徐夢媛， 魯玉軍， 唐曹丹， 胡小勇

(浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

TRIZ(theory of inventation problem solving)表示發(fā)明創(chuàng)造解決理論，其拼寫是由有相同含義的俄文單詞替換英文單詞構(gòu)成[1-2]。TRIZ中包含多種分析和解決問題的工具，提供一種系統(tǒng)化創(chuàng)新方法[3-4]，尤其在解決產(chǎn)品創(chuàng)新模糊前端設(shè)想的問題和產(chǎn)品進化過程中發(fā)揮著重要的作用[5]。

產(chǎn)品設(shè)計主要分為概念設(shè)計和詳細設(shè)計2個階段。其中，概念設(shè)計階段對產(chǎn)品性能和70%的成本起著決定性的作用。計算機輔助創(chuàng)新軟件(computer aided innovation，CAI)可以有力支持產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計[6]，有效填補概念設(shè)計工具的空白。課題組運用TRIZ創(chuàng)新設(shè)計方法，結(jié)合IKC計算機輔助創(chuàng)新設(shè)計平臺[7]對傳統(tǒng)便捷式榨汁機結(jié)構(gòu)占用空間大、儲汁量低等問題開展優(yōu)化設(shè)計研究。

1 問題描述

目前，便捷式榨汁機因其便捷的特點受到人們的青睞[8-12]，因此制作者不斷對便捷式榨汁機結(jié)構(gòu)進行完善。一些學(xué)者通過集中增加濾網(wǎng)和接汁桶或吸管口以減少人為過濾和傾倒汁液的操作[13-14]，或者通過增加保溫層對汁液進行保溫或保冷[15]，但都未能較好地解決榨汁機便捷攜帶的問題，反而因功能復(fù)雜化而帶來的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。目前市場上的便捷式榨汁機結(jié)構(gòu)主要由主機機體、榨汁杯和刀具3部分組成，如圖1所示。在使用時，由主機機體承接刀具底座，刀具與刀具底座固連，榨汁杯下部螺紋與刀具底座內(nèi)部螺紋配合連接；在攜帶時，可選擇將3個模塊拆分攜帶或整體攜帶2種方式。

一味追求功能多樣化會造成榨汁機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積增大，設(shè)計者們只有減小榨汁機體積才能滿足攜帶的便捷性，但這又帶來了單次榨汁量少等問題。因此課題組針對傳統(tǒng)便捷式榨汁機結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新研究，在儲汁量不變甚至更大的情況下，減小攜帶便捷式榨汁機時占用的空間。

2 基于TRIZ的便捷式榨汁機優(yōu)化設(shè)計過程

TRIZ理論解決問題基本流程如圖2所示[16]。

運用TRIZ理論解決問題的基本思想是將待解決的問題轉(zhuǎn)化成典型問題，找出問題的主要矛盾，再針對性地使用TRIZ工具得出解決特定問題的方案，最后根據(jù)實際情況(如實用性、美觀性等特性)得到最終解決方案。

2.1 定義最終理想解

TRIZ之父阿奇舒勒指出，系統(tǒng)總是在沿著增加其理想度[17]的方向發(fā)展和進化，最終表現(xiàn)為：系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)所有既定的有用功能，卻不占用時間和空間，不消耗資源，也不產(chǎn)生任何有害功能。

2.1.1六步法定義最終理想解

對于便捷式榨汁機理想解的分析包括以下6個步驟：

1) 設(shè)計的最終目的

改善便捷式榨汁機儲汁量少，結(jié)構(gòu)功能單一等問題。

2) 明確最終理想解

儲汁量多，結(jié)構(gòu)多樣，功能完善，造型美觀。

3) 遇到的障礙

便捷式榨汁機傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)固化，不能與顧客需求協(xié)調(diào)同步。

4) 出現(xiàn)障礙的結(jié)果

便捷式榨汁機整體結(jié)構(gòu)越來越小，儲汁量越來越少。

5) 不出現(xiàn)障礙的結(jié)果

功能和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新要及時響應(yīng)市場的需求。

6) 明確創(chuàng)造這些條件的可用資源

便捷式榨汁機現(xiàn)有的機械結(jié)構(gòu)和功能。

2.2 普通便捷式榨汁機組件分析

如圖3所示為運用IKC軟件構(gòu)建普通便捷式榨汁機的組件列表。

為了明確普通便捷式榨汁機各組件之間的相互關(guān)系，首先對其進行系統(tǒng)組件分析，建立起各組件間的相互聯(lián)系并明確組件之間的功能關(guān)系，進而合理地匹配組件、優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

為了有利于電機散熱，大部分電機外殼與存放電機位置之間都有一定的間隙，該間隙部分仍然具有很大的可拓性，因此電機外殼固定電機和刀具底座的功能被定義為不足功能，其余“固定”、“控制”、“支撐”、“粉碎”和“盛放”均為有用功能。

2.3 工程參數(shù)和矛盾分析

為了更好地解決具體問題，將其系統(tǒng)性地轉(zhuǎn)化為由若干工程參數(shù)描述的典型問題，根據(jù)阿奇舒勒提出的39個通用工程參數(shù)，并按照這些參數(shù)在技術(shù)系統(tǒng)中出現(xiàn)幾率的大小進行編碼?；凇肮こ虆?shù)”的概念，就可以定義矛盾。

2.3.1技術(shù)矛盾分析

技術(shù)矛盾[18]是發(fā)生在技術(shù)系統(tǒng)中的沖突，表現(xiàn)為某一參數(shù)的改善導(dǎo)致其他參數(shù)的惡化，可通過查詢矛盾矩陣加以解決。技術(shù)矛盾往往隱含著物理矛盾[19-20]，兩者之間可以相互轉(zhuǎn)化，利用這一轉(zhuǎn)化機制，可將沖突程度較低的技術(shù)矛盾轉(zhuǎn)化為沖突程度較高的物理矛盾。

通過對技術(shù)矛盾的問題分析，構(gòu)造如圖4所示的邏輯鏈。鏈的兩端為技術(shù)矛盾中2個矛盾的參數(shù)，即技術(shù)矛盾表現(xiàn)為：在使用時需要增加存放的蔬果量，會導(dǎo)致榨汁杯的體積增大；同時體積更大、功率更大的電機可以滿足較高的出汁率。在邏輯鏈中，選擇體積作為中間參數(shù)，沿著邏輯鏈向體積這個結(jié)點推進和匯合，表現(xiàn)為物理矛盾：在使用時希望榨汁杯體積較大，增加可盛放的蔬果量，在攜帶時希望榨汁機整體體積減小，具有較高的攜帶便捷性。物理矛盾邏輯鏈如圖5所示。

2.3.2物理矛盾分析

為了實現(xiàn)某一功能，同一個工程參數(shù)產(chǎn)生了互斥現(xiàn)象，為物理矛盾，可運用表1所示的4大分離原理[21]加以解決。

表1 4大分離原理

選擇體積作為中間參數(shù)，物理矛盾描述如下：為了提高存放蔬果量，需要增大榨汁機的體積，能量消耗增加；為了攜帶的便捷性，需要減小榨汁機體積，造成物質(zhì)或事物的數(shù)量減小。因此，要求榨汁機體積既要大又要小，構(gòu)成物理矛盾，在矛盾矩陣39個參數(shù)中，“體積”對應(yīng)參數(shù)“靜止物體體積”，如表2所示。

表2 物理矛盾分析

經(jīng)過有效分析，這組物理矛盾在不同時段對體積有著不同的要求，可采用時間分離原理解決。分離原理與發(fā)明原理之間的對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

因此，可采用與時間分離原理對應(yīng)的12條發(fā)明原理解決矛盾。受到10預(yù)先作用原理的啟發(fā)，讓榨汁杯和刀具部分的收納工作處于易操作狀態(tài)，同時滿足占用較少空間的狀態(tài)需求。因此，提出概念方案Ⅰ：針對榨汁杯體積大的問題，換用自身體積可以變化的榨汁杯，從而使榨汁杯在收納時占用的空間資源減小，具體如圖6所示。

表3 4大分離原理對應(yīng)的發(fā)明原理

3 物場分析

作為TRIZ的基礎(chǔ)，阿奇舒勒通過對功能的研究后發(fā)現(xiàn)，一個技術(shù)系統(tǒng)至少由兩個物質(zhì)(目標物質(zhì)S1和工具物質(zhì)S2)和一個場(F)組成[22]。針對不同的問題，可以將物場模型分為4個模塊展開討論，分別為：有效完整模型、不完整模型、效應(yīng)不足模型和有害效應(yīng)模型。采用物場分析理論解決問題基本思想如圖7所示。

3.1 便捷式榨汁機的物場分析

1) 問題描述：要解決便捷式榨汁機結(jié)構(gòu)局部在時間上做好榨汁杯和刀具的收納工作。

2) 對體積占用最多且較為固定的主機部分進行物質(zhì)-場分析，可知被固定物為S1，主機部分為S2，F(xiàn)為機械場。分析發(fā)現(xiàn)，主機固定刀具的功能為不足功能，如圖8所示。

3) 通過查詢物場模型可知圖7模型為不完整模型，可通過改變物質(zhì)或場、增加物質(zhì)或場加以解決。通過分析傳統(tǒng)的主機模型，發(fā)現(xiàn)主機外殼和電機部分均有間隙，將其定義為場F2完成收納功能；同時改進物質(zhì)結(jié)構(gòu)，該物質(zhì)為S3刀具、S4主機和S5榨汁杯，實現(xiàn)收納的配合。

4) 在充分考慮物場分析模型的基礎(chǔ)上，提出概念方案Ⅱ：利用電機部分未充分利用的空間資源，來保存攜帶時需要額外占用空間資源的榨汁杯和刀具，既滿足了果蔬存放量又減小攜帶體積。

3.2 概念方案提取

基于物場分析原則，初步得出如下2 種設(shè)想：

1) 概念方案Ⅱ。①榨汁杯收納時，利用主機外殼和電機之間間隙進行存放榨汁杯；取用時，向下按壓榨汁杯，使榨汁杯向上彈起，然后向右旋轉(zhuǎn)榨汁杯一定角度，再向上拔出，使榨汁杯外表面凸臺脫離套筒內(nèi)部槽孔，同時榨汁杯外表面凸臺通過主機外殼內(nèi)表面凹槽脫離主機外殼。②刀具收納時，刀具部分保存在主機外殼下端；使用時，旋轉(zhuǎn)刀具底座使之與主機外殼脫離。正常使用時，將榨汁杯底部和刀具部分以及主機外殼進行連接即可。示意結(jié)構(gòu)如圖9所示。

2) 概念方案Ⅲ。在保存榨汁杯時，也是利用主機外殼和電機之間的間隙進行存放。依靠外部作用力來實現(xiàn)榨汁杯的存放和取拿。收納時，刀具部分保存在主機外殼下端；使用時，旋轉(zhuǎn)刀具底座使之與主機外殼脫離，榨汁杯底部內(nèi)表面螺紋與刀具外殼外表面螺紋配合連接，刀具外殼下部與主機外殼上部通過定位桿連接，示意結(jié)構(gòu)如圖10所示。

4 概念方案評價

以理想度為評價準則對上述概念方案進行選擇，理想度表示公式為[23-24]：

結(jié)合概念方案結(jié)構(gòu)以及人們實際購買力，假定有用功能占比0～60%(可以正常榨汁占比0～30%，能夠便捷攜帶占比0～15%，能夠承裝較多蔬果量占比0～15%)；有害功能占比為0%～30%(承裝蔬果量少占比0～15%，攜帶體積大占比0～15%)；成本占比0%～10%(組件的增多或者材料特殊造成成本上升)。對概念方案I、概念方案Ⅱ和概念方案Ⅲ進行分析，采用模糊綜合評價法對3個概念方案進行評價，具體結(jié)果如表4所示。

表4 評價指標

用理想度對各個概念方案進行功能評價，結(jié)果如圖11所示。

由圖11可以看出，概念方案Ⅲ理想度最高，因此選擇該方案為最終的設(shè)計方案。

5 最終方案

5.1 自收納便捷式榨汁機結(jié)構(gòu)

通過上述分析，考慮實際情況，并結(jié)合設(shè)計者經(jīng)驗，最終設(shè)計一款自收納便捷式榨汁機。

1) 在收納時，如圖12所示，可將刀具裝置取下，與榨汁機下部的散熱底蓋配合連接；當榨汁杯插入到殼體與電機間隙時，榨汁杯外表面凸起沿著L型滑槽插入到底端時，轉(zhuǎn)動榨汁杯，使得凸起卡入L型滑槽內(nèi)部。

2) 在使用時，如圖13所示，可將刀具從榨汁機下部的散熱底蓋取出，通過限位桿卡接在榨汁機本體上部，并且使刀具與電機連接；反向旋轉(zhuǎn)榨汁杯，然后拔出榨汁杯即可將榨汁杯從榨汁機間隙取出；將榨汁杯連接在刀具底座上，便可進行榨汁的工作。

通過這種連接方式可以快速對榨汁杯進行取用或者收納和更換。

5.2 自收納便捷式榨汁機優(yōu)勢

這款自收納便捷式榨汁機在使用時與普通家用榨汁機具有相同的尺寸要求。如圖14所示，其整體高度約為377.16 mm，榨汁杯高度為121.02 mm，圓周直徑為114 mm，計算得榨汁杯體積約為1.2 L，可以滿足一次榨汁、多人分享的需求。攜帶時，其自身可收納的結(jié)構(gòu)讓它在收納時的高度縮減為正常使用狀態(tài)下的2/3甚至更小，如圖15所示。攜帶時的整體高度與市面上的普通便捷式榨汁機的高度相同，滿足攜帶的需求。

6 結(jié)語

TRIZ作為一種系統(tǒng)化的創(chuàng)新方法，其基本理念是將一個待解決的具體問題轉(zhuǎn)化成典型問題的模型，然后針對不同問題的屬性采用相應(yīng)的TRIZ解決工具以及解決流程，以得到典型解決方案模型，最后結(jié)合實際情況得到具體的解決方案。課題組將TRIZ解決問題基本理念運用到便捷式榨汁機結(jié)構(gòu)改善的研究中，提出了自收納保存結(jié)構(gòu)；同時利用TRIZ工具，提出了多個概念方案，結(jié)合實際運用情況得到最終解決方案；最后運用增材制造技術(shù)做出實物模型，驗證了方案的可行性。

本課題的創(chuàng)新點如下:

1) 將系統(tǒng)化的TRIZ創(chuàng)新方法應(yīng)用到便捷式榨汁機結(jié)構(gòu)改善的研究中，并對TRIZ工具以及計算機輔助創(chuàng)新軟件進行相關(guān)闡述。

2) 課題組采用TRIZ創(chuàng)新方法對現(xiàn)有的便捷式榨汁機系統(tǒng)進行組件分析、技術(shù)和物理矛盾分析和物場分析，確定問題產(chǎn)生的原因以及尋找解決問題的資源。并用理想度對概念方案進行評價，找出最具可行性的概念解決方案。

3) 課題組提出了一種自收納式結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生實物進行分析，模擬該榨汁機結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)和收納狀態(tài)，收納狀態(tài)下的體積是使用狀態(tài)下體積的1/2。

該自收納結(jié)構(gòu)的提出將對便捷式榨汁機結(jié)構(gòu)改進產(chǎn)生有力影響，可對其他類似產(chǎn)品的便捷式結(jié)構(gòu)改進產(chǎn)生啟發(fā)。課題組運用TRIZ理論對便捷式榨汁機結(jié)構(gòu)進行再設(shè)計，但尚未將研究結(jié)果應(yīng)用到生產(chǎn)中，在結(jié)合實際應(yīng)用時，其材質(zhì)、顏色以及尺寸等各項參數(shù)有待進一步研究。