产品创新设计方法研究

1公理设计理论

1990年美国麻省理工学院(MIT)的NamPyoSuh教授在《ThePrinciplesofDesign》书中第一次完整提出AD理论，随即在产品设计行业产生了重大影响［4］。1．1域和映射AD的重点在于如何将得到的产品信息转化成功能设计要求和如何选择最优的设计参数来满足这些功能要求，域和映射是AD中非常重要的概念。AD设计过程被分成4个设计域:用户域、功能域、物理域、过程域。其包含的相关元素分别为用户属性(ConsumerAttributes，CA)、功能需求(FunctionalRequirements，FR)、设计参数(DesignParameters，DP)、过程变量(ProcessVariables，PV)［5］。产品设计过程由相邻两个域的映射组成，如图1所示。相邻的两个域间，左边的域表示“要达到什么样的目标(what)”，而右边的域则表示“选择什么方法来实现左边域的要求(how)”。在不同的设计领域，不同的设计任务都可以由这四个域来描述［6］。1)用户域DCA。产品是为了满足用户的需求。DCA是产品整个功能的概要，为确定设计目标，产品设计作铺垫。2)功能域DFR，是将DCA中产品所有的信息转换成产品各设计功能要求，反映产品所具有的特定用途和各种特性。设计约束(DCS)是DFR中的元素，DFR的设计必须满足设计DCS的制约。3)物理域DDP，是对应DFR的产品结构总体的描述。是产品结构设计从抽象到具体整个阶段的反映。设计参数是DDP中能够实现DFR中功能要求的物理变量。DDP由设计参数的集合组成。4)过程域DPV，是对产品加工过程的描述，指实现设计参数的加工制造方法。1．2设计公理从功能域DFR向物理域DDP映射的过程中，当产品设计有两个或两个以上功能要求(DFR)时，设计结果必须是能够满足DFR中的每一个DFR而不影响到其它的DFR，即必须选择一组正确的设计参数(DDP)去满足DFR和保持各DFR相互独立。1)独立公理。是保持功能需求FR相互独立判断的依据。域与域之间的映射过程可用设计目标和设计参数的特征向量来表示，其数学表达如式(1)所示。因各域之间的映射过程雷同且独立公理重点是强调DFR与DDP的关系，故以DFR到DDP的设计为代表，讨论独立公理。把式(1)中的矩阵［A］称为设计矩阵。根据［A］的形式，利用独立公理即可以判别DFR中各个功能间的独立性。DFR相互独立的条件是设计矩阵［A］属于无耦合设计或解耦设计，即［A］必须是对角矩阵或三角型矩阵。2)信息公理。当存在多个设计方案时，可以采用信息公理对设计方案进行评价，选出最优的设计方案。

2TRIZ理论及运用

1946年俄国学者阿利赫舒列尔(G．S．Altshuller)和他的同事在研究大量专利后，首次提出TRIZ理论［7］。TRIZ解决问题的过程如图2所示。首先分析实际问题的类型，将问题用TRIZ术语表述;其次把问题转化为TRIZ的问题，查询相应的TRIZ工具，得出解决方案;最后将TRIZ解决方案与实际情况相结合，找出问题实际解。TRIZ理论用于分析问题是否有可遵循的科学方法和法则，帮助快速确认问题的关键，将TRIZ中的冲突和效应引入AD作为解决设计问题的工具，在AD中的产品概念设计功能到结构映射过程，运用TRIZ理论进行结构参数设计，得出设计矩阵［A］;若［A］不满足独立公理，再利用TRIZ理论中的技术法则将AD中的耦合问题转换成TRIZ理论的标准参数，用TRIZ理论解决AD中的耦合问题，使其解满足独立公理。

3基于AD与TRIZ组合的产品概念创新设计

分析AD和TRIZ得出两大理论在各自应用中有许多特点［8-11］:AD为设计建立了科学基础，给设计者提供了基于逻辑的、推理的思想过程;TRIZ用于揭示创造发明的内在规律和原理，澄清、强调产品创新设计中存在的矛盾，利用TRIZ工具完全解决矛盾，获得最终的理想解，可大大加快人们创造发明的进程而且能得到高质量的创新产品。两者都是从分析问题开始，AD是从产品功能出发，寻求满足功能要求的解，得到的解理论性很强，与实际可能会有偏差;而TRIZ是专家们从大量专利总结出来的，利用TRIZ指导完成的产品设计的解更接近实际。文中将两者组合，来指导产品概念创新设计。在AD中FR到DP的映射过程中引入TRIZ，使产品概念设计解更接近实际，弥补AD设计出来的解的不足，AD又能为TRIZ提供现成的问题分析，两者在功能和结构上能很好的弥补彼此的不足，组合运用，又能将两者的优点最大化，为产品概念创新设计提供方法和理论依据。其具体实施步骤如图3:该设计模型由4个模块组成，将4个模块有机结合起来，设计流程清晰，方法明确，基于AD与TRIZ组合设计的产品概念创新设计中，先对设计解进行定性分析，求解出设计方案，再对设计方案进行定量计算，找出最优设计方案，以便于最后的结果更接近理想值。

4基于AD与TRIZ组合的自动切片机设计

基于传统设计的切片机，是刀片和平台的组合体，如图4，其结构简单，操作还是由手工来完成，造成人力和物力的浪费，特别是切片处理多的场合，如:大型酒店、大学食堂等影响更明显。在总体功能要求不变的条件下，运用AD、TRIZ的产品设计方法、机械原理方法设计出一款自动切片机，其主要结构如图5所示。自动切片机的工作原理为:减速系统2、3对电机1输出速度进行变速处理，通过轮11与皮带传动轮5连接，在轮5与曲柄滑块连接，切刀7安装在装刀滑块6上，随着滑块6上下往复运动;同时以轮11为曲柄摇杆机构原动件，并在摇杆安装棘刺4，棘刺推动棘轮10转动，棘轮10转动的同时带动物料传送系统9运动进行运料操作，当被切物行进到切刀7正下方时，会被切除。考虑到被切物不一，各种物料的硬度、韧度不一致，所以对该机器的要求也不一样，为满足多样化要求，采用AD与TRIZ组合的产品概念创新设计方法从结构上对自动切片进行改进。4．1基于AD的功能设计变量分析4．1．1建立功能域的功能需求向量由自动切片机的工作原理可知，其工作时最基本的功能包括切料和送料。该机构的原动件是高速电机，需对初始速度进行减速处理，所以得有减速系统。4．1．2建立物理域的设计参数向量机器动力源为高速电机，其转速一般在1000～1500r/min之间，但设计终端切片所需要的转速是几十r/min。因此，需采用减速系统将电动机输出速度转换成所需速度。常用的减速机构有皮带传动、链传动、齿轮传动等。而链传动只能适用于链速v≤15m/s的场合，所以直接否定链传动。要满足皮带传动能够有效地传递动力，就要保证有足够的正压力。因为皮带与轮能实现传动完全取决于施加的正压力的大小，两者成正比的关系。但是电机输出的转速高，则要求减速从动轮半径大，这样不仅是减速轮尺寸增加，还会导致整个机构的尺寸也相应增加，间接还会增加制造成本。上述的分析现象在TRIZ中属于物理矛盾，表现为电机的输出转速既要大，又要小。应用分离原理中“将系统与反系统结合”的方法可以解决这一矛盾。于是得到DFR1:减速系统相应的结构参数DDP1:皮带轮齿轮传动。自动切片的动作是切刀能随着装刀滑块上下往复运动，若采用凸轮机构来实现刀具的往复运动，可以很好的控制刀具的运动，实现最优的运动轨迹，但运动轨迹在得到提高的同时，刀具传递的力不仅得不到提高，反而会有所降低，这会影响到切片时切削力可能不足，影响切片的效果。从TRIZ的角度看，这是一对技术矛盾。矛盾的一方面调节改善了切刀的轨迹因素，可靠性提高;另一方面造成了系统运动部件的能量不足，运动物体的能量损失。查阅TRIZ理论中的阿奇舒勒矛盾矩阵，我们得到了21，11，27，19发明原理［12］，如表1。再结合实际情况，我们选择27:低成本替代作为最终解决方案，在不影响切片效果，制造既方便又经济的情况下，于是得到DFR2:自动切片相应的结构参数DDP2:曲柄滑块机构。对于被切物的传送，既要满足间歇运动的要求，要输送被切物。开始想到用槽轮机构，但若想要改变切片的厚度时，用槽轮机构要改变切片的厚度很难实现，我们想到用飞轮(即许多齿轮)改变速度来实现且加上减速系统已有许多齿轮来，齿轮太多改变速度复杂且不太方便操作，于是否定了这个方案。最终选择了棘轮机构，棘轮机构可以很方便的实现切片的厚度，所以设计参数DDP3:棘轮机构。4．1．3建立原始设计矩阵由DFR到DDP的映射可知，各DDP与所对应的DFR是强联系，所以设计矩阵［A］的对角元素是X。设计参数DDP2:曲柄滑块机构和DDP3:棘轮机构的设计中都与输入转速有联系，而设计参数DDP1:皮带轮与齿轮传动的减速机构正是控制输入转速，所以DDP2、DDP3与DDP1分别相互有联系。虽然设计参数DDP2:曲柄滑块机构和DDP3:棘轮机构共一个曲柄轴，但两者运动是相互独立。4．2基于TRIZ中功能不足的改进处理消除A21上的X。A21上的X表示减速系统对自动切片机构存在影响。在设计过程当中，为能对尽可能多的物料进行切片处理，在刀片很难改进的条件下，则只能从刀片的进给速度进行调整，进给速度越大，动能也越大，刀片总的能量就越大，由能量守恒定理可知，刀片用来切片处理的能量越大，即可以切硬度、韧度高一点的物料。A21上的X是由于原始设计在实际应用中切片的性能和指标没有达到预期效果，造成切片的工作效率不足，即有用功能不足。依据基于AD与TRIZ组合的概念设计过程可知，在设计中，应该利用标准解法消除这个X。对于A21上的X，它的物—场模型如图6所示。其中，S1为切刀，S2为物料，F1为重力势能，F2为动能。图6表示在重力完全作用的前提下，要切既定硬度或韧度的物料只靠切刀的重力势能是不能完成的，即不能达到切硬度、韧度高的物料。由标准解法的运用流程可知，对有用功能不足的物—场模型，应该建立原始物—场模型后使用第二级标准解法，同时结合实际情况，可选择采用标准解NO．3:假如系统不改变，但永久的外部添加改变S2是可行的［13］。因此，为消除A21上的X且又尽量少的增加机器的复杂性，通过改变减速系统的传动比使曲柄滑块机构有不同的输入动能F2，即可以满足种类尽可能多的物料的切片处理，如图7所示。4．3基于TRIZ中矛盾法的改进消除A13和A31上的X。A13和A31上X的分别表示物料传送与减速系统之间存在相互影响。对于物料的传送，既要满足间歇运动的同时，又要满足通过改变进给距离而切出不同厚度的切片。物料传送是通过曲柄摇杆推动棘轮转动，棘轮每转过一个角度，物料带就会行进一段距离，而物料带前进的距离就是切片的厚度。棘轮停止转动的时间为了配合切刀从空行进刀切片处理空行回刀所需的时间，这就对减速系统和物料输送机构之间的运动关系提出了严格的要求。在TRIZ中，这实际上是一个未得到解决的技术矛盾，其关键元素是物料进给距离和切刀运动周期。其表现为:物料进给距离不能太短，以免切刀发生空切;反之，不能太长，太长会造成物料未被完全切断，就开始进行进给动作。查阅TRIZ理论中的阿奇舒勒矛盾矩阵，物料进给的长度是要得到改善，而减速系统引起的切刀运动时间是被恶化，所以我们得到了19发明原理，因只有唯一解，所以选择原理解NO．19:周期性作用。为消除A13和A31上的X且又尽量少的增加机器的制造成本和机构复杂性，我们想到了通过曲柄摇杆机构的曲柄长度和调节切刀的长度来解决这一对矛盾。切刀的长度调节没什么异议，为了简单化，没有单独设计曲柄，而是直接利用联动皮带轮的资源，如图5所示。把连杆与皮带轮的联接点到轴心的距离称作曲柄，这样不仅结构简单、制造成本低，最重要的是实际效果并不亚于另加曲柄。4．4基于独立公理的方案评价在完成上述两个改进，A21，A13和A31上的X都被消除，对矩阵［A］改进后的矩阵［B］为式(6)由独立公理可知，改进前的设计矩阵是耦合设计，改进后的矩阵是解耦设计，且解耦设计是优于耦合设计的，则可以判断出，设计方案是可行的。基于AD与TRIZ组合的产品概念设计方法贯穿整在自动切片机的设计到改进处理中，提供明确的设计目的和精确的设计方向。对自动切片机的设计能够顺利进行起到至关作用，同时也验证了该设计方法是非常成功，为今后的设计工作提供便利。因只有一个设计方案，也无需进行信息评判，即该设计结果就是最优方案。

5结语

利用AD和TRIZ理论间的互补性，将这两个当今设计领域被公认的设计理论整合，得出一套新的基于AD与TRIZ组合的产品概念创新设计方法。利用AD完成产品概念设计功能到结构映射过程，运用TRIZ理论进行结构参数设计，利用TRIZ理论中的技术法则将AD中的耦合问题转换成TRIZ理论的标准参数，运用TRIZ工具解决耦合问题，使其满足独立公理。在自动切片机的设计上得到了很好的验证，本模型的提出对新产品的设计和旧产品的改良具有重要的指导意义。

作者：汪年平 周俊 单位：上海工程技术大学 机械工程学院