基于TRIZ理論的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

冷崇杰，項(xiàng)輝宇 ，閆曉玲

（北京工商大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048）

0 引言

TRIZ是俄文“Theofia Resheneyva Isobretatelskehuh Zadach”的縮寫，含義是發(fā)明問(wèn)題解決理論，其英文縮寫是TIPS（Theory of Inventive Problem Solving），其研究始于1946年，由蘇聯(lián)發(fā)明家Genrich S. Altshuller和他的團(tuán)隊(duì)（原蘇聯(lián)的大學(xué)、研究所和企業(yè)組成數(shù)百人的研究組織）分析研究了世界近250萬(wàn)件發(fā)明專利[1-4]，對(duì)這些專利進(jìn)行長(zhǎng)期的分析、歸納和提煉，綜合多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的原理、法則形成了TRIZ理論體系。其主要功能是研究人類進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過(guò)程中所遵循的科學(xué)原理和法則，并將之歸納總結(jié)形成一套能創(chuàng)造出系統(tǒng)性創(chuàng)新與指導(dǎo)設(shè)計(jì)者思考方向的方法論和工具體系。

近幾年來(lái)，TRIZ理論在家電及其他機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。例如，1997年韓國(guó)三星公司引入TRIZ專家對(duì)研發(fā)工程師進(jìn)行培訓(xùn)，2003年在67個(gè)項(xiàng)目中運(yùn)用TRIZ理論，獲得了52項(xiàng)專利，節(jié)省研發(fā)經(jīng)費(fèi)1.5億美元，正是TRIZ理論的引入，給三星電子帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。TRIZ理論創(chuàng)新并不只是概念，還有成熟的理論體系、具體的工具和實(shí)現(xiàn)方法。本文以洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，研究了TRIZ理論在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 TRIZ方法指導(dǎo)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的思路和方法

TRIZ方法論的核心思想是，對(duì)于一個(gè)具體問(wèn)題，使用通常的方法不能直接找到此問(wèn)題的具體解，那么，就將此問(wèn)題先（通過(guò)通用工程參數(shù)或物—場(chǎng)模型描述）轉(zhuǎn)換并表達(dá)為一個(gè)TRIZ問(wèn)題，然后利用TRIZ體系中的九大理論和工具進(jìn)行TRIZ問(wèn)題的解決，從而獲得TRIZ問(wèn)題的解，最后將TRIZ問(wèn)題與具體問(wèn)題相對(duì)照，考慮實(shí)際條件的限制，轉(zhuǎn)化為具體問(wèn)題的解，并在實(shí)際設(shè)計(jì)中加以實(shí)現(xiàn)，最終獲得具體問(wèn)題的實(shí)際解[1]。如圖1所示。

圖1 TRIZ 方法論

就新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)而言，TRIZ為其指出了解決問(wèn)題的思路和方法，在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中應(yīng)用TRIZ理論可以更好地解決問(wèn)題。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的TRIZ工具體系及路徑

TRIZ理論不僅能找到解決問(wèn)題的路徑，而且為解決問(wèn)題找到了通行的方法，為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了可實(shí)現(xiàn)的工具和路徑[2]。表1為TRIZ理論的工具體系表，TRIZ理論工具體系的基本應(yīng)用流程是，對(duì)于一個(gè)新問(wèn)題，首先要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，確定出問(wèn)題模型，針對(duì)不同的問(wèn)題模型選用相應(yīng)的工具，最后提出解決問(wèn)題的方案模型。如表1所示，TRIZ理論將問(wèn)題模型分為技術(shù)矛盾、物理矛盾、功能化模型、物場(chǎng)模型幾種類型，對(duì)應(yīng)的求解工具是TRIZ理論中的矛盾矩陣、分離原理、知識(shí)庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)解法系統(tǒng)，采用的解決方案分別對(duì)應(yīng)的是TRIZ理論中的創(chuàng)新原理、知識(shí)庫(kù)中方案、標(biāo)準(zhǔn)解法。

表1 TRIZ工具體系

2.1 矛盾和39個(gè)通用工程參數(shù)

TRIZ理論認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)和消除矛盾是產(chǎn)品進(jìn)化和發(fā)展的主導(dǎo)力量，解決問(wèn)題的關(guān)鍵是解決矛盾[3]，而找到矛盾、準(zhǔn)確地定義矛盾是解決問(wèn)題的的前題條件。TRIZ將技術(shù)系統(tǒng)矛盾分為技術(shù)矛盾和物理矛盾，技術(shù)矛盾是指系統(tǒng)中兩個(gè)參數(shù)之間的矛盾，如果改善系統(tǒng)參數(shù)A，將導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)B的惡化；物理矛盾是指系統(tǒng)中一個(gè)參數(shù)的矛盾，技術(shù)系統(tǒng)既要求某參數(shù)A的性質(zhì)為正（＋），又要求某參數(shù)A的性質(zhì)為負(fù)（－）。

TRIZ理論在250萬(wàn)發(fā)明專利中總結(jié)提煉出工程領(lǐng)域內(nèi)常用的表述系統(tǒng)性能的39個(gè)通用工程參數(shù)，這些通用工程參數(shù)是一些物理、幾何和技術(shù)性能的參數(shù)，它是TRIZ的通用語(yǔ)言，是連接具體問(wèn)題與TRIZ理論的橋梁，將一個(gè)具體問(wèn)題轉(zhuǎn)化為TRIZ問(wèn)題需要使用通用工程參數(shù)進(jìn)行問(wèn)題的表達(dá)，因此，在實(shí)際問(wèn)題中，工程參數(shù)的正確選擇是快速、準(zhǔn)確解決問(wèn)題的首要條件。

2.2 創(chuàng)新原理

不同的發(fā)明創(chuàng)造往往遵循共同的規(guī)律，TRIZ理論將這些共同的規(guī)律歸納成51（原來(lái)為40條，現(xiàn)發(fā)展為51條）條發(fā)明創(chuàng)造遵循的原理[1]，51條創(chuàng)新原理是TRIZ理論中最主要和最易使用的解決方案，是TRIZ解決技術(shù)矛盾的關(guān)鍵，很多發(fā)明創(chuàng)造問(wèn)題都可以用51條創(chuàng)新原理來(lái)解決。這51條原理本身較為抽象，作為解決具體技術(shù)矛盾的指導(dǎo)方針，還需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為具體的解決對(duì)策。

2.3 矛盾矩陣

矛盾矩陣是TRIZ理論中最有用的方法，就是為解決技術(shù)矛盾而構(gòu)造的，由39個(gè)通用工程參數(shù)和51個(gè)創(chuàng)新原理建立矛盾矩陣第一列表示系統(tǒng)欲改善的39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)，第一行表示惡化的39個(gè)通用工程參數(shù)，每行與列對(duì)應(yīng)的方格內(nèi)的數(shù)字是創(chuàng)新原理的編號(hào)，它提示設(shè)計(jì)者最有可能解決問(wèn)題的探索方向和方法[2]。如表2所示。

矛盾矩陣?yán)?9個(gè)通用技術(shù)參數(shù)，組成1500對(duì)技術(shù)矛盾描述實(shí)際問(wèn)題，總結(jié)了1200多對(duì)技術(shù)矛盾的常用的創(chuàng)新原理。針對(duì)每一對(duì)技術(shù)矛盾，矛盾矩陣推薦1～4個(gè)創(chuàng)新原理。因此矛盾矩陣可以大大提高解決問(wèn)題的準(zhǔn)確率和效率。

表2 TRIZ矛盾矩陣

3 TRIZ理論解決新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程

將特定的問(wèn)題應(yīng)用39個(gè)技術(shù)參數(shù)準(zhǔn)確地描述后將問(wèn)題轉(zhuǎn)化成TRIZ中的矛盾并判斷其矛盾類型（技術(shù)矛盾或物理矛盾），若為技術(shù)矛盾則根據(jù)矛盾矩陣表查找出相應(yīng)的創(chuàng)新原理，將創(chuàng)新原理逐個(gè)應(yīng)用到具體問(wèn)題上，結(jié)合實(shí)際工況，確定適合解決問(wèn)題的創(chuàng)新原理，如圖2所示。

圖2 TRIZ理論解題模式圖

以下結(jié)合洗衣機(jī)外箱體結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究TRIZ理論的應(yīng)用。

4 TRIZ理論在洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在我國(guó)洗衣機(jī)30多年的發(fā)展過(guò)程中，從單一手工操作的洗衣機(jī)到目前的全自動(dòng)智能模糊控制洗衣機(jī)，其控制方式發(fā)生了根本的變化，但是，洗衣機(jī)的外箱體結(jié)構(gòu)卻始終未變，在結(jié)構(gòu)上長(zhǎng)期以來(lái)存在以下問(wèn)題，現(xiàn)利用TRIZ理論解決該問(wèn)題。

4.1 提出原始問(wèn)題

1）洗衣機(jī)重量重，相對(duì)洗衣空間小，成本較高。

2） 洗衣機(jī)外箱體（0.6—0.8mm厚，A3板沖壓噴粉制造而成）受潮腐蝕易損壞，造成洗衣機(jī)的壽命大大縮短。

4.2 定義矛盾

將原始問(wèn)題描述為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)[5]：第一個(gè)參數(shù)是洗衣機(jī)的重量，第二個(gè)參數(shù)是洗衣機(jī)的體積，要改善的參數(shù)是洗衣機(jī)的重量，惡化的參數(shù)是洗衣機(jī)的體積（洗衣空間），根據(jù)TRIZ理論矛盾定義，確定這是一對(duì)技術(shù)矛盾。

4.3 根據(jù)矛盾矩陣表確定創(chuàng)新原理

本設(shè)計(jì)要改善的參數(shù)是靜止物體的重量，但由此惡化的參數(shù)是靜止物體的體積，根據(jù)矛盾矩陣表查得出5號(hào)、14號(hào)、2號(hào)、35號(hào)創(chuàng)新原理有可能解決上述問(wèn)題，經(jīng)過(guò)對(duì)以上4個(gè)創(chuàng)新原理進(jìn)行分析，認(rèn)為用5號(hào)和14號(hào)創(chuàng)新原理能夠較好地解決問(wèn)題 ，5號(hào)原理的內(nèi)容是：在空間上將相同物體或相關(guān)操作加以組合；14號(hào)原理的內(nèi)容是將物體的直線、平面部分用曲線或球面代替。

圖3 改進(jìn)前箱體與洗衣桶裝配圖

4.4 創(chuàng)新原理應(yīng)用

改進(jìn)前洗衣機(jī)的外部主體結(jié)構(gòu)是由箱體和洗衣桶兩部分組成，洗衣桶安裝在箱體上，箱體起著支撐作用，如圖3所示。

根據(jù)5號(hào)“組合、合并”創(chuàng)新原理的指導(dǎo)提示，將箱體和洗衣桶組合合并成一體（如圖4所示），箱體和洗衣桶合并后的組合體要具備箱體支撐和洗衣桶盛水密封等主要功能，經(jīng)過(guò)工藝分析，選用PP材料作為組合體材料，通過(guò)注塑加工而成。根據(jù)14號(hào)“曲面化，曲率增加”創(chuàng)新原理的指導(dǎo)提示，我們?cè)O(shè)計(jì)的組合體的四面為弧面，四個(gè)邊的相交處為圓弧過(guò)渡，既增加了組合體的強(qiáng)度又使外形更加美觀。

圖4 改進(jìn)后箱體與洗衣桶組合體

改變結(jié)構(gòu)后的洗衣機(jī)重量減輕（鋼板改用塑料）、相對(duì)的體積增大（箱體與洗衣桶間四周間隙沒(méi)有了），成本大大降低了（重量減輕，塑料比鋼板價(jià)格低，同時(shí)取消了箱體沖壓、酸洗、噴粉等一系列工藝過(guò)程，節(jié)約了大量的人力和財(cái)力），箱體受朝損壞現(xiàn)象不再出現(xiàn)，大大的提高了洗衣機(jī)的壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

以上運(yùn)用TRIZ理論中技術(shù)矛盾、矛盾矩陣與創(chuàng)新原理，通過(guò)改進(jìn)洗衣機(jī)箱體與洗衣桶的裝配結(jié)構(gòu)解決了洗衣機(jī)存在的問(wèn)題。事實(shí)證明，TRIZ創(chuàng)新理論以其良好的可操作性、系統(tǒng)性和實(shí)用性已經(jīng)發(fā)展成為一套解決產(chǎn)品開發(fā)實(shí)際問(wèn)題的較為成熟的理論和方法體系，它的研究與應(yīng)用對(duì)我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。但是51條創(chuàng)新原理和39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)并不能完全解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的所有矛盾，隨著TRIZ研究的不斷深入，需要人們將設(shè)計(jì)過(guò)程中獲得的創(chuàng)新原理和技術(shù)特性不斷的補(bǔ)充進(jìn)去，從而進(jìn)一步提高矛盾矩陣的成功率；同時(shí)將實(shí)際工程問(wèn)題如何準(zhǔn)確地描述為TRIZ理論中的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)、能否將技術(shù)參數(shù)進(jìn)一步細(xì)化還需要作進(jìn)一步深入研究探討。

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