面向需求的勾花網(wǎng)自動卷網(wǎng)機(jī)創(chuàng)新設(shè)計

林科宏，成思源，楊雪榮，鐘瑞洲

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006)

0 前言

現(xiàn)如今，隨著科技日新月異、經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，創(chuàng)新成為社會中不可或缺的一部分。創(chuàng)新是企業(yè)的核心競爭力，而產(chǎn)品創(chuàng)新是企業(yè)發(fā)展的動力源泉，很多企業(yè)在產(chǎn)品創(chuàng)新上加大投入。專利庫包含的專利信息是重要的技術(shù)信息，被用于技術(shù)變革和技術(shù)創(chuàng)新中，是占領(lǐng)市場的重要武器。

TRIZ理論是前蘇聯(lián)AHSHULDER在分析了不同學(xué)科領(lǐng)域大量專利的基礎(chǔ)上形成的一套完整的理論體系，是快速解決產(chǎn)品概念創(chuàng)新設(shè)計問題的方法學(xué)。TRIZ理論包含一系列工具，結(jié)合專利知識庫能有效縮短解決問題的周期。計算機(jī)輔助創(chuàng)新(Computer Aided Innovation,CAI)軟件包含大量的專利庫和基于自然語義的搜索，幫助設(shè)計人員打破專業(yè)壁壘，進(jìn)行跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的檢索，獲得相關(guān)解決方案，高效解決工程設(shè)計難題。

在對新產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計時，目前研究和應(yīng)用較多的是基于功能分析系統(tǒng)技術(shù)(Function Analysis System Technology，F(xiàn)AST)的功能分解方法。吳曉莉等運用FAST法，根據(jù)用戶對自行車的功能需求，建立功能樹，根據(jù)功能元設(shè)計出一款功能組合式自行車；陶紅莉通過FAST法，建立助行架的功能樹，通過形態(tài)學(xué)矩陣獲得不同助行方式的助行架，適用于不同老年人的需求；丁治中運用FAST法，建立家里迷你自行車的功能樹，分析了主要尺寸對騎行的影響，設(shè)計出符合人體工程學(xué)的車座；李君華和苗夢宇應(yīng)用FAST法通過建立功能樹對城市救援車進(jìn)行模塊化設(shè)計，降低了運行成本，提高了效率，證明了FAST法設(shè)計城市救援車的可行性；宋云應(yīng)用FAST法結(jié)合仿生設(shè)計的理念，對滑沙板進(jìn)行造型設(shè)計，證明FAST法可將產(chǎn)品功能整合進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)新。

但當(dāng)運用FAST法進(jìn)行較為復(fù)雜的產(chǎn)品概念創(chuàng)新設(shè)計時，存在一定的弊端。功能樹分解的子功能非常復(fù)雜，其邏輯關(guān)系極其抽象，子功能的原理解需要根據(jù)產(chǎn)品的實際問題進(jìn)行分析，對工程設(shè)計人員的知識和經(jīng)驗積累要求較高。本文作者提出一種基于TRIZ理論和CAI技術(shù)的產(chǎn)品概念創(chuàng)新方法：首先根據(jù)語義相近原則將產(chǎn)品需求分類為幾個子需求群，運用Goldfire軟件檢索其子需求群的工作原理，基于工作原理建立功能樹，并檢索實現(xiàn)功能元的載體，利用TRIZ和專利庫完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計。文中以一種勾花網(wǎng)自動卷網(wǎng)機(jī)為例驗證此方法的可行性。

1 基于CAI與TRIZ的產(chǎn)品設(shè)計流程

文中提出了一種基于CAI技術(shù)與TRIZ理論的產(chǎn)品概念創(chuàng)新設(shè)計方法，其思路是進(jìn)行子需求群劃分并通過科學(xué)效應(yīng)和專利知識庫檢索工作原理，建立其功能模型。設(shè)計流程主要分4個階段：子需求分類、效應(yīng)檢索與工作原理設(shè)計、功能模型構(gòu)建、方案求解與侵權(quán)判定，如圖1所示。

圖1 基于CAI技術(shù)與TRIZ的設(shè)計流程

考慮到在設(shè)計的初始階段收集到的設(shè)計需求通常是無序的子需求，在產(chǎn)品的功能系統(tǒng)復(fù)雜的情況下，先將產(chǎn)品各子需求進(jìn)行分類，檢索專利知識庫，獲得其工作原理。將藝術(shù)、成本類等需求分類為一個子需求群，剩余的子需求按照語義相近的原則分類為若干個子需求群。首先檢索子需求群的工作原理，然后根據(jù)工作原理定義各級子功能，最后根據(jù)各級子功能求解其功能載體。檢索子需求群的工作原理時，通過關(guān)鍵詞或自然語義定義其總功能，通過檢索相關(guān)科學(xué)效應(yīng)得到啟發(fā)，構(gòu)思產(chǎn)品子功能，實現(xiàn)總功能分解，最終獲得各級子功能。例如，總功能“回彈”，檢索到受迫振動效應(yīng)，通過設(shè)想產(chǎn)品結(jié)構(gòu)得到“施加驅(qū)動力”和“壓縮”這2個一級子功能。計算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件Goldfire可以檢索同一功能不同領(lǐng)域的工作原理，并展示其動畫，最后給出工作原理的實際案例；STC算子可以轉(zhuǎn)換產(chǎn)品功能模型的尺寸()、時間()、成本()，然后檢索相關(guān)專利進(jìn)行總結(jié)。

將產(chǎn)品設(shè)計需求分類成多個子需求群，充分理解其工作原理后，進(jìn)行功能分解，可分解獲得復(fù)雜產(chǎn)品的一級子功能。由于一級子功能往往不能直接獲得對應(yīng)的實體結(jié)構(gòu)方案，通過進(jìn)一步的功能元分解可有利于后續(xù)的方案設(shè)計。功能的分解可以借鑒相關(guān)專利的科學(xué)效應(yīng)或工作原理，當(dāng)功能元的工作原理可以直接用機(jī)構(gòu)實現(xiàn)時則停止分解，然后結(jié)合TRIZ理論和CAI軟件進(jìn)行產(chǎn)品功能原理解方案的設(shè)計。從子功能到功能載體通常有很多實現(xiàn)方式，這時可列出多種結(jié)構(gòu)方案的形態(tài)學(xué)矩陣進(jìn)行選擇，得到最優(yōu)的實現(xiàn)方式。最后根據(jù)專利法判定是否侵權(quán)。

2 一種勾花網(wǎng)自動卷網(wǎng)機(jī)創(chuàng)新設(shè)計

2.1 勾花網(wǎng)收卷問題分析

勾花網(wǎng)是由勾花網(wǎng)機(jī)(菱形網(wǎng)機(jī))對各種材質(zhì)的金屬絲鉤編而成，可分為折邊縮把和擰邊鎖把2種，廣泛應(yīng)用于高速公路設(shè)施、室內(nèi)裝飾、動物園圍欄等場合。勾花網(wǎng)加工過程主要包括編網(wǎng)、修邊、卷網(wǎng)、裝袋等工序。目前，勾花網(wǎng)卷網(wǎng)方式有2種，其中一種是人工卷網(wǎng)，這種方式卷的網(wǎng)不緊，容易松松散散而且網(wǎng)的兩端不平整，最后需要人抬下卷輪上的網(wǎng)，耗時費力。企業(yè)對勾花網(wǎng)機(jī)提出如下要求：實現(xiàn)自動卷網(wǎng)功能，勾花網(wǎng)機(jī)卷成的網(wǎng)體積小，解決勾花網(wǎng)機(jī)卷網(wǎng)圓筒“內(nèi)緊外松”現(xiàn)象，降低成本，適配現(xiàn)有的編網(wǎng)設(shè)備。

2.2 產(chǎn)品子需求分類

明確產(chǎn)品需求后，按照藝術(shù)、成本類需求把“成本低”和“適配現(xiàn)有編網(wǎng)設(shè)備”分類為一個子需求群，按照語義相近的原則把“實現(xiàn)自動卷網(wǎng)”和“勾花網(wǎng)機(jī)圓筒‘內(nèi)緊外松’現(xiàn)象”分類為一個子需求群，把“勾花網(wǎng)機(jī)卷網(wǎng)體積小”分類為一個子需求群，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品子需求群分類

2.3 工作原理的檢索和設(shè)計

根據(jù)上述分析，把設(shè)計需求分類成幾個子需求群，子需求群的工作原理通過Goldfire軟件查找后，進(jìn)一步分解成一級子功能。使用Goldfire軟件根據(jù)關(guān)鍵詞搜尋各個知識庫，或利用TRIZ理論進(jìn)行方案設(shè)計，也可使用STC算子把勾花網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行增添和縮減，比如減少收卷物體的直徑、增加收卷物體的速度。使用Goldfire軟件檢索和總結(jié)包裝產(chǎn)品的科學(xué)效應(yīng)和工作原理。根據(jù)“收卷物料”關(guān)鍵詞查詢獲得專利的工作原理及相關(guān)科學(xué)效應(yīng)，如表1所示。

表1 科學(xué)效應(yīng)及工作原理

對比各個工作原理的優(yōu)點和缺點，工作原理(2)的氣漲軸轉(zhuǎn)動可使物料自動收卷，但是卸料后氣漲軸中心會“中空”，因此出現(xiàn)物料體積變大和松垮現(xiàn)象。工作原理(1)和(3)中心處無氣漲軸，但它們收卷后“內(nèi)緊外松”的效果不如工作原理(4)。工作原理(5)的螺旋網(wǎng)絲是纏繞在圓環(huán)上，不適合勾花網(wǎng)卷網(wǎng)。由此可知，表1的工作原理(4)可以選用為子需求群1的工作原理，解決卷網(wǎng)后“內(nèi)緊外松”的問題。

對于子需求群2的工作原理，當(dāng)網(wǎng)片長度一定時，質(zhì)量和長度保持不變，但其卷網(wǎng)體積要變小，這其中包含2對矛盾參數(shù)——質(zhì)量和體積，長度和體積。針對技術(shù)矛盾問題，查找矛盾矩陣，參考編號14的曲面化原理得到啟發(fā)，將收卷樣式設(shè)計成如圖3所示，極大減少收卷體積，滿足設(shè)計要求。

圖3 勾花網(wǎng)收卷樣式

子需求群3屬于外觀、成本和方便性要求，可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計中完成，因此不進(jìn)行原理設(shè)計。至此3個子需求群的原理設(shè)計全部完成。

2.4 結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計

為了滿足子需求群1，工作原理(4)是物料在多個轉(zhuǎn)速不同的轉(zhuǎn)動輪形成的收卷空間里，在摩擦力的帶動下轉(zhuǎn)動，完成收卷。獲得一級子功能“收卷”；收卷空間引導(dǎo)收卷物料進(jìn)入，獲得二級子功能“引導(dǎo)”；在摩擦力作用下，收卷物料進(jìn)行收卷，根據(jù)滑動摩擦力的大小計算公式為=和定義可知摩擦力的產(chǎn)生需要壓力和相對運動，獲得二級子功能“壓緊”和“轉(zhuǎn)動”；收卷物料需要動力才能不斷轉(zhuǎn)動，分解獲得三級子功能“提供動力”和“傳遞動力”；收卷物料不停轉(zhuǎn)動時，其直徑不斷變大，因此收卷空間也需要不斷變大，獲得三級子功能“擴(kuò)大收卷空間”;為了滿足子需求群2，在收卷物料過程中需要限定其臂彎，獲得一級子功能“限位”。功能模型如圖4所示。

圖4 包裝系統(tǒng)功能模型

下面是功能元的載體設(shè)計。根據(jù)機(jī)械設(shè)計知識可將“傳遞動力”和“提供動力”對應(yīng)設(shè)計成“鏈輪-鏈條”和“電機(jī)”，功能元“引導(dǎo)”對應(yīng)于“人力”，而功能元“壓緊”根據(jù)摩擦力公式=需要正壓力，轉(zhuǎn)動輪本身重力可提供壓力，因此它本身可作為功能載體。功能元“擴(kuò)大收卷空間”，可使用TRIZ工具功能導(dǎo)向搜索，將功能進(jìn)行一般化處理，“勾花網(wǎng)”一般化為“基材”，“擴(kuò)大收卷空間”一般化為“擴(kuò)大容納空間”。將一般化的功能用詞輸入到Goldfire軟件查詢專利，得到專利CN109399287A,根據(jù)“收卷輥向上向外移動”獲得啟發(fā)，功能元“擴(kuò)大收卷空間”的載體設(shè)計成“一個轉(zhuǎn)動軸向上向外移動”，如圖5所示。因此，功能載體設(shè)計全部完成，如表2所示。

圖5 “擴(kuò)大收卷空間”功能載體求解過程

表2 功能元及其載體

接下來可以根據(jù)TRIZ理論和專利庫進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計。對于功能元“擴(kuò)大收卷空間”和“壓緊”進(jìn)行結(jié)合時，轉(zhuǎn)軸裝置位置既要固定又要不固定，屬于物理矛盾問題。據(jù)此在Goldfire軟件自然語言檢索框輸入“隨收卷直徑增大不斷向上向外移動”可得2個典型的方案：專利CN2033381U的結(jié)構(gòu)“螺旋軌道”隨收卷直徑增大，卷軸向上、向外移動，從動卷軸可以自動調(diào)整對主動軸的正壓力，鋁箔紙纏繞時的松緊度將得到保證，收卷空間將增大。專利CN202428758U的結(jié)構(gòu)是氣缸帶動擺臂進(jìn)行料模收卷。但是收卷裝置復(fù)雜，成本更高。而且考慮到勾花網(wǎng)的收卷速度與專利1基本一樣，經(jīng)過綜合考慮，此設(shè)計采用了螺旋軌道結(jié)構(gòu)以解決這一矛盾。

產(chǎn)品最終方案如圖6所示，機(jī)器的工作流程為：經(jīng)過握邊系統(tǒng)完成的網(wǎng)片引導(dǎo)至由轉(zhuǎn)軸部件7、12和11組成的收卷系統(tǒng)。接著啟動電機(jī)14，3個轉(zhuǎn)軸部件帶動網(wǎng)片轉(zhuǎn)動，進(jìn)行收卷。在螺旋軌道的轉(zhuǎn)軸部件11隨著收卷直徑的不斷增大而向上向外移動。完成收卷后，電機(jī)關(guān)閉，用扎帶捆卷好后，接著啟動氣缸13，支撐架9進(jìn)行旋轉(zhuǎn)完成卸貨。

圖6 勾花網(wǎng)自動卷網(wǎng)機(jī)

使用SolidWorks三維軟件建出300根網(wǎng)絲組成9 m長網(wǎng)片的編織效果。如果使用人工包裝網(wǎng)片，產(chǎn)品直徑是439.81 mm。使用文中設(shè)計的包裝方案，直徑是233.63 mm，包裝體積比前者減少50%，方案對比效果如圖7所示。

圖7 9 m長的網(wǎng)片收卷直徑對比

根據(jù)專利法進(jìn)行侵權(quán)判定,文中在設(shè)計方案中只引用了相關(guān)專利的局部技術(shù)特征方案，該局部技術(shù)特征方案沒有單獨進(jìn)行專利申請；在此基礎(chǔ)上引入了新的技術(shù)方案，通過對比專利庫，沒有與此結(jié)構(gòu)設(shè)計相似的專利，因此判斷方案不侵權(quán)。目前該設(shè)計方案已申請了專利。

3 結(jié)論

文中提出的面向需求的勾花網(wǎng)自動卷網(wǎng)機(jī)創(chuàng)新設(shè)計，將產(chǎn)品需求分類成若干個子需求群，借助專利庫技術(shù)檢索其工作原理，能在設(shè)計初期擺脫對自身知識的依賴，通過跨學(xué)科領(lǐng)域的知識檢索與再利用，在產(chǎn)品設(shè)計中打破知識壁壘，使設(shè)計過程有規(guī)可循，有章可依。通過TRIZ理論與CAI軟件的結(jié)合，可以加速知識獲取和加快創(chuàng)新設(shè)計。在如今各國加大對知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)、市場對產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量和速度要求越來越高的背景下，可以提高工程設(shè)計人員的設(shè)計效率，降低開發(fā)成本，快速搶占市場。