基于ARIZ 理論的維護(hù)終端結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

吳 杰，范敦坤

（廣州廣電運(yùn)通金融電子股份有限公司，廣州 510663）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，人們對(duì)自動(dòng)柜員機(jī)（Automated Teller Machine，ATM）的需求量在逐年增加，自動(dòng)柜員機(jī)是一種在計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，為用戶提供個(gè)人自助銀行服務(wù)的公共自助設(shè)備［1］。它除了可以辦理傳統(tǒng)銀行柜面服務(wù)外，還能夠增加網(wǎng)點(diǎn)智能化程度，簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)辦理流程，提升辦理效率。隨著數(shù)字人民幣試點(diǎn)持續(xù)推進(jìn)，ATM機(jī)已率先實(shí)現(xiàn)了數(shù)字人民幣與紙鈔的雙向兌換功能，它給人們帶來了極大的便利。ATM 維護(hù)終端的顯示屏是通過旋轉(zhuǎn)機(jī)機(jī)構(gòu)固定在后門上，由于旋轉(zhuǎn)軸與孔間存在間隙，且其支撐臂較長(zhǎng)，因而經(jīng)常發(fā)生維護(hù)終端向一端偏斜，直接影響用戶使用體驗(yàn)。目前維護(hù)終端偏斜問題解決方案主要是從減小配合間隙方面考慮，既增加了制造成本，又降低了生產(chǎn)效率，存在一定的問題。然而，應(yīng)用ARIZ理論在自動(dòng)柜員機(jī)領(lǐng)域鮮有研究，對(duì)于維護(hù)終端偏斜問題的創(chuàng)新設(shè)計(jì)未見報(bào)道。

本文運(yùn)用ARIZ 理論針對(duì)維護(hù)終端偏斜問題，建立了針維護(hù)終端的系統(tǒng)模型、并進(jìn)行了系統(tǒng)相互作用分析、物質(zhì)場(chǎng)資源分析、因果分析和最小問描述，最終消除了維護(hù)終端裝置中出現(xiàn)的技術(shù)矛盾和物理矛盾，提出了多個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了工程可行性評(píng)估，選擇其中較理想的解決方案進(jìn)行了生產(chǎn)驗(yàn)證，為今后產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。

1 ARIZ理論

發(fā)明問題解決算法（Algorithm for Inventive-Problem Solving，ARIZ）是TRIZ 創(chuàng)新方法理論中用于解決復(fù)雜創(chuàng)新問題的重要思維工具之一，它提供了一整套從問題分析解決到方案評(píng)價(jià)的系統(tǒng)化流程。創(chuàng)新方法用于問題解決近年來被應(yīng)用于工程技術(shù)、社科等多個(gè)領(lǐng)域，為人們創(chuàng)造性發(fā)現(xiàn)問題和解決問題提供系統(tǒng)的理論和方法工具，成功解決了不少?gòu)?fù)雜難題。經(jīng)過多次改進(jìn)和發(fā)展，ARIZ-85C版本應(yīng)用最為普遍［2-6］。

ARIZ-85C版本共計(jì)9 個(gè)關(guān)鍵步驟，如圖1 所示。其中步驟1、7、8、9 是常規(guī)性步驟，其余步驟則根據(jù)該問題是否獲得了解決方案循環(huán)推進(jìn)。當(dāng)進(jìn)行到某一步驟獲得問題解決方案即可跳出循環(huán)。其處理問題的關(guān)鍵在于聚焦最小問題，抓住主要矛盾，同時(shí)利用多個(gè)TRIZ理論工具，如發(fā)明原理、物場(chǎng)原理、技術(shù)矛盾、物理矛盾等，獲得該問題的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案［7-12］。在用ARIZ理論對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)時(shí)，應(yīng)充分考慮產(chǎn)品存在的問題，對(duì)其工作原理作合適的調(diào)整，以滿足對(duì)產(chǎn)品的新要求。

圖1 ARIZ-85C流程

2 ARIZ在維護(hù)終端優(yōu)化的應(yīng)用

2.1 問題描述

技術(shù)系統(tǒng)的名稱是維護(hù)終端，其主要功能是支撐顯示器。如圖2 所示，維護(hù)終端包括固定架、支撐臂、聯(lián)接板和顯示器。支撐臂右端和固定架樞接，支撐臂左端和聯(lián)接板樞接，聯(lián)接板與顯示器鎖緊。為了使顯示器在工作過程中，可以靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)，壓鉚螺母柱與配合孔之間存在間隙。由于壓鉚螺母柱與配合孔之間存在間隙，導(dǎo)致其對(duì)顯示器的約束不足，發(fā)生偏斜現(xiàn)象。目前維護(hù)終端偏斜問題主要是從減小配合間隙方面考慮，既降低了生產(chǎn)效率，也無法徹底解決偏斜問題。

圖2 維護(hù)終端結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)功能分析

2.2.1 系統(tǒng)資源列表

維護(hù)終端系統(tǒng)中的外部資源是整機(jī)、空氣、重力等，系統(tǒng)中的內(nèi)部資源是固定架、支撐臂、聯(lián)接板、顯示器。維護(hù)終端超系統(tǒng)組件、系統(tǒng)組件、子系統(tǒng)組件列表如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)資源列表

2.2.2 系統(tǒng)相互作用分析

組件相互作用分析是問題識(shí)別階段的一個(gè)步驟，它是用來識(shí)別一個(gè)工程系統(tǒng)中的組件。在這個(gè)過程中，工程系統(tǒng)以及與之相互作用和共存的超系統(tǒng)的相關(guān)組件被識(shí)別出來［13］。根據(jù)系統(tǒng)資源分析，維護(hù)終端超系統(tǒng)組件、系統(tǒng)組件、子系統(tǒng)組件在系統(tǒng)運(yùn)行中的相互作用如圖4 所示，交叉為黑點(diǎn)時(shí)表示有相互作用。

圖4 系統(tǒng)相互作用

2.2.3 系統(tǒng)功能模型

維護(hù)終端主要功能是支撐顯示器。根據(jù)系統(tǒng)資源列表和系統(tǒng)相互作用分析，得到功能模型算法，再根據(jù)算法建立系功能模型。如圖5 所示，圖中實(shí)線表示功能正常，虛線表示功能不足。

圖5 系統(tǒng)功能模型

通過組件模型分析，可以得出導(dǎo)致偏斜可能的4 個(gè)功能因素：壓鉚螺母柱1 與支撐臂約束不足；壓鉚螺母柱2 與固定架約束不足；壓鉚螺母柱3 與聯(lián)接板約束不足；壓鉚螺母柱4 與支撐臂約束不足。

2.2.4 因果分析

采用5W方式分析維護(hù)終端裝配到ATM 上發(fā)生明顯傾斜的原因：（1）為什么顯示器發(fā)生傾斜現(xiàn)象？答：因?yàn)槁?lián)接板發(fā)生了傾斜。（2）為什么聯(lián)接板發(fā)生傾斜現(xiàn)象？答：因?yàn)橹伪郯l(fā)生了傾斜。（3）為什么支撐臂發(fā)生了傾斜現(xiàn)象？答：因?yàn)閴恒T螺母柱和孔之間存在間隙。（4）為什么壓鉚螺母柱和孔之間存在微小間隙就會(huì)發(fā)生明顯傾斜現(xiàn)象？答：因?yàn)榫S護(hù)終端為水平放置受向下的重力作用，由于支撐臂較長(zhǎng)，所以左端發(fā)生的微小傾斜時(shí)在右端被放大數(shù)倍。

如圖6所示，假設(shè)壓鉚螺母柱（高度為L(zhǎng)2）和孔之間傾角為β，支撐臂（長(zhǎng)度為L(zhǎng)1）和水平面之間的傾角為α，則由幾何關(guān)系可知：α ＝β，因此由三角函數(shù)公式可得到：

圖6 幾何關(guān)系示意圖

將上面式（2）、（3）參數(shù)代入式（1），得

由上面幾何關(guān)系推導(dǎo)出的公式可得：由于壓鉚螺母柱和孔之間存在微小間隙，當(dāng)左端發(fā)生微小的傾斜距離H2時(shí)，則支撐臂右端傾斜距離為H1被成倍放大，放大倍數(shù)為L(zhǎng)1／L2。

2.3 定義最小問題

在維護(hù)終端系統(tǒng)里，系統(tǒng)的功能是支撐顯示器，系統(tǒng)組件分別是固定架、支撐臂、聯(lián)接板和顯示器。關(guān)鍵是定義系統(tǒng)存在的技術(shù)矛盾TC1 和TC2。

技術(shù)矛盾TC1：如果壓鉚螺母柱與孔配合間隙?。ㄖ圃炀雀撸敲床话l(fā)生偏斜（可靠性高），但是生產(chǎn)效率低。

技術(shù)矛盾TC2：如果壓鉚螺母柱與孔配合間隙大（制造精度低），那么生產(chǎn)效率高（可靠性低），但是會(huì)發(fā)生偏斜。

定義最小問題：在提高生產(chǎn)效率同時(shí)，顯示器不發(fā)生偏斜。下面將根據(jù)最小問題，尋找解決方案。

2.4 問題模型分析

2.4.1 技術(shù)矛盾

（1）技術(shù)沖突分析

按照TRIZ理論描述：TC1 定義為增強(qiáng)有用作用，同時(shí)增強(qiáng)有害作用。TC2 定義為降低有害作用，同時(shí)降低有用作用［14］。通過上述最小問題的定義，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在技術(shù)矛盾。如圖7 所示，利用技術(shù)矛盾進(jìn)行分析，選取技術(shù)沖突TC1 進(jìn)行求解。

圖7 技術(shù)矛盾分析

（2）技術(shù)沖突解決

本次技術(shù)矛盾中“可靠性”是需要改善的參數(shù)；孔與軸的“制造精度”是惡化參數(shù)。尋找阿奇舒勒沖突矩陣中改善和惡化通用工程參數(shù)交叉的單元，確定發(fā)明原理。根據(jù)發(fā)明原理列表可以獲得以下兩個(gè)創(chuàng)新方案。

方案1，基于發(fā)明原理-預(yù)補(bǔ)償（采用預(yù)先準(zhǔn)備好的應(yīng)急措施補(bǔ)償物體相對(duì)較低的可靠性），如圖8 所示。采用楔形墊片放置在固定架固定面的下方，該楔形墊片具有一個(gè)長(zhǎng)圓形通孔，用來調(diào)整補(bǔ)償距離。楔形墊片產(chǎn)生的補(bǔ)償距離可以糾正壓鉚螺母柱和孔配合間隙引起的傾斜，避免維護(hù)終端發(fā)生傾斜。

圖8 方案1 示意圖

方案2，基于發(fā)明原理-分割（①將物體分為多個(gè)獨(dú)立單元，使物體易于拆卸；②增加物體可分割的程度），如圖9 所示。將與壓鉚螺母柱配合的孔從中間分割開移除部分材料，形成Ω形鎖片。該Ω形鎖片的特點(diǎn)是完全閉合時(shí)弦高均小于直徑。Ω形鎖片與支撐臂焊件成一體，然后用一個(gè)螺釘鎖緊壓鉚螺母柱，從而消除間隙，避免維護(hù)終端發(fā)生傾斜。

圖9 方案2 示意圖

2.4.2 物理矛盾

（1）定義操作區(qū)間和操作時(shí)間

操作區(qū)域是指系統(tǒng)完成某項(xiàng)功能的執(zhí)行，需要一定的空間區(qū)域［15］。操作時(shí)間是指系統(tǒng)完成某項(xiàng)功能的執(zhí)行，需要一定的時(shí)間區(qū)域。維護(hù)終端系統(tǒng)存在技術(shù)矛盾的同時(shí)也存在物理矛盾，依據(jù)圖10 進(jìn)行物理矛盾的操作區(qū)域和操作時(shí)間分析。

圖10 操作區(qū)間和操作時(shí)間圖

（2）物理沖突分析

在裝配時(shí)為了提高生產(chǎn)效率，希望壓鉚螺母柱與孔的間隙比較大，但是為了使后護(hù)終端在工作過程中不發(fā)生傾斜，這時(shí)又要求壓鉚螺母柱與孔的間隙比較小。這種既要間隙“大”與又要間隙“小”的同時(shí)存在的情況，是物理沖突。根據(jù)對(duì)維護(hù)終端系統(tǒng)操作區(qū)域和操作時(shí)間分析，利用四大“分離法則”（空間分離、時(shí)間分離、條件分離、整體與部分分離）進(jìn)行消除物理沖突。查找與該分離法則對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理，得到解決方案。

（3）物理沖突解決

方案3，空間分離法則中的維數(shù)變化發(fā)明原理（①將物體變?yōu)槎S運(yùn)動(dòng)以克服一維直線運(yùn)動(dòng)或定位的困難，或者過渡到三維空間運(yùn)動(dòng)以消除物體在二維平面的運(yùn)動(dòng)或定位問題；②單層排列的物體變?yōu)槎鄬优帕?；將物體傾斜或側(cè)向放置；③利用照射到臨近表面或物體背面的光線），如圖11 所示，將壓鉚螺柱和孔壁由垂直改變?yōu)閮A斜即錐孔。利用錐孔的自動(dòng)對(duì)心作用，使其居中，從而避免傾斜。

圖11 方案3 示意圖

方案4，條件分離法則中的熱膨脹發(fā)明原理（①利用材料的熱膨脹或熱收縮；②組合使用不同熱膨脹系統(tǒng)的幾種材料）。壓鉚螺母柱外徑與孔配間隙小，裝配時(shí)用電磁感應(yīng)對(duì)孔預(yù)熱，孔受熱膨脹后變大容易裝配，冷卻至常溫時(shí)間隙小，從而避免傾斜。

2.4.3 物場(chǎng)資源

思維慣性是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的最大障礙，ARIZ強(qiáng)調(diào)在解決問題過程中必須開闊思路，運(yùn)用TRIZ可以克服思維慣性導(dǎo)致的障礙，增加解決問題的靈活性。這一步旨在增加可用物場(chǎng)資源數(shù)量，尋找系統(tǒng)內(nèi)資源與外資源等。模擬智能小人法（SLP）可打破思維定勢(shì)，用于在微觀級(jí)別上分析系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)的某些組件無法執(zhí)行必要的功能和顯示沖突的功能時(shí)，使用一小群人來表示無法完成特定的功能，通過活躍的小人物來達(dá)到預(yù)期的功能。然后根據(jù)模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。如圖12 所示，建立SLP模型，紅色小人與黑色小人分別表示壓鉚螺母柱的“外表面”和孔壁的“內(nèi)表面”，兩者之間的理想狀態(tài)是：在裝配時(shí)兩者之間沒有約束并能自由離開；在工作時(shí)，黑色小人被紅色小人抓住，兩組小人緊緊地抓在一起。

圖12 智能小人法模型示意圖

方案5，智能小人法（SLP）：壓鉚螺母柱采用記憶合金制造，裝配時(shí)將其冷卻，使外徑變小，易于裝配，生產(chǎn)效率高；裝配完成放置一段時(shí)間后它靠記憶功能恢復(fù)初始形狀，此時(shí)與孔配合間隙變小，從而避免傾斜。

2.5 創(chuàng)新方案評(píng)估及驗(yàn)證

（1）創(chuàng)新方案評(píng)估

下面結(jié)合工藝加工情況，從成本、經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)難度對(duì)上述5 個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估，分別如下。

方案1，采用預(yù)先準(zhǔn)備好的楔形墊片來調(diào)整補(bǔ)償間隙，避免后臺(tái)維護(hù)終端發(fā)生傾斜。該方案雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、但因增加了新的物料成本較高，暫不考慮。

方案2，采用Ω 形鎖片鎖緊壓鉚螺母柱，從而消除間隙，避免后臺(tái)維護(hù)終端發(fā)生傾斜。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、但因增加了新的物料及焊接工藝成本較高，暫不考慮。

方案3，采用錐孔的自動(dòng)對(duì)心作用使其居中，從而避免傾斜。該方案不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、而且成本較低，優(yōu)選此方案。

方案4，采用電磁感應(yīng)對(duì)孔預(yù)熱，冷卻時(shí)間隙小，從而避免傾斜。該方案需要投入新的設(shè)備、成本較高，暫不考慮。

方案5，采用記憶合金制造壓鉚螺母柱，恢復(fù)初始形狀時(shí)間隙變小，從而避免傾斜。該方案需要投入新的設(shè)備、新材料，成本較高，暫不考慮。

方案1、方案2、方案4和方案5均需要增加新的物料或設(shè)備，方案3只對(duì)需螺母柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的改進(jìn)，無需增加物料成本較低，因此方案3是較理想的解決方案。

（2）創(chuàng)新方案驗(yàn)證

根據(jù)方案3 對(duì)維護(hù)終端結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并將樣機(jī)裝配到ATM整機(jī)上測(cè)試驗(yàn)證，該樣機(jī)順利地通過了功能測(cè)試、振動(dòng)測(cè)動(dòng)和環(huán)境測(cè)試等測(cè)試。同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案已成功申請(qǐng)專利：一種自動(dòng)柜員機(jī)的后臺(tái)維護(hù)終端（CN201520139271.5）。如圖13 所示，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T 4857.23《包裝運(yùn)輸包裝件隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件和方法》對(duì)維護(hù)終端進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試，測(cè)試完成后各構(gòu)件功能正常，且未發(fā)生顯示器傾斜現(xiàn)象，具備良好的產(chǎn)品性能。實(shí)踐證明運(yùn)用ARIZ 創(chuàng)新理論效地解決了維護(hù)終端傾斜問題，既提升了公司產(chǎn)品質(zhì)量，也提高了顧客對(duì)產(chǎn)品的滿意度。

圖13 隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試

3 結(jié)束語

本文基于ARIZ 理論對(duì)維護(hù)終端偏斜問題做了全面分析，針對(duì)核心矛盾及相關(guān)物場(chǎng)資源分析獲得了不同的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了工程可行性評(píng)估及驗(yàn)證。主要結(jié)論如下。

（1）ARIZ理論指出了維護(hù)終端偏斜問題的技術(shù)矛盾與物理矛盾，明確了最小問題及系統(tǒng)內(nèi)部各種資源及相互作用關(guān)系，有助于擴(kuò)展解決問題的思路。

（2）ARIZ理論提供了多種解決工程問題的工具，使用不同的處理工具可得到不同創(chuàng)新方案，直至得到了較理想的設(shè)計(jì)方案。本文在運(yùn)用ARIZ創(chuàng)新理論解決維護(hù)終端偏斜問題中獲得了5 個(gè)設(shè)計(jì)方案，充分驗(yàn)證了ARIZ 在解決創(chuàng)新問題上的具有系統(tǒng)性、完整性和高效性。

（3）ARIZ理論建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)中創(chuàng)新思維過程模型具有普遍的適用性，為產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與功能改進(jìn)提供了一種科學(xué)的方法。