基于TRIZ理論與結構類比源分析的產品結構設計創新*

于婷婷 趙德宏 楊謝柳

(沈陽建筑大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110168)

結構設計是產品開發的首要環節，是產品的功能、質量、成本、市場競爭力等各方面的關鍵影響因素。裝備制造業是推動制造業升級轉型的保證，提高綜合國力、促進國民經濟發展的重要因素[1]。創新驅動發展戰略對制造業提出了創新設計的高要求，產品的結構設計創新是裝備制造業轉型升級的重要步驟。

譚建榮等提出創新設計十大基礎科學問題研究體系，并以數控機床為例，提出創新設計關鍵技術[2]。尚欣等[3]應用 TRIZ理論設計了一種可以自動理料的餐具包裝機，改善了餐具清洗、消毒、包裝過程中的低效率和高勞動強度的現狀。周升等[4]應用TRIZ理論提出包裝盒成型裝置。楊友勝等[5]應用TRIZ理論對深海水液壓電磁閥的工作特性進行分析，為海洋機電裝備的水深壓力補償提供新方法。以上研究都是基于單獨的TRIZ理論進行分析研究的，本文提出一種將TRIZ理論和類比源分析相結合的創新設計方法，打破了創新設計的認知機理與思維規律。

1 TRIZ原理

發明問題解決理論(TRIZ)是一套通過解決發明創新過程中出現的問題從而實現創新的理論體系。經過幾十年的發展，TRIZ理論已經成為了一套集成多方思想的系統化的思想理論體系[6-7]，TRIZ理論能夠幫助發明者提供創新思維，快速準確地找到問題的本質沖突及其相應的創新解決方法，提高發明創新的成功率。TRIZ理論的基本內容主要包括技術系統進化法則、提升創新設計效率的最終理想解、為解決技術問題提供強有力工具的40條發明原理、查找發明問題對應解決原理的矛盾矩陣表等內容[8]。

發明者將自己創新過程中遇到的問題轉化為TRIZ通用工程參數后，根據改善參數和惡化參數，通過查找矛盾矩陣表，即可確定相應的多條TRIZ發明原理，發明者通過篩選即可確定最理想的解決方案[9]。

2 類比分析

2.1 類比原理

結構類比原理，是利用兩個或兩個以上的現有成功設計實例，通過對比和推理產生新設計的發明原理[10-11]，類比設計過程的關鍵在于找到現有的成功的設計案例作為源設計，并將其與待設計部件的作用機理通過相似性聯系起來[12-13]。類比設計的作用原理如圖1所示。

圖1中A表示已有的成功解決的發明問題，即源設計；α表示源設計解決途徑；B表示已有發明問題的解法；A′表示待發明的問題，即目標設計；α′表示目標設計解決途徑，B′表示目標設計的解法；即A通過方法α實現B，A′通過方法α′實現B′；且發明問題A及其解法B是在已有發明創新中尋找出來的與待發明問題A′及其解法B′在解決的問題或實現的創新上具有相似性的事件，所以A′與A之間存在相似性n，B′與B之間同樣存在一種隱藏的相似性q，可以根據α得到α′，在待解決的發明問題中，可根據 A′及α′得到待發明問題的理想解法B′。

2.2 結構類比源分析

通過對產品結構沖突的提取以及產品結構功能相對重要性的分析，可以對產品結構進行加權評價。為判斷結構需求和產品功能之間的相關性，可以建立產品結構功能模型，獲取產品相對權重值，而后建立結構相似矩陣P，元素Pij=0，1；若Pij=1，則表示結構i具有功能j，若Pij=0則表示結構i不具有功能j。

將結構功能相似度矩陣進行標準化，通過標準化后矩陣判斷出在產品設計過程中起決定作用的結構，并以此判斷出結構需求和結構流集的相關性，后續設計選擇相似度高的結構進行。在相似度關聯矩陣的構建過程中可以引入矩陣代數理論消除創造者主觀因素對矩陣的影響將矩陣標準化，也可以應用Python軟件編制產品結構相似度矩陣標準化操作界面。

2.3 基于TRIZ的類比設計

基于TRIZ的類比源分析過程如圖2所示。在圖2中，A表示現有的成功發明案例;A′表示要發明的問題;α和α′表示39個標準工程參數，物場模型等;B表示現有成功發明中的轉換TRIZ問題;B′表示要發明的問題中的變換TRIZ問題;β和α′表示TRIZ理論中的40個發明原理以及76個標準解等;C表示現有成功發明中的TRIZ通用解決方案;C′表示 TRIZ在發明問題上的一般解決方案。

3 結構設計創新過程模型的創建

基于TRIZ理論和類比源分析的結構設計創新過程模型的創建按如下幾步進行：

(1)產生類比源設計結果

確定創新設計中的技術矛盾，將所獲得的技術矛盾轉化為TRIZ問題A之后，進行技術矛盾求解，再找到與該TRIZ問題相對應的特定TRIZ問題A′，同時從操作β中找出與A′對應的特定操作β′。借助于β′得到TRIZ特解和設計實例，即結構類比源設計結果。該過程可以確定技術矛盾的基本解決方法。

(2)建立產品結構相似度矩陣P

進行類比源結構分析，基于TRIZ理論和類比源分析結果，建立產品結構相似度矩陣，應用矩陣代數理論對矩陣P進行標準化，以判定在產品結構設計中起決定性作用的結構。結構相似度矩陣P標準化過程中需滿足如下兩個條件：

①目標設計與源設計具有的重要性相同。

②對產品結構相對權重值進行標準化處理。

(3)結構類比設計過程

通過對高相似度的結構的分析選擇，經過類比聯想等，獲得結構創新方案。

(4)結構設計

基于TRIZ理論和結構類比源矛盾體的分析結果，將二者結合，并將采用的類比機構及其解決的工程問題匯總，得到系統的產品結構設計創新方案,如圖3所示。

(5)產品結構設計評價

通過仿真實驗方法對結構設計方案進行評價，若該結構創新方案滿足用戶需求，則繼續進行后續的設計生產；若不滿足用戶需求，則重新進行設計。

4 工程實例分析

以除板材之外的異型石材制品加工部件為例，目前用于石材鋸切加工的圓盤鋸片屬于薄壁結構的磨削工具無法實現徑向切割和旋轉分度運動的同時進行，利用該結構設計創新過程模型發明一種單驅動可分度鋸切功能部件實現兩種運動的合成，提高石材加工的生產效率。

(1)基于TRIZ理論的分析

首先，從機械系統結構設計的角度，將設計中需要解決的工程問題表述為TRIZ理論的技術矛盾如圖4所示。要實現圓盤鋸片徑向切割和旋轉分度運動的合成，就需要鋸片能夠同時進行大扭矩高剛性鋸切運動與鋸切刀具旋轉分度運動的結合，因此在鋸切功能部件的基礎上，需要再增設刀具主軸的旋轉分度模塊。

增加分度模塊必然會增加伺服控制單元和機械系統分度結構，使部件結構復雜，即技術矛盾1；為了增加系統的加工精度與設備的可靠性，合成后的機械系統在滿足高精度分度的生產要求時，會導致機械系統分度鎖緊不可靠，即技術矛盾2；在鋸切功能部件的基礎上，需要再增設刀具主軸的旋轉分度模塊必然會使伺服控制單元和機械系統分度結構更加復雜，進而導致工作頭部件結構復雜、成本進一步提高，即技術矛盾3。

然后進行技術矛盾求解，通過標準工程參數分別將3個矛盾問題轉化為TRIZ標準問題，分別確定改善的參數和惡化的參數，查找阿奇舒勒矛盾矩陣表，分析選定發明原理12(等勢原理)、發明原理8(重量補償原理)和發明原理15(動態化原理)分別作為3個技術矛盾最具有價值的發明原理。

(2)建立產品結構功能相似度矩陣P

目前可選用分度機構方案主要有蝸輪蝸桿傳動機

構、消隙蝸桿傳動機構、伺服電機直驅結構、力矩電機結構和對齒離合器差動結構等。

蝸輪蝸桿傳動的優點是傳動比大、軸向占用空間較小，缺點是傳動效率和轉動速度低且單蝸桿傳動的分度精度也比較低；消隙蝸桿雖然分度精度高，能夠實現連續分度，但結構復雜，不能滿足部件的高轉速、大扭矩、高精度分度的要求；電機直驅結構能夠滿足高速傳動需求且傳動效率高、具有價格優勢；力矩電機雖然使得部件結構緊湊，但力矩的設計制造成本高，且同樣存在無法滿足大扭矩、高精度分度要求；對齒離合差動不僅可以滿足高精度分度和可靠性的要求而且具有價格優勢。現將各種結構的矛盾面匯總如表2。

表2 產品結構功能相似度矩陣

(3)功能類比設計過程

由表2知：減速傳動不僅能夠滿足大功率傳動的需求而且滿足可靠性需求，且其中的蝸輪蝸桿傳動具有價格優勢，消隙蝸桿還能夠滿足高精度傳動的需求，故綜合類比源分析結果，如表3所示，類比運用減速傳動、電機直驅和對齒離合差動機構，設計復合切削部件。

表3 基于TRIZ及功能類比的產品結構創新

(4)結構設計

基于以上分析設計如圖5所示的單驅動可分度復合切削部件，電機通過帶傳動機構將運動傳遞給傳動軸；傳動軸的一端安裝在主支撐箱體的上端，另一端安裝在連接件上；連接件通過兩個對擰的螺母支撐并固定在支撐箱體的上端；且本部件通過圓錐齒輪實現傳動軸垂直方向的旋轉向切削主軸沿垂直方向的旋轉的轉化，且圓錐齒輪與主軸箱之間有離合裝置通過油路實現離合；切削主軸可以自由旋轉，其兩端通過軸承、軸套以及軸承端蓋等固定在主軸箱上，主軸箱與連接件之間安裝有頂針軸承，使得主軸箱可以相對支撐箱體發生旋轉運動；主軸箱上安裝有液壓緊固裝置，且緊固裝置的上下圈通過離合裝置實現離合。該部件的分度精度可以達到0.002°，傳動比可達到2.6。

(5)產品結構設計評價

分別在部件主軸附件、主軸箱體、上箱體及結合面設置12組模態測試響應點。在主軸端部安裝檢驗棒，以此作為激勵點。實驗過程共分22個批次進，每次測試測量5點。根據實驗測得部件的四階模態固有頻率

及相應振型如表4和圖6所示，由實驗結果證明，該鋸切工作頭部件1階、2階振型都非常穩定，3、4階振型主要表現在滑板的局部振動上，該部件具有良好的穩定性和良好的動力學響應特性，能夠滿足大扭矩高剛度鋸切加工要求。

表4 鋸切工作頭部件模態測試結果

該部件比傳統結構節約了一部電機，實現了機械產品結構設計的創新。通過同一部伺服電機同時完成了主軸的切削和B軸旋轉分度兩個運動過程，使得機床結構變得更加緊湊、合理，從而解決了功能多樣化和結構簡易化的矛盾性問題；將主電機繞主軸方向的旋轉運動轉化為切削主軸沿垂直方向的旋轉運動，從而解決了大扭矩高剛性鋸切運動與鋸切刀具旋轉分度運動的矛盾性問題；通過采用直驅式分度結構和兩套機械式離合鎖緊裝置，提高分度精度、鎖緊可靠，從而解決了高精度分度與機械系統分度鎖緊可靠的矛盾性問題。

5 結語

(1)將TRIZ理論與結構類比相結合。從機械產品的實際需求出發，通過對產品功能沖突的提取，對產品結構進行優化，應用TRIZ思維對產品設計過程中的沖突進行分析，構建產品功能相似度矩陣等進而提出基于TRIZ和功能類比的產品結構設計創新思維方案。

(2)構建基于TRIZ和功能類比的產品結構設計創新過程模型，將該模型應用于單驅動可分度鋸切功能部件的結構設計中。以此過程模型為基礎制備的復合鋸切部件，將此部件安裝于各式龍門加工中心，使機床結構變得更加緊湊、合理，該部件獲得中國專利金獎，驗證了該產品結構設計創新過程模型的可行性與有效性。