基于功能方法樹與TRIZ理論的甲魚捕殺器設(shè)計(jì)*

王壽斌

(蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,江蘇蘇州 215123)

基于功能方法樹與TRIZ理論的甲魚捕殺器設(shè)計(jì)*

王壽斌

(蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,江蘇蘇州 215123)

產(chǎn)品的功能來(lái)自用戶的需求。功能方法樹借助功能模型對(duì)產(chǎn)品的功能進(jìn)行描述,抽象出產(chǎn)品的總功能,并將其分解為非常細(xì)小、易于實(shí)現(xiàn)的多個(gè)子功能或功能元。TRIZ理論以現(xiàn)代發(fā)明理論的普遍原理指導(dǎo)創(chuàng)新實(shí)踐,有“點(diǎn)金術(shù)”之稱,可收到事半功倍的效果。綜合運(yùn)用功能方法樹原理和TRIZ理論,共同解決甲魚安全捕殺器的設(shè)計(jì)問(wèn)題,前者著重于確認(rèn)“做什么”,后者則致力于落實(shí)“怎么做”,兩者相互補(bǔ)充、各司其職,大大提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率。

功能方法樹;TRIZ;甲魚;捕殺工具;創(chuàng)新設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著老年化社會(huì)的快速到來(lái),家庭規(guī)模小型化漸成趨勢(shì),子女不在身邊的獨(dú)居老人、高齡老人及”失獨(dú)”老人日益增多,除為數(shù)有限的老人能在養(yǎng)老機(jī)構(gòu)安度晚年外,更多的老人將不得不自已料理生活。如何解決生活實(shí)際困難成為他們必須面對(duì)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。如甲魚營(yíng)養(yǎng)豐富,但市場(chǎng)上的半成品卻難以讓人放心,因而活殺甲魚對(duì)老年人來(lái)說(shuō)便是一道難題,為此,如果能設(shè)計(jì)一個(gè)安全、便捷的甲魚捕殺器供家庭使用,將會(huì)受到老年人的青睞。

甲魚生性兇猛且多疑,面對(duì)外部不明接觸,或縮頭不理,或因惱怒而襲人。多年來(lái)被甲魚咬傷手指者數(shù)不勝數(shù)。筆者綜合了功能方法樹與TRIZ理論在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的各自優(yōu)勢(shì),梳理出一種創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新方法,并將其應(yīng)用于甲魚捕殺器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)之中,較好地滿足了產(chǎn)品實(shí)用需求。

1 功能方法樹

每一種產(chǎn)品(系統(tǒng))的存在,都因其承載著一定的功能,能夠完成某一項(xiàng)(或幾項(xiàng))特定的任務(wù)。所以,開發(fā)一種新產(chǎn)品,其實(shí)就是為了完成一項(xiàng)新任務(wù)。而因產(chǎn)品與功能密切相聯(lián),故產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程就是解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程[1]。而所謂實(shí)際問(wèn)題,就是由用戶需求映射出產(chǎn)品功能要求,再通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)去實(shí)現(xiàn)。一般來(lái)講,絕大多數(shù)產(chǎn)品的總功能很難立即找到便捷的實(shí)體解。因此,需要對(duì)產(chǎn)品的總功能進(jìn)行科學(xué)的簡(jiǎn)單化分解,將其按層級(jí)關(guān)系分解為易于求得實(shí)體解的多個(gè)子功能或功能單元,然后通過(guò)功能建模來(lái)厘清功能的輸出、輸入,以及各個(gè)功能之間的相互關(guān)系。如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品功能方法樹

圖1中,系統(tǒng)的總功能實(shí)際上是產(chǎn)品總?cè)蝿?wù)的描述。它們可以被分解為各個(gè)分功能和分任務(wù)。而這些功能的解或任務(wù)的實(shí)現(xiàn)途徑即為方法。構(gòu)建功能方法樹,目的在于將基于用戶需求的產(chǎn)品(系統(tǒng))總功能分解為多個(gè)簡(jiǎn)單的、易于求解的子功能,通過(guò)逐個(gè)求解子功能,再進(jìn)一步將這些子解整合成總功能的實(shí)體解。功能方法樹的建立一般從確定總功能開始,自頂向下,逐層分解,最終獲得最底層的功能元和一系列的方法。功能方法樹中的某項(xiàng)功能可通過(guò)一種或多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn),而同一種方法也可用于實(shí)現(xiàn)不同的功能。如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品功能與方法匹配關(guān)系圖

2 TRIZ理論(發(fā)明問(wèn)題解決理論)

TRIZ理論由前蘇聯(lián)的發(fā)明家、海軍專利調(diào)查員根里奇·阿奇舒勒(G.S.Altshuller)在1946年發(fā)明,俄文意思為“發(fā)明問(wèn)題解決理論”[2]。該理論在工業(yè)設(shè)計(jì)、軍事管理、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,曾屬于前蘇聯(lián)的國(guó)家機(jī)密,有創(chuàng)新“點(diǎn)金術(shù)”之稱。前蘇聯(lián)解體后,該先進(jìn)理論流向世界,逐步為其他國(guó)家所認(rèn)識(shí)。

TRIZ理論產(chǎn)生于對(duì)250萬(wàn)個(gè)高質(zhì)量專利文獻(xiàn)的研究和梳理,阿奇舒勒認(rèn)為,發(fā)明創(chuàng)造不是偶然的結(jié)果,發(fā)明應(yīng)當(dāng)有規(guī)律可循,人類一旦掌握了這些規(guī)律,將會(huì)有助于發(fā)明效率的提高和發(fā)明難關(guān)的攻克。為此,他一生致力于對(duì)大量?jī)?yōu)質(zhì)專利進(jìn)行分析,提取解決問(wèn)題的模式,整理出技術(shù)系統(tǒng)演變的8個(gè)模式、39個(gè)技術(shù)參數(shù)、40個(gè)共性發(fā)明原理、矛盾矩陣工具、76個(gè)發(fā)明問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)解決方案等,共同組成了完整的TRIZ理論[3]。TRIZ理論成功地揭示了發(fā)明創(chuàng)造的內(nèi)在規(guī)律和普遍原理,運(yùn)用這些原理可以大大加快發(fā)明創(chuàng)造的進(jìn)程,提升產(chǎn)品創(chuàng)新速度。眼下,豐田、三星、福特等世界五百?gòu)?qiáng)企業(yè)的技術(shù)研究已普遍采用了這一方法,以降低創(chuàng)新周期,提高產(chǎn)品升級(jí)換代速度。

3 基于功能方法樹和TRIZ理論的甲魚捕殺器設(shè)計(jì)

3.1 功能方法樹與TRIZ理論的互補(bǔ)結(jié)合

在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面,功能方法樹與TRIZ理論都是功能強(qiáng)大、實(shí)用便捷的指導(dǎo)工具,兩者既各具特色和優(yōu)勢(shì),又可互為補(bǔ)充,共同提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。從工作目標(biāo)的指向看,功能方法樹主要是解決設(shè)計(jì)工作“做什么”的問(wèn)題,即要實(shí)現(xiàn)哪些功能;而TRIZ理論則主要解決設(shè)計(jì)中“如何做”的問(wèn)題,即通過(guò)什么方法來(lái)實(shí)現(xiàn)所期待的功能。兩者在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中各司其責(zé),相得益彰。如圖3所示。

圖3 功能方法樹與TRIZ理論在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的配合

功能方法樹的獨(dú)特之處在于借助功能模型對(duì)產(chǎn)品(系統(tǒng))的功能進(jìn)行描述,從而抽象出產(chǎn)品(系統(tǒng))的總功能。然后再用功能分解法對(duì)總功能進(jìn)行分解,進(jìn)而得到非常細(xì)小、易于實(shí)現(xiàn)的多個(gè)子功能或功能元。各功能元的實(shí)現(xiàn)方式可以不止于一種,它們共同構(gòu)成功能結(jié)構(gòu)樹。每個(gè)功能元在自身功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)相互協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品(系統(tǒng))的總功能。

TRIZ理論的主要用途是探索解決問(wèn)題(沖突)的方法。其工作流程模型如圖4所示。

圖4 TRIZ理論工作模型流程圖

(1)分析問(wèn)題,提煉沖突,梳理可用資源構(gòu)劃理想解[4]。

(2)進(jìn)行下一流程項(xiàng)的選擇:如果確認(rèn)有技術(shù)沖突和物理沖突,則在40個(gè)典型發(fā)明原理中選擇合適工具解決;如果需要用到替代技術(shù),則進(jìn)一步確定技術(shù)。進(jìn)化模式和路線[5];如果雖已選定需要解決的問(wèn)題卻不知怎樣去做,則可選擇科學(xué)效應(yīng)。

(3)對(duì)上述得到的多個(gè)方案進(jìn)行有效性或可行性評(píng)估,如能選取最佳方案,則組織實(shí)施;如不滿意,則重新返回問(wèn)題分析環(huán)節(jié)循環(huán)執(zhí)行。

3.2 甲魚捕殺器的設(shè)計(jì)過(guò)程

基于對(duì)功能方法樹及TRIZ理論的綜合運(yùn)用,整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程變得非常簡(jiǎn)潔,可較輕松地解決問(wèn)題。

3.2.1 產(chǎn)品總功能的提取

產(chǎn)品的功能來(lái)自用戶的需求[6]。使用甲魚捕殺器,旨在安全、便捷地捕捉并殺死甲魚,而用戶不會(huì)在捕殺過(guò)程中受到甲魚的傷害。所以,甲魚捕殺器產(chǎn)品的總功能應(yīng)當(dāng)是安全和簡(jiǎn)便。

3.2.2 功能分解及建模

產(chǎn)品總功能的分解,必須建立于對(duì)甲魚捕殺器工作原理和工作要求的綜合分析。本案中甲魚的捕殺以其頭頸被切斷為完成標(biāo)志。要切斷甲魚頭頸,必須首先將其軀殼收納到比較堅(jiān)固的箱體內(nèi),然后將其頭頸拉出殼體并進(jìn)行固定;而要拉出其頭頸,則先要夾住其頭部,一方面使其不能縮回,另一方面也避免其咬人;另外,甲魚的四爪會(huì)抓人,也必須在捕殺過(guò)程中加以防范。基于以上分析,可對(duì)甲魚捕殺器的功能進(jìn)行分解,并建模如圖5所示。

圖5 甲魚捕殺器功能分解建模

3.2.3 確定沖突

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的沖突普遍存在,當(dāng)產(chǎn)品中的某些內(nèi)部性能得到保證或提高時(shí),必有其它內(nèi)部性能隨之降低,進(jìn)而形成沖突[7]。如本案中以長(zhǎng)方盒裝納甲魚殼體,對(duì)于不同的甲魚必然存在體積大與小的矛盾沖突;觸碰式夾緊機(jī)構(gòu)來(lái)捕夾甲魚頭部,存在快速夾緊(松放)與制造難易的矛盾沖突;在拉出甲魚頭頸過(guò)程中,存在設(shè)備持續(xù)拉伸與甲魚本能縮回之間的矛盾沖突;以閘刀切斷甲魚頭頸,存在快速切斷與有效切斷之間的矛盾沖突等。

3.2.4 解決矛盾

以甲魚捕殺器的關(guān)鍵功能“拉出甲魚頭頸”為例,當(dāng)甲魚的頭部被夾以后,出于其本能反應(yīng),甲魚會(huì)立即將其頭部向殼體內(nèi)回縮。對(duì)于這一問(wèn)題,通過(guò)分析,可以運(yùn)用TRIZ理論中的矛盾解決工具建立相應(yīng)的沖突矩陣[8],如表1所列。根據(jù)實(shí)際情況,從39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)中選取了改善的參數(shù)“力”、“可靠性”作中矩陣的縱坐標(biāo),選取惡化的參數(shù)“方便操作”、“時(shí)間效率”作為矩陣的橫坐標(biāo)。本產(chǎn)品的其他矛盾沖突的解決,可依此類推。

表1 甲魚捕殺器中的技術(shù)沖突矩陣

3.2.5 確定方案

綜合考慮專利庫(kù)、科學(xué)效應(yīng)庫(kù)及網(wǎng)絡(luò)檢索信息,結(jié)合本產(chǎn)品的使用實(shí)際,可得到相對(duì)較理想的解決方案,如圖6所示。

圖6 甲魚捕殺器的解決方案

圖6(a)中,1為收納盒,根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的替代原理,以對(duì)稱原理來(lái)解決收納盒體積大小的調(diào)節(jié)問(wèn)題,使其能夠適應(yīng)對(duì)不同體積規(guī)格甲魚的收納,其中,滑動(dòng)擋塊2的徑向移動(dòng)可以調(diào)節(jié)盒的長(zhǎng)度,滑動(dòng)擋塊3的左右移動(dòng)則可調(diào)節(jié)盒的寬度。圖6(b)為觸碰式夾緊機(jī)構(gòu),通過(guò)槽口11與圖6(a)中的棘條相連,正常情況下,上端夾鉗用直桿5撐開,當(dāng)甲魚的頭部伸出觸碰掉桿5時(shí),夾子的兩個(gè)下端通過(guò)彈簧強(qiáng)力拉緊,使上端夾鉗1和夾鉗2咬合,夾住甲魚的頭,此夾緊機(jī)構(gòu)既夾緊可靠,又方便拆卸。圖6(a)中,5為雙邊附設(shè)棘齒的直條導(dǎo)軌,用以帶動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)沿固定軌道單向運(yùn)動(dòng),既能防止甲魚頭頸回縮,又可借助甲魚不斷伸脖掙扎而將其持續(xù)拉出,以便于切斷。在收納盒的端面設(shè)置閘刀4,通過(guò)人工操作,可同時(shí)確保快速動(dòng)作和有效切斷。捕殺完成后,捏緊直導(dǎo)軌5,縫隙6變小,可使夾緊機(jī)構(gòu)復(fù)原。

4 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)于依賴設(shè)計(jì)人員的現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)、偶發(fā)靈感或由頭腦風(fēng)暴得來(lái)的集體智慧,往往具有效率低、指向性差、系統(tǒng)性不足、推廣度低等缺陷[9]。利用現(xiàn)代發(fā)明創(chuàng)新理論的普遍原理指導(dǎo)創(chuàng)新實(shí)踐,可以收到事半功倍的效果,是當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的前沿趨勢(shì)。本產(chǎn)品甲魚捕殺器,綜合運(yùn)用了功能方法樹原理和TRIZ理論,共同指導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)踐,前者著重于產(chǎn)品總功能的分解,解決“做什么”的問(wèn)題,后者則著重于通過(guò)沖突矩陣原理、流程建模等工具,解決“怎么做”的問(wèn)題,兩者相互補(bǔ)充、各司其職,大大提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率。經(jīng)過(guò)實(shí)地驗(yàn)證,本產(chǎn)品甲魚捕殺器使用效果好。

[1]陳國(guó)強(qiáng).產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與方法[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

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[3]顏惠庚,李耀中.創(chuàng)新方法入門——TRIZ基礎(chǔ)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

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Design for Turtle Hunting Tools Based on Function M ethod Tree and the TRIZ Theory

WANG Shou-bin
(Department ofMechanical and Electrical Engineering,Suzhou Industrial Park Institute of Vocational Technology,Suzhou Jiangsu 215123,China)

The feature of product is from the user′s needs.The functionmethod tree describes the function of productwith the aid of function model,which abstracts the general function of product,and would break it down into much sub-function or function-unitwhich is very small and easily achieved.The TRIZ theory,which is named“alchemy”,guides the innovation practice with the universal principles of themodern theory of invention,and it is pretty effective.Problems in design for the turtle hunting tool could be solved with integrated use of the functionmethod tree principle and the TRIZ theory,for the former focuses on the confirmation of“what to do”,while the latter is committed to practice“how to do”,these two aspects complement each other and perform their duties,thus could greatly improve the quality and efficiency of product design.

function method tree;TRIZ;turtle;hunting tool;innovative design

TH122

A

1007-4414(2015)06-0115-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.042

2015-08-23

王壽斌(1969-),男,江蘇鹽城人,副教授,研究員,研究方向:機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐。