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塑料模具 |
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基于TRIZ理论功能裁剪的产品创新设计 |
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作者： |
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摘要：本文通过对产品设计过程的分析，提出整个产品的设计过程是一个面向功能的设计过程。从功能定义和功能分析人手，给出了功能建模的过程。在功能分析的基础上进行功能建模，确定有用功能、不充分功能、过剩功能和有害功能是进行功能裁剪的基础。在分析了基于TRIZ理论功能裁剪的产品创新设计一般步骤的基础上，对斜导柱侧抽芯机构进行了功能建模和功能裁剪，并建立了改进功能模型，以改进功能模型为基础，对斜导柱侧抽芯机构进行了创新设计，应用实例说明了基于TRIZ理论功能裁剪的产品创新设计方法的有效性。
0 引言
技术系统的进化是以提高其理想度为基础的，产品创新设计的最终目标也是提高其理想度以适应人类需求的不断提高。功能裁剪是TRIZ理论中的一种分析问题和技术系统改进的方法，通过对技术系统功能模型的建立和分析，去除存在问题的功能元件，进行裁剪，删除该功能，进而实现产品的系统改进。经过裁剪后的技术系统，其结构更加简化，生产成本更低，而性能保持不变或更好，使产品更趋于理想解。功能裁剪是一种提高产品理想度，实现产品创新设计的有效方法。本文在讨论了TRIZ理论功能裁剪方法的基础上，依据功能裁剪方法流程进行了注射模斜导柱侧向抽芯机构的创新设计。
1 功能分析
产品设计的过程是一个复杂的过程，总体来说可以包括需求分析、概念设计、技术设计和详细设计等四个阶段。产品的设计过程也是实现一系列功能的过程，需求分析阶段以满足用户的需求功能为目标：概念设计阶段将需求功能转化为功能结构；技术设计和详细设计阶段实现了功能机构向物理结构的转变，最终实现产品的功能。整个产品的设计过程是一个面向功能的设计过程。
功能分析是对系统进行功能分解，确定系统的有用功能、不充分功能、过剩功能和有害功能，以帮助设计者更加透彻的了解系统中各个元件之间的相互联系和相互作用，进而找到系统存在的问题。以现有产品为基础，通过功能分析，建立产品的功能模型，可以为产品的创新设计提供有力的保障。
功能模型是对系统功能的一种描述，其建立过程如下：
第1步：确定系统的元件、制品和与系统相关的超系统；
第2步：确定元件、制品和超系统之间的作用关系并功能性语言表述；
第3步：确定功能的类型；
第4步：用各种功能符号表达元件、制品和超系统以及功能类型并连接绘制系统功能模型。
第5步：通过分析，确定系统存在的问题。
系统功能模型的元件、制品、超系统和功能类型的表达如图1所示。在系统功能建模过程中，对于简单的系统可以根据常识或经验确定各功能元件、制品和超系统；对于复杂系统，可以应用TRIZ理论的多屏幕法、金鱼法和反向鱼骨图等方法建立系统的功能模型。
图1 系统功能模型示意图
2 功能裁剪
裁剪是解决由功能分析发现的系统存在的问题的有效方法，也是一种对系统改进创新的方法。通过对系统存在的不足作用、过剩作用和有害作用功能的裁剪，以减少或消除系统的缺点，改善了整个功能模型，提高系统的理想度。经过裁剪将存在问题的功能元件删除后，原来该元件所提供的功能可以通过TRIZ理论提供的方法实现，主要有以下几种方法。
1)依据TRIZ创新原理的多用性原理，原来元件实现的功能由其他元件或超系统实现；
2)依据TRIZ创新原理的自服务原理，原来元件实现的功能由受作用元件自己来实现；
3)如果功能不是必要，则删除原来元件实现的功能和原来元件实现功能的作用物；
4)应用TRIZ理论解决物理矛盾的分离方法来解决既需要功能又不需要此功能的物理矛盾问题。
应用功能裁剪的方法进行产品的创新设计主要是针对现有产品，裁剪问题功能元件，对于产生的新问题，可以应用TRIZ理论的发明原理、效应知识库、标准解等工具来解决。其主要步骤如下：
第1步：确定研究对象；
第2步：对研究对象系统进行功能分析，建立功能模型：
第3步：确定功能模型中存在的有害功能、过剩功能和不足功能，进行功能裁剪；
第4步：分析裁剪后出现的问题，应用TRIZ理论的解决发明问题的工具来解决问题；
第5步：裁剪后系统功能建模；
第6步：产生新的创新设计方案。
3 案例分析
为了成型塑件上的侧向孔或侧向凹槽，注射模结构中常采用斜导柱式的侧向分型与抽芯机构。其结构包括了侧向成型元件、运动元件、传动元件、锁紧元件和限位元件，如图2所示。开模过程中，模具沿分型面开模，动模向后移动，在斜导柱的驱动下，侧滑块带动侧型芯完成侧抽芯，同时侧滑块由弹簧拉杆限位机构限位，以保证合模过程的准确复位；合模时，斜导柱插入斜导孔驱动侧滑块带动侧型芯复位，楔紧块起到锁紧侧滑块的作用，整个机构要求动作准确、可靠。
图1为某企业产品端盖的注射模斜导柱侧向分型与抽芯机构，该机构具有侧抽芯力较大、生产率高、容易实现自动化生产等优点，但在使用过程中也存在着模具结构相对复杂、斜导柱容易变形、维修不方便和维修成本高等问题，不能满足企业生产需求，与理想解存在着一定的差距，需要进行创新设计。
图2 斜导柱侧抽芯机构
3.1 斜导柱侧抽芯机构功能分析
现有斜导柱侧抽芯机构采用的是机动侧向分型与抽芯机构，开模时，依靠注射机的开模力作为动力，通过斜导柱将力作用于侧向成型零件使其侧抽芯，合模时由靠它使侧向成型零件复位。对现有机构进行结构和动作原来分析，建立产品的功能模型并确定问题。
首先，确定与斜导柱侧抽芯机构有输入和输出关系的各超系统：定模板、动模板和注射机；其次，确定系统的制品是塑件；然后，确定各功能元件及其作用，类型并绘制斜导柱侧抽芯机构的功能模型，如图3所示。
图3 斜导柱侧抽芯机构功能模型
该功能模型用图形的方式表达了斜导柱侧抽芯机构的制品、元件和超系统以及它们之间的相互关系。通过对这些关系的分析，从斜导柱侧抽芯机构侧抽芯系统功能的角度，可以发现现有机构存在的问题，如斜导柱长时间使用会产生变形，对侧滑块形成了有用不足的作用；弹簧长时间使用，动力不足同样对侧滑块的限位是一种有用不足的作用，完善这些功能是进行产品创新设计的出发点。
3.2 斜导柱侧抽芯机构功能裁剪
通过上面的分析，按TRIZ理论功能裁剪的原理，将有问题的功能元件，也就是斜导柱和弹簧拉杆限位机构中的弹簧裁剪掉，弹簧拉杆限位机构中的弹簧被裁剪掉以后，限位机构不能实现限位功能，因此可以考虑将整个弹簧拉杆限位机构裁剪掉。经过上述裁剪，其结果产生了两个新的问题：采用什么样的驱动方式：采用什么样的限位方式。
对于采用什么样的驱动方式问题，可以应用TRIZ中的效应来提供解决问题的思路。通过对效应知识库中的“移动固体物质”功能进行查询，可以得到与此问题相关的效应，如热膨胀、惯性、阿基米德原理、弹簧变形和磁致收缩等。结合实际情况、为了使驱动系统结构简单、操作方便、成本降低，可选用弹簧变形效应，使侧滑块在弹簧恢复力的作用下产生运动，以实现侧向抽芯。
对于采用什么样的限位方式问题，TRIZ功能裁剪将问题元件裁剪后，原来该元件所提供的功能失去了其功能的提供者，TRIZ理论提供的解决此问题的方法是：被删除元件所实现的功能由其他元件或受作用元件自己来实现，此方法与40条创新原理中的多用性原理和自服务原理相对应。
依据TRIZ理论解决裁剪后功能缺失问题的方法，原斜导柱的功能是开模时驱动侧滑块进行侧抽芯，合模时驱动侧滑块复位，现在将斜导柱裁剪掉，可用弹簧的弹性变形来实现开模侧抽芯功能，合模复位功能由楔紧块来实现，使原楔紧块由不动变成可动；原弹簧拉杆机构被裁剪掉以后，其功能可由限位螺钉实现，以保证开模后侧滑块的定位。将可动的楔紧块和限位螺钉结合起来，对斜导柱侧抽芯机构进行改进创新，改进后侧抽芯机构的功能模型如图4所示。
图4 改进后侧抽芯机构功能模型
3.3 最终创新设计方案
通过TRIZ功能裁剪对斜导柱侧抽芯机构进行创新，设计了楔滑块侧抽芯机构，如图5所示。该机构主要包括了楔滑块、导滑槽、限位螺钉、弹簧、侧滑块和侧型芯等元件。注射成型完成后，模具沿分型面开模，侧滑块5在弹簧恢复力作用下向上运动实现侧抽芯，抽芯完成后，由限位螺钉实现定位。合模过程中，在合模力作用下，定模板推动楔滑块1向右运动，迫使侧滑块5向下运动复位。该机构动作准确、可靠、满足企业需求。
图5 楔滑块侧抽芯机构
4 结束语
将改进前后的侧抽芯机构系统进行对比，改进后的结构比改进前的结构元件数量减少了40%，作用不足功能被全部消除，元件间相互作用数减少了将近31%，有用功能数增加了15%，有用功能数与元件数之比增加了约41%，系统结构得到了较大的简化，系统的理想度明显提高。
以对系统的功能分析为基础，运用TRIZ理论的裁剪方法，是提高技术系统理想度的有效途径。从系统性能的角度来看，采用TRIZ理论中的功能裁剪方法进行注射模侧抽芯机构的创新设计，用楔滑块侧抽芯机构代替斜导柱侧抽机构的注射模，其结构紧凑，加工简便、动作可靠、维修方便，元件一旦磨损后，可以通过限位螺钉的调节进行磨损后的修正，降低了注射模模具的成本。(end)
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(9/3/2013) |
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