前市場上的便捷式榨汁機(jī)結(jié)構(gòu)主要由主機(jī)機(jī)體、榨汁杯和刀具3部分組成，如圖1所示。在使用時，由主機(jī)機(jī)體承接刀具底座，刀具與刀具底座固連，榨汁杯下部螺紋與刀具底座內(nèi)部螺紋配合連接；在攜帶時，可選擇將3個模塊拆分?jǐn)y帶或整體攜帶2種方式。

一味追求功能多樣化會造成榨汁機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積增大，設(shè)計者們只有減小榨汁機(jī)體積才能滿足攜帶的便捷性，但這又帶來了單次榨汁量少等問題。因此課題組針對傳統(tǒng)便捷式榨汁機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新研究，在儲汁量不變甚至更大的情況下，減小攜帶便捷式榨汁機(jī)時占用的空間。

2 基于TRIZ的便捷式榨汁機(jī)優(yōu)化設(shè)計過程

TRIZ理論解決問題基本流程如圖2所示[16]。

運用TRIZ理論解決問題的基本思想是將待解決的問題轉(zhuǎn)化成典型問題，找出問題的主要矛盾，再針對性地使用TRIZ工具得出解決特定問題的方案，最后根據(jù)實際情況(如實用性、美觀性等特性)得到最終解決方案。

2.1 定義最終理想解

TRIZ之父阿奇舒勒指出，系統(tǒng)總是在沿著增加其理想度[17]的方向發(fā)展和進(jìn)化，最終表現(xiàn)為：系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)所有既定的有用功能，卻不占用時間和空間，不消耗資源，也不產(chǎn)生任何有害功能。

2.1.1六步法定義最終理想解

對于便捷式榨汁機(jī)理想解的分析包括以下6個步驟：

1) 設(shè)計的最終目的

改善便捷式榨汁機(jī)儲汁量少，結(jié)構(gòu)功能單一等問題。

2) 明確最終理想解

儲汁量多，結(jié)構(gòu)多樣，功能完善，造型美觀。

3) 遇到的障礙

便捷式榨汁機(jī)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)固化，不能與顧客需求協(xié)調(diào)同步。

4) 出現(xiàn)障礙的結(jié)果

便捷式榨汁機(jī)整體結(jié)構(gòu)越來越小，儲汁量越來越少。

5) 不出現(xiàn)障礙的結(jié)果

功能和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新要及時響應(yīng)市場的需求。

6) 明確創(chuàng)造這些條件的可用資源

便捷式榨汁機(jī)現(xiàn)有的機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能。

2.2 普通便捷式榨汁機(jī)組件分析

如圖3所示為運用IKC軟件構(gòu)建普通便捷式榨汁機(jī)的組件列表。

為了明確普通便捷式榨汁機(jī)各組件之間的相互關(guān)系，首先對其進(jìn)行系統(tǒng)組件分析，建立起各組件間的相互聯(lián)系并明確組件之間的功能關(guān)系，進(jìn)而合理地匹配組件、優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

為了有利于電機(jī)散熱，大部分電機(jī)外殼與存放電機(jī)位置之間都有一定的間隙，該間隙部分仍然具有很大的可拓性，因此電機(jī)外殼固定電機(jī)和刀具底座的功能被定義為不足功能，其余“固定”、“控制”、“支撐”、“粉碎”和“盛放”均為有用功能。

2.3 工程參數(shù)和矛盾分析

為了更好地解決具體問題，將其系統(tǒng)性地轉(zhuǎn)化為由若干工程參數(shù)描述的典型問題，根據(jù)阿奇舒勒提出的39個通用工程參數(shù)，并按照這些參數(shù)在技術(shù)系統(tǒng)中出現(xiàn)幾率的大小進(jìn)行編碼。基于“工程參數(shù)”的概念，就可以定義矛盾。

2.3.1技術(shù)矛盾分析

技術(shù)矛盾[18]是發(fā)生在技術(shù)系統(tǒng)中的沖突，表現(xiàn)為某一參數(shù)的改善導(dǎo)致其他參數(shù)的惡化，可通過查詢矛盾矩陣加以解決。技術(shù)矛盾往往隱含著物理矛盾[19-20]，兩者之間可以相互轉(zhuǎn)化，利用這一轉(zhuǎn)化機(jī)制，可將沖突程度較低的技術(shù)矛盾轉(zhuǎn)化為沖突程度較高的物理矛盾。

通過對技術(shù)矛盾的問題分析，構(gòu)造如圖4所示的邏輯鏈。鏈的兩端為技術(shù)矛盾中2個矛盾的參數(shù)，即技術(shù)矛盾表現(xiàn)為：在使用時需要增加存放的蔬果量，會導(dǎo)致榨汁杯的體積增大；同時體積更大、功率更大的電機(jī)可以滿足較高的出汁率。在邏輯鏈中，選擇體積作為中間參數(shù)，沿著邏輯鏈向體積這個結(jié)點推進(jìn)和匯合，表現(xiàn)為物理矛盾：在使用時希望榨汁杯體積較大，增加可盛放的蔬果量，在攜帶時希望榨汁機(jī)整體體積減小，具有較高的攜帶便捷性。物理矛盾邏輯鏈如圖5所示。

2.3.2物理矛盾分析

為了實現(xiàn)某一功能，同一個工程參數(shù)產(chǎn)生了互斥現(xiàn)象，為物理矛盾，可運用表1所示的4大分離原理[21]加以解決。

表1 4大分離原理

選擇體積作為中間參數(shù)，物理矛盾描述如下：為了提高存放蔬果量，需要增大榨汁機(jī)的體積，能量消耗增加；為了攜帶的便捷性，需要減小榨汁機(jī)體積，造成物質(zhì)或事物的數(shù)量減小。因此，要求榨汁機(jī)體積既要大又要小，構(gòu)成物理矛盾，在矛盾矩陣39個參數(shù)中，“體積”對應(yīng)參數(shù)“靜止物體體積”，如表2所示。

表2 物理矛盾分析

經(jīng)過有效分析，這組物理矛盾在不同時段對體積有著不同的要求，可采用時間分離原理解決。分離原理與發(fā)明原理之間的對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

因此，可采用與時間分離原理對應(yīng)的12條發(fā)明原理解決矛盾。受到10預(yù)先作用原理的啟發(fā)，讓榨汁杯和刀具部分的收納工作處于易操作狀態(tài)，同時滿足占用較少空間的狀態(tài)需求。因此，提出概念方案Ⅰ：針對榨汁杯體積大的問題，換用自身體積可以變化的榨汁杯，從而使榨汁杯在收納時占用的空間資源減小，具體如圖6所示。

表3 4大分離原理對應(yīng)的發(fā)明原理

3 物場分析

作為TRIZ的基礎(chǔ)，阿奇舒勒通過對功能的研究后發(fā)現(xiàn)，一個技術(shù)系統(tǒng)至少由兩個物質(zhì)(目標(biāo)物質(zhì)S1和工具物質(zhì)S2)和一個場(F)組成[22]。針對不同的問題，可以將物場模型分為4個模塊展開討論，分別為：有效完整模型、不完整模型、效應(yīng)不足模型和有害效應(yīng)模型。采用物場分析理論解決問題基本思想如圖7所示。

3.1 便捷式榨汁機(jī)的物場分析

1) 問題描述：要解決便捷式榨汁機(jī)結(jié)構(gòu)局部在時間上做好榨汁杯和刀具的收納工作。

2) 對體積占用最多且較為固定的主機(jī)部分進(jìn)行物質(zhì)-場分析，可知被固定物為S1，主機(jī)部分為S2，F(xiàn)為機(jī)械場。分析發(fā)現(xiàn)，主機(jī)固定刀具的功能為不足功能，如圖8所示。

3) 通過查詢物場模型可知圖7模型為不完整模型，可通過改變物質(zhì)或場、增加物質(zhì)或場加以解決。通過分析傳統(tǒng)的主機(jī)模型，發(fā)現(xiàn)主機(jī)外殼和電機(jī)部分均有間隙，將其定義為場F2完成收納功能；同時改進(jìn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)，該物質(zhì)為S3刀具、S4主機(jī)和S5榨汁杯，實現(xiàn)收納的配合。

4) 在充分考慮物場分析模型的基礎(chǔ)上，提出概念方案Ⅱ：利用電機(jī)部分未充分利用的空間資源，來保存攜帶時需要額外占用空間資源的榨汁杯和刀具，既滿足了果蔬存放量又減小攜帶體積。

3.2 概念方案提取

基于物場分析原則，初步得出如下2 種設(shè)想：

1) 概念方案Ⅱ。①榨汁杯收納時，利用主機(jī)外殼和電機(jī)之間間隙進(jìn)行存放榨汁杯；取用時，向下按壓榨汁杯，使榨汁杯向上彈起，然后向右旋轉(zhuǎn)榨汁杯一定角度，再向上拔出，使榨汁杯外表面凸臺脫離套筒內(nèi)部槽孔，同時榨汁杯外表面凸臺通過主機(jī)外殼內(nèi)表面凹槽脫離主機(jī)外殼。②刀具收納時，刀具部分保存在主機(jī)外殼下端；使用時，旋轉(zhuǎn)刀具底座使之與主機(jī)外殼脫離。正常使用時，將榨汁杯底部和刀具部分以及主機(jī)外殼進(jìn)行連接即可。示意結(jié)構(gòu)如圖9所示。

2) 概念方案Ⅲ。在保存榨汁杯時，也是利用主機(jī)外殼和電機(jī)之間的間隙進(jìn)行存放。依靠外部作用力來實現(xiàn)榨汁杯的存放和取拿。收納時，刀具部分保存在主機(jī)外殼下端；使用時，旋轉(zhuǎn)刀具底座使之與主機(jī)外殼脫離，榨汁杯底部內(nèi)表面螺紋與刀具外殼外表面螺紋配合連接，刀具外殼下部與主機(jī)外殼上部通過定位桿連接，示意結(jié)構(gòu)如圖10所示。

4 概念方案評價

以理想度為評價準(zhǔn)則對上述概念方案進(jìn)行選擇，理想度表示公式為[23-24]：

結(jié)合概念方案結(jié)構(gòu)以及人們實際購買力，假定有用功能占比0～60%(可以正常榨汁占比0～30%，能夠便捷攜帶占比0～15%，能夠承裝較多蔬果量占比0～15%)；有害功能占比為0%～30%(承裝蔬果量少占比0～15%，攜帶體積大占比0～15%)；成本占比0%～10%(組件的增多或者材料特殊造成成本上升)。對概念方案I、概念方案Ⅱ和概念方案Ⅲ進(jìn)行分析，采用模糊綜合評價法對3個概念方案進(jìn)行評價，具體結(jié)果如表4所示。

表4 評價指標(biāo)

用理想度對各個概念方案進(jìn)行功能評價，結(jié)果如圖11所示。

由圖11可以看出，概念方案Ⅲ理想度最高，因此選擇該方案為最終的設(shè)計方案。

5 最終方案

5.1 自收納便捷式榨汁機(jī)結(jié)構(gòu)

通過上述分析，考慮實際情況，并結(jié)合設(shè)計者經(jīng)驗，最終設(shè)計一款自收納便捷式榨汁機(jī)。

1) 在收納時，如圖12所示，可將刀具裝置取下，與榨汁機(jī)下部的散熱底蓋配合連接；當(dāng)榨汁杯插入到殼體與電機(jī)間隙時，榨汁杯外表面凸起沿著L型滑槽插入到底端時，轉(zhuǎn)動榨汁杯，使得凸起卡入L型滑槽內(nèi)部。

2) 在使用時，如圖13所示，可將刀具從榨汁機(jī)下部的散熱底蓋取出，通過限位桿卡接在榨汁機(jī)本體上部，并且使刀具與電機(jī)連接；反向旋轉(zhuǎn)榨汁杯，然后拔出榨汁杯即可將榨汁杯從榨汁機(jī)間隙取出；將榨汁杯連接在刀具底座上，便可進(jìn)行榨汁的工作。

通過這種連接方式可以快速對榨汁杯進(jìn)行取用或者收納和更換。

5.2 自收納便捷式榨汁機(jī)優(yōu)勢

這款自收納便捷式榨汁機(jī)在使用時與普通家用榨汁機(jī)具有相同的尺寸要求。如圖14所示，其整體高度約為377.16 mm，榨汁杯高度為121.02 mm，圓周直徑為114 mm，計算得榨汁杯體積約為1.2 L，可以滿足一次榨汁、多人分享的需求。攜帶時，其自身可收納的結(jié)構(gòu)讓它在收納時的高度縮減為正常使用狀態(tài)下的2/3甚至更小，如圖15所示。攜帶時的整體高度與市面上的普通便捷式榨汁機(jī)的高度相同，滿足攜帶的需求。

6 結(jié)語

TRIZ作為一種系統(tǒng)化的創(chuàng)新方法，其基本理念是將一個待解決的具體問題轉(zhuǎn)化成典型問題的模型，然后針對不同問題的屬性采用相應(yīng)的TRIZ解決工具以及解決流程，以得到典型解決方案模型，最后結(jié)合實際情況得到具體的解決方案。課題組將TRIZ解決問題基本理念運用到便捷式榨汁機(jī)結(jié)構(gòu)改善的研究中，提出了自收納保存結(jié)構(gòu)；同時利用TRIZ工具，提出了多個概念方案，結(jié)合實際運用情況得到最終解決方案；最后運用增材制造技術(shù)做出實物模型，驗證了方案的可行性。

本課題的創(chuàng)新點如下:

1) 將系統(tǒng)化的TRIZ創(chuàng)新方法應(yīng)用到便捷式榨汁機(jī)結(jié)構(gòu)改善的研究中，并對TRIZ工具以及計算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件進(jìn)行相關(guān)闡述。

2) 課題組采用TRIZ創(chuàng)新方法對現(xiàn)有的便捷式榨汁機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行組件分析、技術(shù)和物理矛盾分析和物場分析，確定問題產(chǎn)生的原因以及尋找解決問題的資源。并用理想度對概念方案進(jìn)行評價，找出最具可行性的概念解決方案。

3) 課題組提出了一種自收納式結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生實物進(jìn)行分析，模擬該榨汁機(jī)結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)和收納狀態(tài)，收納狀態(tài)下的體積是使用狀態(tài)下體積的1/2。

該自收納結(jié)構(gòu)的提出將對便捷式榨汁機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)產(chǎn)生有力影響，可對其他類似產(chǎn)品的便捷式結(jié)構(gòu)改進(jìn)產(chǎn)生啟發(fā)。課題組運用TRIZ理論對便捷式榨汁機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計，但尚未將研究結(jié)果應(yīng)用到生產(chǎn)中，在結(jié)合實際應(yīng)用時，其材質(zhì)、顏色以及尺寸等各項參數(shù)有待進(jìn)一步研究。