基于TRIZ理论的机械产品创新设计应用研究

河南机电高等专科学校学报

JournalofHenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege　　Vol.18№.1

Jan.2010

基于TRIZ理论的机械产品创新设计应用研究

徐起贺

(河南机电高等专科学校,河南新乡453002)

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摘要:分析了TRIZ理论与方法的主要内容,研究了TRIZ的基本思想和方法体系。并通过实例说明了其在机械产品创新设计中的应用。

关键词:机械产品;创新设计;TRIZ理论中图分类号:TH166　　　　　　文献标识码:A　　　　　　文章编号:1008-2093(2010)01-0001-03

1　引言3　TRIZ理论解决技术矛盾的矛盾矩阵TRIZ是“发明问题解决理论”的俄文简称,它是TRIZ理论最有用的方法就是矛盾矩阵的使用,该由前苏联G.S.Altshuller及其同事们在分析研究了世理论认为,创新问题是包含至少一个技术矛盾的问界上近250万件高水平发明专利,综合多个学科领域题。矛盾矩阵的形成过程为:在解决技术问题时,当原理、法则的基础上提出的创新方法理论体系。主要改善系统的某个技术特性时,往往会使系统的其他技目的是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中术特性恶化,这便产生了技术矛盾。矛盾矩阵就是为所遵循的科学原理和法则,它是一种建立在技术系统了解决技术矛盾而构造的。矛盾矩阵的X轴表示希进化规律基础上的问题解决系统。利用该理论可使望改善的技术特性,Y轴表示恶化的技术特性,X、Y创新成为具有预见性的过程,可提高创新的成功率和轴上各技术特性交点处就是解决这两个技术特性之缩短解决问题的周期。目前TRIZ理论已成为产品设间矛盾的创造性原理,它提示设计者最有可能解决问计中解决技术创新问题最有力的工具。TRIZ是由解题的探索方向,从而使原系统向着改进的目标发展,

决技术问题和实现创新开发的各种方法、算法组成的因此成为解决技术矛盾的关键。由于矛盾矩阵包含综合理论体系,其主要内容包括技术系统进化法则、的技术特性和创造性原理有限,并不能完全解决产品40个发明创造原理、39项技术特性、矛盾矩阵、物质设计中产生的所有矛盾,因此需要人们将设计过程中-场分析、76个发明问题标准解决方法、发明问题解获得的创新原理、技术特性不断补充进去,从而提高决算法(ARIZ)以及工程效应知识库等。使用矛盾矩阵的成功率。在解决问题时必须根据所

提供的原理及所要解决问题的特定条件,提出解决问

2　TRIZ理论的创造性原理和技术特性

题的具体方法,为此TRIZ提供了“物质-场分析”和

G.S.Altshuller通过对近250万件发明专利的分“发明问题解决算法”两个解决技术问题的手段。析研究,抽出了40个发明创造所遵循的原理,它们成

4　TRIZ理论的物质-场分析及模型变换[1]

为TRIZ解决技术矛盾的关键。这些原理是分割、组合、嵌套、部分改变、动作预置、自助机能等。这40物质-场分析是对具体问题定义并将问题模型化个原理本身较为抽象,作为解决具体技术和矛盾对立的方法,是用符号表达技术系统变换的建模技术。产品的指导方针,还需要进一步转化为具体的解决对策。是功能的一种实现,G.S.Altshuller认为所有功能都可同时还抽象出了产生系统矛盾对立的典型技术特性以看作是由两个物质和一个场组成的,物质S1、S2可以39项,这些典型技术特性是速度、形状、强度、温度、可是任何复杂程度的对象,场F用于表示物体S1与S2之靠性、制造性等。并发现虽然技术系统和发明创造问间相互作用、控制所必需的能量。对于一个满意的功题涉及方方面面,但典型的系统矛盾对立只有大约能,至少要包括这3种元素且三者之间以适当的方式组1250个左右,而且这些典型的系统对立均可用40个合,完成一定的作用。当三者缺一,或三者之间没能实发明创造原理中的方法来解决。现预定的目的,或它们之间产生有害作用时,物质-场

3收稿日期:2009207225

作者简介:徐起贺(19652),男,河南新乡人,教授,硕士,主要从事数控机床功能部件设计及机械产品创新设计研究。

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河南机电高等专科学校学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2010年1期

模型描述的技术系统都会存在问题,这时可用物质-场模型变换方法来解决出现的问题。TRIZ理论将物质-场模型变换概括为76种标准解决方法,并分成以下5类:(1)不改变或仅少量改变已有系统。(2)改变已有系统。(3)系统传递。(4)检查与测量。(5)简化与改善策略。发明者首先要根据物质-场模型识别问题的类型,然后选择相应的标准方法集。

5　TRIZ理论的发明问题解决算法ARIZ

发明问题解决算法根据物质-场分析定义的问题模型导出解决问题的具体方法,其实质是对物质-场形成的初期问题进行一系列变形及再定义,按照通用的产品发明思维流程解决矛盾对立问题。ARIZ首先将系统存在的问题最小化,原则是尽可能不改变或少改变系统而实现必要的功能;其次是定义系统的矛盾对立,并将矛盾对立简化为问题模型,然后将对立领域明确化,并分析系统中可以使用的资源;然后进[2]一步定义系统的理想解。通常为了实现系统的理想解,系统对立领域的最重要构成元素应是相互对立的物理特性。接下来是定义系统内的物理矛盾以及消除物理矛盾。物理矛盾的消除需要最大限度地利用系统内的资源以及物理化学几何学效果工学应用知识库。如果问题得不到解决,则要返回到最初的地方,对问题进行再定义。

6　基于TRIZ理论的计算机辅助创新软件

探索的方向;同时还可以对技术系统的发展方向加以预

测,为产品创新提供正确导向。由于TechOptimizer中的产品改进过程由非常丰富的知识库支持,因此用它来解决产品的技术问题和进行创新比传统的方法更为有效,可以帮助使用者快速找到完成所需功能的方法。与TechOptimizer紧密结合的软件是Knowledgist,主要用于知识获取,它应用人工智能的最新成果即强大的语义处理技术,代替人以极高的效率在浩瀚的信息海洋中查询相关的信息,并对其进行提炼、概括和总结,建立针对某一专题的知识库,为产品创新设计提供极有价值的最新信息。应用Knowledgist可以加快获取知识的速度,缩短科研时间,提高效率,使得企业在最新资料的获取上取得竞争优势,并能最先发现新的市场需求,快速进行未来市场急需的新产品开发。通过以上分析可知:TRIZ理论是解决创新问题的系统化理论和方法学,是基于知识工程的创新设计理论,是最为有效和实用的创新设计方法之一,它可以为技术难题的解决提供创造性思维。用TRIZ求解问题是基于技术演进不是一个随机的过程,而是遵循某种模式的客观事实。由于各种工程系统的发展演进都遵循类似的模式,这种模式就能被用在一般的抽象层次上改进系统而不必对具体问题作大量盲目的探索。因此技术系统的进化遵循客观的法则,人们可以应用这些进化法则预测产品的未来发展趋势,把握新产品的开发方向。

基于TRIZ理论的计算机辅助创新软件主要有In2ventionMachine公司的TechOptimizer和IdeationInter2在机械产品的概念设计中,技术矛盾的解决是取national公司的InnovationWorkbench(WIB)等,它们是得创新解的关键。为了取得创新解,在对问题进行分产品开发中解决技术难题实现创新设计的有效工具,在析的基础上,确定出技术矛盾,并用39个技术特性中

[3]

国外很多企业及研究机构得到了广泛的应用。其中的两个来描述该矛盾,由矛盾矩阵确定可用的发明原TechOptimizer由6个功能模块组成:(1)问题分析定义理,由发明原理提供的思路与线索,并结合问题的实模块。(2)整理模块。(3)特征转换模块。(4)工程学际确定原理解。该过程是一个标准化的方法。当设原理知识库。(5)创新原理模块。(6)系统改进与预测计人员掌握该方法后,就会加快产品创新的速度,提模块。产品分析定义模块的主要目的是功能分解和产高创新设计的质量。下面是应用TRIZ理论来解决问

[1]

品分析,然后说明什么途径可以提高产品性能。整理模题的实例:在机械加工中,加工中心刀具的刀体部块和特征转换模块用来完善产品分析模块,主要方法是分的锥度为7/24,如图1(a)所示。为了保证加工精在保证产品的有用功能不受影响的前提下,通过去除产度及刚度,必须使刀体的锥体b与主轴锥孔以及刀体品的一些部件和特征,来改进或消除产品的有害功能。法兰端面a与主轴端面同时接触。但实际上很难实特征转换模块将一个部件或特征的功能转移到需要改现两者同时接触,或者是刀体法兰端面与主轴端面接进的构件或特征上。工程学原理模块存储了大量的物触造成刀具径向位置无法确定;或者是刀体的锥体部理、化学等多学科的原理,并配有图文并茂的说明和成分与主轴锥孔接触而刀体法兰端面与主轴端面不能功利用该原理解决问题的专利,通过功能检索可以得接触,造成轴向刚度不足,如图1(b)所示。利用物场到。创新原理模块即为前述的40个发明创造原理,用分析方法解决该问题的过程如下:(1)指定物体S1。来解决各种技术矛盾问题。系统改进与预测模块首先由于主轴锥孔的锥度按国家标准选取,因此刀体的锥利用物质-场分析方法建立问题的模型,根据预测树可体便成为需要解决的问题,所以指定刀体为S1。(2)以改变模型中作用的方式、强度等,为问题的改进提供确定场F。在原来的系统中,刀体安装的要求是由机2

7　TRIZ理论在机械产品创新设计中的应用

徐起贺:基于TRIZ理论的机械产品创新设计应用研究

械场通过配合、挤压来实现的,但是这个机械场不能完全满足要求。(3)指定物体S2。问题的产生是由于该机械场不能有效地保证主轴和刀体的安装位置关系,为了解决这个问题,应该引入新的物质来改进物场模型。(4)改变刀体锥面,使其与主轴锥孔不是以整个圆锥面接触,而是以多数点的形式接触,如图1(c)所示。用精密加工出来的具有适当刚性的小球构成刀体的圆锥面,便可以实现同时接触的安装要求(该例是美国的一项发明专利)。

8　结语

我国机械制造业存在着产品老化、技术创新能力不足等情况,关键是缺乏快速响应市场的新产品开发及制造技术创新的能力,迫切需要获得新产品开发技术的支持。因此基于TRIZ理论的计算机辅助创新技术的研究和应用顺应了我国制造业发展的需求,具有广阔的应用前景。为了使TRIZ理论在我国得到广泛的应用,应在高职高专院校的“机械创新设计”课程中增加有关TRIZ理论的内容,以便加强学生岗位创新能力的培养。可以预见,随着TRIZ方法学的不断推广与应用深化,人类技术创新过程必将更快更新。

(责任编辑　吕春红)

参考文献:[1]丛晓霞,徐起贺.机械创新设计[M].北京:北京大学出版社,

2008.[2]FeyVS,RivinEI,VertkinIM.ApplicationoftheTheoryofInventive

ProblemSolvingtoDesignandManufacturingSystems[J].AnnalsoftheCIRP,1994,43(1):107-110.

[3]牛占文,徐燕申,林岳,等.实现产品创新的关键技术———计算机辅

助创新技术[J].机械工程学报,2000,36(1):11-14.

TheResearchonMechanicalProductCreativeDesignBasedonTRIZ

XUQi-he

(HenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege,Xinxiang453002,China)

Abstract:InthispaperweanalysetheprincipalcontentsofTRIZandstudyitsbasicthinkingandmethodsys2tem.Anexampleisintroducedinmechanicalproductcreativedesign.

Keywords:mechanicalproduct;creativedesign;TRIZ

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