基于TRIZ进化理论的产品创新设计_张付英.pdf

2 0 0 8 年 2 月农 业 机 械 学 报第 39 卷 第 2 期 基于 TRIZ进化理论的产品创新设计 张付英 张林静 王 平 摘要 提出了基于不同视角的产品创新设计过程统一模型 并将 TRIZ 进化理论集成到产品创新解的产生 环节 利用 TRIZ 进化理论 确定产品进化较差的进化路线 预测未来技术的可能结构状态 指导设计者沿着正确 的方向产生创新解 实现了产品的快速创新设计 通过实例分析 表明该方法在实际产品设计过程中的可操作性 和有效性 关键词 T RIZ 进化理论 创新设计 进化潜能 进化路线 中图分类号 TH122 TH136文献标识码 A Study on Product Innovative Design Based on TRIZ Evolution Theory Zhang Fuying Zhang Linjing Wang Ping Tianjin University of Science and Technology Abstract The uniform process model of product innovative design based on different views has been proposed and T RIZ evolution theory for technical systems has been integrated into the stage for innovative ideas creation In order to achieve rapid product innovative design T RIZ evolution theory was used to identify the poor evolution lines to predict the possible structure state of the future and guide the designers to get innovative ideas along the right direction A practical application of this work was also presented to illustrate its validity and operable Key words TRIZ evolution theory Innovative design Evolutional potential Evolution lines 收稿日期 2006 11 27 国家自然科学基金资助项目 项目编号 50675155 张付英 天津科技大学机械工程学院 副教授 300222 天津市 张林静 天津科技大学机械工程学院 讲师 王 平 天津科技大学机械工程学院 教授 引言 TRIZ 1 theory of inventive problem solving 提 供的创新设计理论和方法 已经成为产品开发中解 决技术难题的有效工具 技术进化理论是 TRIZ 的 核心 该理论不仅能预测技术的发展 而且还能展现 预测结果实现的可能结构状态 指导设计者沿着正 确的方向开发新产品 本文从不同视角提出产品创 新设计过程的统一模型 并将 TRIZ 进化理论集成 到产品创新解的产生阶段 预测未来技术的可能结 构状态 指导设计者产生创新设计方案 并用液压缸 往复密封作为实例 1 TRIZ进化理论 TRIZ 进化理论是专门研究技术系统进化预测 的重要分支 目前有技术进化理论 ET 2 技术进 化引导理论 GTE 和直接进化理论 3 等多种形式 为了使这些理论在实际产品开发中易于操作 TRIZ 研究者归纳和总结出技术进化模式和进化路线 设 计者应用这些进化模式 路线很容易产生创新设计 方案 1 1 技术进化模式和进化路线 技术进化模式是指技术系统在发展过程中所呈 现出的复杂进化趋势 随 T RIZ 理论的发展 先后 有 Altshuller 的 10 种进化模式 1 Zusman 的 8 种进 化模式 3 和 Darrell 的 11 种进化模式 4 从产品开 发角度 前两种进化模式使用方法模糊 难以操作 后一种进化模式考虑了产品设计的结构问题 易于 操作使用 本文以 Darrell 的 11 种进化模式进行分 析 即 系统向理想化方向进化 向增加系统的动态 性方向进化 向增加系统分割的方向进化 向增加空 间分割的方向进化 向增加表面分割的方向进化 向 增加可控性方向进化 向超系统方向进化 即先使系 统的复杂性增加而后向减少系统的复杂性方向进 化 向增加几何体复杂性的方向进化 向能量转换路 径最短的方向进化 向增加系统动作协调性的方向 进化 向增加系统节奏和谐性的方向进化 每种进化模式都有多条进化路线 每条进化路 线 研究者都确定了自左向右的通用进化状态 如 增加系统的动态性进化模式包含如下进化路线 刚 性体 单铰体 多铰体 柔性体 液体或气体 场 超系统 系统 子系统 物质 通过对大量的 专利研究发现 技术系统的进化路线研究可提供开 发新一代产品的新概念和新思路 1 2 技术系统的进化潜能 技术进化模式 路线与现代设计方法学的融合 产生了进化潜能的新概念 4 进化潜能图如图 1 所 示 图中每一条射线表示与构件或系统相关的进化 模式 外周表示进化模式沿各条进化路线的进化极 限 阴影面积表示目前产品沿进化路线已完成的进 化 而进化极限与阴影面积之间的面积差就代表该 系统的进化潜能 进化潜能图可直观表示给定技术 系统的进化情况 为设计人员确定未来技术开发方 向提供了理论依据 图 1 技术系统进化潜能图 Fig 1 Evolutionary potential radar plot 2 基于 TRIZ进化理论的产品创新设计 2 1 产品创新设计过程统一模型 对产品创新设计过程有不同的理解和术语 图 2从不同视角给出了产品创新设计过程的一般模 型 5 从传统的设计过程看 产品设计是从用户需 求分析到新产品设计制造方案的形成过程 从概念 设计的视点 则是指产品概念的认定 产生 实现和 发展的过程 从创新的角度出发 针对市场新的需求 和产品的问题 不足 不断用新的产品功能 结构和 工艺去替代老产品的过程 从信息化角度研究 是利 用计算机软硬件 网络和数据库技术进行计算机辅 助产品创新 图中的 CAMI CAFI CASI CAPI 分 别为计算机辅助产品市场 结构 功能 工艺创新 图 2 基于不同视角的产品创新设计过程统一模型 Fig 2 Uniform process model of product innovative design based on different views 创新概念或创新设想产生是产品创新设计中最 能体现人创造力的环节 6 要求设计人员利用现有 的科学原理 公理结合具体实际条件 寻找技术 经 济可行的方案构想 针对产品存在的缺陷确定改进 的方法 或针对产品向理想解的进化过程确定开发 方向是产生创新构思的一种有效的可操作的方法 本文重点讨论将 TRIZ 进化理论作为产生创新构思 的基本工具 实现产品快速创新过程 由于篇幅有 限 在创新设计其他阶段的应用不再赘述 2 2 创新解的产生 应用 TRIZ 进化理论产生创新解的过程为 通 过专利和产品相关数据分析 研究给定技术系统的 进化过程 根据现有产品的结构状态确定其在已知 的可应用进化路线上的位置 确定给定技术系统沿 各条进化路线没有实施的进化状态和未来可能的进 化阶段及进化较差的进化路线 通过定义进化冲突 确定给定技术系统实现未来进化阶段所需的技术创 新潜力 用两种方法产生创新解 一是由给定技术 系统沿各条进化路线可能的潜在状态 确定创新解 二是由技术系统的进化潜能图 辨识未来主要的进 化状态和创新方向 从而确定创新解 图 3 为针对 某种产品的基于动态进化路线确定创新解的过程 图 1 为基于进化潜能图确定创新开发方向的过程 2 3 产品进化位置的量化 利用模糊集 0 1 2 3 4 5 来度量产品的相对 进化位置 图 4 为产品相对每一进化模式位置的确 定过程 模糊集的意义如表 1 所示 3 应用实例 3 1 问题描述 往复密封是液压缸关键技术 其性能对液压缸 的低速特性 运动的灵敏性和动静刚度起决定性作 用 7 为满足用户要求 液压往复密封在很多方面 需要改进 本文以液压缸活塞往复密封为例 应用 117第 2 期 张付英 等 基于 TRIZ 进化理论的产品创新设计 提出的创新设计方法 进行往复密封的改进设计 图 3 基于进化路线的创新解产生过程图 Fig 3 Innovative dieas creation based on TRIZ evolution line 图 4 产品相对进化模式位置的确定 Fig 4 Process of positioning a system in relation to the patterns of evolution 表 1 产品进化位置的模糊量化 Tab 1 Positioning a system in relation to the patterns 模糊值模糊值意义 0 产品沿该进化模式还未实施进化 沿该进化模式的开发 是非常必要的 1 产品沿该进化模式刚实施进化 产品的进一步开发可能 主要沿这一进化模式 3 产品沿该进化模式实施了一定的进化 当沿其他进化模 式的进化不是刚刚开始时 也可考虑沿该方向的开发 5 产品沿该进化模式的进化达到进化极限 没有必要沿该 方向进行产品的进一步开发 2 4产品沿该进化模式的进化程度介于1 和 3 3 和 5 之间 3 2 液压往复密封的进化路线 液压往复密封创新包括新的密封材料和功能性 材料的应用 密封件的截面形状设计 密封结构的改 进和密封件的组合 本文从材料 结构 截面形状和 功能几方面来分析往复密封技术的进化历程 并归 纳和总结出与往复密封进化相关的进化路线如图 5 所示 图 5a l 分别与 Darrell 的 11 条进化模式相 对应 图中 带圆圈的方框表示当前往复密封的进 化位置 虚线箭头指出了与之相对应的密封结构 带 阴影的方框表示液压往复密封潜在的进化状态 它 提供了解决问题的出发点 3 3 液压往复密封的进化潜能图 根据图 5所示的往复密封进化路线及当前进化 位置 并按照本文提出的产品进化位置的量化方法 构建液压往复密封的进化潜能图 如图 6 所示 从 图中没有进化的区域可确定液压往复密封创新设计 的方向 3 4 液压往复密封的创新设计解 将现有往复密封的进化路线与图 5 所示的 T RIZ 通用进化路线对比 并根据图 6 所示的进化 潜能图得到如下结论 单一密封材料难以同时满 足密封和耐磨要求 因此密封材料的多元化 复合化 和功能性材料的应用是往复密封材料创新的重要方 向 探索磁场 电场 化学场和生物场等复合场作 用的密封技术可获得往复密封的突破式创新 沿 空间分割进化路线开发具有多孔和毛细管的密封结 构可大大提高密封的润滑性能 减少粘滑阻力 降低 磨损率 几何体进化是一个比较明显的进化趋 势 当在设计过程中探索所有能得到的自由度时 就 会得到密封件的创新设计 开发截面形状更复杂 的密封件可使密封性能 耐磨性大幅度提高 增加密 封件的寿命和可靠性 往复密封技术沿表面分割 的进化已处于第 3 个阶段 开发具有活性孔的密封 件可进一步增加密封装置的动态性 从而得到新型 往复密封结构 要增加密封的可控性 应开发带 有反馈控制和智能控制的密封装置 液压往复密封 技术在可控性 充分利用系统内部资源 向理想化方 向进化等方面还有很大的进化潜能 液压往复密 封在系统动作的协调性和节奏和谐性方面刚刚实施 进化 因此沿该方向开发密封产品将引发液压往复 密封的突破式发展 根据上述提供的方向进行往复密封的研究开 发 会获得往复密封的创新设计 当然 要得到创新 设计解 必须根据创新方向构思相应的创新设计方 案 如沿往复密封件几何体进化方向可预测下一个 结构进化状态应为复杂的截面形状 图 7 为由此构 思的密封创新设计的一个方案 由于该密封的弹性 力可调 且带有止口 可提高往复密封的密封性能和 耐磨性 4 结束语 传统创新产品开发需设计人员在较大的解空间 寻求问题解 TRIZ 技术进化理论提供了使设计者 能迅速得到创新问题解的结构化方法 本文将 T RIZ 进化理论与产品创新设计相融合 在产品概 念产生环节 利用 TRIZ 进化路线和进化潜能产生 创新解 使产品创新设计过程具有可操作性 最后 以液压缸往复密封作为研究实例 表明该方法的有 效性 118农 业 机 械 学 报 2 0 0 8 年 图 5 液压往复密封的进化路线 Fig 5 Evolution lines of hydraulic reciprocating seal 图 6 液压往复密封的进化潜能图 Fig 6 Evolutionary potential radar plot of hydraulic reciprocating seal 图 7 带止口的阶梯形密封 Fig 7 Ladder seal with gap 下转第 166 页 119第 2 期 张付英 等 基于 TRIZ 进化理论的产品创新设计 cos sin R13 cos sin sin R23 cos cos R33 cos 11 又根据 3 RPS 并联机构的结构和设计有 R12 R21 Px r k R11 R22 Py R21r 12 式 11 12 中 R r 分别为定平台和动平台外接圆 的半径 k 为并联机构的结构参数 均为已知量 由 式 11 12 可求得 Px Py 根据加工信息 可得 Pz 则式 8 表示的动平台位姿已知 根据结构设计参数 球面副中心 i 在动平台坐 标系的坐标值a i已知 则由 ai 1 T a i 1 13 可求出球面副中心 i 在定平台坐标系的坐标值ai 同理 又知转动副中心 j 在定平台坐标系的坐 标值 Ai 则球面副中心到转动副中心的距离即为各 并联杆杆长 为 Li Aix aix 2 Aiy aiy 2 Aiz aiz 2 14 由式 6 7 获知并联轴 Z 相应位置增量补偿 值 再由式 14 确定各杆杆长 则通过各并联杆伺 服电动机改变并联杆杆长即可实现并联轴 Z 的定 位精度补偿 如图 6 所示 采用式 6 7 误差补偿 数学模型对混联机床并联轴进行误差补偿后的定位 精度和重复定位精度曲线 其中正 反向定位精度 为 12 009 8 143 m 正 反向重 复定位精度为 12 009 4 027 m 机床并联轴 Z 的定位精度为 12 138 m 达到了提升混联机床并联轴运动精度 的目的 图 6 补偿后并联轴定位精度曲线 Fig 6 Curves of position accuracy for parallel axis 4 结束语 对混联机床定位精度的干涉测量原理和方法进 行了探讨 运用此方法采用激光干涉仪检测了其定 位精度 重复定位精度 做出了其平均偏差特性曲 线 建立了其正 反 Z 向线性位移定位误差数学模 型 据此模型获取了目标点补偿值 并利用最小二乘 法拟合得到了混联机床 Z 向定位误差补偿模型和 增量补偿特性曲线 然后据加工信息和结构参数求 出了机床动平台位姿和并联机构各杆杆长 最后对 混联机床定位精度进行补偿 使其运动精度得到了 明显提高 参考文献 1 毕宇昭 赵晓明 HexaM 并联机床的误差分析及补偿 J 机械科学与技术 2006 25 5 598 602 2 徐礼钜 范守文 马咏梅 等 一种新型并联机床的精度建模与误差分析 J 四川大学学报 工程科学版 2003 35 4 1 5 3 郭宗和 牛国栋 孙术华 等 三平移并联机器人机构的精度分析 J 农