面向需求的勾花網自動卷網機創新設計

林科宏，成思源，楊雪榮，鐘瑞洲

(廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州 510006)

0 前言

現如今，隨著科技日新月異、經濟蓬勃發展，創新成為社會中不可或缺的一部分。創新是企業的核心競爭力，而產品創新是企業發展的動力源泉，很多企業在產品創新上加大投入。專利庫包含的專利信息是重要的技術信息，被用于技術變革和技術創新中，是占領市場的重要武器。

TRIZ理論是前蘇聯AHSHULDER在分析了不同學科領域大量專利的基礎上形成的一套完整的理論體系，是快速解決產品概念創新設計問題的方法學。TRIZ理論包含一系列工具，結合專利知識庫能有效縮短解決問題的周期。計算機輔助創新(Computer Aided Innovation,CAI)軟件包含大量的專利庫和基于自然語義的搜索，幫助設計人員打破專業壁壘，進行跨學科、跨領域的檢索，獲得相關解決方案，高效解決工程設計難題。

在對新產品進行創新設計時，目前研究和應用較多的是基于功能分析系統技術(Function Analysis System Technology，FAST)的功能分解方法。吳曉莉等運用FAST法，根據用戶對自行車的功能需求，建立功能樹，根據功能元設計出一款功能組合式自行車；陶紅莉通過FAST法，建立助行架的功能樹，通過形態學矩陣獲得不同助行方式的助行架，適用于不同老年人的需求；丁治中運用FAST法，建立家里迷你自行車的功能樹，分析了主要尺寸對騎行的影響，設計出符合人體工程學的車座；李君華和苗夢宇應用FAST法通過建立功能樹對城市救援車進行模塊化設計，降低了運行成本，提高了效率，證明了FAST法設計城市救援車的可行性；宋云應用FAST法結合仿生設計的理念，對滑沙板進行造型設計，證明FAST法可將產品功能整合進行設計創新。

但當運用FAST法進行較為復雜的產品概念創新設計時，存在一定的弊端。功能樹分解的子功能非常復雜，其邏輯關系極其抽象，子功能的原理解需要根據產品的實際問題進行分析，對工程設計人員的知識和經驗積累要求較高。本文作者提出一種基于TRIZ理論和CAI技術的產品概念創新方法：首先根據語義相近原則將產品需求分類為幾個子需求群，運用Goldfire軟件檢索其子需求群的工作原理，基于工作原理建立功能樹，并檢索實現功能元的載體，利用TRIZ和專利庫完成產品結構設計。文中以一種勾花網自動卷網機為例驗證此方法的可行性。

1 基于CAI與TRIZ的產品設計流程

文中提出了一種基于CAI技術與TRIZ理論的產品概念創新設計方法，其思路是進行子需求群劃分并通過科學效應和專利知識庫檢索工作原理，建立其功能模型。設計流程主要分4個階段：子需求分類、效應檢索與工作原理設計、功能模型構建、方案求解與侵權判定，如圖1所示。

圖1 基于CAI技術與TRIZ的設計流程

考慮到在設計的初始階段收集到的設計需求通常是無序的子需求，在產品的功能系統復雜的情況下，先將產品各子需求進行分類，檢索專利知識庫，獲得其工作原理。將藝術、成本類等需求分類為一個子需求群，剩余的子需求按照語義相近的原則分類為若干個子需求群。首先檢索子需求群的工作原理，然后根據工作原理定義各級子功能，最后根據各級子功能求解其功能載體。檢索子需求群的工作原理時，通過關鍵詞或自然語義定義其總功能，通過檢索相關科學效應得到啟發，構思產品子功能，實現總功能分解，最終獲得各級子功能。例如，總功能“回彈”，檢索到受迫振動效應，通過設想產品結構得到“施加驅動力”和“壓縮”這2個一級子功能。計算機輔助創新軟件Goldfire可以檢索同一功能不同領域的工作原理，并展示其動畫，最后給出工作原理的實際案例；STC算子可以轉換產品功能模型的尺寸()、時間()、成本()，然后檢索相關專利進行總結。

將產品設計需求分類成多個子需求群，充分理解其工作原理后，進行功能分解，可分解獲得復雜產品的一級子功能。由于一級子功能往往不能直接獲得對應的實體結構方案，通過進一步的功能元分解可有利于后續的方案設計。功能的分解可以借鑒相關專利的科學效應或工作原理，當功能元的工作原理可以直接用機構實現時則停止分解，然后結合TRIZ理論和CAI軟件進行產品功能原理解方案的設計。從子功能到功能載體通常有很多實現方式，這時可列出多種結構方案的形態學矩陣進行選擇，得到最優的實現方式。最后根據專利法判定是否侵權。

2 一種勾花網自動卷網機創新設計

2.1 勾花網收卷問題分析

勾花網是由勾花網機(菱形網機)對各種材質的金屬絲鉤編而成，可分為折邊縮把和擰邊鎖把2種，廣泛應用于高速公路設施、室內裝飾、動物園圍欄等場合。勾花網加工過程主要包括編網、修邊、卷網、裝袋等工序。目前，勾花網卷網方式有2種，其中一種是人工卷網，這種方式卷的網不緊，容易松松散散而且網的兩端不平整，最后需要人抬下卷輪上的網，耗時費力。企業對勾花網機提出如下要求：實現自動卷網功能，勾花網機卷成的網體積小，解決勾花網機卷網圓筒“內緊外松”現象，降低成本，適配現有的編網設備。

2.2 產品子需求分類

明確產品需求后，按照藝術、成本類需求把“成本低”和“適配現有編網設備”分類為一個子需求群，按照語義相近的原則把“實現自動卷網”和“勾花網機圓筒‘內緊外松’現象”分類為一個子需求群，把“勾花網機卷網體積小”分類為一個子需求群，如圖2所示。

圖2 產品子需求群分類

2.3 工作原理的檢索和設計

根據上述分析，把設計需求分類成幾個子需求群，子需求群的工作原理通過Goldfire軟件查找后，進一步分解成一級子功能。使用Goldfire軟件根據關鍵詞搜尋各個知識庫，或利用TRIZ理論進行方案設計，也可使用STC算子把勾花網參數進行增添和縮減，比如減少收卷物體的直徑、增加收卷物體的速度。使用Goldfire軟件檢索和總結包裝產品的科學效應和工作原理。根據“收卷物料”關鍵詞查詢獲得專利的工作原理及相關科學效應，如表1所示。

表1 科學效應及工作原理

對比各個工作原理的優點和缺點，工作原理(2)的氣漲軸轉動可使物料自動收卷，但是卸料后氣漲軸中心會“中空”，因此出現物料體積變大和松垮現象。工作原理(1)和(3)中心處無氣漲軸，但它們收卷后“內緊外松”的效果不如工作原理(4)。工作原理(5)的螺旋網絲是纏繞在圓環上，不適合勾花網卷網。由此可知，表1的工作原理(4)可以選用為子需求群1的工作原理，解決卷網后“內緊外松”的問題。

對于子需求群2的工作原理，當網片長度一定時，質量和長度保持不變，但其卷網體積要變小，這其中包含2對矛盾參數——質量和體積，長度和體積。針對技術矛盾問題，查找矛盾矩陣，參考編號14的曲面化原理得到啟發，將收卷樣式設計成如圖3所示，極大減少收卷體積，滿足設計要求。

圖3 勾花網收卷樣式

子需求群3屬于外觀、成本和方便性要求，可以在結構設計中完成，因此不進行原理設計。至此3個子需求群的原理設計全部完成。

2.4 結構及功能設計

為了滿足子需求群1，工作原理(4)是物料在多個轉速不同的轉動輪形成的收卷空間里，在摩擦力的帶動下轉動，完成收卷。獲得一級子功能“收卷”；收卷空間引導收卷物料進入，獲得二級子功能“引導”；在摩擦力作用下，收卷物料進行收卷，根據滑動摩擦力的大小計算公式為=和定義可知摩擦力的產生需要壓力和相對運動，獲得二級子功能“壓緊”和“轉動”；收卷物料需要動力才能不斷轉動，分解獲得三級子功能“提供動力”和“傳遞動力”；收卷物料不停轉動時，其直徑不斷變大，因此收卷空間也需要不斷變大，獲得三級子功能“擴大收卷空間”;為了滿足子需求群2，在收卷物料過程中需要限定其臂彎，獲得一級子功能“限位”。功能模型如圖4所示。

圖4 包裝系統功能模型

下面是功能元的載體設計。根據機械設計知識可將“傳遞動力”和“提供動力”對應設計成“鏈輪-鏈條”和“電機”，功能元“引導”對應于“人力”，而功能元“壓緊”根據摩擦力公式=需要正壓力，轉動輪本身重力可提供壓力，因此它本身可作為功能載體。功能元“擴大收卷空間”，可使用TRIZ工具功能導向搜索，將功能進行一般化處理，“勾花網”一般化為“基材”，“擴大收卷空間”一般化為“擴大容納空間”。將一般化的功能用詞輸入到Goldfire軟件查詢專利，得到專利CN109399287A,根據“收卷輥向上向外移動”獲得啟發，功能元“擴大收卷空間”的載體設計成“一個轉動軸向上向外移動”，如圖5所示。因此，功能載體設計全部完成，如表2所示。

圖5 “擴大收卷空間”功能載體求解過程

表2 功能元及其載體

接下來可以根據TRIZ理論和專利庫進行產品結構設計。對于功能元“擴大收卷空間”和“壓緊”進行結合時，轉軸裝置位置既要固定又要不固定，屬于物理矛盾問題。據此在Goldfire軟件自然語言檢索框輸入“隨收卷直徑增大不斷向上向外移動”可得2個典型的方案：專利CN2033381U的結構“螺旋軌道”隨收卷直徑增大，卷軸向上、向外移動，從動卷軸可以自動調整對主動軸的正壓力，鋁箔紙纏繞時的松緊度將得到保證，收卷空間將增大。專利CN202428758U的結構是氣缸帶動擺臂進行料模收卷。但是收卷裝置復雜，成本更高。而且考慮到勾花網的收卷速度與專利1基本一樣，經過綜合考慮，此設計采用了螺旋軌道結構以解決這一矛盾。

產品最終方案如圖6所示，機器的工作流程為：經過握邊系統完成的網片引導至由轉軸部件7、12和11組成的收卷系統。接著啟動電機14，3個轉軸部件帶動網片轉動，進行收卷。在螺旋軌道的轉軸部件11隨著收卷直徑的不斷增大而向上向外移動。完成收卷后，電機關閉，用扎帶捆卷好后，接著啟動氣缸13，支撐架9進行旋轉完成卸貨。

圖6 勾花網自動卷網機

使用SolidWorks三維軟件建出300根網絲組成9 m長網片的編織效果。如果使用人工包裝網片，產品直徑是439.81 mm。使用文中設計的包裝方案，直徑是233.63 mm，包裝體積比前者減少50%，方案對比效果如圖7所示。

圖7 9 m長的網片收卷直徑對比

根據專利法進行侵權判定,文中在設計方案中只引用了相關專利的局部技術特征方案，該局部技術特征方案沒有單獨進行專利申請；在此基礎上引入了新的技術方案，通過對比專利庫，沒有與此結構設計相似的專利，因此判斷方案不侵權。目前該設計方案已申請了專利。

3 結論

文中提出的面向需求的勾花網自動卷網機創新設計，將產品需求分類成若干個子需求群，借助專利庫技術檢索其工作原理，能在設計初期擺脫對自身知識的依賴，通過跨學科領域的知識檢索與再利用，在產品設計中打破知識壁壘，使設計過程有規可循，有章可依。通過TRIZ理論與CAI軟件的結合，可以加速知識獲取和加快創新設計。在如今各國加大對知識產權保護、市場對產品的開發質量和速度要求越來越高的背景下，可以提高工程設計人員的設計效率，降低開發成本，快速搶占市場。