面向顧客需求的卷膜機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

王志勇，趙 武，王 晨

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

0 引言

粘膠帶作為日常用品，在生活中隨處可見。然而，不同的使用條件對(duì)粘膠帶的性能有著不同的要求。如高溫、高壓、高腐蝕環(huán)境中使用時(shí)，對(duì)粘膠帶基材的性能要求特別高。聚四氟乙烯俗稱“塑料王”，在各方面都有著不錯(cuò)的性能，是生產(chǎn)這種高性能粘膠帶的不錯(cuò)選擇。卷膜機(jī)是將聚四氟乙烯生料帶薄膜進(jìn)行放卷，經(jīng)過特殊的薄膜表面涂膠設(shè)備單面涂膠后再收卷的機(jī)器。針對(duì)不同材質(zhì)的生料卷，對(duì)卷膜機(jī)的要求不同。對(duì)于半透明的聚四氟乙烯薄膜的生產(chǎn)加工，現(xiàn)有卷膜機(jī)并不能很好適用，主要存在如下問題：1）生產(chǎn)過程中的薄膜張力不穩(wěn)定，膠帶變形；2）卷筒卷徑變化時(shí)，薄膜線速度變化，涂膠質(zhì)量不佳；3）收、放卷氣漲軸多為懸臂梁，其平行度會(huì)隨生產(chǎn)時(shí)間的加長而降低，進(jìn)而影響膠帶質(zhì)量。文獻(xiàn)[1]對(duì)卷膜機(jī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究，但其方案并沒有給出方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[2]對(duì)卷膜機(jī)設(shè)備中的張力控制進(jìn)行了研究，但并未考慮到總體方案設(shè)計(jì)中如何同時(shí)保證速度恒定的問題。所以，現(xiàn)在急需設(shè)計(jì)一臺(tái)滿足聚四氟乙烯膠帶生產(chǎn)需求的卷膜機(jī)。

1 集成理論概述

文獻(xiàn)[3]顯示，70%的產(chǎn)品質(zhì)量問題是設(shè)計(jì)時(shí)候所造成的。好的設(shè)計(jì)不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量,還可以降低產(chǎn)品的成本。而設(shè)計(jì)方法的選擇是改進(jìn)質(zhì)量、降低成本的關(guān)鍵。

QFD意為質(zhì)量功能配置，是將顧客需求轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)要求的有效工具，其核心是質(zhì)量屋（HOQ）的建立[4]。

TRIZ意為發(fā)明問題解決理論，其理論體系主要由TRIZ理論基礎(chǔ)、分析工具和知識(shí)庫工具三個(gè)部分組成[4]。

KANO模型可以用來表明產(chǎn)品的特征和功能對(duì)顧客的重要程度。KANO模式把顧客需求分為基本需求、功能需求和興奮需求三類[5]。其分類對(duì)應(yīng)的顧客滿意度曲線如圖1所示。

圖1 KANO模型

QFD與TRIZ的集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論已經(jīng)有不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，其成果也應(yīng)用到許多實(shí)例的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中[6]。但是，在使用該方法之前，用戶需求的獲取、分類和各項(xiàng)需求之間的重要度判斷卻鮮有研究。用戶的各項(xiàng)需求之間的分類和重要性判斷直接影響著產(chǎn)品后續(xù)的設(shè)計(jì)過程和制造成本，并最終決定著用戶對(duì)產(chǎn)品的滿意程度。文獻(xiàn)[6]對(duì)于KANO模型修正QFD方法對(duì)顧客需求重要度進(jìn)行了理論研究，但并未將其應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。因此，將KANO模型、QFD和TRIZ理論進(jìn)行集成，建立起由顧客需求到技術(shù)需求再到設(shè)計(jì)方案的集成產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程。

以上三種理論在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)過程中起著不同的作用。在獲取用戶需求后，通過KANO模型對(duì)需求進(jìn)行分類、分析，得出其重要度。QFD根據(jù)顧客需求及其重要度，以結(jié)構(gòu)化的方式確定需要解決的問題和產(chǎn)品的工程技術(shù)參數(shù)。然后，借助于TRIZ理論中的工具，實(shí)質(zhì)性的解決QFD所不能解決的問題。其創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 KANOQFDTRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

2 基于KANO、QFD、TRIZ集成理論的卷膜機(jī)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的膠帶產(chǎn)品，特別是聚四氟乙烯膠帶產(chǎn)品，其生產(chǎn)過程包括三個(gè)階段：1）筒狀原料膜進(jìn)入涂膠處理設(shè)備的放卷階段；2）原料膜在涂膠設(shè)備中的表面處理階段；3）涂膠薄膜卷成筒狀的收卷階段。這整個(gè)過程需要特制的卷膜機(jī)來完成。根據(jù)上述創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程，對(duì)卷膜機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，步驟如下：

1）獲取客戶需求，通過KANO模型對(duì)客戶需求進(jìn)行分析、分類，并確定各項(xiàng)客戶需求的重要度。

2）將各項(xiàng)客戶需求及其重要度導(dǎo)入HoQ中，完善質(zhì)量屋，得出卷膜機(jī)的技術(shù)需求及其相互關(guān)系。

3）分析技術(shù)需求及其相互關(guān)系，將技術(shù)需求中負(fù)相關(guān)的技術(shù)需求運(yùn)用TRIZ進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，化解沖突。

4）綜合分析沖突解決方案和各項(xiàng)技術(shù)需求，最終得出滿足顧客需求的設(shè)計(jì)方案。

2.1 顧客需求分析

針對(duì)本次卷膜機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用客戶直接提出需求和查找相關(guān)資料的方式得出如下顧客需求：張力恒定可調(diào)、速度恒定可調(diào)、收卷整齊、涂膠質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、結(jié)構(gòu)合理、工作可靠等，記為CR1、CR2、CR3、CR4、CR5、CR6、CR7。對(duì)于每一項(xiàng)客戶需求通過如表1所示的正反兩個(gè)問題進(jìn)行調(diào)查（以涂膠均勻質(zhì)量好為例）。

表1 問卷調(diào)查表

根據(jù)顧客對(duì)同一需求項(xiàng)兩個(gè)相反問題的不同反饋將該項(xiàng)顧客需求進(jìn)行分類。例如，對(duì)涂膠質(zhì)量好這一項(xiàng)需求，顧客對(duì)正向問題的回答為“喜歡”，對(duì)反向問題回答為“不喜歡”，則這一需求為功能需求。可能出現(xiàn)的25種不同的結(jié)果及其分類如表2示。

表2 顧客需求分類表

需要注意的是，在表2中，基本需求、功能需求和興奮需求是需要的結(jié)果。其他三種結(jié)果分別為可疑結(jié)果、反向結(jié)果和不關(guān)心，這是不需要的，應(yīng)排除[7]。將每一項(xiàng)顧客需求作如上分析之后，統(tǒng)計(jì)后得出結(jié)果如下：

基本需求：CR5、CR6、CR7。

功能需求：CR1、CR2、CR4。

興奮需求：CR3。

采用專家小組打分的方式，得出CR1、CR2、CR3、CR4、CR5、CR6、CR7對(duì)應(yīng)的初始重要度矩陣為IR1=（5,4,4,5,5,4,5）。對(duì)于分類為基本需求、功能需求和興奮需求的各項(xiàng)顧客需求，分別賦予2、1、1/2的修正量。得到修正后的重要度矩陣為IR2=（6,5,4.5,6,7,6,7）。

2.2 質(zhì)量屋的搭建與分析

在參考各方面資料后，得到卷膜機(jī)設(shè)計(jì)所需的技術(shù)需求和參數(shù)主要包括：速度參數(shù)、張力參數(shù)、薄膜平整、簡支梁、換卷快捷、自動(dòng)控制、系統(tǒng)剛度等。結(jié)合顧客需求重要度信息，建立如圖3所示的質(zhì)量屋。

圖3 卷膜機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量屋

顧客需求與技術(shù)需求相關(guān)矩陣中：強(qiáng)相關(guān)記3分；一般相關(guān)記2分；弱相關(guān)記1分；無相關(guān)記0分。技術(shù)需求相關(guān)關(guān)系矩陣中：正相關(guān)記為+；負(fù)相關(guān)記為-。對(duì)質(zhì)量屋進(jìn)行分析，得到以下信息：1）根據(jù)技術(shù)需求與顧客需求之間關(guān)系，技術(shù)需求按照其重要度得分重新排序?yàn)椋鹤詣?dòng)控制、系統(tǒng)剛度、換卷快捷、速度參數(shù)、薄膜平整、張力參數(shù)、簡支梁；2）依據(jù)技術(shù)需求相互關(guān)系矩陣，得到兩對(duì)負(fù)相關(guān)特性，一是速度參數(shù)與張力參數(shù)，二是簡支梁與快速換卷之間的矛盾。

2.3 沖突解決

將第一對(duì)負(fù)相關(guān)特性詳細(xì)表述為：在卷膜機(jī)現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)條件下，如果保證了薄膜的速度恒定，那么張力就無法控制。同理，如果保證力矩可調(diào)，速度則無法保證隨時(shí)恒定。即薄膜的速度和張力之間相互存在沖突。在TRIZ理論中，該沖突屬于技術(shù)沖突，可以借助矛盾矩陣進(jìn)行求解。

首先，通過查詢39個(gè)工程參數(shù)，將問題標(biāo)準(zhǔn)化。這里與薄膜的速度和張力對(duì)應(yīng)的工程參數(shù)為：速度（No.14）和力（No.15）[8]。然后，通過查詢矛盾矩陣，找到對(duì)應(yīng)的原理解是No.13（反向作用）、No.28（機(jī)械系統(tǒng)的替換）、No.15（動(dòng)態(tài)特性）和No.12（等勢性）。通過對(duì)上述發(fā)明原理進(jìn)行深入研究之后發(fā)現(xiàn)：NO.13和NO.28發(fā)明原理對(duì)解決負(fù)相關(guān)特性幫助最大。

原理的詳細(xì)解釋如下：1）No.13：（1）用相反的作用代替問題定義中所規(guī)定的動(dòng)作；（2）讓物體或環(huán)境的可動(dòng)部分不動(dòng)，不動(dòng)部分可動(dòng)；（3）將物體上下顛倒或內(nèi)外翻轉(zhuǎn)。2）No.28：（1）用光學(xué)系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)、味覺系統(tǒng)或嗅覺系統(tǒng)代替機(jī)械系統(tǒng)；（2）使用與物體相互作用的電場、磁場、電磁場；（3）用運(yùn)動(dòng)代場代替靜止場，時(shí)變場代替恒定場，結(jié)構(gòu)化場代替非結(jié)構(gòu)化場；（4）利用場與鐵磁粒子的聯(lián)合使用。

根據(jù)發(fā)明原理13（反向作用）可啟發(fā)得到這樣構(gòu)思，既然收卷的驅(qū)動(dòng)端無法實(shí)現(xiàn)張力調(diào)節(jié)，可在放卷端加入一個(gè)反向制動(dòng)力，可以通過調(diào)節(jié)這個(gè)制動(dòng)力的大小，來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)薄膜的張力。同時(shí)，結(jié)合發(fā)明原理28（機(jī)械系統(tǒng)的替換）中關(guān)于引入磁場的概念，通過查詢搜索發(fā)現(xiàn)一種磁粉制動(dòng)的裝置。該裝置能通過調(diào)節(jié)磁粉的吸附多少來調(diào)節(jié)制動(dòng)力的大小。這樣的情況下，當(dāng)薄膜的張力過大（或過小）時(shí)，便可減少（或增加）磁粉的吸附量來調(diào)整放卷端制動(dòng)力的大小，從而保證薄膜的張力穩(wěn)定。

對(duì)第二對(duì)負(fù)相關(guān)特性采用同樣的流程進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：該矛盾屬于物理矛盾，使用空間分離原理所對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理分析該矛盾發(fā)現(xiàn)，NO.15動(dòng)態(tài)法可以解決其矛盾沖突。設(shè)置如圖4的收放卷快拆軸承座。創(chuàng)造性地將軸承座改進(jìn)為可以快速變換為兩種形態(tài)的結(jié)構(gòu)。很好地化解了設(shè)計(jì)中的矛盾，滿足了簡支梁結(jié)構(gòu)和快速換卷的要求。

圖4 快拆軸承座示意圖

2.4 得出總體方案

從技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論來看，最終卷膜機(jī)會(huì)沿著高度自動(dòng)化，高效率的方向進(jìn)化。將TRIZ提出的指定矛盾解決方案和現(xiàn)有的卷膜機(jī)設(shè)計(jì)的成熟技術(shù)進(jìn)行綜合，得出該卷膜機(jī)的總體方案如圖5所示。

圖5 卷膜機(jī)設(shè)計(jì)方案圖

該卷膜機(jī)按照薄膜運(yùn)行路線主要由放卷系統(tǒng)、展平彎輥、薄膜涂膠處理設(shè)備、收卷系統(tǒng)以及糾偏系統(tǒng)組成。其中，放卷系統(tǒng)為控制張力恒定可調(diào)的獨(dú)立閉環(huán)控制系統(tǒng)；收卷系統(tǒng)為控制速度恒定可調(diào)的獨(dú)立閉環(huán)控制系統(tǒng)；糾偏系統(tǒng)為獨(dú)立的閉環(huán)控制系統(tǒng)。上述各個(gè)部分依次固定在強(qiáng)度足夠的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)鋁型材機(jī)架上。在方案確定后，后期對(duì)其進(jìn)行三維建模，得如圖6所示虛擬樣機(jī)圖。

圖6 卷膜機(jī)虛擬樣機(jī)圖

3 結(jié)論

本文將KANO模型、QFD和TRIZ理論進(jìn)行集成，三種方法在產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)中各自發(fā)揮自己的優(yōu)勢，互相補(bǔ)充和促進(jìn)，形成一套產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程。在充分分析顧客需求的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有的卷膜機(jī)設(shè)計(jì)存在的一些問題，以QFD為主要框架將顧客需求轉(zhuǎn)化為技術(shù)需求，指明創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方向，并以TRIZ創(chuàng)新方法為工具解決設(shè)計(jì)中遇到的問題。通過一個(gè)快拆軸承座的設(shè)計(jì)解決了簡支梁和快速換卷之間的矛盾，保證了系統(tǒng)剛度和氣漲軸平行度的同時(shí)提高了換卷的效率。通過將速度控制和張力控制系統(tǒng)分別置于放卷端和收卷端的方法解決了同時(shí)控制張力恒定與速度恒定的矛盾。綜合其他關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題最終得出卷膜機(jī)的創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)，并通過電腦三維建模得出虛擬樣機(jī)圖。既解決了卷膜機(jī)設(shè)計(jì)遇到的問題，提高了卷膜機(jī)的性能和效率，同時(shí)也證明了KANO模型、QFD和TRIZ集成理論的可行性。

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