應(yīng)用TRIZ 創(chuàng)新原理進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)多樣化求解的研究與實(shí)踐

史 諾，鄭 航，席 源，李 耀

（西安航空學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710077）

0 引言

畢業(yè)設(shè)計(jì)是人才培養(yǎng)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是檢驗(yàn)理論知識(shí)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的綜合性教學(xué)活動(dòng)。對(duì)于畢業(yè)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行多樣化求解，不僅能夠輔助學(xué)生深入題目背后所蘊(yùn)含的原理和邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)理論知識(shí)的內(nèi)化升華，而且促進(jìn)了學(xué)生運(yùn)用和融合不同的策略與工具來(lái)解決復(fù)雜問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐技能的提高與創(chuàng)新思維的躍遷。雖然畢業(yè)設(shè)計(jì)多樣化求解是增強(qiáng)畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量較為理想的方式，但是對(duì)于其研究較少涉及，這主要是因?yàn)榍啡笨刹僮餍暂^強(qiáng)的實(shí)施策略造成的。鑒于此，嘗試以TRIZ 作為理論基礎(chǔ)構(gòu)建畢業(yè)設(shè)計(jì)多樣化求解的執(zhí)行方案，以期形成高效、簡(jiǎn)捷的實(shí)施策略，為高等院校的人才培養(yǎng)提供參考。

1 TRIZ 理論融入畢業(yè)設(shè)計(jì)的適用性分析

1.1 內(nèi)容體系

TRIZ 全稱為“發(fā)明問(wèn)題解決理論”，是由蘇聯(lián)科學(xué)家G.S.Altshuller 對(duì)全世界250 萬(wàn)件專利經(jīng)過(guò)分析、歸納后形成的系統(tǒng)化創(chuàng)新方法學(xué)[1]。TRIZ 的核心理念認(rèn)為創(chuàng)新是有規(guī)律可循的，經(jīng)過(guò)若干年的發(fā)展，已形成了由工具層、方法論層、哲學(xué)層構(gòu)成的金字塔體系，如圖1 所示。從起源與發(fā)展過(guò)程上來(lái)講，TRIZ 是一套基于知識(shí)的系統(tǒng)，它對(duì)已知的發(fā)明、技術(shù)、科學(xué)原理進(jìn)行了深入的抽象與分類，應(yīng)用TRIZ 理論可以遵循技術(shù)的發(fā)展規(guī)律制定合理的解決方案。從TRIZ 的內(nèi)容體系上來(lái)講，適合引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思考，能夠在畢業(yè)設(shè)計(jì)中發(fā)揮良好的技術(shù)支撐作用。

圖1 TRIZ 的形成及其理論體系

1.2 求解效率

TRIZ 按照復(fù)雜度和困難度將發(fā)明問(wèn)題分為五個(gè)等級(jí)：第一等級(jí)為最小發(fā)明問(wèn)題，利用常規(guī)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)就能解決；第二等級(jí)為小型發(fā)明問(wèn)題，往往是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的微小改進(jìn)，借助于專業(yè)知識(shí)與技能進(jìn)行求解；第三等級(jí)為中等發(fā)明問(wèn)題，這類問(wèn)題通常涉及矛盾與沖突，需要較為深入的科學(xué)研究和技術(shù)分析來(lái)處理；第四等級(jí)為大型發(fā)明問(wèn)題，這一類問(wèn)題要從科學(xué)底層的角度出發(fā)，采用全新的原理來(lái)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)；第五等級(jí)為重大發(fā)明問(wèn)題，這一類問(wèn)題主要依靠對(duì)自然規(guī)律和科學(xué)原理的新發(fā)現(xiàn)來(lái)尋求問(wèn)題的解決方案。

將傳統(tǒng)創(chuàng)新方法與TRIZ 體系中的創(chuàng)新原理、標(biāo)準(zhǔn)解法、發(fā)明問(wèn)題解決算法的求解效率進(jìn)行比較，如圖2 所示[2]。傳統(tǒng)創(chuàng)新方法主要包含頭腦風(fēng)暴法、試錯(cuò)法、SWOT 法等，這些方法在處理第一等級(jí)問(wèn)題時(shí)效率較高，處理第二、三等級(jí)問(wèn)題時(shí)其效率迅速衰減。TRIZ 采用了具有啟發(fā)性的方案搜索方法，能夠引導(dǎo)技術(shù)人員快速、收斂的逼近目標(biāo)，因此其求解效率和發(fā)明級(jí)別相對(duì)于傳統(tǒng)方法有較大優(yōu)勢(shì)。

圖2 TRIZ 的求解效率

畢業(yè)設(shè)計(jì)所涉及的工程問(wèn)題往往屬于第二、三等級(jí)，應(yīng)用創(chuàng)新原理進(jìn)行求解是較優(yōu)的選擇。從求解效率的角度來(lái)講，TRIZ 創(chuàng)新原理適合在畢業(yè)設(shè)計(jì)中幫助學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)性和結(jié)構(gòu)性的思考，提高作品完成質(zhì)量。

2 創(chuàng)新原理的應(yīng)用流程

2.1 標(biāo)準(zhǔn)流程

創(chuàng)新原理需和通用工程參數(shù)聯(lián)合使用，TRIZ 中定義了39 個(gè)通用工程參數(shù)和40 條創(chuàng)新原理，應(yīng)用創(chuàng)新原理的流程可以概括為以下幾步：

（1）問(wèn)題定義：清晰、全面的描述要解決的問(wèn)題，明確要達(dá)到的目標(biāo)。

（2）尋找矛盾：在改善系統(tǒng)中某一特性的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致另外一個(gè)或幾個(gè)特性的惡化，改善特性與惡化的特性就形成了技術(shù)矛盾，根據(jù)問(wèn)題定義，將改善、惡化的特性分別映射為通用工程參數(shù)，準(zhǔn)確的找到技術(shù)矛盾。

（3）查詢矛盾矩陣：在矛盾矩陣的列中找到改善參數(shù)，在行中找到惡化參數(shù)，交叉點(diǎn)上就對(duì)應(yīng)了該技術(shù)矛盾對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新原理。

（4）轉(zhuǎn)化創(chuàng)新原理：根據(jù)查詢得到的創(chuàng)新原理，結(jié)合實(shí)際問(wèn)題的工程背景與邊界條件，將創(chuàng)新原理轉(zhuǎn)化成具體的技術(shù)方案。

（5）方案實(shí)施：根據(jù)技術(shù)方案制定執(zhí)行計(jì)劃，應(yīng)用專業(yè)的知識(shí)與技能推動(dòng)方案的落地實(shí)施。

在整個(gè)流程中，難度最大的是第（2）步，需要準(zhǔn)確的運(yùn)用通用工程參數(shù)描述技術(shù)矛盾，通用工程參數(shù)是高度概括與抽象的，將客觀的系統(tǒng)特性映射為通用工程參數(shù)具有較大的挑戰(zhàn)性。

2.2 簡(jiǎn)化流程

對(duì)矛盾矩陣進(jìn)行二次分析，統(tǒng)計(jì)整個(gè)矩陣中的創(chuàng)新原理的使用頻次，根據(jù)使用頻次得到每一條創(chuàng)新原理的優(yōu)先級(jí)別[3]，見表1。使用頻次與優(yōu)先級(jí)別是正相關(guān)關(guān)系，優(yōu)先級(jí)別1 為最高級(jí)別，現(xiàn)有研究也證明了優(yōu)先級(jí)別較高的創(chuàng)新原理能夠解決絕大多數(shù)的發(fā)明創(chuàng)造問(wèn)題[4]。

表1 矛盾矩陣創(chuàng)新原理使用頻次統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)表

為了降低創(chuàng)新原理的應(yīng)用難度，省略標(biāo)準(zhǔn)流程中的（2）（3）步驟，直接按照優(yōu)先級(jí)別從高到低逐一將創(chuàng)新原理應(yīng)用至具體問(wèn)題中尋找技術(shù)方案，如圖3 所示，這種處理方式雖然降低了解答速度，但是避免了“尋找矛盾”這一難度最大的環(huán)節(jié)，綜合考慮來(lái)看，使用這種簡(jiǎn)化方法為學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中使用創(chuàng)新原理鋪設(shè)了平緩的階梯，更能夠發(fā)揮TRIZ 的導(dǎo)向與指引作用。

圖3 應(yīng)用TRIZ 創(chuàng)新原理的簡(jiǎn)化流程

3 應(yīng)用實(shí)例

畢業(yè)設(shè)計(jì)需要保證一人一題，立題階段學(xué)生確定的任務(wù)分別為：轉(zhuǎn)筒式去核機(jī)設(shè)計(jì)、加工中心自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、供彈裝置設(shè)計(jì)，在這些設(shè)備中，弧面分度凸輪是關(guān)鍵的傳動(dòng)設(shè)備，當(dāng)學(xué)生做完前期工作后，面臨的相同任務(wù)就是弧面分度凸輪的設(shè)計(jì)。

弧面分度凸輪的工作輪廓曲面是不可展開的空間曲面，通過(guò)工作輪廓曲面與分度盤滾子之間的共軛嚙合實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的輸出[5]。弧面分度凸輪設(shè)計(jì)難度大，引導(dǎo)學(xué)生采用創(chuàng)新原理制定合理的技術(shù)方案。

任務(wù)為轉(zhuǎn)筒式去核機(jī)設(shè)計(jì)的學(xué)生通過(guò)簡(jiǎn)化流程逐一比對(duì)，發(fā)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)別為4 的創(chuàng)新原理1（分割原理）可以用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。分割原理是指將一個(gè)對(duì)象分割成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，或者提高對(duì)象的可分性。根據(jù)分割原理，將弧面分度凸輪的工作輪廓曲面分割為分度曲面段、定位環(huán)面段，而每一段曲面又可以分割為若干條等距曲線。如圖4 所示，按照此方案，可以從曲線的建立著手，根據(jù)空間嚙合原理建立分度曲線、定位曲線的方程，從方程分別生成曲線族，將兩組曲線族合并形成完整的工作輪廓曲線，然后將曲線拼接為曲面，由曲面生成凸脊實(shí)體，最后得到弧面分度凸輪三維實(shí)體模型。

圖4 應(yīng)用分割原理設(shè)計(jì)弧面分度凸輪

任務(wù)為加工中心自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)生應(yīng)用優(yōu)先級(jí)別為8 的創(chuàng)新原理15（動(dòng)態(tài)特性原理）進(jìn)行規(guī)劃。動(dòng)態(tài)特性是指改變對(duì)象部件的運(yùn)動(dòng)形式或者是將對(duì)象部件設(shè)置為柔性或自適應(yīng)性結(jié)構(gòu)。根據(jù)動(dòng)態(tài)特性原理，將分度盤與弧面分度凸輪的毛坯進(jìn)行裝配，如圖5 所示，在實(shí)際的工況中，分度盤做間歇運(yùn)動(dòng)，凸輪做勻速運(yùn)動(dòng)，對(duì)間歇運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)后，在分度盤上施加函數(shù)驅(qū)動(dòng)，推動(dòng)分度盤按照指定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)行，同時(shí)對(duì)毛坯施加勻速驅(qū)動(dòng)，分度盤與毛坯兩者的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)形成了干涉體，在毛坯與干涉體之間進(jìn)行布爾運(yùn)算，就形成了弧面分度凸輪的數(shù)字化模型。

圖5 應(yīng)用動(dòng)態(tài)特性原理設(shè)計(jì)弧面分度凸輪

任務(wù)為供彈裝置設(shè)計(jì)的學(xué)生采用優(yōu)先級(jí)別為11的創(chuàng)新原理13（反向作用原理）開展創(chuàng)新。反向作用原理是指將規(guī)定操作、位置改為相反方向，或者使運(yùn)動(dòng)的部分靜止、靜止的部分運(yùn)動(dòng)。根據(jù)反向作用原理，假設(shè)弧面分度凸輪固定不動(dòng)，分度盤一方面繞著中心軸線自轉(zhuǎn)，另一方面繞著凸輪的中心軸線公轉(zhuǎn)，通過(guò)分度盤的運(yùn)動(dòng)反求弧面分度凸輪的三維結(jié)構(gòu)。如圖6所示，驅(qū)動(dòng)分度盤進(jìn)行自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，追蹤分度盤滾子兩個(gè)端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，將軌跡點(diǎn)采用樣條曲線進(jìn)行串聯(lián)，利用兩條曲線構(gòu)造出工作輪廓曲面，并通過(guò)加厚、求差等一系列操作，形成弧面分度凸輪的3D 模型。

圖6 應(yīng)用反向作用原理設(shè)計(jì)弧面分度凸輪

分割原理、動(dòng)態(tài)特性原理、反向作用原理應(yīng)用于弧面分度凸輪的設(shè)計(jì)均能夠取得較為精確的數(shù)字化模型，組織學(xué)生進(jìn)行交流研討，進(jìn)一步分析每一種創(chuàng)新原理蘊(yùn)含的科學(xué)知識(shí)、邏輯思維和應(yīng)用規(guī)律，學(xué)生表示應(yīng)用TRIZ 創(chuàng)新原理使自己思考問(wèn)題時(shí)更有方向感，能夠獲取有價(jià)值的解決問(wèn)題線索，大家集思廣益形成的多樣化求解方案也促進(jìn)自己更全面的理解和掌握學(xué)科知識(shí)。

4 結(jié)論

以TRIZ 創(chuàng)新原理為依據(jù)，進(jìn)行了畢業(yè)設(shè)計(jì)多樣化求解的實(shí)踐探索，為提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量、開闊學(xué)生視野提供了一種新路徑，并有以下結(jié)論：

（1）按照優(yōu)先級(jí)別從高到低逐一將創(chuàng)新原理應(yīng)用至具體問(wèn)題中尋找技術(shù)方案，這樣的方法大大簡(jiǎn)化了創(chuàng)新原理的應(yīng)用流程，更好促進(jìn)學(xué)生生成創(chuàng)新概念方案。

（2）多樣化求解擴(kuò)寬了知識(shí)的廣度、拓展了思想的維度，不僅取得了學(xué)生的認(rèn)同，而且提高了畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量，在應(yīng)用型本科院校中具有較高的推廣價(jià)值。