基于TRIZ進(jìn)化理論的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)

基于TRIZ進(jìn)化理論的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)

TRIZ提供的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論和方法，已經(jīng)成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中解決技術(shù)難題的有效工具。技術(shù)進(jìn)化理論是TRIZ的核心，該理論不僅能預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，而且還能展現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)的可能結(jié)構(gòu)狀態(tài)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)者沿著正確的方向開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。本文從不同視角提出產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程的統(tǒng)一模型，并將TRIZ進(jìn)化理論集成到產(chǎn)品創(chuàng)新解的產(chǎn)生階段，預(yù)測(cè)未來(lái)技術(shù)的可能結(jié)構(gòu)狀態(tài)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)者產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，并用液壓缸往復(fù)密封作為實(shí)例。

I TRIZ進(jìn)化理論

TRIZ進(jìn)化理論是專(zhuān)門(mén)研究技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化預(yù)測(cè)的重要分支，目前有技術(shù)進(jìn)化理論(ET)、技術(shù)進(jìn)化引導(dǎo)理論(GTE)和直接進(jìn)化理論s][等多種形式。為了使這些理論在實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中易于操作，TRIZ研究者歸納和總結(jié)出技術(shù)進(jìn)化模式和進(jìn)化路線。設(shè)計(jì)者應(yīng)用這些進(jìn)化模式/路線很容易產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

1.1技術(shù)進(jìn)化模式和進(jìn)化路線

技術(shù)進(jìn)化模式是指技術(shù)系統(tǒng)在發(fā)展過(guò)程中所呈現(xiàn)出的復(fù)雜進(jìn)化趨勢(shì)。隨TIRZ理論的發(fā)展，先后有Altshulle:的10種進(jìn)化模式、zusman的8種進(jìn)化模式和Darrell的11種進(jìn)化模式。從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)角度，前兩種進(jìn)化模式使用方法模糊、難以操作，后一種進(jìn)化模式考慮了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，易于操作使用。本文以Draren的11種進(jìn)化模式進(jìn)行分析，即:系統(tǒng)向理想化方向進(jìn)化;向增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性方向進(jìn)化;向增加系統(tǒng)分割的方向進(jìn)化;向增加空間分割的方向進(jìn)化;向增加表面分割的方向進(jìn)化;向增加可控性方向進(jìn)化;向超系統(tǒng)方向進(jìn)化，即先使系統(tǒng)的復(fù)雜性增加而后向減少系統(tǒng)的復(fù)雜性方向進(jìn)化;向增加幾何體復(fù)雜性的方向進(jìn)化;向能量轉(zhuǎn)換路徑最短的方向進(jìn)化;向增加系統(tǒng)動(dòng)作協(xié)調(diào)性的方向進(jìn)化;向增加系統(tǒng)節(jié)奏和諧性的方向進(jìn)化。

每種進(jìn)化模式都有多條進(jìn)化路線。每條進(jìn)化路線，研究者都確定了自左向右的通用進(jìn)化狀態(tài)。如增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性進(jìn)化模式包含如下進(jìn)化路線:剛性體-單鉸體-多鉸體-柔性體-液體或氣體-場(chǎng);超系統(tǒng)-系統(tǒng)-子系統(tǒng)-物質(zhì)。通過(guò)對(duì)大量的專(zhuān)利研究發(fā)現(xiàn)，技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化路線研究可提供開(kāi)發(fā)新一代產(chǎn)品的新概念和新思路。

1.2 技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化潛能

技術(shù)進(jìn)化模式/路線與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)的融合，產(chǎn)生了進(jìn)化潛能的新概念[4]。進(jìn)化潛能圖如圖1所示，圖中每一條射線表示與構(gòu)件或系統(tǒng)相關(guān)的進(jìn)化模式，外周表示進(jìn)化模式沿各條進(jìn)化路線的進(jìn)化極限，陰影面積表示目前產(chǎn)品沿進(jìn)化路線已完成的進(jìn)化，而進(jìn)化極限與陰影面積之間的面積差就代表該系統(tǒng)的進(jìn)化潛能。進(jìn)化潛能圖可直觀表示給定技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化情況，為設(shè)計(jì)人員確定未來(lái)技術(shù)開(kāi)發(fā)方向提供了理論依據(jù)。

圖1 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化潛能圖

2 基于TRIZ進(jìn)化理論的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程統(tǒng)一模型

對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程有不同的理解和術(shù)語(yǔ)，圖2從不同視角給出了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程的一般模型。從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程看，產(chǎn)品設(shè)計(jì)是從用戶(hù)需求分析到新產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造方案的形成過(guò)程;從概念設(shè)計(jì)的視點(diǎn)，則是指產(chǎn)品概念的認(rèn)定、產(chǎn)生、實(shí)現(xiàn)和發(fā)展的過(guò)程;從創(chuàng)新的角度出發(fā)，針對(duì)市場(chǎng)新的需求和產(chǎn)品的問(wèn)題、不足，不斷用新的產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)和工藝去替代老產(chǎn)品的過(guò)程;從信息化角度研究，是利用計(jì)算機(jī)軟硬件、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品創(chuàng)新。圖中的CAMI、CAFI、CSAI、CAPl分別為計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品市場(chǎng)、結(jié)構(gòu)、功能、工藝創(chuàng)新。

創(chuàng)新概念或創(chuàng)新設(shè)想產(chǎn)生是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中最能體現(xiàn)人創(chuàng)造力的環(huán)節(jié)，要求設(shè)計(jì)人員利用現(xiàn)有的科學(xué)原理、公理結(jié)合具體實(shí)際條件，尋找技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行的方案構(gòu)想。針對(duì)產(chǎn)品存在的缺陷確定改進(jìn)的方法，或針對(duì)產(chǎn)品向理想解的進(jìn)化過(guò)程確定開(kāi)發(fā)方向是產(chǎn)生創(chuàng)新構(gòu)思的一種有效的可操作的方法。

本文重點(diǎn)討論將 TRIZ進(jìn)化理論作為產(chǎn)生創(chuàng)新構(gòu)思的基本工具，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速創(chuàng)新過(guò)程。由于篇幅有限，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)其他階段的應(yīng)用不再贅述。

2.2 創(chuàng)新解的產(chǎn)生

應(yīng)用TRIZ進(jìn)化理論產(chǎn)生創(chuàng)新解的過(guò)程為:通過(guò)專(zhuān)利和產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)分析，研究給定技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化過(guò)程，根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)狀態(tài)確定其在已知的可應(yīng)用進(jìn)化路線上的位置。確定給定技術(shù)系統(tǒng)沿各條進(jìn)化路線沒(méi)有實(shí)施的進(jìn)化狀態(tài)和未來(lái)可能的進(jìn)化階段及進(jìn)化較差的進(jìn)化路線;通過(guò)定義進(jìn)化沖突，確定給定技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)未來(lái)進(jìn)化階段所需的技術(shù)創(chuàng)新潛力。用兩種方法產(chǎn)生創(chuàng)新解:一是由給定技術(shù)系統(tǒng)沿各條進(jìn)化路線可能的潛在狀態(tài)，確定創(chuàng)新解;二是技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化潛能圖，辨識(shí)未來(lái)主要的進(jìn)化狀態(tài)和創(chuàng)新方向，從而確定創(chuàng)新解。圖3為針對(duì)某種產(chǎn)品的基于動(dòng)態(tài)進(jìn)化路線確定創(chuàng)新解的過(guò)程，圖1為基于進(jìn)化潛能圖確定創(chuàng)新開(kāi)發(fā)方向的過(guò)程。

2.3 產(chǎn)品進(jìn)化位置的量化

利用模糊集{0，1，2，3，4，5}來(lái)度量產(chǎn)品的相對(duì)進(jìn)化位置，圖4為產(chǎn)品相對(duì)每一進(jìn)化模式位置的確定過(guò)程。模糊集的意義如表 1所示。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 問(wèn)題描述

往復(fù)密封是液壓缸關(guān)鍵技術(shù)，其性能對(duì)液壓缸的低速特性、運(yùn)動(dòng)的靈敏性和動(dòng)靜剛度起決定性作用。為滿足用戶(hù)要求，液壓往復(fù)密封在很多方面需要改進(jìn)。本文以液壓缸活塞往復(fù)密封為例，應(yīng)用提出的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行往復(fù)密封的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3.2 液壓往復(fù)密封的進(jìn)化路線

液壓往復(fù)密封創(chuàng)新包括新的密封材料和功能性材料的應(yīng)用、密封件的截面形狀設(shè)計(jì)、密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和密封件的組合。本文從材料、結(jié)構(gòu)、截面形狀和功能幾方面來(lái)分析往復(fù)密封技術(shù)的進(jìn)化歷程，并歸納和總結(jié)出與往復(fù)密封進(jìn)化相關(guān)的進(jìn)化路線如圖5所示。圖5a-1分別與Darrell的11條進(jìn)化模式相對(duì)應(yīng)。圖中，帶圓圈的方框表示當(dāng)前往復(fù)密封的進(jìn)化位置;虛線箭頭指出了與之相對(duì)應(yīng)的密封結(jié)構(gòu);帶陰影的方框表示液壓往復(fù)密封潛在的進(jìn)化狀態(tài)，它提供了解決間題的出發(fā)點(diǎn)。

3.3 液壓往復(fù)密封的進(jìn)化潛能圖

根據(jù)圖5所示的往復(fù)密封進(jìn)化路線及當(dāng)前進(jìn)化位置，并按照本文提出的產(chǎn)品進(jìn)化位置的量化方法，構(gòu)建液壓往復(fù)密封的進(jìn)化潛能圖，如圖6所示。從圖中沒(méi)有進(jìn)化的區(qū)域可確定液壓往復(fù)密封創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方向。

3.4 液壓往復(fù)密封的創(chuàng)新設(shè)計(jì)解

將現(xiàn)有往復(fù)密封的進(jìn)化路線與圖5所示的 TRIZ通用進(jìn)化路線對(duì)比，并根據(jù)圖6所示的進(jìn)化潛能圖得到如下結(jié)論:①單一密封材料難以同時(shí)滿足密封和耐磨要求，因此密封材料的多元化、復(fù)合化和功能性材料的應(yīng)用是往復(fù)密封材料創(chuàng)新的重要方向。②探索磁場(chǎng)、電場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)和生物場(chǎng)等復(fù)合場(chǎng)作用的密封技術(shù)可獲得往復(fù)密封的突破式創(chuàng)新。③沿空間分割進(jìn)化路線開(kāi)發(fā)具有多孔和毛細(xì)管的密封結(jié)構(gòu)可大大提高密封的潤(rùn)滑性能，減少粘滑阻力、降低磨損率。④幾何體進(jìn)化是一個(gè)比較明顯的進(jìn)化趨勢(shì)，當(dāng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中探索所有能得到的自由度時(shí)，就會(huì)得到密封件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。⑤開(kāi)發(fā)截面形狀更復(fù)雜的密封件可使密封性能、耐磨性大幅度提高，增加密封件的壽命和可靠性。⑥往復(fù)密封技術(shù)沿表面分割的進(jìn)化已處于第3個(gè)階段，開(kāi)發(fā)具有活性孔的密封件可進(jìn)一步增加密封裝置的動(dòng)態(tài)性，從而得到新型往復(fù)密封結(jié)構(gòu)。⑦要增加密封的可控性，應(yīng)開(kāi)發(fā)帶有反饋控制和智能控制的密封裝置。液壓往復(fù)密封技術(shù)在可控性、充分利用系統(tǒng)內(nèi)部資源、向理想化方向進(jìn)化等方面還有很大的進(jìn)化潛能。⑧液壓往復(fù)密封在系統(tǒng)動(dòng)作的協(xié)調(diào)性和節(jié)奏和諧性方面剛剛實(shí)施進(jìn)化，因此沿該方向開(kāi)發(fā)密封產(chǎn)品將引發(fā)液壓往復(fù)密封的突破式發(fā)展。

根據(jù)上述提供的方向進(jìn)行往復(fù)密封的研究開(kāi)發(fā)，會(huì)獲得往復(fù)密封的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。當(dāng)然，要得到創(chuàng)新設(shè)計(jì)解，必須根據(jù)創(chuàng)新方向構(gòu)思相應(yīng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。如沿往復(fù)密封件幾何體進(jìn)化方向可預(yù)測(cè)下一個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)化狀態(tài)應(yīng)為復(fù)雜的截面形狀，圖7為由此構(gòu)思的密封創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一個(gè)方案。由于該密封的彈性力可調(diào)，且?guī)в兄箍?，可提高往?fù)密封的密封性能和耐磨性。

4 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)創(chuàng)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需設(shè)計(jì)人員在較大的解空間 、尋求間題解， TRIZ技術(shù)進(jìn)化理論提供了使設(shè)計(jì)者能迅速得到創(chuàng)新問(wèn)題解的結(jié)構(gòu)化方法。本文將 TRIZ進(jìn)化理論與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)相融合，在產(chǎn)品概念產(chǎn)生環(huán)節(jié)，利用TRIZ進(jìn)化路線和進(jìn)化潛能產(chǎn)生創(chuàng)新解，使產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程具有可操作性。最后以液壓缸往復(fù)密封作為研究實(shí)例，表明該方法的有效性。