王壽斌

(蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系,江蘇蘇州 215123)

基于功能方法樹與TRIZ理論的甲魚捕殺器設(shè)計*

王壽斌

(蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系,江蘇蘇州 215123)

產(chǎn)品的功能來自用戶的需求。功能方法樹借助功能模型對產(chǎn)品的功能進行描述,抽象出產(chǎn)品的總功能,并將其分解為非常細(xì)小、易于實現(xiàn)的多個子功能或功能元。TRIZ理論以現(xiàn)代發(fā)明理論的普遍原理指導(dǎo)創(chuàng)新實踐,有“點金術(shù)”之稱,可收到事半功倍的效果。綜合運用功能方法樹原理和TRIZ理論,共同解決甲魚安全捕殺器的設(shè)計問題,前者著重于確認(rèn)“做什么”,后者則致力于落實“怎么做”,兩者相互補充、各司其職,大大提高了產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量與效率。

功能方法樹;TRIZ;甲魚;捕殺工具;創(chuàng)新設(shè)計

0 引 言

隨著老年化社會的快速到來,家庭規(guī)模小型化漸成趨勢,子女不在身邊的獨居老人、高齡老人及”失獨”老人日益增多,除為數(shù)有限的老人能在養(yǎng)老機構(gòu)安度晚年外,更多的老人將不得不自已料理生活。如何解決生活實際困難成為他們必須面對的現(xiàn)實問題。如甲魚營養(yǎng)豐富,但市場上的半成品卻難以讓人放心,因而活殺甲魚對老年人來說便是一道難題,為此,如果能設(shè)計一個安全、便捷的甲魚捕殺器供家庭使用,將會受到老年人的青睞。

甲魚生性兇猛且多疑,面對外部不明接觸,或縮頭不理,或因惱怒而襲人。多年來被甲魚咬傷手指者數(shù)不勝數(shù)。筆者綜合了功能方法樹與TRIZ理論在產(chǎn)品設(shè)計方面的各自優(yōu)勢,梳理出一種創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計的新方法,并將其應(yīng)用于甲魚捕殺器的創(chuàng)新設(shè)計之中,較好地滿足了產(chǎn)品實用需求。

1 功能方法樹

每一種產(chǎn)品(系統(tǒng))的存在,都因其承載著一定的功能,能夠完成某一項(或幾項)特定的任務(wù)。所以,開發(fā)一種新產(chǎn)品,其實就是為了完成一項新任務(wù)。而因產(chǎn)品與功能密切相聯(lián),故產(chǎn)品設(shè)計的過程就是解決實際問題的過程[1]。而所謂實際問題,就是由用戶需求映射出產(chǎn)品功能要求,再通過創(chuàng)新設(shè)計去實現(xiàn)。一般來講,絕大多數(shù)產(chǎn)品的總功能很難立即找到便捷的實體解。因此,需要對產(chǎn)品的總功能進行科學(xué)的簡單化分解,將其按層級關(guān)系分解為易于求得實體解的多個子功能或功能單元,然后通過功能建模來厘清功能的輸出、輸入,以及各個功能之間的相互關(guān)系。如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品功能方法樹

圖1中,系統(tǒng)的總功能實際上是產(chǎn)品總?cè)蝿?wù)的描述。它們可以被分解為各個分功能和分任務(wù)。而這些功能的解或任務(wù)的實現(xiàn)途徑即為方法。構(gòu)建功能方法樹,目的在于將基于用戶需求的產(chǎn)品(系統(tǒng))總功能分解為多個簡單的、易于求解的子功能,通過逐個求解子功能,再進一步將這些子解整合成總功能的實體解。功能方法樹的建立一般從確定總功能開始,自頂向下,逐層分解,最終獲得最底層的功能元和一系列的方法。功能方法樹中的某項功能可通過一種或多種方法來實現(xiàn),而同一種方法也可用于實現(xiàn)不同的功能。如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品功能與方法匹配關(guān)系圖

2 TRIZ理論(發(fā)明問題解決理論)

TRIZ理論由前蘇聯(lián)的發(fā)明家、海軍專利調(diào)查員根里奇·阿奇舒勒(G.S.Altshuller)在1946年發(fā)明,俄文意思為“發(fā)明問題解決理論”[2]。該理論在工業(yè)設(shè)計、軍事管理、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,曾屬于前蘇聯(lián)的國家機密,有創(chuàng)新“點金術(shù)”之稱。前蘇聯(lián)解體后,該先進理論流向世界,逐步為其他國家所認(rèn)識。

TRIZ理論產(chǎn)生于對250萬個高質(zhì)量專利文獻的研究和梳理,阿奇舒勒認(rèn)為,發(fā)明創(chuàng)造不是偶然的結(jié)果,發(fā)明應(yīng)當(dāng)有規(guī)律可循,人類一旦掌握了這些規(guī)律,將會有助于發(fā)明效率的提高和發(fā)明難關(guān)的攻克。為此,他一生致力于對大量優(yōu)質(zhì)專利進行分析,提取解決問題的模式,整理出技術(shù)系統(tǒng)演變的8個模式、39個技術(shù)參數(shù)、40個共性發(fā)明原理、矛盾矩陣工具、76個發(fā)明問題的標(biāo)準(zhǔn)解決方案等,共同組成了完整的TRIZ理論[3]。TRIZ理論成功地揭示了發(fā)明創(chuàng)造的內(nèi)在規(guī)律和普遍原理,運用這些原理可以大大加快發(fā)明創(chuàng)造的進程,提升產(chǎn)品創(chuàng)新速度。眼下,豐田、三星、福特等世界五百強企業(yè)的技術(shù)研究已普遍采用了這一方法,以降低創(chuàng)新周期,提高產(chǎn)品升級換代速度。

3 基于功能方法樹和TRIZ理論的甲魚捕殺器設(shè)計

3.1 功能方法樹與TRIZ理論的互補結(jié)合

在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方面,功能方法樹與TRIZ理論都是功能強大、實用便捷的指導(dǎo)工具,兩者既各具特色和優(yōu)勢,又可互為補充,共同提高產(chǎn)品的設(shè)計效率。從工作目標(biāo)的指向看,功能方法樹主要是解決設(shè)計工作“做什么”的問題,即要實現(xiàn)哪些功能;而TRIZ理論則主要解決設(shè)計中“如何做”的問題,即通過什么方法來實現(xiàn)所期待的功能。兩者在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的整個過程中各司其責(zé),相得益彰。如圖3所示。

圖3 功能方法樹與TRIZ理論在產(chǎn)品設(shè)計中的配合

功能方法樹的獨特之處在于借助功能模型對產(chǎn)品(系統(tǒng))的功能進行描述,從而抽象出產(chǎn)品(系統(tǒng))的總功能。然后再用功能分解法對總功能進行分解,進而得到非常細(xì)小、易于實現(xiàn)的多個子功能或功能元。各功能元的實現(xiàn)方式可以不止于一種,它們共同構(gòu)成功能結(jié)構(gòu)樹。每個功能元在自身功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上,通過相互協(xié)調(diào)來實現(xiàn)產(chǎn)品(系統(tǒng))的總功能。

TRIZ理論的主要用途是探索解決問題(沖突)的方法。其工作流程模型如圖4所示。

圖4 TRIZ理論工作模型流程圖

(1)分析問題,提煉沖突,梳理可用資源構(gòu)劃理想解[4]。

(2)進行下一流程項的選擇:如果確認(rèn)有技術(shù)沖突和物理沖突,則在40個典型發(fā)明原理中選擇合適工具解決;如果需要用到替代技術(shù),則進一步確定技術(shù)。進化模式和路線[5];如果雖已選定需要解決的問題卻不知怎樣去做,則可選擇科學(xué)效應(yīng)。

(3)對上述得到的多個方案進行有效性或可行性評估,如能選取最佳方案,則組織實施;如不滿意,則重新返回問題分析環(huán)節(jié)循環(huán)執(zhí)行。

3.2 甲魚捕殺器的設(shè)計過程

基于對功能方法樹及TRIZ理論的綜合運用,整個設(shè)計過程變得非常簡潔,可較輕松地解決問題。

3.2.1 產(chǎn)品總功能的提取

產(chǎn)品的功能來自用戶的需求[6]。使用甲魚捕殺器,旨在安全、便捷地捕捉并殺死甲魚,而用戶不會在捕殺過程中受到甲魚的傷害。所以,甲魚捕殺器產(chǎn)品的總功能應(yīng)當(dāng)是安全和簡便。

3.2.2 功能分解及建模

產(chǎn)品總功能的分解,必須建立于對甲魚捕殺器工作原理和工作要求的綜合分析。本案中甲魚的捕殺以其頭頸被切斷為完成標(biāo)志。要切斷甲魚頭頸,必須首先將其軀殼收納到比較堅固的箱體內(nèi),然后將其頭頸拉出殼體并進行固定;而要拉出其頭頸,則先要夾住其頭部,一方面使其不能縮回,另一方面也避免其咬人;另外,甲魚的四爪會抓人,也必須在捕殺過程中加以防范。基于以上分析,可對甲魚捕殺器的功能進行分解,并建模如圖5所示。

圖5 甲魚捕殺器功能分解建模

3.2.3 確定沖突

產(chǎn)品設(shè)計過程中的沖突普遍存在,當(dāng)產(chǎn)品中的某些內(nèi)部性能得到保證或提高時,必有其它內(nèi)部性能隨之降低,進而形成沖突[7]。如本案中以長方盒裝納甲魚殼體,對于不同的甲魚必然存在體積大與小的矛盾沖突;觸碰式夾緊機構(gòu)來捕夾甲魚頭部,存在快速夾緊(松放)與制造難易的矛盾沖突;在拉出甲魚頭頸過程中,存在設(shè)備持續(xù)拉伸與甲魚本能縮回之間的矛盾沖突;以閘刀切斷甲魚頭頸,存在快速切斷與有效切斷之間的矛盾沖突等。

3.2.4 解決矛盾

以甲魚捕殺器的關(guān)鍵功能“拉出甲魚頭頸”為例,當(dāng)甲魚的頭部被夾以后,出于其本能反應(yīng),甲魚會立即將其頭部向殼體內(nèi)回縮。對于這一問題,通過分析,可以運用TRIZ理論中的矛盾解決工具建立相應(yīng)的沖突矩陣[8],如表1所列。根據(jù)實際情況,從39個標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)中選取了改善的參數(shù)“力”、“可靠性”作中矩陣的縱坐標(biāo),選取惡化的參數(shù)“方便操作”、“時間效率”作為矩陣的橫坐標(biāo)。本產(chǎn)品的其他矛盾沖突的解決,可依此類推。

表1 甲魚捕殺器中的技術(shù)沖突矩陣

3.2.5 確定方案

綜合考慮專利庫、科學(xué)效應(yīng)庫及網(wǎng)絡(luò)檢索信息,結(jié)合本產(chǎn)品的使用實際,可得到相對較理想的解決方案,如圖6所示。

圖6 甲魚捕殺器的解決方案

圖6(a)中,1為收納盒,根據(jù)機械系統(tǒng)的替代原理,以對稱原理來解決收納盒體積大小的調(diào)節(jié)問題,使其能夠適應(yīng)對不同體積規(guī)格甲魚的收納,其中,滑動擋塊2的徑向移動可以調(diào)節(jié)盒的長度,滑動擋塊3的左右移動則可調(diào)節(jié)盒的寬度。圖6(b)為觸碰式夾緊機構(gòu),通過槽口11與圖6(a)中的棘條相連,正常情況下,上端夾鉗用直桿5撐開,當(dāng)甲魚的頭部伸出觸碰掉桿5時,夾子的兩個下端通過彈簧強力拉緊,使上端夾鉗1和夾鉗2咬合,夾住甲魚的頭,此夾緊機構(gòu)既夾緊可靠,又方便拆卸。圖6(a)中,5為雙邊附設(shè)棘齒的直條導(dǎo)軌,用以帶動夾緊機構(gòu)沿固定軌道單向運動,既能防止甲魚頭頸回縮,又可借助甲魚不斷伸脖掙扎而將其持續(xù)拉出,以便于切斷。在收納盒的端面設(shè)置閘刀4,通過人工操作,可同時確?？焖賱幼骱陀行袛?。捕殺完成后,捏緊直導(dǎo)軌5,縫隙6變小,可使夾緊機構(gòu)復(fù)原。

4 結(jié) 語

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計過于依賴設(shè)計人員的現(xiàn)有經(jīng)驗、偶發(fā)靈感或由頭腦風(fēng)暴得來的集體智慧,往往具有效率低、指向性差、系統(tǒng)性不足、推廣度低等缺陷[9]。利用現(xiàn)代發(fā)明創(chuàng)新理論的普遍原理指導(dǎo)創(chuàng)新實踐,可以收到事半功倍的效果,是當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的前沿趨勢。本產(chǎn)品甲魚捕殺器,綜合運用了功能方法樹原理和TRIZ理論,共同指導(dǎo)設(shè)計實踐,前者著重于產(chǎn)品總功能的分解,解決“做什么”的問題,后者則著重于通過沖突矩陣原理、流程建模等工具,解決“怎么做”的問題,兩者相互補充、各司其職,大大提高了產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量與效率。經(jīng)過實地驗證,本產(chǎn)品甲魚捕殺器使用效果好。

[1]陳國強.產(chǎn)品設(shè)計程序與方法[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[2]王申亮,孫峰華.TRIZ創(chuàng)新理論與應(yīng)用原理[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[3]顏惠庚,李耀中.創(chuàng)新方法入門——TRIZ基礎(chǔ)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[4]檀潤華.產(chǎn)品設(shè)計中的沖突確定方法及解決過程[J].機械設(shè)計,2003(20):10-11.

[5]張春林.機械創(chuàng)新設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[6]王壽斌,基于TRIZ理論彈性擋圈安全拆裝工具的創(chuàng)新設(shè)計[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2015(4):16-18.

[7]曹東興.基于功能方法樹的機械產(chǎn)品概念設(shè)計[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2004(6):889-891.

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

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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

王壽斌(1969-),男,江蘇鹽城人,副教授,研究員,研究方向:機械創(chuàng)新設(shè)計的理論與實踐。