王寿斌

(苏州工业园区职业技术学院机电工程系,江苏苏州 215123)

基于功能方法树与TRIZ理论的甲鱼捕杀器设计*

王寿斌

(苏州工业园区职业技术学院机电工程系,江苏苏州 215123)

产品的功能来自用户的需求。功能方法树借助功能模型对产品的功能进行描述,抽象出产品的总功能,并将其分解为非常细小、易于实现的多个子功能或功能元。TRIZ理论以现代发明理论的普遍原理指导创新实践,有“点金术”之称,可收到事半功倍的效果。综合运用功能方法树原理和TRIZ理论,共同解决甲鱼安全捕杀器的设计问题,前者着重于确认“做什么”,后者则致力于落实“怎么做”,两者相互补充、各司其职,大大提高了产品设计的质量与效率。

功能方法树;TRIZ;甲鱼;捕杀工具;创新设计

0 引 言

随着老年化社会的快速到来,家庭规模小型化渐成趋势,子女不在身边的独居老人、高龄老人及”失独”老人日益增多,除为数有限的老人能在养老机构安度晚年外,更多的老人将不得不自已料理生活。如何解决生活实际困难成为他们必须面对的现实问题。如甲鱼营养丰富,但市场上的半成品却难以让人放心,因而活杀甲鱼对老年人来说便是一道难题,为此,如果能设计一个安全、便捷的甲鱼捕杀器供家庭使用,将会受到老年人的青睐。

甲鱼生性凶猛且多疑,面对外部不明接触,或缩头不理,或因恼怒而袭人。多年来被甲鱼咬伤手指者数不胜数。笔者综合了功能方法树与TRIZ理论在产品设计方面的各自优势,梳理出一种创新产品设计的新方法,并将其应用于甲鱼捕杀器的创新设计之中,较好地满足了产品实用需求。

1 功能方法树

每一种产品(系统)的存在,都因其承载着一定的功能,能够完成某一项(或几项)特定的任务。所以,开发一种新产品,其实就是为了完成一项新任务。而因产品与功能密切相联,故产品设计的过程就是解决实际问题的过程[1]。而所谓实际问题,就是由用户需求映射出产品功能要求,再通过创新设计去实现。一般来讲,绝大多数产品的总功能很难立即找到便捷的实体解。因此,需要对产品的总功能进行科学的简单化分解,将其按层级关系分解为易于求得实体解的多个子功能或功能单元,然后通过功能建模来厘清功能的输出、输入,以及各个功能之间的相互关系。如图1所示。

图1 产品功能方法树

图1中,系统的总功能实际上是产品总任务的描述。它们可以被分解为各个分功能和分任务。而这些功能的解或任务的实现途径即为方法。构建功能方法树,目的在于将基于用户需求的产品(系统)总功能分解为多个简单的、易于求解的子功能,通过逐个求解子功能,再进一步将这些子解整合成总功能的实体解。功能方法树的建立一般从确定总功能开始,自顶向下,逐层分解,最终获得最底层的功能元和一系列的方法。功能方法树中的某项功能可通过一种或多种方法来实现,而同一种方法也可用于实现不同的功能。如图2所示。

图2 产品功能与方法匹配关系图

2 TRIZ理论(发明问题解决理论)

TRIZ理论由前苏联的发明家、海军专利调查员根里奇·阿奇舒勒(G.S.Altshuller)在1946年发明,俄文意思为“发明问题解决理论”[2]。该理论在工业设计、军事管理、航空航天等领域应用广泛,曾属于前苏联的国家机密,有创新“点金术”之称。前苏联解体后,该先进理论流向世界,逐步为其他国家所认识。

TRIZ理论产生于对250万个高质量专利文献的研究和梳理,阿奇舒勒认为,发明创造不是偶然的结果,发明应当有规律可循,人类一旦掌握了这些规律,将会有助于发明效率的提高和发明难关的攻克。为此,他一生致力于对大量优质专利进行分析,提取解决问题的模式,整理出技术系统演变的8个模式、39个技术参数、40个共性发明原理、矛盾矩阵工具、76个发明问题的标准解决方案等,共同组成了完整的TRIZ理论[3]。TRIZ理论成功地揭示了发明创造的内在规律和普遍原理,运用这些原理可以大大加快发明创造的进程,提升产品创新速度。眼下,丰田、三星、福特等世界五百强企业的技术研究已普遍采用了这一方法,以降低创新周期,提高产品升级换代速度。

3 基于功能方法树和TRIZ理论的甲鱼捕杀器设计

3.1 功能方法树与TRIZ理论的互补结合

在产品创新设计方面,功能方法树与TRIZ理论都是功能强大、实用便捷的指导工具,两者既各具特色和优势,又可互为补充,共同提高产品的设计效率。从工作目标的指向看,功能方法树主要是解决设计工作“做什么”的问题,即要实现哪些功能;而TRIZ理论则主要解决设计中“如何做”的问题,即通过什么方法来实现所期待的功能。两者在产品创新设计的整个过程中各司其责,相得益彰。如图3所示。

图3 功能方法树与TRIZ理论在产品设计中的配合

功能方法树的独特之处在于借助功能模型对产品(系统)的功能进行描述,从而抽象出产品(系统)的总功能。然后再用功能分解法对总功能进行分解,进而得到非常细小、易于实现的多个子功能或功能元。各功能元的实现方式可以不止于一种,它们共同构成功能结构树。每个功能元在自身功能实现的基础上,通过相互协调来实现产品(系统)的总功能。

TRIZ理论的主要用途是探索解决问题(冲突)的方法。其工作流程模型如图4所示。

图4 TRIZ理论工作模型流程图

(1)分析问题,提炼冲突,梳理可用资源构划理想解[4]。

(2)进行下一流程项的选择:如果确认有技术冲突和物理冲突,则在40个典型发明原理中选择合适工具解决;如果需要用到替代技术,则进一步确定技术。进化模式和路线[5];如果虽已选定需要解决的问题却不知怎样去做,则可选择科学效应。

(3)对上述得到的多个方案进行有效性或可行性评估,如能选取最佳方案,则组织实施;如不满意,则重新返回问题分析环节循环执行。

3.2 甲鱼捕杀器的设计过程

基于对功能方法树及TRIZ理论的综合运用,整个设计过程变得非常简洁,可较轻松地解决问题。

3.2.1 产品总功能的提取

产品的功能来自用户的需求[6]。使用甲鱼捕杀器,旨在安全、便捷地捕捉并杀死甲鱼,而用户不会在捕杀过程中受到甲鱼的伤害。所以,甲鱼捕杀器产品的总功能应当是安全和简便。

3.2.2 功能分解及建模

产品总功能的分解,必须建立于对甲鱼捕杀器工作原理和工作要求的综合分析。本案中甲鱼的捕杀以其头颈被切断为完成标志。要切断甲鱼头颈,必须首先将其躯壳收纳到比较坚固的箱体内,然后将其头颈拉出壳体并进行固定;而要拉出其头颈,则先要夹住其头部,一方面使其不能缩回,另一方面也避免其咬人;另外,甲鱼的四爪会抓人,也必须在捕杀过程中加以防范。基于以上分析,可对甲鱼捕杀器的功能进行分解,并建模如图5所示。

图5 甲鱼捕杀器功能分解建模

3.2.3 确定冲突

产品设计过程中的冲突普遍存在,当产品中的某些内部性能得到保证或提高时,必有其它内部性能随之降低,进而形成冲突[7]。如本案中以长方盒装纳甲鱼壳体,对于不同的甲鱼必然存在体积大与小的矛盾冲突;触碰式夹紧机构来捕夹甲鱼头部,存在快速夹紧(松放)与制造难易的矛盾冲突;在拉出甲鱼头颈过程中,存在设备持续拉伸与甲鱼本能缩回之间的矛盾冲突;以闸刀切断甲鱼头颈,存在快速切断与有效切断之间的矛盾冲突等。

3.2.4 解决矛盾

以甲鱼捕杀器的关键功能“拉出甲鱼头颈”为例,当甲鱼的头部被夹以后,出于其本能反应,甲鱼会立即将其头部向壳体内回缩。对于这一问题,通过分析,可以运用TRIZ理论中的矛盾解决工具建立相应的冲突矩阵[8],如表1所列。根据实际情况,从39个标准工程参数中选取了改善的参数“力”、“可靠性”作中矩阵的纵坐标,选取恶化的参数“方便操作”、“时间效率”作为矩阵的横坐标。本产品的其他矛盾冲突的解决,可依此类推。

表1 甲鱼捕杀器中的技术冲突矩阵

3.2.5 确定方案

综合考虑专利库、科学效应库及网络检索信息,结合本产品的使用实际,可得到相对较理想的解决方案,如图6所示。

图6 甲鱼捕杀器的解决方案

图6(a)中,1为收纳盒,根据机械系统的替代原理,以对称原理来解决收纳盒体积大小的调节问题,使其能够适应对不同体积规格甲鱼的收纳,其中,滑动挡块2的径向移动可以调节盒的长度,滑动挡块3的左右移动则可调节盒的宽度。图6(b)为触碰式夹紧机构,通过槽口11与图6(a)中的棘条相连,正常情况下,上端夹钳用直杆5撑开,当甲鱼的头部伸出触碰掉杆5时,夹子的两个下端通过弹簧强力拉紧,使上端夹钳1和夹钳2咬合,夹住甲鱼的头,此夹紧机构既夹紧可靠,又方便拆卸。图6(a)中,5为双边附设棘齿的直条导轨,用以带动夹紧机构沿固定轨道单向运动,既能防止甲鱼头颈回缩,又可借助甲鱼不断伸脖挣扎而将其持续拉出,以便于切断。在收纳盒的端面设置闸刀4,通过人工操作,可同时确保快速动作和有效切断。捕杀完成后,捏紧直导轨5,缝隙6变小,可使夹紧机构复原。

4 结 语

传统的产品设计过于依赖设计人员的现有经验、偶发灵感或由头脑风暴得来的集体智慧,往往具有效率低、指向性差、系统性不足、推广度低等缺陷[9]。利用现代发明创新理论的普遍原理指导创新实践,可以收到事半功倍的效果,是当前产品设计领域的前沿趋势。本产品甲鱼捕杀器,综合运用了功能方法树原理和TRIZ理论,共同指导设计实践,前者着重于产品总功能的分解,解决“做什么”的问题,后者则着重于通过冲突矩阵原理、流程建模等工具,解决“怎么做”的问题,两者相互补充、各司其职,大大提高了产品设计的质量与效率。经过实地验证,本产品甲鱼捕杀器使用效果好。

[1]陈国强.产品设计程序与方法[M].北京:机械工业出版社,2011.

[2]王申亮,孙峰华.TRIZ创新理论与应用原理[M].北京:科学出版社,2010.

[3]颜惠庚,李耀中.创新方法入门——TRIZ基础[M].北京:化学工业出版社,2011.

[4]檀润华.产品设计中的冲突确定方法及解决过程[J].机械设计,2003(20):10-11.

[5]张春林.机械创新设计[M].北京:机械工业出版社,2007.

[6]王寿斌,基于TRIZ理论弹性挡圈安全拆装工具的创新设计[J].机电产品开发与创新,2015(4):16-18.

[7]曹东兴.基于功能方法树的机械产品概念设计[J].上海交通大学学报,2004(6):889-891.

[8]Hubka V,Eder W E.Theory of technical systems[M].New York: Springer,1998.

[9]刘新福,刘东升,梁建芬,等.基于功能方法树的车床刀架概念设计及评价[J].机械科学技术,2005,24(4):462-465.

Design for Turtle Hunting Tools Based on Function M ethod Tree and the TRIZ Theory

WANG Shou-bin
(Department ofMechanical and Electrical Engineering,Suzhou Industrial Park Institute of Vocational Technology,Suzhou Jiangsu 215123,China)

The feature of product is from the user′s needs.The functionmethod tree describes the function of productwith the aid of function model,which abstracts the general function of product,and would break it down into much sub-function or function-unitwhich is very small and easily achieved.The TRIZ theory,which is named“alchemy”,guides the innovation practice with the universal principles of themodern theory of invention,and it is pretty effective.Problems in design for the turtle hunting tool could be solved with integrated use of the functionmethod tree principle and the TRIZ theory,for the former focuses on the confirmation of“what to do”,while the latter is committed to practice“how to do”,these two aspects complement each other and perform their duties,thus could greatly improve the quality and efficiency of product design.

function method tree;TRIZ;turtle;hunting tool;innovative design

TH122

A

1007-4414(2015)06-0115-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.042

2015-08-23

王寿斌(1969-),男,江苏盐城人,副教授,研究员,研究方向:机械创新设计的理论与实践。