基于TRIZ理論的多頭式螺絲刀設(shè)計(jì)

文/張同瓚 何祎文 盧紹田 王成軍（安徽理工大學(xué)人工智能學(xué)院）

在安裝拆卸操作中常用到螺絲刀，螺絲刀由于具有便捷、易攜帶的特點(diǎn)，成了裝修、機(jī)械維護(hù)、組裝等操作中不可或缺的工具。但傳統(tǒng)的螺絲刀在一些工作環(huán)境中仍有缺點(diǎn)。比如，本研究團(tuán)隊(duì)在備戰(zhàn)“中國(guó)大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽”期間，需要對(duì)不同類型模塊不同型號(hào)的螺絲刀孔進(jìn)行拆卸、松緊工作，需要隨身攜帶螺絲刀收納盒與螺絲刀配合使用，操作中不停更換螺絲刀頭，十分不方便，而且在攜帶的過(guò)程中容易出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象。

一些學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)螺絲刀的缺點(diǎn)開(kāi)展了研究，如楊晨團(tuán)隊(duì)基于TRIZ 理論（發(fā)明問(wèn)題解決理論）針對(duì)“一”字形和“十”字形螺絲刀做出了改進(jìn)，提出了一種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，可以讓螺絲刀頭在“一”字形和“十”字形螺絲刀頭之間來(lái)回切換，滿足了兩種螺絲刀類型的需求，而且有效地控制了成本。TRIZ 理論在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它已經(jīng)被成功應(yīng)用到輕量化破壁機(jī)、爬梯式行李箱、糧食收集機(jī)及無(wú)人機(jī)技術(shù)態(tài)勢(shì)研究等領(lǐng)域。為解決傳統(tǒng)螺絲刀的缺陷，本文應(yīng)用TRIZ 理論中的物場(chǎng)分析理論并利用技術(shù)矛盾矩陣找到問(wèn)題的突破口，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

一、TRIZ 理論概述及基于TRIZ 理論的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

1.TRIZ 理論概述

TRIZ 理論是一種用于解決矛盾的創(chuàng)新原理和法則，采用系統(tǒng)性思維方式與標(biāo)準(zhǔn)化思維工具，把特定問(wèn)題抽象化為標(biāo)準(zhǔn)的或一般性的問(wèn)題，然后采用標(biāo)準(zhǔn)的思維工具，最終得到有針對(duì)性的解決方案。

2.基于TRIZ 理論的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

本文根據(jù)TRIZ 理論的矛盾分析解決流程找到問(wèn)題的突破口，如圖1 所示，從“技術(shù)矛盾”“物理矛盾”“物場(chǎng)模型”依次來(lái)確定是否具有改進(jìn)的解法，第四步通過(guò)需求功能分析，經(jīng)過(guò)多次重新分析問(wèn)題，確定最終的具體方案。

圖1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

二、多頭式螺絲刀設(shè)計(jì)案例

根據(jù)TRIZ 理論相應(yīng)的分析流程尋找問(wèn)題的突破口，從“產(chǎn)品缺點(diǎn)”“產(chǎn)品在市場(chǎng)上的普及程度”入手來(lái)確定是否具有改進(jìn)的必要，并從“加工成本”“性能提升比例”“是否可以規(guī)模化生產(chǎn)”三個(gè)角度綜合考慮是否具有改進(jìn)的必要，并通過(guò)TRIZ 理論確定最終修改方案。

1.技術(shù)矛盾分析

技術(shù)矛盾包括以下兩個(gè)方面：

（1）提高使用方便性（可操作性）和降低生產(chǎn)率之間的矛盾。

（2）提高適應(yīng)性多樣性與降低生產(chǎn)率之間的矛盾。

通過(guò)查詢39×39 矛盾矩陣，整理得到如表1 所示的解集。

表1 矛盾矩陣解集

由表1 可知，利用“28.機(jī)械系統(tǒng)的代替”可以有效解決存在的兩種矛盾。本文通過(guò)使用Soildworks 進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)出新的機(jī)械系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

2.確定解決方案

市面上的螺絲刀可分為手動(dòng)螺絲刀與電動(dòng)螺絲刀兩種類型。根據(jù)其他學(xué)者的數(shù)據(jù)分析可知，手動(dòng)螺絲刀相對(duì)于電動(dòng)螺絲刀，占據(jù)絕對(duì)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，有92%的人表示在日常生活場(chǎng)景中會(huì)使用手動(dòng)螺絲刀進(jìn)行維修工作，可見(jiàn)對(duì)手動(dòng)螺絲刀的改進(jìn)工作更有必要。此外，數(shù)據(jù)顯示有60%的用戶心理可承受螺絲刀的價(jià)格在50 元以下。市場(chǎng)調(diào)研顯示，螺絲刀的價(jià)格集中在30～60 元范圍內(nèi)，可見(jiàn)與用戶的預(yù)期價(jià)格大致重合。

基于以上數(shù)據(jù)收集與市場(chǎng)調(diào)研，本研究對(duì)手動(dòng)螺絲刀的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖2、圖3 所示。

圖2 基礎(chǔ)外觀結(jié)構(gòu)

圖3 內(nèi)部透視結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)的多頭式螺絲刀整體分為四個(gè)部分，如圖4 所示，即：1- 磁吸式扳手芯、2- 塑料刀柄、3- 儲(chǔ)存單元、4- 磁吸式螺絲刀芯。

圖4 多頭式螺絲刀結(jié)構(gòu)分析

其中，“磁吸式扳手芯”與“磁吸式螺絲刀芯”使用金屬材料制造，并設(shè)計(jì)出可作用于不同型號(hào)螺絲與螺母的刀芯；在“塑料刀柄”末端和“儲(chǔ)存單元”安裝刀芯的底部用磁鐵進(jìn)行制造，用于固定住磁吸刀芯與扳手芯。

塑料刀柄根據(jù)人體手部擰螺絲刀的工作結(jié)構(gòu)，采用人體工學(xué)設(shè)計(jì)，如圖5 所示，在進(jìn)行緊固螺絲刀的工作時(shí)，主要是通過(guò)拇指和食指的第二關(guān)節(jié)發(fā)力，提供一個(gè)向前的推力F1，并提供一個(gè)旋轉(zhuǎn)力F2，從而完成螺絲的緊固工作。通過(guò)多種結(jié)構(gòu)的反復(fù)測(cè)試，螺絲刀柄采用如圖4 所示的“葫蘆形”設(shè)計(jì)方案，表現(xiàn)為“兩頭粗，中間細(xì)”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，整體使用橡膠材料，不僅可以讓使用者在工作中更加舒適，而且可以提高工作效率。該方案可以有效增加推力F1，提供更大的旋轉(zhuǎn)力F2，不讓手指滑動(dòng)，而且中間較細(xì)部分的橡膠帶有一定的紋路，能進(jìn)一步增加旋轉(zhuǎn)摩擦力F2，并采用一定的特殊弧度設(shè)計(jì)，可以有效抵住拇指和食指的第二關(guān)節(jié)。在使用者反向握取螺絲刀柄時(shí)，可有效地契合在塑料刀柄尾部加裝的“磁吸式扳手芯”的人體工學(xué)設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步增加向前的推力F1。

圖5 緊固螺絲手握方式

接下來(lái)是主體部分的原理介紹，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6 所示，主要包括：5- 小徑圓柱、6- 大徑圓柱、7- 下拉按鈕、8- 固定彈簧、9- 螺絲刀芯固定處、10- 螺絲刀芯使用處。

圖6 主體部分零件介紹

其中，“小徑圓柱”與“大徑圓柱”采用空心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在一定程度上節(jié)省原材料。二者的作用：儲(chǔ)存單元中小徑圓柱與塑料刀柄進(jìn)行組裝，小徑圓柱穿過(guò)螺絲刀柄，并進(jìn)行固定，使二者不會(huì)分離（此處的“固定”是籠統(tǒng)上的定義，具體固定方式以實(shí)物為準(zhǔn)），并讓大徑圓柱抵住螺絲刀柄，其目的是留出充足的空間，將磁吸式螺絲刀芯從下拉按鈕上側(cè)裝入螺絲刀芯固定處。

下拉按鈕結(jié)構(gòu)如圖7、圖8 所示，整體采用塑料結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，圖示中的彈簧與扭簧采用市面普遍使用的上高碳鋼材質(zhì)進(jìn)行組裝。

圖7 下拉按鈕結(jié)構(gòu)圖一

圖8 下拉按鈕結(jié)構(gòu)圖二

圖7 中的結(jié)構(gòu)包括：11- 按鈕、12- 彈簧、13- 移動(dòng)卡槽、14- 旋轉(zhuǎn)卡槽。

圖8 中的結(jié)構(gòu)包括：15- 扭簧、16- 扭簧固定裝置、17- 彈簧末端固定孔。

圖9 為“塑料套”與“磁吸式螺絲刀芯”的裝配體。

圖9 螺絲刀芯與塑料套裝配體

圖9 中的結(jié)構(gòu)包括：18- 塑料突起、19- 塑料套。

塑料套上的“18- 塑料突起”是用來(lái)固定螺絲刀芯的，與“7- 下拉按鈕”相固定。其中塑料套采用聚丙烯塑料作為加工原料，這種材質(zhì)具有優(yōu)良的耐腐蝕性、耐磨性，并可以適應(yīng)多種環(huán)境。

在下拉按鈕進(jìn)行工作時(shí)：將“磁吸式螺絲刀芯”從上側(cè)裝入“螺絲刀固定處”，按下按鈕，在拉桿的作用下，移動(dòng)卡槽會(huì)被收起，向一側(cè)移動(dòng)，螺絲刀芯在重力的作用下，使得圖9 中所示的“18- 塑料突起”卡入移動(dòng)卡槽與旋轉(zhuǎn)卡槽中間，完成螺絲刀芯的裝載。

在需要取出“磁吸式螺絲刀芯”放置在“螺絲刀芯使用處”時(shí)：松開(kāi)按住的按鈕，向下拉動(dòng)按鈕，在兩個(gè)卡槽的帶動(dòng)作用下，使得裝入的“磁吸式螺絲刀芯”可以從“螺絲刀固定處”的下側(cè)露出，操作者從“儲(chǔ)存單元”中拔出“磁吸式螺絲刀芯”，同時(shí)“塑料突起”帶動(dòng)“旋轉(zhuǎn)卡槽”克服“扭簧”的旋轉(zhuǎn)力作用，最終被拔出。最后將“磁吸式螺絲刀芯”放置在“刀芯使用處”即可使用。

然后扭簧會(huì)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)卡槽恢復(fù)到原位，與此同時(shí)，“8- 固定彈簧”作用下拉按鈕的“16- 彈簧末端固定孔”，使之恢復(fù)到“刀芯固定處”的最上端的初始位置。

除了螺絲刀可攜帶多個(gè)磁吸式螺絲刀芯，外加如圖10 所示的磁吸式刀芯收納排，可以在工作中需要攜帶更多型號(hào)的扳手或者螺絲刀芯時(shí)攜帶更多數(shù)量的“1- 磁吸式扳手芯”和“4- 磁吸式螺絲刀芯”，且可用“20- 掛鉤”掛扣在鑰匙扣等上面，起到隨身攜帶的作用。

圖10 磁吸式刀芯收納排

圖10 中的結(jié)構(gòu)包括：1- 磁吸式扳手芯、4- 磁吸式螺絲刀芯、20- 掛鉤。

三、方案檢驗(yàn)與細(xì)化

矛盾矩陣有一個(gè)缺點(diǎn)：在技術(shù)系統(tǒng)“參數(shù)屬性”不明顯的情況下，矛盾矩陣表無(wú)法有效發(fā)揮作用。因?yàn)樵谟行┣闆r下，矛盾是不可見(jiàn)的，但問(wèn)題仍然存在，需要得到解決。此時(shí)，技術(shù)系統(tǒng)問(wèn)題的“結(jié)構(gòu)屬性”比較明顯，適合使用另一種方法——物場(chǎng)分析法進(jìn)行再次分析。

1.物場(chǎng)分析法概述

物場(chǎng)分析法是指從物質(zhì)和場(chǎng)的角度來(lái)分析和構(gòu)造最小技術(shù)系統(tǒng)的理論與方法。它建立在現(xiàn)有產(chǎn)品的功能分析的基礎(chǔ)上，是TRIZ 中一種重要的問(wèn)題描述和分析工具。表2 是關(guān)于物場(chǎng)模型的6 個(gè)一般解法。在實(shí)際問(wèn)題的解決中，系統(tǒng)的作用是非常復(fù)雜的，各功能相互交錯(cuò)，有利效應(yīng)和有害效應(yīng)共存。靈活運(yùn)用物場(chǎng)分析方法，將實(shí)際工作需要解決的問(wèn)題用物場(chǎng)模型進(jìn)行描述，有助于將需要解決的問(wèn)題格式化。

表2 物場(chǎng)分析法的6 個(gè)一般解法

利用物場(chǎng)模型對(duì)上述“多頭式螺絲刀”進(jìn)行分析，如圖11 所示，左側(cè)為未經(jīng)過(guò)改造的傳統(tǒng)手動(dòng)螺絲刀，在缺少S3 的情況下，可以看出S2 對(duì)S1 的作用是“效應(yīng)不足”。由表2 可知，由“一般解法4，5 或6”來(lái)解決此問(wèn)題，經(jīng)過(guò)綜合考慮，在此采用“一般解法6”進(jìn)行解答。經(jīng)過(guò)改造后的機(jī)械結(jié)構(gòu)加入一個(gè)新的儲(chǔ)存單元S3，并引入新的機(jī)械場(chǎng)，使得S2 對(duì)S1 的作用更加充分，即圖11 右側(cè)的物場(chǎng)模型。

圖11 物場(chǎng)模型

2.細(xì)化改進(jìn)

原產(chǎn)品為直接在“磁吸式螺絲刀芯”增加“塑料突起”的結(jié)構(gòu)，但考慮到螺絲刀芯的加工成本，需要對(duì)原有的生產(chǎn)線進(jìn)行升級(jí)改造，這將使企業(yè)的負(fù)擔(dān)加重。本研究對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，采用一種外加塑料套的方法來(lái)固定刀芯，從而可以直接利用市面上已經(jīng)成型的規(guī)模化生產(chǎn)的“磁吸式螺絲刀芯”用于本產(chǎn)品的組裝，大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，更有利于產(chǎn)品打入市場(chǎng)。

3.改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)

可以一次性攜帶至少7 枚螺絲刀芯，在日常生活中螺釘類型使用較少的情況下，只需要攜帶一個(gè)螺絲刀即可，省去了螺絲刀芯收納盒。這在一定程度上起到了避免“螺絲刀芯”放丟失的作用。

塑料刀柄末端的“磁吸式扳手芯”，可以代替扳手的功能，起到擰螺母的作用，可以用來(lái)緊固M1.4—M5型號(hào)的螺母。

塑料刀柄采用塑料材質(zhì)進(jìn)行加工，并與人體工學(xué)設(shè)計(jì)相結(jié)合，可以在很大程度上增大摩擦力，并可以讓使用者有更加舒適的體驗(yàn)。

四、完整的工作流程

在工作中執(zhí)行拆卸和組裝任務(wù)時(shí)，提前選好需要使用的螺絲刀芯類型（最多支持?jǐn)y帶7 個(gè)螺絲刀芯）與需要用到的扳手型號(hào)。將“磁吸式扳手芯”安裝在“塑料刀柄”末端的凹槽中，確保磁鐵將其吸住。

然后進(jìn)行“磁吸式螺絲刀芯”的安裝，按住下拉按鈕，把螺絲刀芯從“刀芯固定處”的上側(cè)裝入，確保“塑料突起”卡入卡槽之中，在需要更換螺絲刀芯時(shí)，從“刀芯固定處”的下側(cè)取出，取替“螺絲刀芯使用處”的刀芯即可完成更換。

在使用扳手緊固螺母時(shí)，只需要將“多頭式螺絲刀”反向拿取，即可對(duì)螺母進(jìn)行松緊操作。

五、結(jié)論

為克服同一類型傳統(tǒng)螺絲刀、螺絲刀芯容易丟失、在高空作業(yè)時(shí)不便更換刀芯，以及在擰螺母時(shí)需要另外攜帶扳手工具的問(wèn)題，基于TRIZ 理論設(shè)計(jì)了一種新型螺絲刀，具體結(jié)論如下：

（1）通過(guò)分析現(xiàn)有螺絲刀的缺點(diǎn)，結(jié)合產(chǎn)品在市場(chǎng)中的普及程度，通過(guò)技術(shù)矛盾分析并結(jié)合39×39矛盾矩陣表，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，并合理提出問(wèn)題的解決方法——使用機(jī)械系統(tǒng)代替。經(jīng)過(guò)物場(chǎng)模型再次進(jìn)行分析，可以有效解決發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。同時(shí)，基于TRIZ 理論設(shè)計(jì)的螺絲刀可為同類作品提供設(shè)計(jì)參考。

（2）所設(shè)計(jì)的多頭式螺絲刀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工成本低，環(huán)境通用性強(qiáng)，可以廣泛地應(yīng)用于零件組裝中，從而節(jié)省工作時(shí)間，提升工作效率。