基于技術(shù)進化趨勢的裁剪方法研究

第２３卷第４

設(shè)計學

３４基于技術(shù)進化趨勢的裁剪方法研究 河北工業(yè)大學機械，國家技術(shù)創(chuàng)新方法與實施工具工程技術(shù)，裁剪是ＴＲＩＺ中一種有效解決問題的方法，其通過刪除問題元件，重組系統(tǒng)有用功能進行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計，達到簡化系統(tǒng)與優(yōu)化產(chǎn)品的目的為了啟發(fā)和引導設(shè)計者在裁剪過程中有效地利用資源，在使用裁剪規(guī)則引導創(chuàng)新設(shè)計的基礎(chǔ)上以具有預測性和啟發(fā)性的技術(shù)進化趨勢作為知識源綜合分析進化趨勢解題與裁剪規(guī)則引導功能重組的資源來源構(gòu)建了進化趨勢與裁剪規(guī)則的映射關(guān)系提出了基于裁剪規(guī)則的多層次進化趨勢選擇策略利用進化趨勢輔助功能重組，構(gòu)建了基于進化趨勢的裁剪方法過程模型最后通過鋼帶鎧裝機裁剪實例驗證了此方法的合理性．進化趨勢；裁剪；功能重組；裁剪規(guī)則；ＴＲＩＺ號：ＴＨ１２２文獻標志碼：Ａ文章編號ｇＩ２Ｇ２ ２２Ｇｆ ｄｅｍｉ．ｉｄｏ，ｅｏｓｇｅｉｇｄｓｙａｅｇｐｎｅｇｓｂａａ，ｇｅＦｇｇ．ｉ裁剪是發(fā)明問題解決理論中一種減少系統(tǒng)元件并重組系統(tǒng)功能而構(gòu)成新系統(tǒng)的解題方法本質(zhì)是裁剪后系統(tǒng)資源消耗減少達到刪除有害作用降低成本簡化系統(tǒng)提高理想度等目的．

圍繞裁剪方法國內(nèi)外許多學者展開了一系列研究提出了裁剪元件的優(yōu)先選擇順序產(chǎn)生有害過剩不足功能越多的元件應優(yōu)先被裁剪．許棟梁［３］在已有基于元件間作用關(guān)系的有用功能分． ·期ｂ基金項目國家自然科學基金資助項目．作者簡介—男山西長治人生從事創(chuàng)新設(shè)計研究Ｅ通信聯(lián)系人—女河北保定人博士講師從事產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計等研究，Ｅ． 配規(guī)則基礎(chǔ)上擴展出條裁剪規(guī)則基于裁剪規(guī)則建立了系統(tǒng)化的裁剪方法應用流程［４］在基于價值評價的裁剪元件確定方法基礎(chǔ)上進行了改進提出基于理想化水平的系統(tǒng)元件裁剪優(yōu)先權(quán)評價方法高長青等［５］論述了基于功能分析的裁剪方法

個趨勢作為問題解決工具表１３７個進化趨勢ｓ空間進化趨 界面進化趨 時間進化趨前裁剪方法實施主要是通過裁剪規(guī)則引導設(shè)計者

２

１４單－雙－多同構(gòu)型１５單－雙－多變異性

４３５單－雙－多同構(gòu)型５３６單－雙－多變異性６１９７４３５單－雙－多同構(gòu)型５３６單－雙－多變異性６１９７２０８２１９１０１１２４１２２５２８功能分配的宏觀方向搜索可利用資源的盲目性較大不利于設(shè)計者操作功能重組時缺乏客觀知識的引導和啟發(fā)［１］，一方面易使設(shè)計者受到慣性思維的誤導另一方面使設(shè)計資源的獲取過分受制于設(shè)計者的知識水平和經(jīng)驗阻礙了設(shè)計者獲得高理想度的創(chuàng)新解雖然文獻提出了基于知識啟發(fā)的裁剪方法應用過程但由于知識源過于龐大設(shè)計者在選裁剪方法集時仍存在一定盲目性技術(shù)進化理論中的進化趨勢具有預測性和啟發(fā)性［］以進化趨勢為解題工具論述了以功能屬性關(guān)系辨識進化趨勢的應用過程文獻認為進化趨勢可作為系統(tǒng)進化策略的預測工具和解題工具，進化趨勢可幫助設(shè)計者快速定位啟發(fā)解范圍因此本文引入進化趨勢指導設(shè)計者進行功能重組以新功能載體來源不同為依據(jù)將文獻中擴展的６類裁剪規(guī)則重新劃分為３類并且將文獻２進化趨勢對應于裁剪規(guī)則提出多層次進化趨勢選擇策略在功能重組過程中利用進化趨勢輔助解題，構(gòu)建了基于技術(shù)進化趨勢的裁剪方法過程模型．１進化趨勢與裁剪規(guī)則映射關(guān)系構(gòu)建技術(shù)進化定律了系統(tǒng)或組件發(fā)展的一般方向是技術(shù)發(fā)展過程中的客觀規(guī)律但沒有每個方向的進化細節(jié)而技術(shù)進化趨勢是進化定律的

進化趨勢的進化狀態(tài)表明了技術(shù)系統(tǒng)的進化潛能每個進化趨勢都可表示為由幾個進化狀態(tài)組成的進化趨勢鏈如表它是由一個狀態(tài)向下一個狀態(tài)跳躍的發(fā)展過程從整體來看它是朝著系統(tǒng)理想化方向進行的進化鏈上的每個進化狀態(tài)都可以啟發(fā)設(shè)計者得到啟發(fā)解．表２進化趨勢鏈２進化趨 進化趨勢材料單向適應材料雙向適應材１智能材料料全向適應材料單一固體中空結(jié)構(gòu)多重中空細２空間分割多孔結(jié)構(gòu)多孔結(jié)構(gòu)＋ 不協(xié)調(diào)動作部分協(xié)調(diào)動作完全協(xié)調(diào)進一步細化故本文將具有預測性和啟發(fā)性的進化趨勢作為啟發(fā)源通過對世界專利庫中大量專利的分析發(fā)現(xiàn)并確認了技術(shù)在結(jié)構(gòu)上進化

３２３３

動作間隔時不同動作連續(xù)動作周期動作共振／共鳴—的趨勢最先提出條進化定律等［９］在以往ＴＲＩＺ研究成果的基礎(chǔ)上將技術(shù)進化定律歸納為９條由于進化定律過于宏觀操作性差很難被用于解決問題將進化定律進一步細化提出３７個進化趨勢如表從時間空間和界面三個方面對進化趨勢進行了劃分描述了系統(tǒng)組件進化趨勢的方向每個進化趨勢都有不同的進化狀態(tài)其較為具體詳細能夠作為解決問題的工具其中市場進化趨勢和顧客所關(guān)注的焦點進化趨勢屬于市場趨勢其不可作為解題工具［６］，故本文共有３５

裁剪規(guī)則是裁剪方法應用過程中指導有用功能分配的原則計算機輔助創(chuàng)新軟件ｒ提供了４種基于被裁剪元件功能的有用功能分配途徑］提出了３條基于元件間作用關(guān)系的系統(tǒng)有用功能分配規(guī)則許棟梁［３］在已有基于元件間作用關(guān)系的有用功能分配規(guī)則基礎(chǔ)上擴展出６第４ 類裁剪規(guī)則現(xiàn)有裁剪規(guī)則中新功能載體來源區(qū)分不明確資源搜索空間存在交叉增加了資源搜索的重復性設(shè)計者在選擇裁剪規(guī)則時不能準確定位新功能載體來源以縮小資源搜索空間為了更好地區(qū)

分新功能載體來源本文在文獻中擴展出的類裁剪規(guī)則基礎(chǔ)上依據(jù)新功能載體來源的不同將裁剪規(guī)則重新劃分為３類具體如表所示在使用裁剪規(guī)則時按表３中排列順序依次選用．表３重新劃分的裁剪規(guī)則３裁剪規(guī) 關(guān)系 原理解 新功能載體來刪除原來元件執(zhí)行之功能１無刪除原來元件執(zhí)行之功能的作用對象刪除原來元件執(zhí)行之功能１無刪除原來元件執(zhí)行之功能的作用對象原來元件執(zhí)行之功能由系統(tǒng)內(nèi)組件執(zhí)行２系統(tǒng)內(nèi)部組件作用對象自己執(zhí)行原來元件執(zhí)行之功能由系統(tǒng)外組件執(zhí)行３系統(tǒng)外部組件１．３中資源可分為系統(tǒng)內(nèi)部資源和系統(tǒng)外部資源兩類［７］，內(nèi)部資源是指從系統(tǒng)主要零部件獲得的資源外部資源是指整個系統(tǒng)外部的資源基于系統(tǒng)內(nèi)部資源和外部資源的劃分可將３５個進化趨勢按照解題過程中資源來源不同分為類第類利用內(nèi)部資源操作第２類利用外部資源操作．利用系統(tǒng)內(nèi)部資源操作的趨勢以系統(tǒng)內(nèi)組件為新功能載體提高組件性能包括結(jié)構(gòu)變化顏色變化運動狀態(tài)變化等改善后組件具備了新的功能屬性故可執(zhí)行系統(tǒng)中其它組件所執(zhí)行的功能利用系統(tǒng)外部資源操作的趨勢在解題過程中引入系統(tǒng)外組件作為新功能載體由于引入的組件具備執(zhí)行系統(tǒng)組件功能的屬性故可以代替系統(tǒng)內(nèi)組件執(zhí)行進化趨勢解題過程的實質(zhì)就是搜索系統(tǒng)內(nèi)資源或系統(tǒng)源進行功能重組進化趨勢解題時所利用資源的來源與裁剪規(guī)則引導的新功能載體的資源來源相似這一相似性為構(gòu)建進化趨勢與裁剪規(guī)則之間的映射關(guān)系模型如圖１）提供了理論基礎(chǔ)圖中ｆ１ｆ２為映射關(guān)系函數(shù)．從以上論述可知進化趨勢了裁剪規(guī)則２，３中新功能載體來源的具體方向如趨勢分割表面趨勢增加不對稱性趨勢９打破邊界等通過改善系統(tǒng)內(nèi)組件進行解題則其對應于裁剪規(guī)則趨

圖 進化趨勢與裁剪規(guī)則的映射關(guān)系模１ｐ勢１智能材料趨勢４分割物體趨勢１４單雙多等通過引入系統(tǒng)源解題則其對應于裁剪規(guī)則３．按照上述方法將利用系統(tǒng)內(nèi)資源操作的趨勢劃分在裁剪規(guī)則２中利用系統(tǒng)源操作的趨勢劃分在裁剪規(guī)則３中得進化趨勢與裁剪規(guī)則的映射關(guān)系如表所示由于裁剪規(guī)則不需要新功能載體本文不作討論．２多層次進化趨勢選擇策略進化趨勢作為ＴＲＩＺ中解題工具使用時能夠有效預測系統(tǒng)未來狀態(tài)以及啟發(fā)設(shè)計者獲得高理想度的創(chuàng)新解但設(shè)計者在選擇進化趨勢時較為困難．現(xiàn)有進化趨勢解題多依賴專利數(shù)據(jù)分析確定進化趨勢由于專利數(shù)據(jù)分析較為繁瑣并且需要設(shè)計者掌握一定檢索及分析技巧本文在選擇進化趨勢時省去了專利數(shù)據(jù)分析過程構(gòu)建了基于進化趨勢與裁剪規(guī)則的映射關(guān)系層空間界面時間三個角 表進化趨勢與裁剪規(guī)則的映射關(guān)系４ｅｅ規(guī)則 空間進化趨勢 界面進化趨勢時間進化趨勢規(guī)則１ ，

裁剪元件及其功能與進化鏈中進化狀態(tài)及其功能的相似性對比確定能夠滿足新功能載體功能需求的進化趨勢．３基于技術(shù)進化趨勢的裁剪方法過程模型本文所研究裁剪方法對原有裁剪方法作了改規(guī)則２ 進引入進化趨勢輔助功能重組進化趨勢輔助功， 重組黑箱模型如圖是構(gòu)建新的裁剪方法過程模規(guī)則３ 型 內(nèi)容其主要分為進化趨勢選擇和進化勢解題兩部分在刪除被裁剪元件后初次篩選設(shè)計者在選擇裁剪規(guī)則后在進化趨．二次篩選分析裁剪元件及其問題區(qū)域等分別從空間界面時間三個角度選擇進化趨勢為了便于設(shè)計者篩選進化趨勢本文給出了空間界面時間進化趨勢的概念以及解題范圍如表５所示．表 空間界面時間進化趨勢的概念及解題范

行功能重組故設(shè)計者可依據(jù)多層次的進化趨勢選擇策略模型選擇進化趨勢進而利用進化趨勢解題啟發(fā)設(shè)計者獲得創(chuàng)新解通過以上分析為設(shè)計者掌握此黑箱模型的內(nèi)部框架提供了詳細的理論知識以及方法流程為構(gòu)建基于技術(shù)進化趨勢的裁剪方法過程模型奠定了基礎(chǔ)．

空間進化趨 界面進化趨 時間進化趨空間是與時間相對的一種物質(zhì)客界面是指個或時間是一個較為

圖進化趨勢輔助功能重組黑箱模型３ｎｈ觀存在形式物與多個不同物相之抽象的概念，是概 物的位置差異度間的分界面界面物質(zhì)運動、變量稱之為空間”，是人與物體互動的持續(xù)性和順序

基于技術(shù)進化趨勢的裁剪方法過程模型如圖４所示具體步驟如下：空間由長度、寬的媒介體現(xiàn)了一度高度、大小表定的交互性

性的表現(xiàn)

選擇目標系統(tǒng)目標系統(tǒng)可以是產(chǎn)品已有方案結(jié)構(gòu)空間 時間沖突，運動突、組件幾何變組件或功能數(shù)量變化的持續(xù)性和

功能分析依據(jù)系統(tǒng)各組件之間關(guān)系

化物質(zhì)的物理結(jié)

變化、交互作用人機交互外觀等順序性

如頻率

能不足功能過剩功能有害功能構(gòu)建系統(tǒng)功能構(gòu)變化 協(xié)調(diào)性 模型確定裁剪元件并依據(jù)根原因分析成本分析或有害功能分析等確定裁剪元件優(yōu)先順序．確定裁剪規(guī)則按順序依次選用裁剪規(guī)則找到符合要求的裁剪規(guī)則若裁剪規(guī)則１符合要求則直接轉(zhuǎn)至步驟若規(guī)則１不符合要求則依次選用裁剪規(guī)則轉(zhuǎn)至步驟５）．選擇進化趨勢針對選擇的裁剪規(guī)則依據(jù)多層次的進化趨勢選擇策略模型確定進化趨勢在此，也可借助根原因分析及有害作用分析輔助確定進化趨勢通常在根原因分析中區(qū)域所違背的進化圖２多層次進化趨勢選擇策略模型２ｅｙｈｆ三次篩選基于前兩次選擇的進化趨勢

趨勢就是系統(tǒng)或組件潛在發(fā)展方向進化趨勢解題或組件在進化鏈中的當前狀態(tài)分析得出潛力狀態(tài)由潛力狀態(tài)啟發(fā)得到啟發(fā)解對于裁剪規(guī)則啟發(fā)解為符合潛力狀態(tài)第４ 要求的系統(tǒng)內(nèi)組件可提高或挖掘系統(tǒng)內(nèi)組件的功能屬性對于裁剪規(guī)則啟發(fā)解為系統(tǒng)外組件．評價以理想性和可行性作為評判標準對裁剪后模型進行評判若滿足要求則輸出創(chuàng)新方案，

反之則重新確定裁剪元件繼續(xù)進行裁剪操作在本文中理想性評價主要包括組件數(shù)成本有害作用等因素可行性評價包括結(jié)構(gòu)技術(shù)以及原理等圖 基于進化趨勢的裁剪方法過程模 ｇ４實例應用鋼帶鎧裝機裁剪創(chuàng)新設(shè)計電纜行業(yè)是我國僅次于汽車行業(yè)的第二大行業(yè)［１４１５］，在一些要求電纜承受拉力的情況下電纜需要加裝鋼帶鎧裝層即在電纜絞線上繞包鋼帶形成鋼帶鎧裝電纜鋼帶鎧裝機如圖５圖６所示鋼帶鎧裝電纜的出現(xiàn)解決了電纜抗拉以及防護等問題但企業(yè)在實際生產(chǎn)過程中存在一些急需改進的問題目前主要是把鋼帶均勻纏繞在絞線上鋼帶盤裝在鋼帶盤軸上工作時鋼帶盤隨軸一起轉(zhuǎn)動而當鋼帶盤轉(zhuǎn)速太高時回轉(zhuǎn)產(chǎn)生不平衡的離心 圖５鋼帶鎧裝機ｇ 性力系離心慣性力系發(fā)生周期性變化致使在承載中產(chǎn)生附加動壓力影響機器的強度并降低機械效率［１６］，同時會引起機器振動長期高速旋轉(zhuǎn)勢必會影響機器穩(wěn)定性甚至會造成事故存在很大的安全圖６當前鋼帶鎧裝機結(jié)構(gòu)示意圖ｇ

對鋼帶鎧裝機進行功能分析建立其功能模型如圖找出其有害作用不足作用及過剩作用．由問題根原因分析可知鋼帶盤軸帶動鋼帶盤間歇運動造成變化的離心力容易引起機器振動存在安全隱患確定裁剪元件為鋼帶盤和鋼帶盤軸等現(xiàn)已知鋼帶盤較重由離心力可知鋼帶盤及鋼帶自重是產(chǎn)生巨大離心力的一個重要因素但鋼帶盤為鋼帶裝置故不能裁剪因此將對鋼帶盤軸進行裁剪最終確定裁剪元件為鋼帶盤軸．４．２

圖７鋼帶鎧裝機功能模型 ｇ勢和協(xié)調(diào)性節(jié)奏趨勢的各個進化狀態(tài)找出符合功能屬性要求的下一發(fā)展狀態(tài)為部分協(xié)調(diào)動作和周期協(xié)調(diào)動作．基于對系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)裁剪規(guī)則１不可行選擇裁剪規(guī)則原來元件執(zhí)行之功能由系統(tǒng)內(nèi)組件執(zhí)行即鋼帶盤軸所提供的旋轉(zhuǎn)支撐等功能由鎧裝機系統(tǒng)內(nèi)組件執(zhí)行由于鋼帶重量大鋼帶高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力較大機器振動嚴重存在很大安全隱患所以旋轉(zhuǎn)不能太快問題涉及時間頻率振動等因素則從時間進化角度篩選進化趨勢依據(jù)功能相似性對比最終選擇協(xié)調(diào)性動作趨勢和協(xié)調(diào)性節(jié)奏趨勢進化趨勢解題由于裁剪造成對鋼帶盤的支撐固定旋轉(zhuǎn)等功能缺失故依據(jù)下一發(fā)展狀態(tài)在系統(tǒng)內(nèi)尋找能夠提供這些功能的組件在表２中查看協(xié)調(diào)性動作趨

受表６中進化狀態(tài)啟發(fā)尋找動作協(xié)調(diào)性的組件或周期運動組件顯然系統(tǒng)內(nèi)組件鎧裝機縱軸即滾筒符合條件由滾筒執(zhí)行鋼帶盤軸的功能鋼帶盤橫穿在鎧裝機滾筒上進而形成創(chuàng)新解即裁剪后模型如圖８所示．表鋼帶鎧裝機的進化趨勢解題過程６ｎｓｈｅｇ趨勢名稱 問題當前狀態(tài)下一發(fā)展狀態(tài) 啟發(fā)解協(xié)調(diào)性動 不協(xié)調(diào)動 部分協(xié)調(diào)動 協(xié)調(diào)結(jié)協(xié)調(diào)性節(jié) 連續(xù)的動 周期動 鋼帶盤周期旋第４ 圖８鋼帶鎧裝機裁剪后模型 ｇ評價以理想性和可行性作為評判標準對裁剪后模型進行評價首先此方案在裁剪過程中刪除了系統(tǒng)內(nèi)組件鋼帶盤軸沒有引入新組件達到了減少系統(tǒng)組件的目的鋼帶盤橫穿在滾筒上軸向旋轉(zhuǎn)受力均勻回轉(zhuǎn)過程中不會產(chǎn)生不平衡的離心慣性力系可消除振動噪聲等有害作用機器運行過程中的穩(wěn)定性得到了保障故可提高鋼帶盤轉(zhuǎn)速進而提高了生產(chǎn)效率組件數(shù)的減少和生產(chǎn)率的提高可使其成本降低則系統(tǒng)理想性得到提高其次裁剪后模型在原有方案基礎(chǔ)上作了改進利用滾筒執(zhí)行鋼帶盤軸的功能由于工作時滾筒本身處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)且強度較高故可代替鋼帶盤軸實現(xiàn)支撐旋轉(zhuǎn)等功能方案在原理上可行鋼帶鎧裝機新結(jié)構(gòu)已通過三維軟

圖１０鋼帶鎧裝機創(chuàng)新方案ｎ表７鋼帶鎧裝機評價表７ｇ評價項 評價結(jié)刪除了鋼帶盤軸由滾筒執(zhí)行其功能件建模仿真如圖且現(xiàn)有機械加工技術(shù)能夠為其提供技術(shù)支撐方案已經(jīng)過某電纜企業(yè)工程師驗證本方案對機器結(jié)構(gòu)進行了改進提高了機器性

有害作

組件數(shù)減少消除了振動噪聲等有害作用提高了機器穩(wěn)定性提高了出線率能滿足設(shè)計要求則輸出創(chuàng)新方案如圖與當前鎧裝機方案比較對實施裁剪后方案進行評價如表７所示．

成 降加工技術(shù)與原方案相似現(xiàn)有機械加工技術(shù)能夠制造實現(xiàn)可行

已通過三維軟件建模仿真驗證了結(jié)構(gòu)可行性工作時滾筒本身旋轉(zhuǎn)且強度較高可代替鋼帶盤軸實現(xiàn)支撐旋轉(zhuǎn)等功能５圖９鋼帶鎧裝機新結(jié)構(gòu)的建模仿真ｅ

本文在現(xiàn)有裁剪方法應用方式及裁剪規(guī)則分類的基礎(chǔ)上將裁剪規(guī)則依據(jù)新功能載體來源重新劃分為類并基于此分類原理建立了進化趨勢與裁剪規(guī)則的映射關(guān)系同時建立了多層次進化趨勢選擇策略與進化趨勢輔助功能重組黑箱模型構(gòu)建了基于進化趨勢的裁剪方法過程模型該模型利用進