基于TRIZ的计算机辅助机械产品创新设计 - 文章

基于TRIZ的计算机辅助机械产品创新设计

作者：戴义贵潘凤章景秀并

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1 TRIZ理论

TRIZ是俄文发明问题解决理论单词的词头缩写，其英文缩写为TIPS (Theory of Inventive Problem Solving)。任何研究文献及万维网都使用TRIZ这一缩写。TRIZ是由前苏联海军部专家GenrichS.Altshuler创立的，他被誉为TRIZ之父。从1946年开始，他通过对数以百万计的专利文献进行的研究，提炼出一套解决复杂技术问题的系统方法[1]。其目的是研究人类在进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理、方法和规律。掌握了这些，人们就能能动地进行产品开发设计，预测未来发展趋势。九十年代初TRIZ传播到美国，迅速引起了学术界和企业界的极大关注。

2 产品创新过程中的矛盾分析与解决

产品创新的中心课题是不断解决过时产品和市场需求之间的矛盾。确定产品创新研究对象后，下一步的工作是矛盾的分析和解决。而这正是产品创新方案设计面临的难题。在传统方案设计中.由于不能用矛盾的观点分析问题。不能有效地确定和解决产品存在的矛盾，因而往往是产品的一个参数性能得到提高的同时，另一个参数性能却遭到破坏，通常采取妥协的方式加以解决：即以牺牲产品某一参数性能为代价，避免另一参数性能过度恶化。矛盾的种类很多，与产品创新相关的矛盾为技术矛盾、物理矛盾和管理矛盾。本文只研究前两种矛盾。

2.1 技术矛盾

技术矛盾是指用已知的原理和方法去改进系统某部分或参数时，不可避免的会出现系统的其它部分或参数变坏的现象[2]。技术矛盾常表现为一个系统中两个子系统之间的矛盾。例如在建筑上，要想提高承重梁强度.那么它必然要增加其截面积。从而使承重梁的重盆增大。Altshuller通过对150万件以上发明专利的研究，提出用39项技术特性来描述矛盾[3]。在解决实际矛盾时，把组成矛盾的两个内部性能用39项技术特性进行表示，即把实际工程矛盾转化为一般的或标准的技术矛盾。在此基础上，Altshuller又给出了40个发明创造原理[3]，提示设计者最有可能解决问题的方法，它成为解决技术矛盾的关键。

在设计过程中如何选用发明创造原理是一个具有现实意义的问题。通过多年的研究、分析和比较，Altshuller把所抽象的39项技术特性分别作为x、y轴做成了技术矛盾解决矩阵[3]。如表1所示。

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表1 技术矛盾解决矩阵-x轴

表中x轴表示恶化的技术特性，y轴表示希望改善的技术特性。x，y轴上各技术特性交点处的数字表示用来解决系统矛盾对立所使用的发明创造原理的编号，其中规定每个交点处最多有4个原理，所提供的原理既可单独使用也可以组合使用。例如，欲改善运动物体质量时(表中y轴第1项)，往往会使运动物体的尺寸(表中二轴第3项)特性恶化。为了解决这一矛盾，TRIZ提供了4个解决原理分别为15，8，29，34。技术矛盾解决矩阵所提供的原理往往并不能直接使问题得到解决，而是提供了最有可能解决问题的探索方向。解决问题时必须根据所提供的原理及所要解决问题的特定条件，提出解决问题的具体方法。

2.2 物理矛盾

物理矛盾是指系统同一部分或参数提出完全相反的要求[4]。即对一个系统同时提出相反的要求就出现了物理矛盾。举一个简单的例子，在翰电线路中，为减少电能损耗，可以增大导线截面积以降低电阻，但是为减少单位长度上导线重量，必须尽可能减少导线截面积，这样对导线截面积提出了完全相反的要求，从而产生了物理矛盾。

物理矛盾的解决方法一直是TRIZ研究的重点内容。Altshuler，Glazunov，Savmbsky等人曾提出了多种解决方法。现代TRIZ在总结物理矛盾解决的各种方法的基础上，提出采用分离原理来解决物理矛盾。事实上，解决物理矛盾的分离原理与解决技术矛盾的发明创造原理之间存在关系，40条发明创造原理及其工程实例可以帮助设计者尽快确定新的设计概念[4]。而对于问题比较复杂，物理矛盾不明显的问题，通常可采用ARIZ算法加以解决。

2.3 矛盾分析和解决的一般过程

矛盾的分析和解决是产品创新方案设计的主要步骤。依据TRIZ可以彻底地消除产品中的物理矛盾和技术矛盾，产品性能因此得到提高，甚至可以得到原理、概念的突破，获得全新概念的产品。应用TRIZ分析和解决产品内矛盾的一般过程如图1所示：

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图1 矛盾分析和解决的一般过程

3 TechOptimizer技术创新软件

TechOptimizer软件是由美国Invention-Machine公司开发的以TRIZ为理论基础，结合创造性设计方法，辅助工程技术人员、科研人员以及企业经营者进行新产品开发，产品改进及获得突破性创新技术的计算机辅助创新软件。这个软件是基于知识的创新工具。它能帮助技术人员在不同工程领域产品的概念设计阶段，根据市场需求正确地发现并迅速解决产品开发中的关键问题；高质量、高效率地提出可行的创新设计方案，将设计引向正确方向。TechOptimiur由7个功能模块组成：产品分析，流程分析，特征传递，科学原理检索，创新原理，预测和网络助手模块。该软件的主要特点：根据用户需求，快速发现现有产品或流程中存在的问题，并给出高质量解决方案；帮助设计者解决技术矛盾，避免妥协设计；加速新产品和工艺的研发过程；在概念设计阶段进行成本分析，有效降低产品成本；扩展用户的知识领域，通过竞争分析，把握技术发展趋势，提高公司竞争力；智能化的向导随时给出操作提示，软件使用更容易；自动生成分析报告等。

4 应用TechOptimizer进行创新设计

技术系统某一特性或参数的改进会不可遨免地引起其它特性或参数的恶化，运用技术创新软件可解决此类技术矛盾。下面以一个具体实例来阐述这个问题。

当人们使用漏斗在小口径容器中灌注液体时，在漏斗中会产生旋涡，形成涡流。由于离心力的作用会使液体偏离排液口，而降低了漏斗容量。如何解决这个问题呢?我们可用技术创新软件来帮助解决。在希望改善的技术特性选项中选择第36项，在恶化的技术特性选项中选择第15项，为此，TechOptimizer提供了4个创新原理，即10，4，28，15。在设计漏斗时使用原理4"对称性”，将漏斗制成不对称形的，即使排液管主轴与锥形漏斗主轴相偏离，其偏离尺寸约为排液管直径的0.35-0.5倍。这样就降低了漏斗中液体的旋转速度，从而降低了灌注液体时产生的离心力，提高了漏斗容量。

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图2 不对称漏斗

5 应用ARIZ算法进行创新设计

ARIZ是TRIZ的另一个主要分析问题、解决问题的方法。其实质是为了解决问题的矛盾对立，对初期问题进行一系列变形及再定义等非计算性的逻辑过程。ARIZ首先是将系统中存在的问题最小化，原则是尽可能不改变或少改变系统而实现必要机能；其次定义系统的矛盾对立，并将矛盾对立简化为“问题模型”；然后将对立领域明确化，并分析系统中可以使用的资源；进一步定义系统的理想解。通常为了实现系统的理想解，系统对立领域的最重要构成要家应是相互对立的物理持性。例如，冷的同时发热、导电的同时绝缘、透明的同时不透明等[6]。

如图3(a)所示加工中心刀具的刀体部分的锥度采用7/24。为了保证加工精度及刚性，必须使刀体的锥体与主轴锥孔以及刀体法兰端面与主轴端面同时接触。但实际上这很困难。或者是刀体法兰端面与主轴端面接触造成刀具径向位2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，如图3(b)。利用ARIZ解决该问题的步a如下：

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图3 应用ARIZ算法解决问题实例

(1)问题最小化对已有系统不做大的改变而实现刀体与主轴的径向和轴向同时接触，从而提高刚性和精度。

(2)系统对立不能实现刀体与主轴的径向和轴向同时接触。

(3)问题棋型改变现有系统中的某个构成要素，在保证刀具准确定位的前提下实现刀体法兰端面和主轴端面的接触。

(4)对立领域和资源分析对立领域为刀具的圆锥体和主轴锥孔的接触面。可改变的要京是刀体或锥孔的圆锥部分。

(5)理想解以主轴锥孔为基准使刀具定位，同时实现刀体法兰端面与主轴端面的接触。

(6)物理矛盾为使刀具准确定位，必须实现刀体锥面和主轴锥孔的完全接触。而要使刀体法兰端面和主轴端面的完全接触，则刀体锥体和主轴锥孔必须是非完全接触。

(7)物理矛盾的去除改变刀体锥面，使其与主轴锥孔不再以整个国锥面的形式接触，而是以多数点的形式接触。

(8)问题的解决对策用精密加工出来的具有适度刚性的小球构成刀体的圆锥面，从而使刀体锥面、法兰端面与主轴的锥孔、端面同时实现接触，如图3(c)。此例为美国的一项发明专利。

6 产品创新设计方案选择评价

下面简单介绍产品创新设计方案的选择评价。在进行产品创新设计时，不同的设计人员选用不同的创新原理，或者虽然选择同一创新原理，由于创新原理给设计人员的启发因人而异，都会得到不同的产品创新方案。为获得技术上可行、经济上合理、能可靠地实现用户所要求的各项功能的新方案，须对新方案进行整理和评价。从中选出最佳方案。创新设计方案评价内容大致可以分为如下几个方面：方案整理、方案粗选、方案具体化、方案详细评价、以及方案选择。

7 结论

TRIZ的基本理论和方法应用于机械类产品创新设计，可以为设计人员提供解决问题的正确方向，有效地指导设计人员进行产品创新设计。在此过程中，引人技术矛盾解决矩阵和ARIZ算法等，解决产品内在的技术矛盾和物理矛盾，从而获得产品的最优创新设计方案。同时，设计者可以很好地借助TechOptimizer软件来开拓思路，打破思维定势，解决创新设计中的技术难题。该系统可以辅助设计人员提出富有创造性的设计方案，具有良好的应用前景。

参考文献
1 刘鸿恩，张列平.TRIZ——向题解决的创造性理论和方法.上海质量，2000，2，30-32.
2 Fey V S.Rivin EI.湮村洋太郎编著.TRIZ入门.日刊工业新闻社，19 97
3 牛占文，徐燕申，林岳等.发明创造的科学方法论——TRIZ.武汉:中国机械工程，1999，10(1)，84-89.
4 侯智，张根保等.基于TRIZ的计算机辅助矛盾解决系统.计算机应用，2002，22(12)，71-73.
5 戴庆辉，郭彩玲.计算机辅助产品创断集成工具的框架.机械设计，2003，20(5)，44-46.
6 郑称德.TRIZ理论及其设计模型.管理工程学报，2003，17(1)，84-88.(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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