机械设计专业毕业设计应用TRIZ理论的实践研究

[摘 要] 毕业设计是学生建立知识联系的有效途径，是进行专业综合训练的有效方式，是适应工作环境、建立学生与企业之间的联系的有效途径，可以充分发挥学生的创造性和主观能动性。TRIZ理论的起源具有鲜明的工程技术特色，从毕业设计选题、开题、原理设计和结构设计过程证明了毕业设计的过程具备TRIZ理论应用的土壤，机械设计专业本科毕业设计中应用TRIZ理论对于学生解决实际问题和增强未来所服务企业的创新实力具有积极作用。

[关键词] 机械设计；毕业设计；TRIZ理论

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1005-4634(2011)06-0071-03

0 引言

Pahl和Beitz指出在实际的设计工作中大约70%属于变形设计[1]。机械设计专业本科毕业设计题目基本属于变形设计范畴，完全可以与创新教育即TRIZ结合起来[2]，实施毕业设计的大学期间全程训练计划、校外毕业设计与所学专业培养目标紧密结合、毕业设计全程监督管理的新方法。学生的毕业设计应与科技训练、创新活动结合，是学生在校期间科技活动的延续和总结，这样既可实施大学生科研训练计划，营造学术研究氛围，又可培养大学生创新能力，加强素质教育，提高毕业设计质量。

1 强化机械设计专业本科毕业设计质量的 重要性

1.1 毕业设计是建立知识联系的有效途径

毕业设计过程可以把学生大学期间学习的基础知识、基础理论以及专业知识有效的融合，建立起知识之间的有效联系，使学生的基本知识在设计过程中形成有序的知识体系，在毕业设计的实践中，通过设计指导教师的引导，掌握知识的运用过程和如何合理的利用所学。

1.2 毕业设计是进行专业综合训练的有效方式

机械设计专业是实践性很强的工科类专业。毕业设计是机械设计专业教学必要的集中实践性环节，是实现该专业培养目标的重要的综合性课程，同时也是衡量专业教育质量的重要标志。该过程培养和考察学生应用所学基础理论、专业知识和基本技能综合分析与解决一般工程技术问题的能力，对于提高和培养学生的综合素质和工程能力、实际动手能力具有其他课程不可替代的重要作用。所以毕业设计是学生走上工作岗位前的一次职业培训，其成绩是学生毕业及学位资格认定的重要依据。

1.3 毕业设计是适应工作环境，建立学生与企业 之间的联系的有效途径

毕业设计教学质量的优劣直接关系到本专业学生能否在毕业后短时间内适应社会要求，并在实际工作中独立地解决工程建设中遇到的有关设计、制造和控制方面的问题。通过实践和实习，了解企业技术人员工作现状以及企业技术人员在工作过程中的吃苦耐劳、艰苦奋斗精神，使学生毕业后尽快适应工作环境。

1.4 毕业设计充分发挥学生创造性和主观能动性

毕业设计是培养和锻炼学生创新意识、创新能力的有效途径。学生通过毕业实习和毕业设计，直接参与到教师的科研活动、社会实践、教学基地的建设等实践环节中去，在实习、实验中获得大量的材料信息，通过实习和设计，将学过的专业知识综合应用，培养自身的科学研究能力、严密的逻辑思维和独立创新能力以及发现问题、分析问题和解决问题的能力，从而提高综合素质。

2 机械设计专业本科毕业设计具备TRIZ 理论应用和创新实践的基础和条件

2.1 TRIZ理论的起源具有鲜明的工程技术特色

TRIZ理论是前苏联阿奇舒勒及其领导的一批研究人员，自1946年开始，花费大量人力物力，在分析研究了世界各国250万件专利的基础上，所提出的发明问题解决理论[2]。阿奇舒勒开始就坚信发明问题的基本原理是客观存在的，这些原理不仅能被确认也能被整理而形成一种理论，掌握该理论的人不仅能提高发明的成功率、缩短发明的周期，也可使发明问题具有可预见性。

TRIZ属于前苏联的国家机密，在军事、工业、航空航天等领域均发挥了巨大作用，成为创新的“点金术”。如今TRIZ正成为许多现代企业创新的独门暗器，TRIZ可以轻易解决那些“看似不可能解决的问题”并形成专利，提升企业的核心竞争力，使企业从“跟随者”快速成长为行业技术的“领跑者”。

发明问题解决理论的核心是技术进化原理。根据这一原理，技术系统一直处于进化之中，解决矛盾是其进化的推动力[3]。进化速度随技术系统一般矛盾的解决而降低，使其产生突变的唯一方法是解决阻碍其进化的深层次矛盾。阿奇舒勒依据世界上著名的发明，研究了消除矛盾的方法，他建立了一系列基于各学科基础知识的发明创造模型。这些模型包括发明原理（Inventive Principles）、发明问题解决算法（ARIZ，Algorithm for Inventive Problem Solving）及标准解等。在利用TRIZ解决问题的过程中，设计者首先将待设计的产品表达成为TRIZ问题，然后利用TRIZ中的工具，如发明原理、标准解等，求出该TRIZ问题的普适解或称模拟解，最后设计者再把该解转化为该领域的解或特解。

2.2 毕业设计的过程具备TRIZ理论应用的土壤

机械设计专业毕业设计过程从选题、开题、结构设计方面具备TRIZ理论应用的土壤。从概念设计到详细设计再到工艺设计、从变形产品设计到系列产品设计再到创新产品设计，指导教师指导学生应用TRIZ理论进行毕业设计流程，指导学生掌握TRIZ理论的创新技法，了解Pro/I和专利查询。

1）毕业设计选题。选题是学生提早进入毕业设计环节的前提，应以培养学生创新能力为目标，体现先进性、市场需求性，结合学生兴趣、生产实际及教师科研课题进行选题与命题。指导学生根据今后的工作单位或拟就业方向的性质，通过图书馆、期刊论文数据库、专利库获得毕业设计课题资料。引导学生应用TRIZ理论中的技术成熟度预测方法对课题进行技术成熟度预测，培养学生在今后工作中所需的科学决策能力。

2）毕业设计开题。开题是毕业设计前期环节的主要工作，开题过程着重于方案设计过程，应当使学生掌握在开题阶段应着重做什么及如何去做。在方案的提出过程中，教师应该引导学生应用TRIZ理论中发明的5个级别分类方法，明确毕业设计课题属于发明的哪个级别[4]。同时，可以运用TRIZ创新设计的40个创新原理[3,4]提出可行的毕业设计课题方案。

3）毕业设计的原理设计和结构设计过程。毕业设计的原理设计和结构设计是毕业设计的主要工作环节。教师应在毕业设计选题和开题工作的基础上，引导学生进行毕业设计题目的原理设计和机械结构设计，从创新问题解决模式和流程图及解题工具的具体应用出发，定义设计所遇到的各种技术冲突和物理冲突，应用冲突矩阵或分离原理、发明理论解决冲突，得出TRIZ通用解，确定领域解；然后根据课题需要进行技术具体化，即进行详计。

3 实例

以“水射流喷丸强化测试件装卡装置设计”为例[4]，说明机械设计专业本科毕业设计应用TRIZ理论的有效性。

3.1 选题

目前，公知的所有的机床装卡夹具不管通用夹具和专用夹具都是通过六点定位和卡紧机构实现对工件的准确定位和卡紧。在对工件加工时，加工工具对工件有力的作用属于正常的不可避免的作用，然而传动系统在传递转动或平动时会对工件有附加的作用力，这会影响到对工件的处理质量。尤其是在试验单一因素对测试件性能的影响时，现有的夹具不能避免夹具传动系统对试验结果的影响。

本设计涉及一种装卡测试件的专用夹具，尤其是水射流喷丸强化测试材料性能或测试机床刀具切削力等单一因素影响时，测试件除了单一因素外，避免再受到其他力干扰的测试件装卡装置。

3.2 开题

为了克服夹具传动系统对测试件的单一因素性能试验的影响，本实用新型提供一种测试件装卡装置，在试验单一因素对测试件性能影响时，避免夹具传动系统对试验结果的影响。

本设计解决其技术问题所采用的技术方案是：采用传统的弹性夹头座和弹性夹头装卡工件，实现测试件的定位和夹紧。弹性夹头座的内锥面与弹性夹头的外锥面使用不能自锁的锥角锥面，调节螺栓的拧紧和松开可以使测试件夹紧和拆卸。为了避免测试件转动过程中受到传动系统作用力的干扰，采用驱动作用力与转动相分离的方法，把止口轴承架安装于箱体上支撑传动系统的作用力，由驱动连接盘通过渐开线花键连接驱动弹性夹头座转动，弹性夹头座的转动通过摩擦力驱动弹性夹头转动，由于弹性夹头夹紧测试件，所以测试件也会随着一起转动。测试件非夹紧侧是靠轴承和通用套支撑，并处于自由状态，测试件不同的尺寸可对应更换不同的通用套，增加专用夹具的通用性。

本实用新型的有益效果是，可以使测试件转动，且不会受到传动系统在传动过程中的作用力影响，是理想的试验装置，而且结构简单。

3.3 原理及结构设计

应用的创新原理为物理冲突的空间分离原理。在如图1所示实例装配关系中，箱体（8）可以安装于机床的工作台上，轴用挡圈（7、12、15、22、23）和孔用弹性挡圈（9、10、18、19、20、21）用于对轴承（4、6、11）的定位，同时还可以定位弹性夹头座（16）和通用套（13）。调节螺栓（1）的外螺纹与弹性夹头座（16）的内螺纹用于调整弹性夹头（17）对测试件（14）的夹紧程度，测试件（14）的右侧是靠轴承（11）和通用套（13）支撑，并处于自由状态，测试件（14）不同的尺寸可对应更换不同的通用套（13），增加专用夹具的通用性。弹性夹头座（16）左端的花键轴段与驱动联接盘（2）上的花键孔配合，当皮带轮（3）转动时，通过驱动联接盘（2）带动弹性夹头座（16）转动，弹性夹头（17）与弹性夹头座（16）之间的摩擦力带动弹性夹头（17）转动，测试件（14）也随之转动。转动过程中，由于止口轴承架（5）安装于箱体（8）上支撑轴承（4）和皮带轮（3）之间，来自于动力传动径向力只通过轴承（4）和皮带轮（3）作用于止口轴承架（5），不会作用于弹性夹头座（16）上。这样，本装置实现了驱动测试件（14）转动与动力传动过程中的径向力分离。

4 结束语

机械设计专业本科毕业设计大多数设计题目属于实际工程应用类型，在大学生完成毕业设计的过程中，把TRIZ理论的创新原理和创新过程应用在毕业设计的方案设计、原理设计或结构设计上，不但可以实现符合实际要求的变形设计产品设计，而且可以借助于创新工具实现原创性设计产品设计。这样的过程对于机械设计专业提高毕业设计质量无疑是有效的。同时，学生毕业后面对企业的管理、技术和研发等各个方面的工作，其设计创新能力对于企业未来的发展和科技进步有着积极影响。

参考文献

[1]G Pahl,W Beitz.Engineering Design[M].London:the design council,1984:186-188.

[2]马苏常,王健民,王宪成.应用TRIZ理论提升职技高师学生毕业设计创新能力的探索[J].职业技术教育,2010,(5):78-81.

[3]檀润华.创新设计―TRIZ:发明问题解决问题[M].北京:机械工业出版社,2002:76-125.

[4]赵存友,史冬岩,吴卫东.机构设计中的空间分离方法[J].工程设计学报,2009,(32):5-8.