基于物场分析法的机械产品创新

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欢迎访问e展厅 展厅 2 工业设计/产品设计展厅 产品设计, 工业设计, 样件打样, 手板制作, 模型制作, ... 摘 要：产品是企业的生命，而产品创新是推动企业发展的内在动力。选择行之有效的创新方法是产品创新成功的关键。本文首次在机械产品创新中应用物场分析法，并对物场分析法加以改进和完善，提出了通过变换和完善物场模型实现机械产品创新的有效方法，从而解决机械产品创新过程中的技术难题，最后结合一个实例来说明物场分析法的应用过程。 关键词：产品创新，物场分析法，机械产品，产品设计 0 引 言 产品是企业的生命，是企业生产经营系统的综合产出，企业的各种目标如市场占有率、利润等等都依附于产品之上[1]。依据产品生命周期理论，任何企业都不能依赖某个产品而长期兴盛和发展下去。因此一个企业能否持续不断地进行产品更新，开发出适合市场需求的新产品，成为决定该企业能否实现持续稳定发展的重大问题[2]。创新的方法很多，企业针对具体产品、具体技术进行创新时，选择何种创新方法是实现创新的关键。目前有关产品创新的研究大都侧重于产品创新的管理模式、机制、组织等，对指导具体的产品创新实践所起的作用有限。因此有必要寻找一种合适的创新方法来解决企业中具体的产品创新问题。 1 产品创新的基本概念 新产品是一个内涵非常丰富，定义非常困难的概念。不同的主体对新产品的认识也不同。在消费者看来，产品的各项构成要素（产品的功能、效用、式样、特色、品牌、包装、价格、服务等）任何一项发生了变化，都可以视为新产品。从技术开发人员的角度来看，只有采用了新技术、新工艺、新材料，从而使产品的功能、结构、技术特性等发生了显著变化的产品，才算是新产品。对制造商来说，其从未生产过的产品就是新产品。根据以上不同对象对新产品的理解，综合出产品创新的概念为：把技术上、结构上甚至形式上有变化的产品商业化，或者是形成全新的产品，或者是现有产品的改进。 产品创新又可分为供应推动型产品创新和需求拉动型产品创新两种。供应推动型创新是由有目的或偶然的技术突破或科研成果启动的创新，是某一领域的技术取得重大突破的成果转化成商品的过程，产品的用途及其应用原理有显著变化。例如波音公司推出的喷气式发动机创造了高速客机上天的奇迹。而市场拉动型产品创新是在技术原理上没有重大变化的情况下，追踪市场需求，通过改变产品的品质、性能、品牌和商标、包装、生产经营者的服务等产品属性来满足市场需求，从而实现产品创新。 2 物场分析法的基本原理 最早提出物场分析法的是前苏联发明家Altshuller，他分析研究了近百万的专利，于1979年发表了名为《创造是一门精密的科学》的专著，书中论述了物场分析法原理。物场分析法是使用符号表达技术系统变换的建模技术，它以解决问题中的各种矛盾为中心，通过建立系统内问题的模型,正确地描述系统内的问题。该方法的优点在于：在传统设计方法中通常是用文字来对问题进行描述，但是由于不同的人的知识背景的不同，因而对文字有不同的理解。实验证明很少有两个人对同一段文字有相同的认识。由于文字不能清楚地表达需要描述的问题，因而造成不能正确的分析和理解问题。经过实验发现，用图形描述问题引起的歧义相对少一些。物场分析法中的物场语言就是一种用图形表达问题的符号语言，它可以清楚地描述问题。 2.1 物场分析法的基本概念 物场分析法旨在用符号语言清楚地描述系统（子系统）的功能，它能正确地描述系统的构成要素以及构成要素之间相互联系。它认为： 1．所有的功能都能分解成为三个基本元素（两个物质一个场）。 2．只有三个基本元素以合适的方式组合，才能完成一个动作，实现一种功能。 所谓物质是指某种物品或实体，是与结构、功能、形状、材料等各种复杂性质无关的物体，可以表达从简单的物体到复杂的技术系统，如大到卫星小到螺丝钉，视问题的需要都可以认为是一个物质。所谓场是作用物体之间的相互作用、控制所必需的能量类型。它不仅包括物理学所定义的场（如电场、引力场等物质形式的场），而且还包括泛指一个空间的场（技术场）如温度场、机械场、声场等等。所谓相互联系是指物质和场之间的相互作用，即系统实现的功能。 2.2 物场分析法的基本原理 物场的基本模型为： 功能作用体又称被动物体，是希望发生变化的物体。功能载体又称主动物体，是对功能作用体施与动作的物体，它使功能作用体发生希望改变的作用。而场是能使这种作用发生的关键因素。由于场的作用才能使功能载体按照预定的形式改变功能作用体。 3 物场分析法在机械产品创新中的应用 3.1 物场分析法在机械产品创新中的应用。 在传统机械产品创新设计中，因机械产品结构复杂，设计环节多，难度大等特点，不能迅速有效的解决产品存在的问题和进行产品的更新换代；不能巧妙的实现用户要求的功能。而在研究物场分析法中发现：技术系统构成要素功能载体S1，功能作用体S2，场F三者缺一就会造成系统的不完整或当系统中某一物质所特定的机能没有实现时，系统都会产生问题，就会产生各种矛盾（技术难题），为了解决系统产生的问题，可以引入另外的物质或改进物质之间的相互作用，并伴随能量（场）的生成、变换、吸收等，物场模型也从一种形式变换为另一种形式。通过物场模型的变换来解决矛盾。同时也可以根据用户的需求，通过物场模型有目的转换进行全新的产品设计。根据物场分析法的特点，可采用该种方法作为机械产品创新的有效工具。 利用物场分析方法并进行机械产品创新设计的步骤如下： ①指定功能载体S1； ②指定场(作用)； ③建立物场初期模型； ④指定功能作用体S2； ⑤生成所希望的物场模型； ⑥提出解决问题的对策。 在实践中，首先构造系统的物场模型，通过分析物场模型存在的问题，确定产生问题的原因，然后根据不同的问题，通过从完善物场模型、改善功能载体、改善功能作用体、改善作用不同角度改进物场模型，最终实现系统预定的功能，实现创新设计。 3.2 物场模型的存在形式和转换方法 1 非物场体系（不完全物场体系） 组成物场的三个构成要素没有同时存在，缺其中一个，这样系统就不能正常工作。 解决方法：确定系统物场模型所缺的元素，找到合适的元素，构造完整的物场模型。 2 发展原有的物场体系 组成物场体系的三个构成要素虽然同时存在，但是相互之间并不发生联系或它们之间的联系并没有实现预定的功能或者这种联系是不希望得到的，系统都会出现问题。因此必须改善这种联系，从而按照预定的形式实现系统的功能。 具体做法有 ： A 改善功能载体 1） 改变功能载体的结构（整体变组件，实体变孔状结构） 2） 改变功能载体的动态性能（由刚性变为柔性） 3） 改变功能载体的属性（引入新的物质，引入改进的物质，引入孔隙，用新物质替代） 4） 改变功能载体的物理状态（固态变液态、气态） 5） 用多个功能载体组合在一起来完成作用。 6） 用其他物质代替功能载体。 B 改善作用体 1） 改变功能作用体的结构（整体变组件，实体变孔状结构） 2） 改变功能作用体的动态性能（由刚性变为柔性） 3） 改变功能作用体属性（引入新的物质，引入改进的物质，引入孔隙，用新物质替代） 4） 改变功能作用体的物理状态（固态变液态、气态） 5） 用多个功能作用体组合在一起来完成作用。 6） 用其他物质代替功能作用体。 C 改善作用 1） 按照希望的方向改善作用的强度（提高，降低，消去，产生） 2） 改善作用的方向（散射，聚焦，拉，推） 3） 改善作用的持续时间（加速，减速，阻碍，促进，间歇，周期） 4） 引入场来改善作用 5） 在功能载体和功能作用体之间加入新物质，来改善作用 6） 在作用的区域引入新物质来改善作用 功能载体、功能作用体、以及它们之间的相互作用三者中任何一项发生变化，都会引起系统的物场模型发生变化，都有可能得到新的产品。如果是供应推动型产品创新，技术上有了突破，那么或是实现功能载体、功能作用体之间的同一相互作用方式的有所改变（例如用电磁场代替机械场），或是功能载体和功能作用体本身材料发生改变（例如用晶体管代替电子管）；如果是需求拉动型创新，就要根据市场需求的变化来改变功能载体、功能作用体、或者它们之间的相互作用。总之，无论何种类型的产品创新，只要有目的的改变功能载体、功能作用体、以及它们之间的相互作用，最终都得到需要的新产品。 4 应用事例 加工中心刀具的刀体部分的加工精度要求很严格，为保证加工中心的加工精度和刚性，必须使刀体和主轴锥孔的接触面积在70% 以上，亦即使刀体的锥体A与主轴锥孔以及刀体法兰端面B与主轴端面同时接触，但实际上很难实现两者同时接触。如图4（a）所示，或者是刀体法兰端面与主轴端面接触造成刀具径向位置无法确定；或者是刀体的锥体部分与主轴锥孔接触而刀体法兰端面与主轴端面不能接触，造成轴向刚性不足。传统的解决方法是使用高精度加工设备加工主轴锥孔和刀体锥体，这样就会大大增加成本。应用物场分析法问题的解决如下： ⑴指定物体S1 因为主轴锥孔的锥度已成为国家标准，所以刀体的锥体成为需要解决的问题。所以指定刀体为S1。 ⑵确定场F 在原系统中，刀体安装的要求是刀体锥体与主轴锥孔以及刀体法兰端面与主轴端面同时接触，这个要求是由机械场（通过过盈配合，挤压）来满足的。但是这个机械场并不能完全满足要求。 ⑶物质场的初期模型 通过上述分析，原有系统的物场模型见图2，由场F指向物体S1的实现箭头为有用的相互作用。 ⑷指定作用体S2 问题的产生是由于机械场不能稳定有效地保证主轴和刀体的位置关系。因此，为了解决该问题，有必要引入新的物质来改进物场模型。 ⑸生成所希望的物场模型 所希望的物质场模型见图3。改变刀体圆锥面，使其与主轴锥孔不是以整个圆锥面接触，而是以多数点的形式接触。用精密加工出来的具有适当刚性的小球构成刀体的圆锥面，从而实现刀体的圆锥面和法兰端面与主轴的锥孔面和端面同时实现接触。用物场分析法解决该问题的过程如图4所示。(此例是美国的一项发明专利) 4 结论： 在机械产品创新中应用物场分析法能： （1）能正确地描述机械产品系统的构成要素以及构成要素之间相互联系，从而使产品开发人员能正确地理解系统问题的所在。 （2）通过改变功能载体、功能作用体、以及它们之间的相互作用，来变换物场模型，从而追踪实现机械产品创新。 （3）快速满足市场需求和及时正确运用地先进技术，为机械产品创新设计的具体实践提供了有效的方法。 参考文献 [1]赵弘，郭继丰著，知识经济呼唤中国， 改革出版社，1998.7 [2]孙平，王谊著，产品创新，西南财经大学出版社， 1998.8 [3]刘思平，刘树武著，创造方法学，哈尔滨工业大学出版社，1998.4 (end)

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