基于INPD方法的顆粒物料包裝機設計研究

李宇晗 范旭東

關鍵詞：iNPD TRIZ 顆粒物料包裝機 改良設計 流程優化

引言

通過市場調研發現，顆粒包裝機械在當今機械設備領域內占有重要的一席之地，但是發展較為滯后，存在一系列問題：包裝的速率和精度都缺乏一定的競爭力，智能化水平較為低下，人性化設計方面略顯不足，一些不合理的裝置及操作方法容易造成工人生理與心理健康方面的問題。在以用戶為中心的設計理念大行其道的今天，針對欠缺人性化考量的顆粒物料包裝機提出優化設計方案迫在眉睫。

iNPD法是高效的產品開發方法，尤其是其中的SET因素分析[1]更是被廣泛運用到產品的前期機會探索中，TRIZ作為創新系統理論運用到iNPD的流程之中，不僅可以加速產品開發速度，更可以提升創新方案的質量與科學性。本文基于iNPD與TRIZ復合的方法，通過前期利用SET因素分析尋找產品在市場機會中的缺口并進一步理解市場機會[2]，在產品機會概念化設計階段結合TRIZ創新原理進行設計，開發一款符合人機工學和需求的顆粒物料包裝機。

一、TRIZ理論在iNPD方法中的應用

iNPD（integrated New Product Development）設計方法是由卡耐基梅隆大學的Craig Vogel和Jonathan Cagan[3]為解決一體化新產品開發問題，開發出的全新設計方法。iNPD包括如下幾個階段[4]，如圖1所示。

TRIZ擁有8大技術系統的進化法則、40個系統發明應用原理以及阿奇舒勒矛盾矩陣，當一個問題解決者面對一個沖突時，首先從TRIZ中定義的39個工程參數中，通過匹配每個矛盾的含義來搜索合適的參數。然后通過矛盾矩陣，用戶可以指出合適的發明原則，并提出產生理想解決方案的方法，可以有效幫助系統設計者快速打破傳統思維的定勢[5-6]，尋求到解決問題的科學途徑。在TRIZ方法學的應用中，將TRIZ與其他方法相結合，以增強TRIZ方法學的優勢是目前的一個發展趨勢。

在iNPD方法中，識別機會階段采用的SET分析可有效識別到產品機會缺口[7]，在概念化機會階段，引入TRIZ理論對矛盾問題進行科學求解，依據這一復合設計方法得出的模型科學合理，具有一定的實際價值與可實踐性?；赥RIZ和iNPD的復合設計方法見圖2。

iNPD法是一種行之有效的科學流程開發方法，而TRIZ理論作為解決矛盾的一套理論體系，可以很好地融入iNPD方法之中，提升了iNPD法的普適性與科學性。二者的完美結合是一種符合時代需求的科學方法，可以普遍應用于各類創新產品的研發中，有助于設計者得到高質量產品并且加速創造創新的進程[8]。

二、識別機會

第一階段對顆粒物料包裝機存在的問題展開識別和選擇，進行實地體驗采訪和情景體驗。通過對顆粒物料包裝機工作進行觀察，同時設身處地地對工人的操作進行情景模擬體驗，發現產品的不足之處。在此階段的產品設計過程，很多設計師都犯了理想主義的錯誤，僅僅依靠過去的經驗與主觀意志進行設計，過分依賴主觀判斷從而忽視了一些重要的客觀因素，阻礙了創新設計的進一步發展。在此階段對顆粒物料包裝機進行SET因素分析，見圖3。并根據機會權衡矩陣，最終確定了顆粒物料包裝機操作過程的人性化、安全性、美觀性為產品機會。

三、理解機會

（一）市場調研

通過市場調研，選取了市面上最有常見的，并有一定代表性的四款顆粒物料包裝機產品樣機進行競品分析，具體樣式參見圖4。根據工人比較關注的屬性包括安全性/衛生性/省力性/可操作性/美觀/人情味/尺寸，制作問卷，邀請10名顆粒物料包裝機產品用戶進行打分，分值從0到5分，八項指標共計滿分為40分。四款產品總分分別為10、11、19、18分，與理想中的顆粒物料包裝機模型差距甚遠，尤其在安全性、美觀性、人情化等屬性上評分普遍偏低，可見當下市場上的顆粒物料包裝機都存在一定設計方面的問題。

（二）用戶調研

通過采用深度訪談法和參與觀察法，對上述參與評分的十位顆粒物料包裝機的操作工人進行了調查，并對其中重點訪談的三位工人在使用產品過程中進行了觀察記錄和深度訪談，發現在其使用過程中存在一系列問題：（1）裸露結構對于工人在操作過程中容易產生一定危險，并且對包裝機內部的顆粒物會造成一定污染;（2）對于工人而言，人力提升原料過程不僅費時費力而且對工人的健康造成一定的負面影響;（3）機器裝置尺寸不符合人機工學原理，操作起來十分不便，容易引發一系列的職業病;（4）包裝機顏色冰冷枯燥，容易對工人產生心理上的壓迫感等。通過觀察和訪談的結果，并結合識別機會階段的SET因素分析，提出了對目標產品改良設想：將設計重點設置在人機關系，注重生產車間的工人的生理特點，充分考慮用戶工作狀態與心理需求，設計出更適合他們操作、有感情有溫度的顆粒物料包裝機。

四、將TRIZ原理引入概念化機會

通過市場調研，基于顆粒物料包裝機的功能模型結合實際生產中產品存在的問題以及用戶的期望，從而確定產品的概念定義，利用TRIZ創新方法解決上階段提出的矛盾問題。

（一）問題描述顆粒物料包裝機作為此問題的系統，其功能是將顆粒物進行封裝。其中子系統含有各種顆粒物，操作工人，然而當前技術系統存在以下問題：（1）料倉的高度問題，方便工人倒料而又能滿足高度合理的問題;（2）裸露結構的安全問題與對于工人身體健康方面問題;（3）操作人員對機器運轉過程中的觀察十分不方便，而這容易造成一系列的生產安全問題;（4）界面操作的人機交互存在系列問題?；谏鲜鏊狞c，此次設計對象顆粒物料包裝機需要具有較高安全系數、外型美觀、人性化等特點。

（二）問題分析為了解決顆粒包裝機存在的技術矛盾問題，第一步將其轉為TRIZ通用模型問題[9]。進而將設計點一一對應TRIZ中的標準參數，運用 TRIZ 的矛盾矩陣法，獲取需要的創新原理，從而得到基于TRIZ方法的創新方案。

建立顆粒物料包裝機的功能模型，見圖5。對顆粒物料包裝機技術系統展開沖突細化，保持包裝機工作流程照常運作的同時優化整個流程。

1. 顆粒物料包裝機的人性化問題：結合工人的生產環境和操作情境，倒料過程中會損傷工人的腰椎及脊椎健康，并且機器過大的高度不方便工人進行觀察與操作，影響了工作效率。在針對操作顯示屏的設計上，也欠缺人性化的考量。對以上通用問題進行直接轉化，使之成為一系列關于TRIZ的標準問題，使用通用參數對該矛盾進行闡述，需要改進的參數為物體可操作性，惡化參數為復雜程度。在TRIZ的矛盾矩陣中，可以發現6號、12號、15號、24號、25號原理與之相關。關于人性化問題所應用的原理及釋義可見表1。通過對所有原理的可行性進行剖析后，最終選取6號多功能原理，提出一款可以自動殺菌的裝置;運用12號等勢與24號中介原理，設置一款提料機，可以減輕工人負擔，提升機器的工作效率。運用15號動態性原則，將機器不同面設計成可移動的結構，方便工人進行操作。交互面板的設計分為四大區域，分別為電腦操作屏、啟動區，數字鍵盤，檢查區域。檢查區域分為主機區域，工作區域，置料區域，按下按鈕，相應的區域可以活動。整個操作屏可以調節角度，適宜不同角度操作，如圖6。

2. 顆粒物料包裝機的安全性問題：根據調研顯示，安全性問題是包裝機在設計中最為重要的核心問題，而顆粒物料包裝機為了節約成本，以及方便維修，通常將包裝結構以及電機裸露在外面，飛揚的灰塵可能進入顆粒中，不僅不衛生，并且裸露的電機也對工人的安全造成極大威脅。如果要加強機器的安全性，就要設計一款外殼，收納所有結構，但與此同時會增加設備維修難度增大與可視化弱化。對以上通用問題進行直接轉化，使之成為一系列關于TRIZ的標準問題，使用通用參數對該矛盾進行闡述，需要優化的參數為可靠性，而惡化的是監控的困難程度與維修性。在矛盾矩陣中可以得到1號、11號原理與之相符合。與安全相符合的原理見表2。利用1號分割原則將機器的外殼進行分割，變成可移動的模塊，降低工人維修與觀察的難度。運用11號預補償原理解決，解決電機裸露的安全問題，如圖7。

3. 顆粒物料包裝機的美觀化問題隨著市場競爭的白熱化，符合大眾審美的外觀造型也逐漸也成為工廠的訴求之一。除此之外，機器的色彩過于冰冷，缺乏應有的情感溫度，容易對工人心理造成壓抑的感受，在設計過程中不應只簡單考慮功能作用，也要對外形進行相應的設計思考。從工廠的需求出發，工廠更渴望一款占地面積小，外形美觀，便于移動的包裝設備，并且整體采用模塊化設計，方便滿足不同包裝產品的需求，從而使整個產品在采購、制造和維護上更加方便。但是外觀的美化意味著企業更多生產成本投入。將上述若干通用問題的矛盾性轉化為一個TRIZ通用標準的矛盾問題，對比其TRIZ的矛盾性和通用工程的參數，描述此標準的矛盾問題，需要優化的通用工程參數是外形，惡化的是物質損失。在矛盾矩陣中可尋求到3 號、5號、32號原理與之契合，相符的原理和釋義如表3。通過對所有原理的可行性進行剖析后，最終選取5號原則將功能區域進行劃分，使包裝機具有簡潔、統一的視覺效果。以及32號改變色彩原理對機器的配色進行重新設計，最后通過綜合考量，選取白灰色與淺藍色的搭配作為最后的成品方案。可以在沉悶的環境中為工人師傅增添一抹亮色，安撫焦躁的情緒。改變了機器原有的機械感、冷漠感。

（三）最終解決方案依據上述問題與原理，針對如下幾個方面進行了創新方案設計：

（1）功能合理性：1.對機器裸露結構進行設計，設計一款部分透明的外殼結構，將裸露在外的容易污染的環節包裹其中，降低噪音的同時減少空氣灰塵污染;2.外殼被分割成多個可移動模塊結構，方便工人進行維修與操作;3.改進提升機裝置，占地空間小，減輕工人操作負擔;4.依據模塊化設計方法，分離與機身一體的傳送帶裝置，從而滿足不同工廠的需求。

（2）操作人性化：1.電腦操作臺和電機放置在機器外殼的右側，操作界面可以根據工人需求進行一定角度的旋轉，方便工人操作;2.電機位置的改變和傳統料斗的去除都有效地降低了整個機器的高度，更方便工人進行觀察。

（3）造型美觀性：1.在配色方面，考慮到工人的精神需求，采用亮灰色為機器主色，金屬藍作為輔色，色彩搭配穩重不失活潑，緩解工人審美疲勞感[10];2.在形體設計方面，采用不對稱結構，美觀大方，安全可靠。整體效果見圖8。

五、實現機會

在機會實現階段制作產品樣機模型，用于檢驗顆粒物料包裝機的功能，外觀以及人性化設計方面的問題優化是否合理。樣機具有如下特點：

（一）產品造型設計1.外形設計：改變了傳統的顆粒物料包裝機死板、缺乏美感的形態，對產品進行模塊化切割與功能區的劃分，形態更富有科技感與美感。

2.配色優化：對顏色搭配進行深度考究，打破原有機械帶給人冰冷的視覺感受與心里壓迫，突破原有單調乏味的色彩感，大面積的灰色搭配點綴的藍色，帶給人整體視覺感受穩重而不失靚麗。

（二）產品功能設計1.料斗提升機設計：在原料提升上做了優化改良，改變了以往需要工人人工提升的方式，而是選擇采用提升機提升原料，減輕工人生理上的繁重負擔，進一步提升了整體的工作效率。

2.傳送帶模塊化設計：將傳統包裝機一體化的傳送帶分離出來，變為模塊化組裝裝備，企業可以根據自身生產需求與生產空間大小自主選擇不同尺寸與形狀的傳送帶，在選擇上為其提供了更靈活多變的選項，可以滿足不同企業的需求。

（三）人性化設計1.操作界面優化設計：操作界面可以根據工人的需要進行一定角度的調節，滿足不同身高工人的使用需求，同時減輕工人長時間工作時對于頸椎造成的壓力。

2.安全性能優化設計：傳統包裝機在工作時，電機處于一個裸露的狀態，優化后將電機隱藏在機械內部，減少一些意外情況發生的概率，提升產品的安全性能的同時也起到了美化外觀的作用。

3.開放式結構設計：雖然整體是屬于封閉式的機械形態，但是包裝機各個操作模塊進行了半透明或者可推拉的結構改良，方便工人在操作過程中進行實時的觀察，對于異常情況可以進行及時處理。

（四）產品效果檢驗為檢驗最終產品的效果，對參與過第二階段的3名工人進行二次調查研究，均反映有很好的改進效果。機器在成本控制與功能之間也達到了很好的平衡，獲得了一定廠家的認同。產品模型見圖9。

結論

在iNPD流程中融入TRIZ創新原理的系統方法，通過前期利用SET分析產品機會，深入挖掘用戶的需求，加以TRIZ創新方法輔助概念設計，增強了設計系統的科學理論性與可實踐性，得到了一種創新的顆粒物料包裝機設計方案。結果表明，用此設計方法對顆粒物料包裝機進行功能與外觀的創新設計，對于操作者而言，能夠有效地滿足其生理與心理方面的實際需求，提升其工作效率。對于產品生產廠商而言，有效地降低了其產品的研發和生產風險，有助于進一步提升其企業經濟效益?？偟膩碚f，iNPD法與TRIZ已經成為實現系統創新的科學方法，通過提供系統和有效的解決問題的方法，幫助避免了解決問題的無效路徑。而這種基于二者的科學的設計方法，對其他機械產品的創新設計同樣有著極大的借鑒意義。