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基于要素分解法和TRIZ理论的产品创新设计 |
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作者： |
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TRIZ的含义是“发明问题解决理论”，是一种解决发明问题的工具，通过解决实际问题，进而实现产品的创新。TRIZ理论解决问题的一般方法是：
首先，通过对一个待解决的实际问题转化为问题模型；
然后，针对不同的问题模型，应用不同的TRIZ工具，得到解决方案模型；
最后，将这些解决方案模型应用到具体的问题之中，得到问题的解决方案。
应用TRIZ理论解决问题，关键是要对技术系统的问题进行分析和找到问题的根源，建立相应的问题模型，发现问题以及对问题的分析是TRIZ理论的前提和基础。通常在应用TRIZ理论进行产品创新设计过程中，主要是根据问题的表现，依据经验进行问题的分析，不可避免的会造成对问题分析的不全面、不深入，进而影响问题的解决。针对这一问题，本文提出分析问题的要素分解法，并结合TRIZ理论给出了基于要素分解法和TRIZ理论的产品创新设计流程。
1 要素分解法
一切产品都可以看成是由多个独立的技术要素组合而成，要素是组成技术系统的最基本单元，一切创造活动都是要素的运算、交合、复制和繁殖的活动。对产品的总体信息进行要素分解，然后把这种产品与人类各种实践活动相关的用途进行要素分析，能更好的把握产品的本质特征，使分析问题更全面，更透彻，对产品的创新具有重要的指导意义。要素分解法是将技术系统(或子系统)通过要素分解化为简单的要素单元，并通过对组成技术系统要素的分析，发现问题的一种方法。
一般技术系统都比较复杂，一个技术系统具有多个组成部分以实现多种不同的功能。难以直接分析技术系统在运作过程中出现的问题。一个技术系统在运作过程中出现的问题其原因往往是多方面的，而且比较复杂。因此，一般可按系统分解的原则进行要素分解，通过对组成系统的基本要素进行多层次的分析去分析可能出现的各种原因。技术系统可以分解为子系统，在进而进行要素分解，并可以用树状的要素关系图表达，如图1所示。
图1 要素关系图
首先确定要解决问题的技术系统A，然后确定组成技术系统的各个子系统B1，B2，…，Bn，再从各子系统分解下去，得到各子系统的组成要素C1，C2，…，Cn。通过对组成技术系统的各子系统及组成子系统的要素的分析，使问题的分析更全面、更透彻，有利于问题的解决。
2 产品创新设计流程
要素分解法可以帮助设计者更准确的把握问题的本质特征，但最终目的仍然是为了解决问题。TRIZ理论是有效的解决问题，实现产品创新的工具。基于要素分解法和TRIZ理论的产品创新设计过程如图2所示。首先对技术系统应用要素分解法进行要素分解和要素分析，确定存在的各种问题。然后用标准工程参数，准确定义矛盾，确定现有矛盾是属于技术矛盾还是物理矛盾，在分别应用解决技术矛盾和物理矛盾的矛盾矩阵与分离原理，寻找相应的创新原理，进而确定最终解决问题的可行方案。
图2 基于要素分解法和TRIZ理论产品设计流程
3 案例分析
护板是抛丸清理机的主要磨损件，消耗量巨大，对护板来说要求具有良好的抗磨磨损性能性和高的硬度。随着抛丸技术的发展，促进了对护板的创新需求，以往护板的创新多集中在提高材料的耐磨性和硬度方面，但在现有条件下，依靠提高材料的耐磨性和硬度实现护板的创新具有研发周期长、价格昂贵而且难以突破等问题。
3.1 分析问题与定义矛盾
(1)从材质的角度分析，护板的材质为Mn13，在抛丸机工作过程中由于弹丸的冲击，导致结构破坏，发生磨损，结构稳定性降低。因此，若要提高护板的耐磨损性能，提高其稳定性，就要增加护板层的厚度，现有抛丸机多采用双层护板，造成巨大的材料消耗。两者之间的技术矛盾可以定义为结构稳定性与物质损失之间的矛盾。
(2)从受力的角度分析，正是由于抛丸过程中，弹丸的惯性力，造成护板的疲劳破损。若要降低护板的疲劳破损，就需要减小弹丸对护板的作用力 。但如果弹丸的惯性力又直接决定了工件的清理效果。两者之间的技术矛盾可以定义为应力或压力与运动物体的能量之间的矛盾。
(3)从护板形状的角度分析，吊钩式抛丸清理机的护板为平面结构，弹丸多数为垂直冲击护板，是造成护板损坏的主要原因。在护板的结构上进行改进，就会造成护板的可制造性降低，同时影响生产效率。因此，两者之间的技术矛盾可以定义为形状与可制造性和形状与生产率之间的矛盾。
(4)从护板厚度的角度分析，工作中即需要护板厚度增加， 以防止其因为磨损而影响机器正常工作，同时又希望护板厚度减少， 以节约材料。因此出现了厚度的物理矛盾。
3.2 解决方案的选择和分析
(1)技术矛盾
通过查阅TRIZ理论提供的矛盾矩阵表，得到方格中推荐的发明原理。结构稳定性与物质损失矛盾的推荐发明原理分别是：2、14、30、40号原理；应力或压力与运动物体的能力矛盾推荐的发明原理分别是：14、24、10、37号原理；形状可制造性的矛盾推荐的发明原理分别是：1、32、17、28号原理；形状与生产率之间的矛盾推荐的发明原理分别是：17、26、34、1O号原理。结合实际需要解决的问题，对得到的各种创新原理进行筛选分析，最后优选出：1号原理、10号原理、14号原理、17号原理、24号原理、26号原理、34号原理、和4O号原理作为护板设计的指导思想。
1号分割原理：现有抛丸清理机护板多为800mm×600mm，增加护板的分割程度，将护板变为400mm×300mm，使用中对损坏的护板进行更换，而没有损坏的护板保留，可以有效的节约耐磨材料的使用量。
10号预先作用原理：在护板使用前对护板表明进行打磨，降低表面粗糙度，以延长护板使用寿命，降低设备运行成本。
14号曲面化原理：平板式护板变成曲面护板。
17号空间维数变化原理：现有护板多维平板式结构，将平面护板制作成V字形护板。
24号借助中介物原理。在金属护板下面增加一层橡胶护板，橡胶护板具有一定的退让性，可以有效的降低弹丸的动能，减少护板的磨损。
26复制原理：用简单、廉价的复制品代替复杂、昂贵、易损的物体。可以用A3钢板进行渗碳淬火处理代替特种铸铁材料护板，制作容易，材料来源广，成本低。
34抛弃或再生原理： 已经磨损护板的再利用。
40号复合材料原理：选用强度高、韧性好、高耐磨、耐冲击的优质复合材料制作护板。
(2)物理矛盾
对于护板厚度截然相反的要求，出现了关于厚度的物理矛盾。TRIZ理论提供的解决物理矛盾的方法是分离原理。根据空间分离原理可以在不同位置设置不同厚度的护板，以节约材料。在实际设计护板过程中可以根据以往的经验或应用三维软件模拟弹丸在抛丸清理室体内的运动，确定不同部位的磨损程度，以方便在不同的位置设置不同厚度的护板。
3.3 最终解决方案
通过以上技术矛盾和物理矛盾解决方案的分析可以得出最终的护板创新设计方案：增加护板的分割程度，将护板尺寸由800mm×600mm变为400mm×300mm；在护板使用前对护板表明进行打磨处理；抛头对面直接受到弹丸的冲击，是磨损最严重的区域，可以考虑设置双重护板或在金属护板下面增加一层橡胶护板；对磨损护板进行翻面使用。
4 结论
在产品创新设计过程中，采用分析问题的要素分解法，尽可能比较细致、周到的分析生产过程可能出现的问题，对应用TRIZ理论进程产品的创新设计、保障设计质量将是巨大的保障。结合TRIZ理论提出了基于要素分解法和TRIZ理论的产品创新设计流程，并应用于抛丸清理机护板的创新设计，得到护板的创新设计方案，有效的验证的基于要素分解法和TRIZ理论的产品创新设计方法的可行性，对产品创新设计具有一定的指导意义。
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(3/1/2012) |
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