基于QFD和TRIZ的木漿紙杯端送裝置設(shè)計

陸武慧，趙 哲

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通用航空學(xué)院，西安 710089；2.陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710021）

0 引言

隨著社會發(fā)展，綠色、環(huán)保、方便、快捷逐漸成為人們生活的主題。一次性木漿紙杯是在關(guān)注環(huán)境、關(guān)注健康的潮流中的一種時代產(chǎn)物。在酒店、餐館、機場、醫(yī)院、政府機構(gòu)、家庭以及商場用量巨大。木漿紙杯是利用化學(xué)木漿制成的原紙（白紙板）進行機械加工、粘合所得的一種紙容器，作為人們?nèi)粘Ｉ畹南钠?，每年的消耗量很大。隨著人們對食品衛(wèi)生的重視，由于木漿紙杯環(huán)保、健康、衛(wèi)生的特點，其材料多為食品級木漿紙和食品級PE薄膜，因此在生活中得到了普及。端送采用一次性紙杯盛放的飲品時，由于一次性紙杯的材質(zhì)特性，以及在端送過程中的抖動，飲品存在溢漏、燙傷隱患、一次端送量少和取用不便等問題，導(dǎo)致端送效率低下、端送過程中浪費嚴(yán)重等現(xiàn)象，在很大程度上制約了一次性紙杯的使用。因此通過分析目前一次性紙杯端送過程中的缺點和不足，基于QFD與TRIZ的理論，針對性地設(shè)計出滿足客戶需求的紙杯端送架，在一次性紙杯飲品端送過程中提高了其安全性、方便性，避免燙傷等危害。

1 QFD和TRIZ理論

QFD理論是日本質(zhì)量專家Akao等在1967年提出的，主要是應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計過程。質(zhì)量屋中的二維矩陣是QFD的關(guān)鍵內(nèi)容，根據(jù)對客戶的需求進行調(diào)研，將工藝要求、生產(chǎn)過程中的注意事項等內(nèi)容進行分類，然后生產(chǎn)出滿足用戶需求的產(chǎn)品［1-2］。利用QFD理論可以將用戶的需求點轉(zhuǎn)化為工程技術(shù)語言，然后設(shè)計師根據(jù)工程語言，設(shè)計出符合用戶需求的產(chǎn)品，可以縮短研發(fā)設(shè)計周期，降低研發(fā)成本。TRIZ理論是發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒與其團隊通過整理和分析大量專利文獻后，總結(jié)和歸納出一套具有完整體系的創(chuàng)新方法，能在解決實際問題的過程中發(fā)揮很重要的作用。它主要是對需要解決的實際工程問題，尋找它目前存在的物理矛盾，并對其進行優(yōu)化設(shè)計，從而解決預(yù)期的目標(biāo)問題，從而揭示發(fā)明創(chuàng)造的原理和規(guī)律［3-5］。TRIZ 理論的使用工具有很多種，包括技術(shù)進化和技術(shù)系統(tǒng)、最終理想解、矛盾、39個通用工程參數(shù)和40個發(fā)明原理、物場分析、76種標(biāo)準(zhǔn)解等［6-9］。TRIZ理論在解決實際問題時，先將特殊問題轉(zhuǎn)化為一般問題；然后，利用發(fā)明原理和技術(shù)效應(yīng)等方法來解決轉(zhuǎn)化后的一般問題；最后，通過解決一般問題來解決特殊問題［10-11］。

2 QFD和TRIZ理論對木漿紙杯端送裝置的設(shè)計

QFD解決了從用戶實際需求到技術(shù)參數(shù)之間的轉(zhuǎn)化，TRIZ理論解決了技術(shù)參數(shù)之間互相矛盾的問題［12-13］，通過兩者的結(jié)合，能夠系統(tǒng)全面的分析產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計過程，使設(shè)計過程更加有效和便捷［14-16］。QFD/TRIZ理論在一次性木漿紙杯端送裝置設(shè)計的具體應(yīng)用流程如圖1所示。

圖1 QFD /TRIZ理論在木漿紙杯端送裝置設(shè)計中的應(yīng)用Fig.1 Application of QFD/TRIZ theory in design of wood pulp cup end-feeding device

2.1 木漿紙杯端送裝置用戶需求分析

對醫(yī)院、公司、酒店和機場共35個紙杯應(yīng)用場所的117位木漿紙杯端送人員進行問卷調(diào)查和深度訪談，收集用戶的需求信息，以及目前現(xiàn)有一次性木漿紙杯存在的不足，對客戶的需求指標(biāo)進行按類分析，然后得出用戶最關(guān)鍵和最關(guān)心的需求指標(biāo)，如圖2所示。

圖2 木漿紙杯端送裝置需求分析圖Fig.2 Demand analysis diagram of wood pulp cup endfeeding device

2.2 建立木漿紙杯端送裝置“用戶需求-產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)”矩陣

通過分析和整理目前市場上木漿紙杯端送裝置的調(diào)研數(shù)據(jù)，建立質(zhì)量屋矩陣來表達用戶需求點和產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)系，并尋找技術(shù)參數(shù)之間的矛盾沖突。

運用李克特量表法對用戶需求的重要性進行賦分，取值范圍為0～5分，分值越高則表示用戶對該指標(biāo)的需求較高，因此在設(shè)計過程中需要特別注意對比衡量，得到對應(yīng)的用戶需求權(quán)重。用符號“○”表示用戶需求和產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)程度強，取值為5；符號“□”表示關(guān)聯(lián)程度中等，取值為3；符號“△”表示關(guān)聯(lián)程度較弱，取值為1。當(dāng)其中某兩個質(zhì)量指標(biāo)互相促進，對產(chǎn)品設(shè)計起到改善作用，則表示正相關(guān)，用“+”表示，否則為負相關(guān)，用“-”表示。當(dāng)“用戶需求-產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)”矩陣中存在負相關(guān)，則表示這兩個質(zhì)量指標(biāo)之間存在矛盾沖突。

通過分類整理便攜式紙杯端送裝置的技術(shù)參數(shù)包括“結(jié)構(gòu)簡單、縮減浪費、操作簡單、裝置適應(yīng)性、承受載荷量、耐用性”。用戶需求總結(jié)包括有“高效率、使用壽命、價格合理、維護簡單、運輸方便、安全性、準(zhǔn)確性”。對木漿紙杯端送裝置的用戶需求和產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)進行相關(guān)性分析，建立便攜式木漿紙杯端送裝置的“用戶需求-產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)”矩陣，如圖3所示。

圖3 木漿紙杯端送裝置質(zhì)量屋矩陣Fig.3 Quality house matrix of wood pulp cup end-feeding device

從木漿紙杯端送裝置的質(zhì)量矩陣發(fā)現(xiàn)，用戶對木漿紙杯端送過程中的“高效率、安全性、運輸方便、準(zhǔn)確性”指標(biāo)需求重要，此外，在該矩陣中技術(shù)特征中存在兩個負相關(guān)關(guān)系。

承受載荷量與耐用性成負相關(guān)關(guān)系。在通常情況下，產(chǎn)品的承載量越大，產(chǎn)品的使用壽命就越短，產(chǎn)品的耐用性就越差。對木漿紙杯端送裝置而言，當(dāng)端送的飲品質(zhì)量越大、數(shù)量越多，對于紙杯端裝置承受的載荷量就越大，它的耐用性就越差。根據(jù)承受載荷量和耐用性之間的矛盾，運用TRIZ理論，需改善受力與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定之間的矛盾，確定選擇預(yù)先作用來解決此項矛盾。

裝置適應(yīng)性與縮減浪費成負相關(guān)關(guān)系。由于紙杯飲品在端送過程中容易出現(xiàn)灑漏的情況，且遞送一杯飲品的同時，其他飲品容易灑出。因此，要求端送裝置適用于端送過程和遞送瞬間，減少浪費，需要改善TRIZ理論中物質(zhì)損失和產(chǎn)品適用性之間的矛盾。通過查詢TRIZ理論中的發(fā)明原理，根據(jù)木漿紙杯的材質(zhì)特點及端送裝置的用戶需求進行研究，確定用解決矛盾動態(tài)化原理，即采用動態(tài)化裝置提高產(chǎn)品適應(yīng)性，并降低浪費。

設(shè)置調(diào)節(jié)裝置和可轉(zhuǎn)動的杯蓋，將位于托孔內(nèi)部的紙杯蓋住，防止在端送時紙杯中的飲料灑出造成浪費或熱飲灑出燙傷端送人員。這樣可以提高木漿紙杯端送裝置的適應(yīng)性，同時降低在端送過程中飲品的灑落浪費。

對于矩陣中的矛盾沖突，通過增設(shè)彈簧阻尼裝置來解決。當(dāng)飲品端送到指定地點后，打開杯蓋，彈簧阻尼裝置回彈，紙杯連同飲品在底盤凹槽內(nèi)的彈簧阻尼裝置作用下平穩(wěn)升高，從而解決產(chǎn)品承受負荷量與產(chǎn)品耐用性之間的問題。

3 木漿紙杯端送裝置優(yōu)化設(shè)計

3.1 木漿紙杯端送裝置結(jié)構(gòu)

按照客戶的需求，對矩陣中存在的矛盾問題進行一一化解，從而設(shè)計得到木漿紙杯端送裝置的整體結(jié)構(gòu)。

木漿紙杯端送裝置包括端送臺、杯蓋、杯托、支架和旋轉(zhuǎn)臺，見圖4。支架一端連接端送臺，另一端連接旋轉(zhuǎn)臺，旋轉(zhuǎn)臺通過軸承連接底座，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臺在底座上的旋轉(zhuǎn)，并能夠帶動端送臺轉(zhuǎn)動。端送臺上開設(shè)若干杯托口，杯托一端與端送臺下表面連接，位于杯托口下方；杯蓋與端送臺上表面轉(zhuǎn)動連接，能夠旋轉(zhuǎn)至杯托口正上方或完全遠離杯托口。杯托口直徑略大于9盎司紙杯口徑，深度比紙杯高度深1～2 cm，匹配目前常用的9盎司熱冷飲紙杯。支架包括支架桿、套管和調(diào)節(jié)裝置，支架桿采用圓柱形結(jié)構(gòu)，一端伸出端送臺，另一端插入套管內(nèi)部。套管與旋轉(zhuǎn)臺固定連接，套管上開設(shè)調(diào)節(jié)導(dǎo)孔。調(diào)節(jié)裝置包括調(diào)節(jié)按鈕和彈簧，彈簧一端連接支架桿，另一端連接調(diào)節(jié)按鈕，調(diào)節(jié)按鈕驅(qū)動部位穿過調(diào)節(jié)導(dǎo)孔伸出套管，與套管接觸部位采用不銹鋼或鋁合金材質(zhì)，且設(shè)置若干防滑凹槽。當(dāng)未按壓調(diào)節(jié)按鈕時，在彈簧的彈力作用下，調(diào)節(jié)按鈕驅(qū)動部位與套管內(nèi)壁緊密接觸，在摩擦力的作用下，阻止支架桿在套管的移動；當(dāng)按壓調(diào)節(jié)按鈕時，調(diào)節(jié)按鈕驅(qū)動部位與套管內(nèi)壁分離，自由調(diào)節(jié)支架桿在套管內(nèi)的長度。如需將支架調(diào)節(jié)更長，可通過支架桿伸出端送臺的長度進行調(diào)節(jié)。

圖4 紙杯端送裝置整體結(jié)構(gòu)Fig.4 Overall structure of paper cup end-feeding device

3.2 木漿紙杯端送裝置工作原理

杯托結(jié)構(gòu)見圖5，裝置使用時打開杯蓋，放入飲品，此時紙杯上沿略高于端送臺上表面1～2cm，旋動杯托的底盤，使紙杯沉入杯托的本體內(nèi)部，通過旋轉(zhuǎn)把杯蓋合上，然后反向旋動杯托的底盤，此時彈簧阻尼裝置處于壓縮狀態(tài)，紙杯杯口與杯蓋頂住，端送時飲品不易溢出。端送到指定地點后，打開杯蓋，彈簧阻尼裝置回彈，紙杯連同飲品在底盤凹槽內(nèi)的彈簧阻尼裝置作用下平穩(wěn)升高，方便取用。根據(jù)使用場合的不同，通過調(diào)節(jié)支架的高度，能夠很好的調(diào)節(jié)端送裝置整體的高度，還可以在杯托的本體上添加標(biāo)簽，在旋轉(zhuǎn)臺的作用下，客人能夠轉(zhuǎn)動端送臺尋找飲品。

圖5 杯托結(jié)構(gòu)局部示意圖Fig.5 Partial structural diagram of cup holder

4 結(jié)語

由于木漿紙杯的便捷、環(huán)保和安全特點，已成為人們?nèi)粘Ｉ畹某Ｓ闷贰樵O(shè)計滿足市場上木漿紙杯端送實際需求的裝置，分析用戶需求的基礎(chǔ)上，利用QFD模型將用戶需求轉(zhuǎn)化為關(guān)鍵設(shè)計要素，借助TRIZ發(fā)明原理解決設(shè)計過程中的矛盾沖突，得到便攜式木漿紙杯端送裝置的創(chuàng)新設(shè)計方案。采用新型杯托結(jié)構(gòu)，與杯蓋配合保證端送途中飲品不溢出，可實現(xiàn)較遠距離的端送，且在取用時能夠自行彈出，便于取用。采用可伸縮的支架便于不同身高人員使用，也便于裝箱運輸。旋轉(zhuǎn)臺能夠?qū)崿F(xiàn)有限空間內(nèi)多種飲品的端送。解決了市場上實際應(yīng)用問題，對端送裝置的進一步優(yōu)化提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。