基于TRIZ理論與結(jié)構(gòu)類比源分析的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計創(chuàng)新*

于婷婷 趙德宏 楊謝柳

(沈陽建筑大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110168)

結(jié)構(gòu)設計是產(chǎn)品開發(fā)的首要環(huán)節(jié)，是產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、成本、市場競爭力等各方面的關(guān)鍵影響因素。裝備制造業(yè)是推動制造業(yè)升級轉(zhuǎn)型的保證，提高綜合國力、促進國民經(jīng)濟發(fā)展的重要因素[1]。創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略對制造業(yè)提出了創(chuàng)新設計的高要求，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設計創(chuàng)新是裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要步驟。

譚建榮等提出創(chuàng)新設計十大基礎(chǔ)科學問題研究體系，并以數(shù)控機床為例，提出創(chuàng)新設計關(guān)鍵技術(shù)[2]。尚欣等[3]應用 TRIZ理論設計了一種可以自動理料的餐具包裝機，改善了餐具清洗、消毒、包裝過程中的低效率和高勞動強度的現(xiàn)狀。周升等[4]應用TRIZ理論提出包裝盒成型裝置。楊友勝等[5]應用TRIZ理論對深海水液壓電磁閥的工作特性進行分析，為海洋機電裝備的水深壓力補償提供新方法。以上研究都是基于單獨的TRIZ理論進行分析研究的，本文提出一種將TRIZ理論和類比源分析相結(jié)合的創(chuàng)新設計方法，打破了創(chuàng)新設計的認知機理與思維規(guī)律。

1 TRIZ原理

發(fā)明問題解決理論(TRIZ)是一套通過解決發(fā)明創(chuàng)新過程中出現(xiàn)的問題從而實現(xiàn)創(chuàng)新的理論體系。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，TRIZ理論已經(jīng)成為了一套集成多方思想的系統(tǒng)化的思想理論體系[6-7]，TRIZ理論能夠幫助發(fā)明者提供創(chuàng)新思維，快速準確地找到問題的本質(zhì)沖突及其相應的創(chuàng)新解決方法，提高發(fā)明創(chuàng)新的成功率。TRIZ理論的基本內(nèi)容主要包括技術(shù)系統(tǒng)進化法則、提升創(chuàng)新設計效率的最終理想解、為解決技術(shù)問題提供強有力工具的40條發(fā)明原理、查找發(fā)明問題對應解決原理的矛盾矩陣表等內(nèi)容[8]。

發(fā)明者將自己創(chuàng)新過程中遇到的問題轉(zhuǎn)化為TRIZ通用工程參數(shù)后，根據(jù)改善參數(shù)和惡化參數(shù)，通過查找矛盾矩陣表，即可確定相應的多條TRIZ發(fā)明原理，發(fā)明者通過篩選即可確定最理想的解決方案[9]。

2 類比分析

2.1 類比原理

結(jié)構(gòu)類比原理，是利用兩個或兩個以上的現(xiàn)有成功設計實例，通過對比和推理產(chǎn)生新設計的發(fā)明原理[10-11]，類比設計過程的關(guān)鍵在于找到現(xiàn)有的成功的設計案例作為源設計，并將其與待設計部件的作用機理通過相似性聯(lián)系起來[12-13]。類比設計的作用原理如圖1所示。

圖1中A表示已有的成功解決的發(fā)明問題，即源設計；α表示源設計解決途徑；B表示已有發(fā)明問題的解法；A′表示待發(fā)明的問題，即目標設計；α′表示目標設計解決途徑，B′表示目標設計的解法；即A通過方法α實現(xiàn)B，A′通過方法α′實現(xiàn)B′；且發(fā)明問題A及其解法B是在已有發(fā)明創(chuàng)新中尋找出來的與待發(fā)明問題A′及其解法B′在解決的問題或?qū)崿F(xiàn)的創(chuàng)新上具有相似性的事件，所以A′與A之間存在相似性n，B′與B之間同樣存在一種隱藏的相似性q，可以根據(jù)α得到α′，在待解決的發(fā)明問題中，可根據(jù) A′及α′得到待發(fā)明問題的理想解法B′。

2.2 結(jié)構(gòu)類比源分析

通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)沖突的提取以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能相對重要性的分析，可以對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行加權(quán)評價。為判斷結(jié)構(gòu)需求和產(chǎn)品功能之間的相關(guān)性，可以建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能模型，獲取產(chǎn)品相對權(quán)重值，而后建立結(jié)構(gòu)相似矩陣P，元素Pij=0，1；若Pij=1，則表示結(jié)構(gòu)i具有功能j，若Pij=0則表示結(jié)構(gòu)i不具有功能j。

將結(jié)構(gòu)功能相似度矩陣進行標準化，通過標準化后矩陣判斷出在產(chǎn)品設計過程中起決定作用的結(jié)構(gòu)，并以此判斷出結(jié)構(gòu)需求和結(jié)構(gòu)流集的相關(guān)性，后續(xù)設計選擇相似度高的結(jié)構(gòu)進行。在相似度關(guān)聯(lián)矩陣的構(gòu)建過程中可以引入矩陣代數(shù)理論消除創(chuàng)造者主觀因素對矩陣的影響將矩陣標準化，也可以應用Python軟件編制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相似度矩陣標準化操作界面。

2.3 基于TRIZ的類比設計

基于TRIZ的類比源分析過程如圖2所示。在圖2中，A表示現(xiàn)有的成功發(fā)明案例;A′表示要發(fā)明的問題;α和α′表示39個標準工程參數(shù)，物場模型等;B表示現(xiàn)有成功發(fā)明中的轉(zhuǎn)換TRIZ問題;B′表示要發(fā)明的問題中的變換TRIZ問題;β和α′表示TRIZ理論中的40個發(fā)明原理以及76個標準解等;C表示現(xiàn)有成功發(fā)明中的TRIZ通用解決方案;C′表示 TRIZ在發(fā)明問題上的一般解決方案。

3 結(jié)構(gòu)設計創(chuàng)新過程模型的創(chuàng)建

基于TRIZ理論和類比源分析的結(jié)構(gòu)設計創(chuàng)新過程模型的創(chuàng)建按如下幾步進行：

(1)產(chǎn)生類比源設計結(jié)果

確定創(chuàng)新設計中的技術(shù)矛盾，將所獲得的技術(shù)矛盾轉(zhuǎn)化為TRIZ問題A之后，進行技術(shù)矛盾求解，再找到與該TRIZ問題相對應的特定TRIZ問題A′，同時從操作β中找出與A′對應的特定操作β′。借助于β′得到TRIZ特解和設計實例，即結(jié)構(gòu)類比源設計結(jié)果。該過程可以確定技術(shù)矛盾的基本解決方法。

(2)建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相似度矩陣P

進行類比源結(jié)構(gòu)分析，基于TRIZ理論和類比源分析結(jié)果，建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相似度矩陣，應用矩陣代數(shù)理論對矩陣P進行標準化，以判定在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計中起決定性作用的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)相似度矩陣P標準化過程中需滿足如下兩個條件：

①目標設計與源設計具有的重要性相同。

②對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對權(quán)重值進行標準化處理。

(3)結(jié)構(gòu)類比設計過程

通過對高相似度的結(jié)構(gòu)的分析選擇，經(jīng)過類比聯(lián)想等，獲得結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方案。

(4)結(jié)構(gòu)設計

基于TRIZ理論和結(jié)構(gòu)類比源矛盾體的分析結(jié)果，將二者結(jié)合，并將采用的類比機構(gòu)及其解決的工程問題匯總，得到系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計創(chuàng)新方案,如圖3所示。

(5)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計評價

通過仿真實驗方法對結(jié)構(gòu)設計方案進行評價，若該結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方案滿足用戶需求，則繼續(xù)進行后續(xù)的設計生產(chǎn)；若不滿足用戶需求，則重新進行設計。

4 工程實例分析

以除板材之外的異型石材制品加工部件為例，目前用于石材鋸切加工的圓盤鋸片屬于薄壁結(jié)構(gòu)的磨削工具無法實現(xiàn)徑向切割和旋轉(zhuǎn)分度運動的同時進行，利用該結(jié)構(gòu)設計創(chuàng)新過程模型發(fā)明一種單驅(qū)動可分度鋸切功能部件實現(xiàn)兩種運動的合成，提高石材加工的生產(chǎn)效率。

(1)基于TRIZ理論的分析

首先，從機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計的角度，將設計中需要解決的工程問題表述為TRIZ理論的技術(shù)矛盾如圖4所示。要實現(xiàn)圓盤鋸片徑向切割和旋轉(zhuǎn)分度運動的合成，就需要鋸片能夠同時進行大扭矩高剛性鋸切運動與鋸切刀具旋轉(zhuǎn)分度運動的結(jié)合，因此在鋸切功能部件的基礎(chǔ)上，需要再增設刀具主軸的旋轉(zhuǎn)分度模塊。

增加分度模塊必然會增加伺服控制單元和機械系統(tǒng)分度結(jié)構(gòu)，使部件結(jié)構(gòu)復雜，即技術(shù)矛盾1；為了增加系統(tǒng)的加工精度與設備的可靠性，合成后的機械系統(tǒng)在滿足高精度分度的生產(chǎn)要求時，會導致機械系統(tǒng)分度鎖緊不可靠，即技術(shù)矛盾2；在鋸切功能部件的基礎(chǔ)上，需要再增設刀具主軸的旋轉(zhuǎn)分度模塊必然會使伺服控制單元和機械系統(tǒng)分度結(jié)構(gòu)更加復雜，進而導致工作頭部件結(jié)構(gòu)復雜、成本進一步提高，即技術(shù)矛盾3。

然后進行技術(shù)矛盾求解，通過標準工程參數(shù)分別將3個矛盾問題轉(zhuǎn)化為TRIZ標準問題，分別確定改善的參數(shù)和惡化的參數(shù)，查找阿奇舒勒矛盾矩陣表，分析選定發(fā)明原理12(等勢原理)、發(fā)明原理8(重量補償原理)和發(fā)明原理15(動態(tài)化原理)分別作為3個技術(shù)矛盾最具有價值的發(fā)明原理。

(2)建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能相似度矩陣P

目前可選用分度機構(gòu)方案主要有蝸輪蝸桿傳動機

構(gòu)、消隙蝸桿傳動機構(gòu)、伺服電機直驅(qū)結(jié)構(gòu)、力矩電機結(jié)構(gòu)和對齒離合器差動結(jié)構(gòu)等。

蝸輪蝸桿傳動的優(yōu)點是傳動比大、軸向占用空間較小，缺點是傳動效率和轉(zhuǎn)動速度低且單蝸桿傳動的分度精度也比較低；消隙蝸桿雖然分度精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)分度，但結(jié)構(gòu)復雜，不能滿足部件的高轉(zhuǎn)速、大扭矩、高精度分度的要求；電機直驅(qū)結(jié)構(gòu)能夠滿足高速傳動需求且傳動效率高、具有價格優(yōu)勢；力矩電機雖然使得部件結(jié)構(gòu)緊湊，但力矩的設計制造成本高，且同樣存在無法滿足大扭矩、高精度分度要求；對齒離合差動不僅可以滿足高精度分度和可靠性的要求而且具有價格優(yōu)勢。現(xiàn)將各種結(jié)構(gòu)的矛盾面匯總?cè)绫?。

表2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能相似度矩陣

(3)功能類比設計過程

由表2知：減速傳動不僅能夠滿足大功率傳動的需求而且滿足可靠性需求，且其中的蝸輪蝸桿傳動具有價格優(yōu)勢，消隙蝸桿還能夠滿足高精度傳動的需求，故綜合類比源分析結(jié)果，如表3所示，類比運用減速傳動、電機直驅(qū)和對齒離合差動機構(gòu)，設計復合切削部件。

表3 基于TRIZ及功能類比的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

(4)結(jié)構(gòu)設計

基于以上分析設計如圖5所示的單驅(qū)動可分度復合切削部件，電機通過帶傳動機構(gòu)將運動傳遞給傳動軸；傳動軸的一端安裝在主支撐箱體的上端，另一端安裝在連接件上；連接件通過兩個對擰的螺母支撐并固定在支撐箱體的上端；且本部件通過圓錐齒輪實現(xiàn)傳動軸垂直方向的旋轉(zhuǎn)向切削主軸沿垂直方向的旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)化，且圓錐齒輪與主軸箱之間有離合裝置通過油路實現(xiàn)離合；切削主軸可以自由旋轉(zhuǎn)，其兩端通過軸承、軸套以及軸承端蓋等固定在主軸箱上，主軸箱與連接件之間安裝有頂針軸承，使得主軸箱可以相對支撐箱體發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動；主軸箱上安裝有液壓緊固裝置，且緊固裝置的上下圈通過離合裝置實現(xiàn)離合。該部件的分度精度可以達到0.002°，傳動比可達到2.6。

(5)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計評價

分別在部件主軸附件、主軸箱體、上箱體及結(jié)合面設置12組模態(tài)測試響應點。在主軸端部安裝檢驗棒，以此作為激勵點。實驗過程共分22個批次進，每次測試測量5點。根據(jù)實驗測得部件的四階模態(tài)固有頻率

及相應振型如表4和圖6所示，由實驗結(jié)果證明，該鋸切工作頭部件1階、2階振型都非常穩(wěn)定，3、4階振型主要表現(xiàn)在滑板的局部振動上，該部件具有良好的穩(wěn)定性和良好的動力學響應特性，能夠滿足大扭矩高剛度鋸切加工要求。

表4 鋸切工作頭部件模態(tài)測試結(jié)果

該部件比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)節(jié)約了一部電機，實現(xiàn)了機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計的創(chuàng)新。通過同一部伺服電機同時完成了主軸的切削和B軸旋轉(zhuǎn)分度兩個運動過程，使得機床結(jié)構(gòu)變得更加緊湊、合理，從而解決了功能多樣化和結(jié)構(gòu)簡易化的矛盾性問題；將主電機繞主軸方向的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為切削主軸沿垂直方向的旋轉(zhuǎn)運動，從而解決了大扭矩高剛性鋸切運動與鋸切刀具旋轉(zhuǎn)分度運動的矛盾性問題；通過采用直驅(qū)式分度結(jié)構(gòu)和兩套機械式離合鎖緊裝置，提高分度精度、鎖緊可靠，從而解決了高精度分度與機械系統(tǒng)分度鎖緊可靠的矛盾性問題。

5 結(jié)語

(1)將TRIZ理論與結(jié)構(gòu)類比相結(jié)合。從機械產(chǎn)品的實際需求出發(fā)，通過對產(chǎn)品功能沖突的提取，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，應用TRIZ思維對產(chǎn)品設計過程中的沖突進行分析，構(gòu)建產(chǎn)品功能相似度矩陣等進而提出基于TRIZ和功能類比的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計創(chuàng)新思維方案。

(2)構(gòu)建基于TRIZ和功能類比的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計創(chuàng)新過程模型，將該模型應用于單驅(qū)動可分度鋸切功能部件的結(jié)構(gòu)設計中。以此過程模型為基礎(chǔ)制備的復合鋸切部件，將此部件安裝于各式龍門加工中心，使機床結(jié)構(gòu)變得更加緊湊、合理，該部件獲得中國專利金獎，驗證了該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計創(chuàng)新過程模型的可行性與有效性。