TRIZ在产品质量改进中的应用 - 文章

TRIZ在产品质量改进中的应用

作者：黄向明周志雄黄绍波

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21世纪产品竞争日益激烈，其竞争的焦点在于产品质量，为了迎接市场激烈的竞争，更好地满足顾客的需求，各大公司纷纷寻求更有效、更简单的质量工具来实现质量的持续改进。持续质量改进(Continuous Quality Improvement，CQI)是指不断地向现有绩效水平发起挑战并寻找更好的解决办法的过程。这个源自质量大师戴明提出的PDCA循环的理论，已经成为实施全面质量管理的一个重要技术和不可或缺的组成部分[1-2]。为了更好地开展持续质量改进，本文通过把发明问题解决理论TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)和CQI集成应用于质量改进活动。

1 TRIZ分析理论

TRIZ原理是以前苏联G．S．Ahshuller为主的一批研究人员，花费了50年的时间阅读和研究分析了世界各国近250万件发明专利，总结出的一套解决复杂技术问题的系统方法，主要目的是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则。TRIZ理论是基于知识、面向人的发明问题解决系统化方法学，其主要内容包括：产品进化理论、40条发明原理、39项工程参数、物理矛盾矩阵、物质-场分析、76个发明问题标准解决方法、发明问题解决算法以及科学技术成果数据库等[3-4]。

TRIZ作为一种创新性解决问题的方法，其主要流程如图1所示。应用TRIZ的第1步是明确问题，对给定的问题进行分析，把实际问题转化为TRIZ问题，并应用矛盾矩阵和发明原理去解决，或者应用物质-场分析法寻找标准解；第2步是通过标准解转化为实际解决方案；第3步是方案的实施。

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图1 TRIZ解决问题的一般流程

1.1 矛盾解决矩阵的建立

在产品创新过程中，矛盾是最难解决的一类问题，而创新是通过消除矛盾来解决问题。矛盾解决理论是TRIZ的主要工具之一。TRIZ认为工程矛盾有技术矛盾与物理矛盾2种。其中技术矛盾是指系统一个方面得到改进时，削弱了另一方面的期望。消除技术矛盾的过程不仅改善矛盾的一个方面，同时又不降低另一方面。TRIZ提供一套基于知识的技术解决矛盾的方法。TRIZ工具中用39个通用工程参数描述矛盾，任何一个技术矛盾都可用其中的一对参数来描述；同时提供40条解决矛盾的发明原理，如分离法、提取法、组合法等。将39个通用工程参数之间存在的所有矛盾与40条发明原理建立对应关系，以构建矛盾解决矩阵，见表1。

表1 矛盾矩阵简表
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矛盾解决矩阵为40行40列的一个矩阵，其中第1行和第1列为39个通用工程参数序列；其余39行和39列形成一个矩阵，其元素为数字或空，这些数字表示40条发明原理中推荐采用的原理序号。矩阵中行描述的工程参数为矛盾中改善特性，列代表恶化特性。

TRIZ理论提出4种分离原理来解决物理矛盾，即空间分离、时间分离、条件分离以及整体与部分分离。TRIZ理论提出了解决物理矛盾的分离原理和解决技术矛盾的发明原理之间存在关系，对于每一条分离原理，可以有多条发明原理与之对应，见表2。

表2 分离原理和发明原理的关系
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1.2 物质-场分析

“物质-场”分析是TRIZ的重要工具之一，它是一种用符号语言表示技术系统的建模技术。TRIZ理论认为：功能的必要条件具备3个元素，少于3个就不能形成功能。所有技术和工程系统(产品或过程)都是为满足某项特定的功能，技术系统的元件和功能之间有密切的关系，这种关系用3个相互作用2种物质和一个场组成的单元来表示。场使得2种物质以正确的方式作用在一起。这种由2种物质和场的正确组合的分析方法称作“物质-场”分析。其模型如图2所示。物质S1可以是被控物体或过程，物质S2是控制S1的工具或物体，场F是用于S1与S2之间相互作用的能量，如机械能、液压能等。依据该模型，Altshuller提出了76种标准解，并分为如下5类：不改变或仅少量改变已有系统，13种标准解；改变已有系统，23种标准解；系统传递，6种标准解；检查与测量，17种标准解；简化与改善策略，17种标准解[5]。

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图2 物质与场分析模型

2 TRIZ技术与持续质量改进的集成

持续质量改进是组织永恒的目标，其基本过程是PDCA循环，它按Plan(策划)-Do(实施)-Check(检查)-Action(处理)4个阶段顺序来进行质量管理工作。PDCA循环不仅是一种质量管理方法，也是一套科学的、合乎认识论的通用工作程序。质量改进的步骤本身就是一个PDCA循环，可分为7个步骤完成。明确问题；把握现状；分析问题原因；拟定对策并实施；效果的确认；防止再发生并标准化；总结[6]。

尽管质量改进和TRIZ理论的研究已有一段时间，很多成果广泛应用在工业界[7-8]，但当前TRIZ理论主要应用于产品的创新设计，主要是解决设计中如何做的问题，对设计中做什么的问题未能给出合适的工具。大量的工程实例表明，TRIZ的出发点是借助于经验发现设计中的矛盾，矛盾发现的过程也是通过对问题的定性描述来实现的。通过TRIZ技术与质量改进相结合，能够很好地进行产品质量改进，提高产品的竞争力。利用TRIZ方法与PDCA循环相结合进行质量改进，其解决问题的具体过程是：1)质量问题描述。利用相关的质量工具，分析质量现状，找出问题，输入质量现状信息和项目目标。2)建立矛盾解决矩阵／物质一场模型分析。3)根据TRIZ发明原理和标准解得出解决方案。4)对方案进行评价决策，制定措施执行。5)检查措施执行情况。根据计划与目标，检查计划执行和实施的效果。6)对检查结果进行处理，并予以标准化。7)进入下一个PDCA循环。

3 TRIZ在质量改进中的应用实例

A产品是某电子公司的一种新型产品，其加工工艺流程为成型_钻孔→挑修→烧结→整形→粗磨→研磨→终检。因是新产品，加工过程中出现产品加工效率低、质量合格率低等问题，表3是不同加工阶段质量合格率。从表3可以看出烧结和研磨工序是影响整个产品质量的主要因素，造成整个流程后产品总合格率仅为59％，严重影响产品质量和生产效率。加之客户定单时间紧、数量大，给生产线造成了巨大的压力，因此提升产品质量，降低成本刻不容缓。本文通过TRIZ方法与CQI相结合，对产品加工中的质量问题进行改进。

表3 不同加工阶段质量合格率情况
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3.1 烧结工序质量问题描述

对于烧结工序，主要通过手工一次把多个产品放置摆盘上，然后放人炉中进行烧结，由于是人工摆盘，摆盘不整齐，产品相互有接触的可能，导致产品工序质量差，而且影响摆盘效率。

3.1.1 矛盾解决矩阵的建立

在现有作业条件下要使摆盘整齐，可以通过增加作业步骤和人力来改善实现，但生产效率比较低。产品既要保证质量同时也要保证生产效率，因而产生了矛盾，因此，可采用TRIZ创新理论中的矛盾矩阵进行改善。在本工序质量问题中的主要矛盾是：改善参数为29制造精度(使摆盘整齐，产品不产生接触)；恶化参数为23可操作性(增加作业步骤和人力投入)，39生产率(生产效率的下降)。建立矛盾矩阵见表4。

表4 矛盾矩阵的建立
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3.1.2 发明原理筛选及方案的确定

从矛盾矩阵可知发明原理有：①分割，⑩预先作用，23反馈，18机械振动，23改变颜色，35参数变化，39惰性环境。综合各条原理，最后选择⑩预先作用和32改变颜色。

根据“预先作用”的设计思路：预先作用→预先确定摆放位置→设计夹具，如图3。根据“改变颜色”的设计思路：改变颜色→改变环境颜色→颜色标识位置，如图4。

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图3 预先作用设计方案

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图4 改变颜色设计方案

3.1.3 方案评价与实施

对以上2种设计思路进行评价，可以明显地看出，方案“设计夹具”为最优方案。首先，“设计夹具”方案比“颜色标识位置”方案在实施过程中的生产效率更高；其次，“设计夹具”方案只需要制作2～3个套夹具，而“颜色标识位置”方案则需要在每1块摆盘上用醒目的颜色标识出产品应占有的位置，且使用一段时间后颜色脱落难以达到理想的效果。因此，最终选择了“设计夹具”方案进行实施。

3.1.4 实施效果

通过实施夹具方案，操作者可以实现双手作业，使摆盘工时由改善前的70 s/盘降低到30 s/盘，工序质量由改善前的92.8％升高到99.0％。

3.2 研磨工序质量问题描述

根据2个月的统计资料，研磨的一次合格率仅为67.26％，主要问题是划伤、粗糙度、毛刺、尺寸偏差、碰／压伤等，见图5。由图5可以看出，划伤和粗糙度是研磨质量的主要问题。通过对研磨的进一步观察发现：磨削液中含有杂质，这是导致划伤的主要因素；磨削参数是凭经验确定的，它对研磨的质量提高起到重要的作用，因此有比较大的优化空间。

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图5 研磨一次合格率柏拉图

3.2.1 物-场分析

运用TRIZ创新理论的“物一场模型”分析技术对研磨涉及到的“场”进行优化。在本工序中组成的元素有：S1为研磨机；S2为M产品；S3为磨削液。通过S1和S2相互作用形成机械场F1，以及通过S3和S2相互作用形成理化场F2，见图6。

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图6 物-场分析

由2个模型可以看出，2个模型都是效应不足的完整模型，即组成模型的元素足够了，但元素之间的效应没有达到要求：研磨机参数设置不合理导致磨出的产品质量不能完全达到要求；磨削液含有杂质，其理化场也未能起到很好的作用(润滑、冷却)，使得加工的产品质量低下。

3.2.2 标准解及方案的确定

根据“物-场模型”的标准解法，从中可得到创新启示。

1)“插进一个物质来强化有用效应。”根据磨削液中的物质能对磨削起到关键作用，如果能够改善磨削液的配方，那么产品质量就会得到改善。最后，通过和磨削液供应商的沟通，使其配方得到优化。

2)“使用更加容易控制的场。”磨削液是循环利用的，其中铁屑过滤是通过一个网纱来完成，其效果很差，所以决定在过滤口加一个磁铁，这样磁铁和铁屑之间的“磁场作用”比铁屑和网纱之间的“机械场作用”更加有效，可使磨削液中的铁屑得到很好控制。

3)机械场模型涉及到机台，其磨削参数很多如研磨时间、研磨速度、压块重量、清洗次数等，运用“物-场模型标准解法”不能胜任，可以运用“实验设计”对其进行优化。

3.2.3 实施效果

通过实施上面方案，研磨工序质量由改善前的67.26％升高到8.5％。

4 结论

持续质量改进可借鉴TRIZ中的有关理论，根据矛盾解决矩阵，找出质量控制与改进的主要途径。TRIZ是一种基于知识的、面向人的系统化分析方法，它能给出解决问题的普适解，指出改进的方向。通过TRIZ技术与质量改进工具相结合，能得到满意的质量改进方案。

参考文献：
[1]张根保，何桢．质量管理与可靠性[M]．北京：中国科学技术出版社，2005．
[2]王昕，何桢．持续质量改进在空调热交换器生产车间的应用[J]．工业工程，2007，10(3)：95-98．
[3]杨清亮．发明是这样诞生的：TRIZ理论全接触[M]．北京：机械工业出版社，2006．
[4]根里奇·阿奇舒勒．TRIZ创新40法[M]．成都：西南交通大学出版社，2005．
[5]Teminko John，Miller Joe．The seventy six standard solutions，with examples section one[J]．TRIZ Journal，2000(2)：102-110．
[6]苏秦．质量管理与可靠性[M]．北京：机械工业出版社，2006.
[7]何川，张志远，张殉，等．TRIZ的研究与应用[J]．机械工程师，2004(7)：3-5．
[8]刘尚明，刘东亮，刘恒义．TRIZ理论及其在机械产品创新设计中的应用[J]．现代制造技术与装备，2007，178(3)：43-45．(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/28/2009)


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