妥世花，宋興格，萬　浩，劉　超

(四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都　610065)

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，工藝技術(shù)是制造業(yè)重要的核心內(nèi)容，對提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和提升競爭力具有重大影響。當(dāng)前，我國企業(yè)的工藝技術(shù)能力仍舊薄弱，工藝技術(shù)水平亟待提升。美國國家生產(chǎn)力委員會(huì)(NPB)的調(diào)查報(bào)告顯示，工藝技術(shù)對生產(chǎn)力發(fā)展、生產(chǎn)率提高的貢獻(xiàn)約占總額度的57%[1]。MANSFIELD的調(diào)查[2]表明：日本企業(yè)R&D費(fèi)用的64%被用于工藝開發(fā)，36%被用于產(chǎn)品開發(fā)；德國對工藝創(chuàng)新與產(chǎn)品創(chuàng)新投入的比例為4∶1；我國這一比例僅為l∶3。此外，我國落后的工藝設(shè)計(jì)水平已成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸。當(dāng)前技術(shù)創(chuàng)新的研究主要針對產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，針對工藝方面的創(chuàng)新研究較少[3]。工藝創(chuàng)新對于制造業(yè)企業(yè)的生存發(fā)展至關(guān)重要，是企業(yè)生存發(fā)展的根本保證，具有特殊的價(jià)值和意義[4]。

工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)(innovative process design)是一種以優(yōu)化工藝的效率T、質(zhì)量Q、成本C、服務(wù)S、環(huán)保E為目標(biāo)，在認(rèn)知科學(xué)、創(chuàng)新方法、知識工程等科學(xué)的支持下，進(jìn)行問題求解的工藝設(shè)計(jì)行為，進(jìn)而產(chǎn)生新工藝、新裝備、新服務(wù)和新管理模式等[5]。國外的學(xué)者在20世紀(jì)就注意到了科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展使得經(jīng)濟(jì)發(fā)展的性質(zhì)產(chǎn)生了根本的變革，“單純的產(chǎn)品創(chuàng)新難以長期維持其效益的增長，必須依靠工藝創(chuàng)新”(庫茲涅茨，1932)，“工藝創(chuàng)新是世界技術(shù)競爭取勝的關(guān)鍵”(西蒙·拉莫，1978)。塔施曼和羅森卡夫(1992)等認(rèn)為工藝創(chuàng)新是創(chuàng)新的最基本形式[6]。

創(chuàng)新與問題的解決有著密切的關(guān)系，問題的解決是創(chuàng)新的土壤，不是所有問題的解決都包含有創(chuàng)新，但創(chuàng)新一定包含問題的解決。同時(shí)，工藝創(chuàng)新是采用現(xiàn)代科學(xué)知識，創(chuàng)造新的工藝原理、方法、手段和生產(chǎn)模式，提高制造能力和效益的創(chuàng)造性實(shí)踐活動(dòng)[7]，其過程實(shí)際上也是問題不斷求解的復(fù)雜迭代過程。然而，在現(xiàn)實(shí)工作中，人們往往過多關(guān)注于解決問題這一環(huán)節(jié)，而對位于問題解決流程前端的問題發(fā)現(xiàn)與分析環(huán)節(jié)卻沒有給予應(yīng)有的重視。在設(shè)計(jì)過程中，大多數(shù)情況下不是不能解決問題，而是不知道有什么問題；在問題明確的情況下，急于尋找解決問題的方案，是很多實(shí)際問題無法解決或更好解決的一個(gè)主要原因[8]。上述狀況的出現(xiàn)嚴(yán)重制約著創(chuàng)新的有效進(jìn)行，因此，在工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者應(yīng)該重視發(fā)現(xiàn)問題這一環(huán)節(jié)，這也是發(fā)現(xiàn)問題位于問題求解流程前端的必然要求。

1　面向需求的問題發(fā)現(xiàn)方法

1.1　TRIZ與TOC理論

TRIZ(俄語“發(fā)明問題解決理論”的縮寫)是解決技術(shù)矛盾和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的有力工具，TRIZ與其他創(chuàng)新方法相比，最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以幫助設(shè)計(jì)者縮短試驗(yàn)糾錯(cuò)的過程并創(chuàng)造性地解決設(shè)計(jì)難題。

TRIZ的出現(xiàn)，給創(chuàng)新這一現(xiàn)代社會(huì)中最活躍的元素帶來了革命。將TRIZ引入到問題求解模型的工藝創(chuàng)新中，具有可行性與優(yōu)越性。理由如下：

1)TRIZ不僅僅是一種分析式的思維方法，它還具有廣泛的適應(yīng)性，掌握之后會(huì)有助于將其他領(lǐng)域解決問題的方法應(yīng)用到工藝設(shè)計(jì)中。同時(shí)，TRIZ專家SAVRANSKY博士指出：TRIZ是基于知識的、面向人的發(fā)明問題解決系統(tǒng)化方法學(xué)。TRIZ在發(fā)明問題解決過程中使用知識來啟發(fā)問題的解決，這些知識包含了大量的自然科學(xué)及工程中的眾多知識。工藝設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的創(chuàng)造性活動(dòng)，因此在工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)問題解決中，TRIZ不僅能夠輔助工藝設(shè)計(jì)者利用已有知識，還能充分發(fā)揮工藝設(shè)計(jì)師的主觀能動(dòng)性。

2)工藝設(shè)計(jì)是一項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的工作，當(dāng)工藝設(shè)計(jì)人員遇到工藝問題時(shí)，總是首先考慮利用已有的設(shè)計(jì)知識和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)得出解決問題的初步方案，通過持續(xù)的修改、完善、再修改、再完善，然后試制，如果工藝問題得不到解決或產(chǎn)生新的問題，則又回到問題的起點(diǎn)。這種傳統(tǒng)解空間搜索的過程有明顯試驗(yàn)糾錯(cuò)的特點(diǎn)，稱為試湊法或試驗(yàn)糾錯(cuò)法。TRIZ提供的不僅僅是一種純粹的創(chuàng)新理論，它還是一種思維模式，能夠幫助人們形成一種系統(tǒng)化的、易流程化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)問題思考模式。與傳統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新方法相比，TRIZ思維是收斂的，其高效的創(chuàng)新思維有助于輔助設(shè)計(jì)者走出傳統(tǒng)創(chuàng)新試錯(cuò)法的困境。

3)以往當(dāng)工藝設(shè)計(jì)人員遇到工藝沖突時(shí)，往往依靠于過去的經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)在問題解決的過程中有著重要的作用，然而也存在著下述缺陷：①問題的解決極有可能趨于妥協(xié)性，難以從根本上解決問題，創(chuàng)新機(jī)會(huì)可能缺失；②過多依賴于經(jīng)驗(yàn)，可能使人難以突破慣性思維與思維定勢的制約，制約了創(chuàng)新；③其經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用操作性不強(qiáng)，缺少方法的指導(dǎo)等。而TRIZ與其他創(chuàng)新方法相比，最大的優(yōu)點(diǎn)在于將矛盾與沖突點(diǎn)轉(zhuǎn)化為利益點(diǎn)，然后利用其中的發(fā)明問題解決理論(如發(fā)明原理、分離原理、標(biāo)準(zhǔn)解等)來尋求問題的快速解決。

制約因素理論(theory of constrains，TOC)由以色列物理學(xué)學(xué)者GOLDRATT博士于1984年最先提出。該理論的基本假定是，在任何一個(gè)客觀現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，總是有極少數(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)制約或主導(dǎo)著絕大多數(shù)的普通環(huán)節(jié)。抓住這極少數(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)控，就可以收到事半功倍的效果。應(yīng)用這一理論可以幫助工藝設(shè)計(jì)人員化障礙為通途，把制約環(huán)節(jié)變成能夠改善系統(tǒng)成效的杠桿。當(dāng)前實(shí)現(xiàn)樹(CRT)是TOC中5個(gè)常用的邏輯樹之一，其建立在因果關(guān)系推理之上，以系統(tǒng)存在的問題缺陷為輸入，根據(jù)因果邏輯倒推，對問題進(jìn)行逐層分析，直至發(fā)掘出產(chǎn)生問題的所有潛在根本原因。CRT構(gòu)造模式如圖1所示[9]。

圖1　CRT構(gòu)造模式

傳統(tǒng)TRIZ中并沒有給出分析與確定問題沖突的系統(tǒng)化方法，而且無法對問題進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。而TOC作為發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的工具，能夠發(fā)現(xiàn)問題、定義問題，并不能提供解決問題的方法。TRIZ提供了一系列解決困難問題的工具，能夠分析解決TOC發(fā)現(xiàn)的問題矛盾[10]。因此將兩者有機(jī)地結(jié)合起來就能夠有效地輔助工藝設(shè)計(jì)過程中的“發(fā)現(xiàn)問題”和“解決問題”的過程，從而實(shí)現(xiàn)工藝創(chuàng)新。

1.2　工藝需求獲取模型

工藝設(shè)計(jì)是將產(chǎn)品信息轉(zhuǎn)換成制造數(shù)據(jù)的過程，其主要目標(biāo)是確定零件加工方法和生產(chǎn)過程。傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)中，工藝設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是產(chǎn)品零件的設(shè)計(jì)圖，其工藝設(shè)計(jì)工作是按設(shè)計(jì)圖來進(jìn)行的，而很少對零件進(jìn)行有效的工藝需求分析。然而，在工藝設(shè)計(jì)工作中，設(shè)計(jì)人員面對的卻是組成產(chǎn)品的每個(gè)零件。工藝需求中需要考慮的因素來自于3個(gè)方面：用戶需求、零件信息、內(nèi)部用戶(工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造人員)，如圖2所示。

圖2　工藝需求獲取模型

在實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)制造過程中針對什么對象、依據(jù)什么方法、使用什么工具、經(jīng)過什么過程、達(dá)到什么效果的一系列信息，是由企業(yè)的實(shí)際制造資源狀況所決定的?？梢姡に囆枨笮枰揽恐圃熨Y源來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)有些需求無法通過現(xiàn)有的制造資源來實(shí)現(xiàn)時(shí)，就產(chǎn)生了沖突，即工藝需求沖突。這些沖突是制造資源約束的結(jié)果，沖突作為創(chuàng)新活動(dòng)中比較活躍的因素，推動(dòng)著創(chuàng)新進(jìn)程的發(fā)展。工藝需求沖突，是在設(shè)計(jì)前端出現(xiàn)的，是以不同群體的需求為基準(zhǔn)的，其創(chuàng)新性要遠(yuǎn)高于后端具體問題引起的沖突。

由需求引起的沖突問題實(shí)質(zhì)上是對整個(gè)工藝設(shè)計(jì)過程的要求，從整體上解決這些沖突是相當(dāng)復(fù)雜的。從工藝活動(dòng)要素的組成出發(fā)，將工藝設(shè)計(jì)中工藝決策問題按任務(wù)分級規(guī)劃的思想分解為各子任務(wù)，各子任務(wù)分別建立決策模型[11]。因?yàn)楣に囆枨笞罱K是通過制造加工來實(shí)現(xiàn)的，所以將工藝需求沖突問題逐步劃分，并最終表現(xiàn)在具體的加工參數(shù)、加工設(shè)備的選擇上，例如切削用量、機(jī)床、刀具的選擇以及工序的確定等。

然而，通過對問題進(jìn)行分級規(guī)劃，只是將問題縮小到了具體的工藝問題上面，并無法區(qū)分哪些問題才是能夠得到解決方案的本質(zhì)問題。這時(shí)就需要利用CRT對分級規(guī)劃后的需求沖突進(jìn)行分析，找出產(chǎn)生需求沖突的根本工藝沖突。工藝沖突是指改變其中一個(gè)工藝參數(shù)或操作導(dǎo)致其他工藝參數(shù)的變化，產(chǎn)生有用和有害兩種結(jié)果，也可以是指有用作用的引入或有害特性的消除導(dǎo)致其他一個(gè)或幾個(gè)部分特性的變壞[12]。如在線材加工過程中，由于線材細(xì)長，無法進(jìn)行加工，如果切斷線材進(jìn)行加工，不僅生產(chǎn)率低下，而且浪費(fèi)材料。因此存在的工藝沖突雙方為零件尺寸和生產(chǎn)率。

2　基于問題求解模型的工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)

為了在發(fā)現(xiàn)問題的同時(shí)能夠解決問題，并將解決方法應(yīng)用到實(shí)際應(yīng)用中，輔助工藝人員進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，本文建立了一種工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)問題求解模型，如圖3所示。

在這個(gè)模型中，工藝人員在接到一項(xiàng)工藝設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，不同于常規(guī)工藝設(shè)計(jì)那樣簡單地結(jié)合經(jīng)驗(yàn)知識按圖來編排工藝，而是按照如下步驟來進(jìn)行：

1)從用戶需求、零件信息、內(nèi)部用戶需求等角度對工件進(jìn)行有效的分析，然后從現(xiàn)有的制造資源的角度考慮如何去實(shí)現(xiàn)工藝需求，尋求二者之間的矛盾，從而確定需求沖突。再利用蔡力鋼等[13]提出的工藝任務(wù)分解的基本思想，將需求沖突進(jìn)行分解，在將問題分解成若干個(gè)子問題后，如果子問題仍然比較復(fù)雜，不足以很容易地求出它的解，可將子問題再進(jìn)一步劃分成若干問題，依此類推，直到把復(fù)雜問題分解成若干個(gè)相對獨(dú)立的、比較容易求解的子問題為止，所有子問題的解合并起來就構(gòu)成了整個(gè)問題的解。然后，采用TOC的工具——CRT，對具體的工藝問題進(jìn)行挖掘分析，發(fā)現(xiàn)深層次本質(zhì)問題，進(jìn)而確立工藝沖突。

2)將TRIZ創(chuàng)新方法應(yīng)用于解決沖突。本文結(jié)合工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，建立了發(fā)明原理、科學(xué)效應(yīng)等的案例庫，并利用案例庫來激勵(lì)設(shè)計(jì)者將通過TRIZ得到的原理解轉(zhuǎn)化成領(lǐng)域解。在每一個(gè)解決原理中都映射著應(yīng)用案例，參考這些應(yīng)用案例，從中選擇對原有問題有幫助的案例，作為創(chuàng)新思維的激勵(lì)源，輔助工藝設(shè)計(jì)師進(jìn)行創(chuàng)新。在通用解向領(lǐng)域解轉(zhuǎn)化的過程中，可以參照案例庫中該創(chuàng)新原理后面所給出的實(shí)例進(jìn)行通用解的具體化過程，在這個(gè)過程中充分發(fā)揮工藝設(shè)計(jì)師的主體地位，應(yīng)用創(chuàng)造性思維來實(shí)現(xiàn)問題的最終解決。

工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程是問題不斷迭代求解的過程，因此在基于問題求解模型的工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程中，工藝需求對工藝方案的評估、生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的反饋都是推動(dòng)工藝創(chuàng)新不斷前進(jìn)的動(dòng)力。

3　案例

在加工300MW級別的大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)，對轉(zhuǎn)子的圓度、圓柱度、同軸度、粗糙度等要求高，加工難度大。此外轉(zhuǎn)子屬于柔性細(xì)長軸類件，剛性差，工件重力及加工切削力直接影響加工精度。如果采用傳統(tǒng)的臥式車床加工方法，因受機(jī)床精度的影響，工件精度很難保證。

需求獲?。焊叩膱A度、圓柱度、同軸度、粗糙度要求(用戶需求)；采用傳統(tǒng)的臥式車床加工方法(內(nèi)部用戶需求)；轉(zhuǎn)子屬于柔性細(xì)長軸類件，剛性差(零件需求)。

結(jié)合現(xiàn)有的制造資源，分析獲取的各類需求：現(xiàn)有的臥式車床加工方法無法滿足電機(jī)的高精度轉(zhuǎn)子的加工要求，制造約束導(dǎo)致了需求沖突。利用任務(wù)分級規(guī)劃的思想，對每一個(gè)子問題建立決策模型。如圖4所示，結(jié)合現(xiàn)有的制造資源以及用戶需求，對各個(gè)子問題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)定位裝夾方式的選擇是可能產(chǎn)生解決問題方案的子問題?；诖?，通過對工藝資源庫中裝夾定位方式的查找與分析，得到了雙靜壓托與萬向聯(lián)軸器相結(jié)合的轉(zhuǎn)子定位裝夾方式(如圖5所示)，即由萬向聯(lián)軸節(jié)傳遞力矩，在工件的適當(dāng)位置采用中心架支撐方式。采用這種裝夾方式能夠降低由機(jī)床自身傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(機(jī)械部件)間隙等因素對加工精度帶來的影響。

圖3　基于問題求解模型的工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

圖4　工藝需求問題分級規(guī)劃

圖5　萬向節(jié)+雙靜壓托裝夾方式

當(dāng)采用這種裝夾方式時(shí)，此時(shí)的加工精度主要取決于支撐兩端靜壓瓦處的架口精度，架口精度越高加工的工件精度越高。以往的加工自用架口工藝方法是使用磨床將用戶瓦口和自用架口的圓度磨削至0.005mm以內(nèi)。但這種方法存在局限性，即工件的長度不能超過12m，質(zhì)量不能超過150t。目前350MW以上的電機(jī)轉(zhuǎn)子的長度都超過了12m，因此該方法無法對350MW以上功率的電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)施磨削。

此時(shí)，該問題仍未得到完全解決，需要對問題進(jìn)行進(jìn)一步分析，以發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)。繪制此問題的CRT圖(圖6)，不難發(fā)現(xiàn)，存在的核心問題是工藝系統(tǒng)中磨床和砂輪無法滿足精度要求。

圖6　磨削自用架口工序問題的CRT

確定其中的工藝沖突：在自用架口的磨削工序中，需要改善的技術(shù)參數(shù)是不使用磨床所引起的有害因素，而由此帶來的問題將使加工工藝系統(tǒng)變得復(fù)雜。結(jié)合TRIZ，上述問題的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)為：31物體產(chǎn)生的有害因素(改善的參數(shù))；36系統(tǒng)的復(fù)雜性(惡化的參數(shù))。由技術(shù)沖突的矛盾矩陣中得到相應(yīng)的創(chuàng)新原理為：發(fā)明原理1和19，即“分割原理”和“周期性作用原理”。

查詢案例庫中相應(yīng)的發(fā)明原理，參照案例庫中該發(fā)明原理所對應(yīng)的實(shí)例，將通用解具體化為領(lǐng)域解。利用類比思維，進(jìn)行類比推理，適用的原理為“分割原理”中的“將一個(gè)物體分割成相互獨(dú)立的部分”。

磨削的過程實(shí)質(zhì)上是多刃刀具(磨粒)切削、擠壓、摩擦的綜合作用的過程。結(jié)合現(xiàn)有的制造資源，將這個(gè)磨削過程參照分割原理進(jìn)行分析推理，即將磨削過程進(jìn)行分割。進(jìn)而得到如下的車削加工架口的工藝方案：先用彈簧刀反復(fù)修模(切削作用)，修模過程中用精密滾壓器進(jìn)行滾壓(擠壓作用)，以提高修模過程中架口的粗糙度。當(dāng)修模達(dá)到要求圓度后，用專用研磨頭進(jìn)行研磨(摩擦作用)，以提高表面質(zhì)量。采用此種工藝，僅僅在車床上就能完成自用架口的加工。目前利用雙靜壓托+萬向聯(lián)軸器在車床上直接加工自用架口的技術(shù)，已成為各發(fā)電機(jī)廠家加工架口的主要加工方式，完全可以滿足加工精度要求，并且效率較高。

4　結(jié)束語

TRIZ解決問題時(shí)，對問題描述的準(zhǔn)確與否直接決定著問題能否解決。傳統(tǒng)TRIZ中并沒有給出分析與確定問題沖突的系統(tǒng)化方法，而且無法對問題進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。針對此點(diǎn)不足，本文將約束理論的部分工具用于發(fā)現(xiàn)分析工藝系統(tǒng)中的本質(zhì)問題。本文通過案例庫的使用，不僅可以克服設(shè)計(jì)人員自身知識經(jīng)驗(yàn)的不足，而且使類比思維有了源頭支持。

面對工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)問題時(shí)，做出一個(gè)正確有效決策的前提條件應(yīng)該是：在設(shè)計(jì)之初就能對當(dāng)前的狀態(tài)和面臨的問題有一個(gè)準(zhǔn)確的把握。而工藝需求沖突，是在設(shè)計(jì)前端出現(xiàn)的，以不同群體的需求為基準(zhǔn)的一種創(chuàng)新程度很高的活動(dòng)。因此，本文通過需求獲取和需求分析來發(fā)現(xiàn)問題，使發(fā)現(xiàn)問題更容易，且更容易發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)。

基于此，本文面向工藝需求，以發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題為流程，建立了基于問題求解模型的工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程，引導(dǎo)、幫助工藝設(shè)計(jì)人員完成工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并通過工程實(shí)例解釋、驗(yàn)證了該模型。

應(yīng)當(dāng)指出，本文在結(jié)合工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程對工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行研究的過程中，對工藝設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了簡化處理，然而工藝設(shè)計(jì)是復(fù)雜化、經(jīng)驗(yàn)化的過程，因而在今后的研究中需要針對具體的工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行更為深入系統(tǒng)的工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究，以便能夠更好地輔助工藝人員進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。

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