史 諾，何 潔，李 懿

(西安航空學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710077)

TRIZ(teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch)是俄文“發(fā)明問題解決理論”的詞頭縮寫，是蘇聯(lián)發(fā)明家G.S.Altshuller在分析研究250萬件專利的基礎(chǔ)上總結(jié)形成的系統(tǒng)化創(chuàng)新方法學(xué)[1-2]。TRIZ的核心理念是創(chuàng)新有規(guī)律可循，從技術(shù)系統(tǒng)的縱向發(fā)展來看，相同的技術(shù)進(jìn)化模式在不同的領(lǐng)域重復(fù)出現(xiàn)；從技術(shù)系統(tǒng)的橫向發(fā)展來看，相同的技術(shù)問題及其解決方法可以應(yīng)用在不同的領(lǐng)域。從本質(zhì)上來講，試錯法、頭腦風(fēng)暴法等傳統(tǒng)創(chuàng)新方法的特點是發(fā)散思維，而TRIZ理論是一種收斂思維的方法，不僅可以避免發(fā)散思維的低效，而且能夠屏蔽慣性思維的干擾，確保創(chuàng)新過程高效逼近理想答案。

蘇聯(lián)解體之后，TRIZ理論快速在世界范圍內(nèi)推廣開來，很多學(xué)者及教育工作者將TRIZ引入人才培養(yǎng)過程中。Xin等[3]構(gòu)建了TRIZ理論課程的項目式教學(xué)模式，通過項目訓(xùn)練幫助學(xué)生解決問題；Lou等[4]構(gòu)建了TRIZ在線教育平臺，并利用該平臺實施線上線下混合教學(xué)；劉訓(xùn)濤等[5]開設(shè)了TRIZ理論課程，并搭建了實驗教學(xué)平臺，進(jìn)行了理論教學(xué)與實踐訓(xùn)練的有效銜接；鄭瑾等[6]通過挖掘TRIZ創(chuàng)新方法與專業(yè)課程的結(jié)合點，探索了專創(chuàng)融合的教育形式；成思源等[7]引導(dǎo)學(xué)生分析專利文件，并應(yīng)用TRIZ中的求解工具得到了創(chuàng)新方案。

從文獻(xiàn)檢索的情況來看，將TRIZ教育與畢業(yè)設(shè)計相結(jié)合的研究較少。畢業(yè)設(shè)計是應(yīng)用型本科高校中重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是綜合運用理論知識和實踐技能解決工程問題的集中訓(xùn)練，這一環(huán)節(jié)具備TRIZ 理論應(yīng)用的天然土壤，探索畢業(yè)設(shè)計與TRIZ理論緊耦合狀態(tài)下的創(chuàng)新教育實踐方式，是值得研究的問題。本文以機(jī)械類專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計為對象，依托TRIZ理論的創(chuàng)新工具，構(gòu)建人才培養(yǎng)體系中的創(chuàng)新方法訓(xùn)練模塊，旨在提升創(chuàng)新教育的有效性，推動學(xué)生技術(shù)創(chuàng)新能力的發(fā)展。

1 TRIZ理論融入畢業(yè)設(shè)計的路徑

TRIZ理論認(rèn)為大多數(shù)的發(fā)明創(chuàng)造是一些已有原理或結(jié)構(gòu)在新領(lǐng)域中的新應(yīng)用，因此倡導(dǎo)將具體領(lǐng)域問題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問題，然后依據(jù)其體系內(nèi)的各種方法和工具得到標(biāo)準(zhǔn)解，將標(biāo)準(zhǔn)解借助專業(yè)知識應(yīng)用至具體領(lǐng)域當(dāng)中，得到解決方案。

機(jī)械類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計針對的往往是工程問題，對于大四學(xué)生而言，欠缺實踐經(jīng)驗，直接采用專業(yè)知識與理論去制定相應(yīng)的技術(shù)方案難度較大，因此將TRIZ解決工程問題的路徑與畢業(yè)設(shè)計的全流程進(jìn)行融合，如圖1所示，采用轉(zhuǎn)化、求解、應(yīng)用的技術(shù)手段，引導(dǎo)學(xué)生快速、定向、收斂地逼近有效解決方案。

圖1 TRIZ解決畢業(yè)設(shè)計的路徑

2 TRIZ理論在畢業(yè)設(shè)計的實施過程

2.1 立題階段

TRIZ理論將發(fā)明創(chuàng)造分為5個層級：第一層級是利用知識、經(jīng)驗對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行的簡單改進(jìn)；第二層級是利用行業(yè)內(nèi)的理論、技術(shù)對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行的少量改進(jìn)；第三層級是利用行業(yè)外的方法、原理對已有系統(tǒng)進(jìn)行的根本性改進(jìn)；第四層級是采用全新的科學(xué)原理完成對已有系統(tǒng)基本功能的創(chuàng)新；第五層級是發(fā)現(xiàn)了新的自然規(guī)律或科學(xué)現(xiàn)象，創(chuàng)造了新的知識。發(fā)明創(chuàng)造層級越高，創(chuàng)新的難度越大。

在機(jī)械工程領(lǐng)域，第一層級的發(fā)明創(chuàng)造難度較小，第四層級與第五層級發(fā)明的數(shù)量占整個發(fā)明總數(shù)的比例不足5%，數(shù)量較為稀少。對于畢業(yè)設(shè)計的立題來說，教師需要對企業(yè)一線實際課題或科研項目進(jìn)行提煉、重構(gòu)，保證畢業(yè)設(shè)計題目處于第二層級和第三層級，使學(xué)生得到充分的訓(xùn)練。

2.2 開題階段

學(xué)生根據(jù)教師的立題表選定畢業(yè)設(shè)計題目后，就進(jìn)入了開題階段。開題階段需要進(jìn)行大量的文獻(xiàn)研究，這一階段中，學(xué)生可以應(yīng)用TRIZ理論中的S曲線進(jìn)化法則預(yù)測技術(shù)的發(fā)展趨勢，為研究目標(biāo)與研究內(nèi)容的制定奠定基礎(chǔ)。

S曲線進(jìn)化法則如圖2所示，處于嬰兒期時，技術(shù)系統(tǒng)性能尚不完善，專利數(shù)量不斷增長，專利的等級很高；在成長期時，技術(shù)系統(tǒng)性能與專利數(shù)量的提升很快，但是專利等級有所下降；成熟期時，技術(shù)系統(tǒng)的性能保持在很高的水平，專利數(shù)量也在上升，但是專利等級在不斷下降；進(jìn)入衰退期后，技術(shù)系統(tǒng)的功能退化，專利數(shù)量和專利等級均急劇下降[8]。

圖2 S曲線進(jìn)化法則

處于嬰兒期的技術(shù)系統(tǒng)，學(xué)生所制定的研究目標(biāo)應(yīng)針對明顯的缺陷展開，有助于提高理想度；居于成長期的技術(shù)系統(tǒng)，研究目標(biāo)應(yīng)從多角度展開，促進(jìn)其組成部分及整體的完善，推進(jìn)性能的全面提升；置于成熟期的技術(shù)系統(tǒng)，研究目標(biāo)應(yīng)立足拓展服務(wù)功能和降低生產(chǎn)成本；位于衰退期的技術(shù)系統(tǒng)，研究目標(biāo)應(yīng)著眼于新技術(shù)，促進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的躍遷。

2.3 實施階段

開題階段確定研究目標(biāo)與內(nèi)容后，需要采用合理的技術(shù)方案來具體實施。TRIZ理論體系當(dāng)中，采用分析問題工具和解決問題工具來保證創(chuàng)新路徑的正確性。分析問題工具有功能分析、組件分析、因果分析、資源分析等，解決問題工具有HOW TO模型、技術(shù)矛盾、物理矛盾、物場模型、ARIZ算法等[9]。

對于機(jī)械工程領(lǐng)域而言，功能分析、組件分析是最常用的分析問題工具。對于解決問題工具而言，ARIZ算法針對的是非標(biāo)準(zhǔn)問題，可以通過程式化流程將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問題，往往是第四、第五層級的發(fā)明創(chuàng)造才會使用的求解工具。綜合考慮，在實施階段推薦學(xué)生采用的分析和解決問題的流程如圖3所示。

圖3 分析和解決問題的流程

2.4 中期檢查階段

中期檢查主要是為了檢查前期設(shè)計的完成質(zhì)量，推進(jìn)后期工作的順利開展。在這一節(jié)點前后，是創(chuàng)新活動的深層探索階段，也是專創(chuàng)融合的主要實現(xiàn)階段，教師必須采用適當(dāng)?shù)姆绞絿?yán)加把控。如圖4所示，教師和學(xué)生針對前期研究工作的階段性成果，應(yīng)用分析、解決問題工具共同探討，分析研究方案與研究路線是否合理，保障畢業(yè)設(shè)計的進(jìn)程向著理想答案不斷推進(jìn)。

圖4 中期檢查的主要工作

2.5 答辯評閱階段

答辯評閱環(huán)節(jié)，教師依據(jù)TRIZ理論對學(xué)生的設(shè)計作品進(jìn)行研究方案可行性評價、技術(shù)路線合理性評價和研究成果創(chuàng)新性評價，評閱教師、指導(dǎo)教師、答辯教師對設(shè)計作品做出多方式、多類型的意見反饋，使學(xué)生不斷深化對TRIZ理論的認(rèn)識，學(xué)生根據(jù)反饋意見進(jìn)行修改與完善，這個內(nèi)化過程會使創(chuàng)造力得到進(jìn)一步升華。

3 實施案例

根據(jù)前述將TRIZ理論貫穿至畢業(yè)設(shè)計全流程的研究思路，采用實證研究的方式將技術(shù)創(chuàng)新方法在畢業(yè)設(shè)計的各環(huán)節(jié)進(jìn)行滲透。

3.1 題目擬定

齒輪是機(jī)械設(shè)備中廣泛使用的傳動零件，用于傳遞兩軸間的運動和動力。非圓齒輪是一種特殊齒輪，可以實現(xiàn)變速運動，其特殊的幾何特點導(dǎo)致設(shè)計、制造過程困難，近年來隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，非圓齒輪才逐漸開始小范圍應(yīng)用在各種工業(yè)生產(chǎn)場合[10]。擬定畢業(yè)設(shè)計題目為“非圓齒輪的數(shù)字化設(shè)計與運動特性分析”，解決該問題需要借助于CAD/CAM(計算機(jī)輔助設(shè)計與制造)技術(shù)來完成，而CAD/CAM屬于機(jī)械工程領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)，根據(jù)TRIZ理論這個題目屬于第二層級，符合畢業(yè)設(shè)計對于學(xué)生的訓(xùn)練要求。

3.2 研究目標(biāo)與研究內(nèi)容的確定

以“非圓齒輪”為關(guān)鍵詞進(jìn)行專利檢索，如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)從1986年出現(xiàn)第1項相關(guān)專利后，申請專利數(shù)量每年都在增加，且增長幅度較大，36年來合計申請1 175項。在實用新型專利、外觀專利、發(fā)明專利3種類型當(dāng)中，發(fā)明專利最具技術(shù)含量，最能夠體現(xiàn)出研究成果的市場價值和競爭力，統(tǒng)計已授權(quán)的發(fā)明專利數(shù)量，可以明顯看到，雖然近年來授權(quán)發(fā)明專利的數(shù)量有所增長，但是整體來說數(shù)量還是很少，36年來合計授權(quán)156項。根據(jù)專利數(shù)量與專利等級綜合判斷，目前關(guān)于非圓齒輪的研究處于成長期，為了充分利用非圓齒輪優(yōu)良的傳動特點，就需要從設(shè)計、加工、應(yīng)用等方面展開深入研究。

圖5 非圓齒輪專利數(shù)量

對156項已授權(quán)發(fā)明專利所涉及的學(xué)科進(jìn)行分類統(tǒng)計，位于前十名的學(xué)科如圖6所示。第一名是機(jī)械工業(yè)學(xué)科，共授權(quán)45項，占比28.85%，主要從設(shè)計理論與方法、制造工藝及裝備等方面展開，其他學(xué)科主要涉及的是非圓齒輪的具體應(yīng)用。從學(xué)科分布而言，相關(guān)研究涉及面廣、角度多樣，進(jìn)一步印證了關(guān)于非圓齒輪的研究處于成長期。在眾多的研究方向當(dāng)中，設(shè)計工作是基礎(chǔ)，畢業(yè)設(shè)計的主體內(nèi)容應(yīng)圍繞著齒輪幾何學(xué)、三維數(shù)字化設(shè)計等理論與技術(shù)展開，以此解決非圓齒輪的節(jié)曲線及齒廓設(shè)計問題。

圖6 非圓齒輪專利的分布領(lǐng)域

TRIZ理論認(rèn)為整個技術(shù)系統(tǒng)是朝著提高系統(tǒng)理想度的方向進(jìn)化的，理想的非圓齒輪能夠?qū)崿F(xiàn)任意傳動比，只要目標(biāo)傳動比能夠通過函數(shù)表達(dá)出來，自由節(jié)曲線形式的非圓齒輪就能夠?qū)崿F(xiàn)，由此可以判斷出自由節(jié)曲線非圓齒輪是技術(shù)發(fā)展的方向，因此解決自由節(jié)曲線非圓齒輪的齒廓設(shè)計就是畢業(yè)設(shè)計的主要任務(wù)，符合技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

3.3 技術(shù)方案制定與實踐

常見的非圓齒輪齒廓設(shè)計方法有齒形法線法、齒形解析法、齒形折算法3種。對3種方法進(jìn)行功能分析可知：齒形法線法和齒形解析法的本質(zhì)是相同的，都是根據(jù)制造過程中刀具與齒坯之間的基本嚙合關(guān)系生成輪齒，區(qū)別在于齒形法線法是作圖方法，齒形解析法是數(shù)值計算方法，這兩種方法形成的齒形精確，但是過程繁瑣；齒形折算法是一種近似方法，首先尋找出非圓齒輪節(jié)曲線上各輪齒中心點，然后以各點為對象做出具有相同曲率半徑和曲率中心的圓柱齒輪的輪齒，最后將一系列輪齒組合后形成齒輪實體，其繪圖過程簡單明確，但是輪齒的精度不夠，不適合用于精密傳動領(lǐng)域。因此，這里就形成了一對技術(shù)矛盾，在齒形設(shè)計過程中，當(dāng)改善了設(shè)計過程的便捷性時，則輪齒的形態(tài)就會受到影響，根據(jù)TRIZ理論，技術(shù)矛盾需要利用創(chuàng)新原理來進(jìn)行解決。

查詢矛盾矩陣表，設(shè)計過程的便捷性對應(yīng)的參數(shù)是33操作流程的方便性，輪齒的形態(tài)對應(yīng)的參數(shù)是12形狀，查詢結(jié)果見表1，應(yīng)用40條創(chuàng)新原理中的15動態(tài)特性原理、34拋棄或再生原理、29氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理、28機(jī)械系統(tǒng)替代原理可以解決這對技術(shù)矛盾。

表1 矛盾矩陣簡表

動態(tài)特性原理是指讓結(jié)構(gòu)具備柔性、自適應(yīng)特性，或者是將往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，以適用不同的應(yīng)用場景及使用環(huán)境；拋棄或再生原理是指完成某種功能后，將零部件去除或者對其恢復(fù)后進(jìn)行再利用；氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理是指將零部件用流體元件代替；機(jī)械系統(tǒng)替代原理是指用物理場、生物場等來取代機(jī)械場，用結(jié)構(gòu)化場取代非結(jié)構(gòu)化場等。

經(jīng)過分析可知，采用動態(tài)特性原理解決這對技術(shù)矛盾較為合理。齒形法線法、齒形解析法都是根據(jù)節(jié)曲線各個位置處刀具與齒坯的相對狀態(tài)計算齒廓參數(shù)，將各個靜態(tài)位置處的數(shù)據(jù)點連接起來就能形成齒廓曲線。根據(jù)動態(tài)特性原理，結(jié)合齒輪范成法的基本過程，擬定的技術(shù)方案是使插齒刀與齒坯之間進(jìn)行相對運動來生成齒廓，如圖7所示，在三維設(shè)計軟件中使插齒刀繞齒坯進(jìn)行純滾動，在此期間插齒刀節(jié)圓與齒坯節(jié)曲線保持相切狀態(tài)，插齒刀不僅繞著齒坯的中心公轉(zhuǎn)，而且繞著自身的中心自轉(zhuǎn)，實時記錄下插齒刀的動態(tài)位置及狀態(tài)后形成包絡(luò)模型，在此基礎(chǔ)上將齒坯與插齒刀之間進(jìn)行布爾運算后提取齒廓，獲得較高精度的非圓齒輪模型。

圖7 非圓齒輪的齒廓設(shè)計過程

3.4 反饋與評價

教師肯定了學(xué)生采用動態(tài)特性原理進(jìn)行齒廓設(shè)計的技術(shù)方案，認(rèn)為該技術(shù)方案不僅實現(xiàn)了非圓齒輪的虛擬范成，齒廓的計算結(jié)果與實際加工保持了較好的一致性，而且自適應(yīng)性良好，改變齒坯節(jié)曲線就可以生成不同類型的非圓齒輪，拓展了非圓齒輪的傳動形式。在整個畢業(yè)設(shè)計的訓(xùn)練過程中，利用TRIZ理論推進(jìn)非圓齒輪的數(shù)字化設(shè)計工作思路正確，分析流程也較為清晰。同時，教師也提出意見，利用S曲線進(jìn)化法則預(yù)測非圓齒輪的發(fā)展時，還出現(xiàn)了傳動比從按對稱規(guī)律變化向按非對稱規(guī)律變化的趨勢，以及從一對非圓齒輪傳動向非圓齒輪輪系傳動發(fā)展的趨勢，應(yīng)該在制定具體研究目標(biāo)與研究內(nèi)容時充分考慮這兩種趨勢。學(xué)生也認(rèn)為利用TRIZ理論能夠比較順暢地找到解決問題的抓手，按照一定的程序與步驟結(jié)合專業(yè)領(lǐng)域的理論知識與實踐技能就可以向前推進(jìn)，具有較為鮮明的特點與優(yōu)勢。

4 結(jié)論

畢業(yè)設(shè)計是應(yīng)用型本科高校中的重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，將TRIZ理論貫穿至畢業(yè)設(shè)計的立題階段、開題階段、實施階段、中期檢查階段、答辯評閱階段全流程，可以初步得到以下結(jié)論：

1)建立TRIZ理論與畢業(yè)設(shè)計的緊耦合關(guān)系，是專業(yè)學(xué)科與創(chuàng)新教育互相交叉融合的有效途徑，可以實現(xiàn)應(yīng)用實踐、專業(yè)知識、創(chuàng)新思維三位一體的培養(yǎng)效果；

2)機(jī)械類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計題目大部分屬于工程應(yīng)用類型，應(yīng)用TRIZ理論使學(xué)生經(jīng)歷深度沉浸的創(chuàng)新探索過程，不僅可以普及技術(shù)創(chuàng)新方法，而且使創(chuàng)新理念根植學(xué)生的內(nèi)心，解決傳統(tǒng)創(chuàng)新教育缺乏深層探索的問題。