江 帆，陳玉梁，陳江棟，盧浩然，祁肖龍

（廣州大學(xué) 機械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)和可拓學(xué)均是當(dāng)今重要的創(chuàng)新方法. TRIZ由蘇聯(lián)的Genrich Altshuller于1946年所創(chuàng)立，主要用于解決工程矛盾問題[1]；可拓學(xué)由我國著名學(xué)者蔡文于1983年創(chuàng)立，是致力于解決矛盾沖突問題的原創(chuàng)新橫斷學(xué)科，被認(rèn)定成為人工智能下的二級學(xué)科[2]. 二者均以矛盾問題作為研究對象，并給出了比較成熟的矛盾問題解決理論和方法體系.

有研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)單一設(shè)計理論存在較大局限性，并察覺出TRIZ和可拓學(xué)存在的某些異同點，認(rèn)為二者的理論和應(yīng)用具有很好的互補作用[3]. 同時隨著創(chuàng)新方法研究與應(yīng)用的發(fā)展，人們開始著力研究不同創(chuàng)新方法的融合應(yīng)用. TRIZ和可拓學(xué)的融合機制研究正是在這個背景下產(chǎn)生的，研究內(nèi)容主要包括理論差異對比、模型轉(zhuǎn)換、融合機制以及理論應(yīng)用.

自2004年開始，才逐漸有學(xué)者將TRIZ理論與可拓方法融合起來研究，如張祥唐等[4]采用可拓方法與TRIZ方法來進行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計，仇成等[5]進行了TRIZ理論與可拓學(xué)的比較研究，宋守許等[6]進行了融合可拓與TRIZ理論的可拆卸性結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及應(yīng)用研究，李蘇洋等[7]也將TRIZ與可拓學(xué)融合應(yīng)用到結(jié)構(gòu)或方案設(shè)計中，江帆等[8]研究融合兩種創(chuàng)新方法的集成創(chuàng)新方法，并將研究成果應(yīng)用在手推車的改進設(shè)計中，周賢永等[9]研究了TRIZ 40條發(fā)明原理的可拓變換表達(dá)形式、格論與TRIZ技術(shù)進化理論融合的理想化水平表達(dá)方式.

現(xiàn)階段所提出的TRIZ理論與可拓學(xué)的結(jié)合求解方式通常是順次使用，如先采用可拓學(xué)方法分析問題并獲得矛盾，再由TRIZ理論求解矛盾. 順次使用方式流程固定，不夠靈活，無法處理復(fù)雜問題，而且沒有使用可拓學(xué)中的拓展和變換方法，兩種方法的結(jié)合不夠深入.

1 TRIZ與可拓學(xué)融合方法研究

1.1 TRIZ理論沖突求解流程

TRIZ解決問題的過程包含4個步驟：定義問題、分析問題、分析解以及選擇最優(yōu)解. 定義問題指將待解決問題轉(zhuǎn)化為問題模型；分析問題指針對不同問題模型，應(yīng)用相應(yīng)的TRIZ求解工具. 分析解則指將上一步獲得的解決方案轉(zhuǎn)化為領(lǐng)域解，并在最后一步進行解的篩選及擇優(yōu).

TRIZ有4種問題模型：技術(shù)矛盾、物理矛盾、物質(zhì)—場模型、知識與效應(yīng)庫. 針對這4種問題模型，TRIZ提供了相應(yīng)的求解工具：矛盾矩陣、分離原理、76個標(biāo)準(zhǔn)解、標(biāo)準(zhǔn)解法系統(tǒng). 其中，以技術(shù)矛盾和物理矛盾模型的應(yīng)用最為普遍，二者被一同歸納在TRIZ矛盾問題求解體系中，其求解流程如圖1所示.

圖1 TRIZ理論矛盾求解流程Fig.1 TRIZ theoretical contradiction solving process

矛盾矩陣主要用于解決技術(shù)系統(tǒng)中兩個參數(shù)之間存在相互制約的矛盾問題，即技術(shù)矛盾. 分離原理主要用于解決技術(shù)系統(tǒng)中某一個參數(shù)無法滿足子系統(tǒng)內(nèi)具有相反要求的矛盾問題，即物理矛盾.

1.2 可拓學(xué)求解流程

可拓學(xué)的求解流程相對固定，主要通過4個步驟獲得解決方案，包括建立模型、拓展分析、可拓變換和優(yōu)度評價. 其分析求解過程通過符號化、模型化的描述和運算等操作實現(xiàn)，具有可操作性強的特點，便于人和計算機利用程序提出解決問題的方案.

拓展解決的是創(chuàng)意從何而來的問題. 通過4種拓展方法，對問題的目標(biāo)或條件進行拓展，能夠找到解決矛盾問題的創(chuàng)意. 拓展分析是可拓變換的前提，提供了變換的路徑.

變換是把一個對象變?yōu)榱硪粋€對象或者分解為若干對象，是實現(xiàn)創(chuàng)新或獲得解決矛盾問題的創(chuàng)意的關(guān)鍵. 通過變換及其運算，可以得到多種方案.

優(yōu)度評價法是可拓學(xué)中評價一個對象，包括事物、策略、方法等的優(yōu)劣的基本方法. 本文通過計算來定量判別各個方案的優(yōu)度，從而選擇出合適的方案.

1.3 融合TRIZ與可拓學(xué)的求解流程

TRIZ相對成熟，應(yīng)用廣泛. 但TRIZ理論的問題通解具體化時通常需要深厚的領(lǐng)域背景知識. 另外，TRIZ理論沒有嚴(yán)格的形式化描述，在計算機上實現(xiàn)比較困難. 可拓學(xué)相對于TRIZ理論，其研究的矛盾更具一般性，并在研究對象和研究目標(biāo)上具有更為寬廣和系統(tǒng)化的理論基礎(chǔ)，易于計算機實現(xiàn)[10]. TRIZ和可拓學(xué)在問題解決流程上存在相似性，若將二者結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，將有利于提升復(fù)雜問題的求解效率[11]. 本文結(jié)合TRIZ解決問題的實用性和可拓學(xué)分析問題的規(guī)范性和可操作性，提出一種二者的結(jié)合求解方法. 該方法的基本思路為：將問題的解決過程流程化為問題描述、問題分析、問題求解和方評價4個階段，各階段優(yōu)先使用可拓學(xué)的工具，而將TRIZ作為拓展思路的輔助工具.

其基本流程包括：在問題描述階段，主要針對待解決問題，利用可拓基元模型進行矛盾的分析和提取，并歸納問題類別[12]；接著，嘗試使用可拓學(xué)的拓展分析獲得解決問題的思路，若直接使用可拓學(xué)的基元變換很難獲得有效的可能解，則尋求TRIZ創(chuàng)新原理中的工具對問題進行可行解的預(yù)測，再根據(jù)TRIZ原理解的提示，進行可行解的基元變換[13]；最后進行方案的優(yōu)度評價，以獲得方案的最終理想解.TRIZ在該求解流程中的任務(wù)是在拓展分析的基礎(chǔ)上進行可行解預(yù)測. 其解決問題的流程如圖2所示.

圖2 融合方法解決問題的流程Fig.2 Process of fusion method solving the problem

2 基于融合方法的盤類鑄件打磨機構(gòu)改進設(shè)計

2.1 問題描述

在鑄件清理中，鑄件的磨削占了很大比重，對鑄件的質(zhì)量起到非常關(guān)鍵的作用. 現(xiàn)有的盤類鑄件磨削設(shè)備，主要是單機小功率圓盤磨削設(shè)備，只能對圓盤的端面進行磨削，需要配合其他打磨工具才能完成圓盤的整個磨削工藝，如圖3所示. 若要進行盤類鑄件自動磨削工作，則打磨設(shè)備一般需采用打磨流水線原理設(shè)計，這種做法提高了清理效率和自動化程度，但設(shè)備復(fù)雜度和成本卻大幅增加.

圖3 單機圓盤打磨設(shè)備示意圖Fig.3 Schematic diagram of single disc grinding equipment

2.2 基于基元模型的矛盾分析

打磨方案設(shè)計的最終期望目標(biāo)為簡化鑄件清理流程，提高自動化程度，而現(xiàn)有的打磨設(shè)備只能磨削鑄件的端面，內(nèi)表面則通過人工打磨實現(xiàn). 先對該問題進行可拓基元建模.

設(shè)盤類零件待打磨端面面積占總的待打磨面積的60%. 改進前打磨設(shè)備只能打磨端面，則清理效率為0.6. 根據(jù)可拓學(xué)形式化描述，其條件物元為

目標(biāo)事元為

則該問題屬于一個不相容問題，可以描述為

應(yīng)用發(fā)散樹，對“磨削設(shè)備”進行分析，以生成解決問題的思路. 根據(jù)“一特征多量值”的發(fā)散分析原理[14]，按照磨削設(shè)備的磨具類型進行發(fā)散分析得

根據(jù)發(fā)散結(jié)果，可作如下變換：

T3變換，指使用一種改進的拋光頭，其柱面和底面都能夠用于磨削，因此，磨削設(shè)備可以磨削盤類鑄件的內(nèi)外緣，現(xiàn)將該方案記為A1，方案A1的改進拋光頭工作原理如圖4所示. T4變換結(jié)果不能實現(xiàn)端面和內(nèi)圓的磨削. 而經(jīng)過T5或T6的變換后，磨削設(shè)備同時具備磨削端面和內(nèi)圓的磨拋工具，將這兩個方案分別記為A2和A3.

2.3 基于TRIZ創(chuàng)新原理進一步拓展思維

經(jīng)過上一步拓展和變換，獲得A1、A2、A33種方案. 其中方案A2和A3均需增設(shè)另一套主軸設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)雜性增加. 在TRIZ中，當(dāng)改善技術(shù)系統(tǒng)某一特性時，引起系統(tǒng)另一特性的惡化，這種矛盾被定義為技術(shù)矛盾. 因此，可嘗試使用TRIZ矛盾矩陣求解該技術(shù)矛盾[15]. 通過對上述不相容問題模型分析，提取出一個矛盾：如果提高打磨設(shè)備的自動化程度，則會導(dǎo)致打磨系統(tǒng)復(fù)雜性增大.

圖4 改進打磨頭示意圖Fig.4 Sketch map for improving grinding head

將該沖突采用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)描述[11]. 待改善的參數(shù)為：自動化程度(38號)；導(dǎo)致惡化的參數(shù)為：系統(tǒng)的復(fù)雜性(36號).

根據(jù)上一步得到的改善參數(shù)和惡化參數(shù)，查詢經(jīng)典的TRIZ矛盾矩陣表，得到3個推薦的發(fā)明原理，分別為：15號動態(tài)化原理；24號中介物原理；10號預(yù)操作原理. 矛盾矩陣簡表如表1所示.

表1 矛盾矩陣簡表Tab.1 Contradiction matrix

這些發(fā)明原理具體內(nèi)容如下：

15號動態(tài)化原理：(1) 改變物體的性質(zhì)或外部環(huán)境，使其工作的每一階段都取得最佳效果；(2) 將物體分成彼此相對移動的幾個部分；(3) 使不動的物體成為可動的.

24號中介物原理：(1) 利用可以遷移或有傳送作用的中間物體；(2) 把另一個(易分開的)物體暫時附加給某一物體.

10號預(yù)操作原理：(1) 預(yù)先完成要求的作用(整個的或部分的)，如加工成半成品；(2) 預(yù)先將物體安放妥當(dāng)，使它們能在現(xiàn)場和所需地點立即完成需要的功能.

根據(jù)TRIZ原理——動態(tài)化原理的提示，現(xiàn)考慮能否在不引入另一套動力設(shè)備的條件下，增加打磨工具的功能，使之既能夠加工盤類零件端面，又能夠加工內(nèi)表面. 為了能夠同時加工盤類零件的不同部位，打磨工具應(yīng)能夠變換工具頭，以適應(yīng)不同部位的打磨. 而打磨工具頭是固定在安裝架上的，因此可對打磨頭的安裝架進行變換，即

可做置換變換T2，使

其中，

根據(jù)基元要素間的傳導(dǎo)變換，安裝架的變換將導(dǎo)致打磨設(shè)備發(fā)生傳導(dǎo)變換，于是有

最終獲得了一種新的方案A4，即將磨削刀具的安裝架設(shè)計成可動的，能夠根據(jù)需要變換磨削刀具.改進后的打磨機構(gòu)能夠打磨盤類鑄件的端面及內(nèi)表面，簡化了鑄件清理工序.

打磨機構(gòu)的三維模型如圖5所示，圖5(a)為端面打磨工況；圖5(b)為內(nèi)表面打磨工況. 其安裝架位于導(dǎo)軌上的平臺，并且本身可以相對平臺進行旋轉(zhuǎn)，以切換打磨工具. 安裝架上的砂輪和拋光頭，共用一套主軸，解決了打磨設(shè)備的自動化和系統(tǒng)復(fù)雜性之間的矛盾.

2.4 優(yōu)度評價

根據(jù)分析共獲得4種解決方案. 方案A1使用一種改進的拋光頭；方案A2和方案A3均使用兩套主軸，為磨削內(nèi)緣和外緣的刀具提供動力；方案A4使用一種可切換磨削裝置的安裝架. 4種方案的清理效率均符合要求，現(xiàn)采用優(yōu)度評價進行擇優(yōu).

(1) 確定衡量條件.

選擇打磨方案的簡便性c1、可靠性c2和成本c33個因素作為衡量條件，得衡量條件集：

其中，Vi為量值域.

(2) 確定權(quán)系數(shù).

采用AHP法，根據(jù)各因素重要程度的差別，確定兩兩因素間的相互比率，使用1-9比率標(biāo)度法. 由于裝置的可靠性比其他兩個因素明顯重要，裝置的成本比裝置的簡便性略重要[16]，因此采用AHP法構(gòu)造出的判別矩陣H為

采用AHP的和積法求得權(quán)系數(shù)α 為

(3) 建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，計算規(guī)范關(guān)聯(lián)度.

設(shè)裝置的簡便性、可靠性和質(zhì)量的量級均在1～5級，則可建立簡單的離散型關(guān)聯(lián)函數(shù) Ki：

圖5 改進的單機圓盤打磨設(shè)備示意圖Fig.5 Schematic diagram of improved single disc grinding equipment

比較4種方案：對于指標(biāo)c1，方案A2和A3均安裝兩套主軸設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案A1使用同一工具打磨內(nèi)外緣，極簡便；A4簡便性一般. 故有 Kc1(O1)=5，Kc1(O2)=2， Kc1(O3)=1， Kc1(O4)=3. 對于指標(biāo)c2，方案A2、A3和A4使用不同的工具磨削內(nèi)圓和端面，可靠性高于A1，但A4引入可動安裝架，可靠性不如A2和A3，故有： Kc2(O1)=3， Kc2(O2)=Kc2(O3)=5， Kc2(O4=4).最后對于指標(biāo)c3，增設(shè)兩套主軸裝備的方案A2和A3成本極高，A4一般，A1低，故有Kc3(O1)=4，Kc3(O2)=Kc3(O3)=1，Kc3(O4)=3.

綜上所述，方案A1、A2、A3和A4關(guān)于衡量指標(biāo)：簡便性c1、可靠性c2和成本c3的關(guān)聯(lián)度分別為

根據(jù)規(guī)范關(guān)聯(lián)度公式

則它們的規(guī)范關(guān)聯(lián)度分別為

(4) 計算優(yōu)度.

各方案關(guān)于衡量條件O的規(guī)范關(guān)聯(lián)度為

因此，各方案的優(yōu)度分別為

由于 C(O1)＞C(O4)＞C(O2)＞C(O3)，因此，方案A1最優(yōu)、方案A4次之.

3 結(jié)論

(1) 通過對TRIZ理論和可拓學(xué)的融合機制研究，得到了解決矛盾問題的一般方法：利用可拓學(xué)分析矛盾，歸納問題類型；基于TRIZ相應(yīng)的解決工具進行可行解預(yù)測，得到可行的原理解；結(jié)合設(shè)計問題的實際背景，實施可行的基元變換；運用優(yōu)度評價方法對各方案進行比較分析，得到最理想的解決方案.

(2) 采用融合可拓學(xué)與TRIZ的方法對盤類鑄件打磨設(shè)備進行分析和改進設(shè)計，方便地獲得了理想的解決方案. 證明了TRIZ理論和可拓方法的融合能夠提升設(shè)計問題求解時的效率和求解穩(wěn)定性.

(3) 在問題求解的4個階段，優(yōu)先使用可拓學(xué)的工具，雖在求解效率上不是最優(yōu)的，但其簡化了TRIZ與可拓學(xué)的結(jié)合使用. 若能夠為每個求解階段制定一種選擇機制，將進一步提高問題解決的效率，這是后續(xù)研究的重點.