應(yīng)用TRIZ沖突解決方法提升畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量探索與實(shí)踐

關(guān)鍵詞：TRIZ；畢業(yè)設(shè)計(jì)；物理沖突；技術(shù)沖突；精密壓力機(jī)

0 引言

發(fā)明問題解決理論（以下簡(jiǎn)稱TRIZ）是蘇聯(lián)科學(xué)家根里奇·阿奇舒勒（GenrichS.Altshuler）從250余萬件專利中經(jīng)分析、歸納、總結(jié)和提煉出的系統(tǒng)化創(chuàng)新方法，從應(yīng)用角度講，TRIZ是一套基于知識(shí)的創(chuàng)新方法和工具，可以像地圖一樣，引導(dǎo)技術(shù)人員快速找到解決問題的切入點(diǎn)與路徑，已在工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮出良好作用，并逐步向管理科學(xué)、教育科學(xué)等領(lǐng)域滲透與發(fā)展[1-6]。

畢業(yè)設(shè)計(jì)是人才培養(yǎng)過程中的重要環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)促進(jìn)學(xué)生將每門課程學(xué)到的相對(duì)單一、分散的知識(shí)與技能有機(jī)融合，通過集中訓(xùn)練完成能力內(nèi)化與素質(zhì)提升。TRIZ嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫼苓m合于進(jìn)行創(chuàng)新領(lǐng)域的訓(xùn)練，將TRIZ與畢業(yè)設(shè)計(jì)深度融合，對(duì)于挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛力，進(jìn)而提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值[7-8]。

1 TRIZ與畢業(yè)設(shè)計(jì)融合路徑

對(duì)于應(yīng)用型本科高校而言，畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目大部分來源于工程實(shí)踐，從TRIZ理論體系中選取適合的工具、方法與立題、開題、實(shí)施和答辯各階段進(jìn)行融合，將創(chuàng)新思維貫穿至畢業(yè)設(shè)計(jì)全流程，融合路徑如圖1所示。立題階段，需要對(duì)實(shí)際狀況簡(jiǎn)化后形成理想化模型，根據(jù)TRIZ的發(fā)明創(chuàng)造層級(jí)理論對(duì)模型進(jìn)行判斷與修正，以形成正確的問題描述。開題階段，學(xué)生查閱大量文獻(xiàn)后，依據(jù)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則明確改進(jìn)方向，并對(duì)原有技術(shù)進(jìn)行功能分析和組件分析，進(jìn)一步凝練出創(chuàng)新突破點(diǎn)。實(shí)施階段，根據(jù)問題的復(fù)雜程度，采用HOWTO模型、物理沖突、技術(shù)沖突和物場(chǎng)模型等工具進(jìn)行分析，并利用對(duì)應(yīng)的方法求解后形成技術(shù)方案。答辯階段，教師根據(jù)理想度提高法則對(duì)學(xué)生的作品進(jìn)行評(píng)估，并提出優(yōu)化建議。

畢業(yè)設(shè)計(jì)流程中難度最大的是實(shí)施階段，有兩種現(xiàn)象特別突出。一是受到思維慣性的影響，技術(shù)方案欠缺創(chuàng)新性；二是思維發(fā)散，技術(shù)方案欠缺可操作性。針對(duì)以上的突出問題，不僅需要促進(jìn)學(xué)生打破思維定式激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，而且要對(duì)學(xué)生進(jìn)行有序引導(dǎo)，為創(chuàng)新過程提供方向性，從而收斂、高效地逼近理想答案。大多數(shù)情況下，畢業(yè)設(shè)計(jì)所涉及的工程問題在難度上屬于一般問題，因此合理應(yīng)用技術(shù)沖突與物理沖突的解決工具非常關(guān)鍵。

2 TRIZ沖突理論

TRIZ認(rèn)為發(fā)現(xiàn)并解決沖突推動(dòng)著產(chǎn)品的進(jìn)化，每解決一個(gè)沖突，產(chǎn)品就會(huì)蛻變?yōu)橐环N新的狀態(tài)，持續(xù)地解決沖突會(huì)推動(dòng)產(chǎn)品狀態(tài)的不斷躍遷，向理想方向演化。沖突分為管理沖突、技術(shù)沖突和物理沖突3種類型，管理沖突在畢業(yè)設(shè)計(jì)中涉及較少，在這里不做討論，下面就物理沖突、技術(shù)沖突具體展開論述。

2.1 物理沖突與技術(shù)沖突

物理沖突是指系統(tǒng)內(nèi)同一個(gè)參數(shù)上體現(xiàn)出互斥需求，如圖2a所示，常見的物理沖突有長(zhǎng)度的長(zhǎng)與短、用量的多與少、黏度的高與低及摩擦系數(shù)的大與小等，TRIZ主張對(duì)不同的需求進(jìn)行分離，即通過解耦的方式來解決這類互斥需求，如圖2b所示。解決物理沖突的4大分離原理分別是空間分離、時(shí)間分離、條件分離及整體與部分分離，在4大分離原理中首先考慮空間分離和時(shí)間分離，將分離原理與專業(yè)知識(shí)、工程背景結(jié)合就可以具化為創(chuàng)新方案。

技術(shù)沖突是指系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)參數(shù)之間的矛盾，一個(gè)參數(shù)性能改善時(shí)，另一個(gè)參數(shù)性能隨之惡化，如圖3a所示，兩個(gè)參數(shù)之間是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中往往采用了折衷的方法，在等設(shè)計(jì)能力曲線上找到折衷點(diǎn)提出設(shè)計(jì)方案，沖突并沒有徹底解決，只是降低了沖突的程度，TRIZ設(shè)計(jì)理念是不斷突破沖突鏈，每消除一部分的沖突，就突破了一層沖突鏈，系統(tǒng)性能就越接近于理想狀態(tài)，如圖3b所示。TRIZ解決技術(shù)沖突的工具是沖突矩陣表，沖突矩陣表定義了39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)和40條發(fā)明原理，針對(duì)問題提煉出改善的參數(shù)與惡化的參數(shù)，然后根據(jù)沖突矩陣表查詢出對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理得到通解，將通解應(yīng)用至工程場(chǎng)景中，推演出具體的設(shè)計(jì)方案。

2.2 沖突解決方法優(yōu)勢(shì)

在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，首先需要根據(jù)工程問題識(shí)別沖突，將其轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題，這個(gè)階段的主要目的是實(shí)現(xiàn)從特殊到一般；然后進(jìn)入求解階段，利用分離原理或發(fā)明原理得到標(biāo)準(zhǔn)方案；最后是應(yīng)用階段，將標(biāo)準(zhǔn)方案落地后形成技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)從一般到特殊。這種轉(zhuǎn)化?求解?應(yīng)用的流程中保證了學(xué)生最大限度地避免了傳統(tǒng)創(chuàng)新方法（如試錯(cuò)法、頭腦風(fēng)暴法）的無序性對(duì)探究過程中的干擾，能夠明確清晰地得到答案，如圖4所示。

3 實(shí)施案例

3.1 設(shè)計(jì)題目

曲柄壓力機(jī)是冷沖壓成型工藝的關(guān)鍵設(shè)備，其核心是沖壓機(jī)構(gòu)，本質(zhì)上是一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，為了提高沖壓零件的尺寸精度，要求在工作行程中滑塊的速度不能太高且應(yīng)盡量保持均勻，同時(shí)為了提高生產(chǎn)效率，要求提高滑塊的回程速度，傳統(tǒng)的曲柄壓力機(jī)不能滿足精密零件的工藝要求，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)這一工程實(shí)際問題，設(shè)置了精密壓力機(jī)的設(shè)計(jì)這一畢業(yè)設(shè)計(jì)題目[9-10]。

3.2 物理沖突及解決方法

根據(jù)沖壓工藝分析，滑塊的工作行程速度要求慢，回程速度要求快，速度的快與慢形成了物理矛盾，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用分離原理對(duì)物理矛盾進(jìn)行解耦。傳統(tǒng)的曲柄壓力機(jī)采用的是減速電機(jī)與曲柄直接連接的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，曲柄的回轉(zhuǎn)帶動(dòng)滑塊做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，曲柄的轉(zhuǎn)速是關(guān)鍵的控制要素，因此在減速電機(jī)與曲柄之間設(shè)置機(jī)械變速裝置，在空間上實(shí)現(xiàn)減速電機(jī)與曲柄的分離，減速電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械變速裝置運(yùn)行，對(duì)曲柄進(jìn)行變轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)，從而使滑塊速度滿足沖壓要求。根據(jù)空間分離原理提出了兩種初步方案，第1種采用凸輪機(jī)構(gòu)，如圖5a所示，第2種采用了非圓齒輪機(jī)構(gòu)，如圖5b所示，考慮到凸輪凹槽與曲柄之間的連接間隙會(huì)造成曲柄回轉(zhuǎn)速度的波動(dòng)，而非圓齒輪機(jī)構(gòu)輪齒逐一嚙合，運(yùn)行較為平穩(wěn)，故采用第2種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3 技術(shù)沖突及解決方法

非圓齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一是構(gòu)造齒廓，工程應(yīng)用中大部分情況下采用了折算齒形法設(shè)計(jì)齒廓，其核心要點(diǎn)是將節(jié)曲線進(jìn)行均分后對(duì)每個(gè)輪齒的中心進(jìn)行定位，然后以輪齒的中心為對(duì)象，尋找其所對(duì)應(yīng)的曲率中心及曲率半徑，將具有相同曲率半徑的圓柱齒輪輪齒等效為非圓齒輪輪齒，若干個(gè)輪齒組合后得到整個(gè)非圓齒輪的齒廓。折算齒形法意義明確，作圖步驟清晰，但這是一種近似的方法，齒形的質(zhì)量并不高，這里構(gòu)成了一對(duì)技術(shù)矛盾，查詢矛盾矩陣表，改善的參數(shù)為33（操作流程的方便性），惡化的參數(shù)為12（形狀），消除這對(duì)技術(shù)矛盾對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理為15（動(dòng)態(tài)特性原理）、34（拋棄或再生原理）、29（氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理）和28（機(jī)械系統(tǒng)替代原理），如表1所示。

對(duì)4條發(fā)明原理逐條進(jìn)行分析，該技術(shù)矛盾可以依靠動(dòng)態(tài)特性原理、拋棄或再生原理來解決。動(dòng)態(tài)特性原理是指將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成可移動(dòng)、自適應(yīng)、柔性或可變化的狀態(tài)，拋棄或再生原理是指當(dāng)部件的作用完成后予以去除或者重新恢復(fù)消耗掉的有用部件。根據(jù)動(dòng)態(tài)特性原理、拋棄或再生原理聯(lián)想到實(shí)際生產(chǎn)中，齒條型刀具相對(duì)于非圓齒輪的齒坯做范成運(yùn)動(dòng)，去除多余材料后完成非圓齒輪加工。因此，在設(shè)計(jì)過程中，在三維軟件中實(shí)現(xiàn)刀具與齒坯之間的純滾動(dòng)，生成兩者之間的干涉體，如圖6a所示；然后讓齒坯與干涉體之間進(jìn)行布爾減運(yùn)算形成齒廓，獲得了非圓齒輪三維實(shí)體模型，如圖6b所示；將設(shè)計(jì)完成的主動(dòng)輪與從動(dòng)輪進(jìn)行裝配，得到非圓齒輪副，如圖6c所示。

3.4 設(shè)計(jì)結(jié)果

非圓齒輪副設(shè)計(jì)完成后，就突破了精密壓力機(jī)設(shè)計(jì)中難度最大的部分，對(duì)壓力機(jī)的其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與建模，將各個(gè)機(jī)構(gòu)裝配后形成完整的三維數(shù)字化模型，如圖7所示。對(duì)精密壓力機(jī)的工作過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，工作行程中沖壓速度均勻一致，接近死點(diǎn)處沖壓速度逐漸降低，回程速度很快，具備了急回特性，從仿真結(jié)果來看，精密壓力機(jī)能夠滿足高精度零件沖壓工藝的要求。

4 結(jié)束語

本研究建立了TRIZ與畢業(yè)設(shè)計(jì)的融合路徑，并指出將TRIZ沖突解決方法應(yīng)用于實(shí)施階段是畢業(yè)設(shè)計(jì)整個(gè)流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以精密壓力機(jī)的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行了詳細(xì)闡述，得出以下結(jié)論。

（1）根據(jù)化解物理沖突的分離原理和處理技術(shù)沖突的發(fā)明原理能夠幫助學(xué)生快速找到解決問題的突破口，結(jié)合實(shí)際工程情況合理地運(yùn)用專業(yè)知識(shí)，可以得到較為理想的技術(shù)方案。

（2）利用TRIZ沖突理論分析問題，綜合了發(fā)散思維與收斂思維的特點(diǎn)，不僅最大限度地利用可用資源，而且避免了執(zhí)行過程中的散亂無序，在畢業(yè)設(shè)計(jì)這一人才培養(yǎng)中的重要環(huán)節(jié)中推廣TRIZ理論，能夠收獲良好的效果。