程 虎，夏飛凡

應(yīng)用研究

TRIZ理論在顯控臺(tái)顯示器支架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

程 虎，夏飛凡

（武漢數(shù)字工程研究所，武漢 430205）

在新形勢(shì)下的作戰(zhàn)要求中，艦船新型顯控臺(tái)要求顯示器能快速正面維修以及具備多角度調(diào)節(jié)功能，以實(shí)現(xiàn)裝備整機(jī)的快速恢復(fù)和操控需求。本文針對(duì)客戶需求，利用TRIZ創(chuàng)新方法，找到了多種概念方案，綜合考慮成本、可靠性以及武器裝備作戰(zhàn)環(huán)境因素等多個(gè)維度對(duì)概念方案進(jìn)行評(píng)估，最終得到了最優(yōu)綜合方案，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)研制，解決了顧客需求。

TRIZ 顯示器 支架設(shè)計(jì)

0 引言

TRIZ是一種有助于科技創(chuàng)新活動(dòng)的方法論[1-2]。TRIZ是俄文Teoriya Resheniyva Izobretatel' skikh Zadatch的縮寫，意思是發(fā)明問題解決理論，翻譯成英文是Theory of Inventive Problem Solving[3-5]，漢語譯作“萃智”。TRIZ被認(rèn)為是目前最全面系統(tǒng)地論述發(fā)明創(chuàng)造、實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的新理論，運(yùn)用這一理論可以大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程，進(jìn)而得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品[6-7]。本文基于TRIZ創(chuàng)新方法流程、工具，得出了新型顯控臺(tái)顯示器能快速正面維修以及具備多角度調(diào)節(jié)功能需求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了研制。

1 問題背景和描述

1.1 問題的背景

顯控臺(tái)是海軍艦艇的重要操控設(shè)備，在新形勢(shì)下的作戰(zhàn)要求中，新型顯控臺(tái)要求顯示器能快速正面維修以及具備多角度調(diào)節(jié)功能，以實(shí)現(xiàn)裝備整機(jī)的快速恢復(fù)和操控需求。目前顯控設(shè)備顯示器是通過螺釘固定，維修拆卸時(shí)通過人工作業(yè)，使用電動(dòng)工具拆卸固定的螺釘，造成拆卸耗時(shí)長，并且當(dāng)前的顯示器無法進(jìn)行多角度調(diào)節(jié)，滿足不了客戶需求。

1.2 問題的描述

1.2.1定義技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

問題所在技術(shù)系統(tǒng)為：顯示器；該技術(shù)系統(tǒng)的功能為：顯示信息；實(shí)現(xiàn)該功能的約束有：操控設(shè)備、顯示器、信號(hào)。

1.2.2現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的工作原理

工作原理如圖1所示。

1.2.3 當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)存在的問題

①顯示器不能快速正面拆裝維修；

②顯示器不能多角度調(diào)節(jié)。

圖1 技術(shù)系統(tǒng)的工作原理圖

圖2 系統(tǒng)存在的問題示意圖

1.2.4新系統(tǒng)的要求

1）顯示器能正面快速拆卸維修；2）顯示器能多角度調(diào)節(jié)；3）避免使用昂貴的材料或部件；4）可靠性好，使用壽命長。

2 問題分析

2.1 功能分析及系統(tǒng)裁剪

表1 顯示器系統(tǒng)組建分析

通過功能模型分析：

確定了導(dǎo)致問題存在的功能因素，列舉出系統(tǒng)中存在的負(fù)面功能：松不脫螺釘對(duì)圍框骨架的控制功能不足——不足作用。

構(gòu)建功能模型圖并進(jìn)行裁剪，如圖3所示。

圖3 功能模型裁剪圖

形成的概念方案描述：

方案1：運(yùn)用裁剪實(shí)施規(guī)則（2）、（3），裁剪掉輔助功能組件“松不脫螺釘”、“圍框骨架”，裁剪掉低價(jià)值組件“線纜”，裁剪后直接由操控設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)屏幕的支撐功能和與集成電路的連接功能。

2.2 因果鏈分析

針對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行因果鏈分析，如圖4所示。

圖4 因果鏈分析圖

通過因果鏈分析，得到關(guān)鍵缺點(diǎn)5、6、7、8，將關(guān)鍵缺點(diǎn)轉(zhuǎn)化成關(guān)鍵問題，并尋找可能解決的方案，如表2所示。

表2 關(guān)鍵問題表

2.3 資源分析

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可用資源進(jìn)行分析，見表3。

2.4 確立問題解決突破點(diǎn)

通過開展系統(tǒng)三大分析（功能分析、因果分析、資源分析），明確了系統(tǒng)中組件之間的相互關(guān)系及存在的負(fù)面功能，深入挖掘了問題出現(xiàn)的多層次原因，在綜合考慮系統(tǒng)可用資源的基礎(chǔ)上，確定問題解決的突破點(diǎn)如下：問題解決突破點(diǎn)1：松不脫螺釘對(duì)圍框骨架的控制功能不足。問題解決突破點(diǎn)2：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度低。

表3 資源分析表

3 問題求解

3.1 技術(shù)矛盾

1）闡述技術(shù)矛盾，見表4。

表4 技術(shù)矛盾

2）選擇技術(shù)矛盾

由于目標(biāo)是解決快速正面維修和多角度調(diào)節(jié)問題，所以選擇技術(shù)矛盾-1。

3）查詢阿奇舒勒矛盾矩陣，見表5。

表5 阿奇舒勒矛盾矩陣

（注：15 動(dòng)態(tài)特性原理、24 借助中介物原理、10 預(yù)先作用原理。）

描述形成的概念方案：

方案2：運(yùn)用發(fā)明原理15（動(dòng)態(tài)特性原理），可以將固定顯示器的松不脫螺釘設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)可動(dòng)的裝置，實(shí)現(xiàn)維修和調(diào)角度需求。

方案3：運(yùn)用發(fā)明原理24（借助中介物原理），顯示器和操控設(shè)備之間通過具有彈性粘性的硅膠實(shí)現(xiàn)連接，借助中介物實(shí)現(xiàn)需求。

方案4：運(yùn)用發(fā)明原理10（預(yù)先作用原理），在顯示器安裝在操控設(shè)備上前預(yù)先對(duì)顯示器安裝可轉(zhuǎn)動(dòng)支撐桿，以達(dá)到后期需求。

3.2 物理矛盾

1）描述關(guān)鍵問題

顯示器需要固定，但又需要能活動(dòng)。

2）加入導(dǎo)向關(guān)鍵詞來描述物理矛盾

在顯示器工作的時(shí)候，需要顯示器是固定的，因?yàn)橐惭b在操控設(shè)備上實(shí)現(xiàn)功能；但是在顯示器維修的時(shí)候，需要顯示器是活動(dòng)的，因?yàn)橐M(jìn)行正面拆卸和角度調(diào)節(jié)。

3）確定所使用的分離原理

對(duì)于體現(xiàn)出來“什么時(shí)候”的導(dǎo)向關(guān)鍵詞，適用的分離原理為基于時(shí)間分離。

4）選擇對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理

在分析了基于時(shí)間分離推薦的解決物理矛盾的幾個(gè)發(fā)明原理后，選擇“動(dòng)態(tài)特性原理”、“預(yù)先作用原理”。

5）產(chǎn)生具體的解決方案

方案5：根據(jù)“動(dòng)態(tài)特性原理”的提示，可以將固定顯示器的松不脫螺釘設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)可動(dòng)的裝置，實(shí)現(xiàn)維修和調(diào)角度需求。

方案6：根據(jù)“預(yù)先作用原理”的提示，可以在顯示器安裝在操控設(shè)備上前預(yù)先對(duì)顯示器安裝可轉(zhuǎn)動(dòng)支撐桿，以達(dá)到后期維修和角度調(diào)節(jié)需求。

3.3 物場分析與標(biāo)準(zhǔn)解

針對(duì)問題解決突破點(diǎn)1，構(gòu)建系統(tǒng)初始物-場模型，并應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解構(gòu)建解決問題物-場模型，如圖5所示。

圖5 構(gòu)建解決問題物-場模型

根據(jù)啟發(fā)性原則尋找合適的標(biāo)準(zhǔn)解方案：

方案7：運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)解第五類S5.1.1（間接方法），引入一個(gè)物質(zhì)S3活動(dòng)支架，使S3活動(dòng)支架增強(qiáng)對(duì)顯示器的活動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)S1顯示器的有效控制作用。

3.4 知識(shí)庫查詢類比

提煉欲改變的系統(tǒng)功能：F6 控制物體位移。

綜合查詢各類科學(xué)效應(yīng)庫，的到可利用的效應(yīng)如下：G15磁力、G2安培力、G64洛倫茲力、G91液體或氣體的壓力、G93液體和氣體的壓強(qiáng)、G44浮力、G92液體動(dòng)力、G98振動(dòng)、G49慣性力、G75熱膨脹、G76熱雙金屬片。

效應(yīng)取舍：經(jīng)過對(duì)以上效應(yīng)逐一分析，只有G15磁力可以使顯示器與操控設(shè)備做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使顯示器的位置發(fā)生移動(dòng)。

描述形成的方案：

方案8：利用磁力效應(yīng)，讓顯示器與操控設(shè)備之間形成磁力，通過磁力來實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示器位移的控制。

3.5 九屏幕法

繪制顯示器系統(tǒng)的九屏幕圖，如圖6所示，并根據(jù)九屏幕圖的提示，尋找可能解決的方案。

描述形成的方案:

方案9：根據(jù)圖中“光學(xué)成像”的提示，將顯示器顯示信息的功能通過光學(xué)系統(tǒng)成像來代替，即由光學(xué)視覺系統(tǒng)及設(shè)備組件產(chǎn)生所需顯示信息。

4 方案評(píng)估

初步概念方案匯總，將產(chǎn)生的全部概念方案匯總，見表6。

圖6 九屏幕圖

對(duì)產(chǎn)生的全部概念方案進(jìn)行同類合并，并進(jìn)行評(píng)價(jià)，見表7。最終實(shí)施方案描述：

綜合考慮成本、難易、可靠以及武器裝備作戰(zhàn)環(huán)境因素等多個(gè)維度，最終采納由“可活動(dòng)結(jié)構(gòu)、預(yù)先安裝支撐桿、引入活動(dòng)支架”所組成的綜合方案。

表6 概念方案匯總表

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及效果驗(yàn)證

5.1 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)綜合方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

1）支臂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及位置設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)顯示器快速拉出與推回進(jìn)而實(shí)現(xiàn)正面維修功能；且通過花掛屏支座圍繞翻轉(zhuǎn)軸軸線翻轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)顯示器的翻轉(zhuǎn)。

2）加固鎖緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及位置設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)顯示器正常使用過程中調(diào)角與鎖定功能。

拆裝機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及位置設(shè)計(jì)，主要針對(duì)顯示器拆裝后的快速安裝過程，其主要功能是實(shí)現(xiàn)顯示器的快速安裝與連接器的精準(zhǔn)對(duì)撞。

圖7 結(jié)構(gòu)示意圖

顯示器支架具體結(jié)構(gòu)由1-安裝支座；2-加固板；3-連接銷軸；4-支臂1A；5-同步齒輪；6-支臂1B；7-雙螺母；8-彈銷；9-掛屏支座；10-導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；11-支臂2A；12-加強(qiáng)套筒；13-支臂2B等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

表7 概念方案評(píng)價(jià)表

根據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖，利用UG NX建模軟件開展結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)，支架采用“H”型中空設(shè)計(jì)，減重的同時(shí)提升了剛度與強(qiáng)度，3-連接銷軸在2-加固板的壓制下更加穩(wěn)固，銷軸采用“六方”設(shè)計(jì)可有效消除與支臂之間的間隙從而降低下沉量。中間銷軸在7-雙螺母的鎖緊下最大限度消除4-1A支臂與11-2A支臂（6-1A支臂與13-2A支臂）之間的間隙，從而進(jìn)一步防止下沉。另一方面，在5-同步齒輪的作用下，左右支臂保持1:1伸縮量，實(shí)現(xiàn)直線伸縮，從而滿足正面拆卸和多角度調(diào)節(jié)需求。繪制三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，如圖8所示。

圖8 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

5.2 效果驗(yàn)證

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工制作了顯示器支架產(chǎn)品實(shí)物，如圖9 所示。

圖9 產(chǎn)品實(shí)物圖

為了驗(yàn)證顯示器支架的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)需求，對(duì)顯示器支架分別進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，如圖10所示，試驗(yàn)前后，顯示器支臂外觀正常，無裂痕，滿足GJB150A-2009要求。

圖10 試驗(yàn)現(xiàn)場圖

6 結(jié)論

對(duì)艦船顯控臺(tái)顯示器系統(tǒng)存在的顯示器不能快速正面拆裝維修、顯示器不能多角度調(diào)節(jié)問題進(jìn)行了描述。利用系統(tǒng)功能模型分析及裁剪、因果鏈分析、技術(shù)矛盾、物理矛盾、資源分析、物場模型及標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、知識(shí)庫查詢類比、九屏幕法等多個(gè)工具進(jìn)行分析求解，得到了多個(gè)概念方案。綜合考慮成本、難易、可靠以及武器裝備作戰(zhàn)環(huán)境因素等多個(gè)維度，最終采納由“可活動(dòng)結(jié)構(gòu)、預(yù)先安裝支撐桿、引入活動(dòng)支架”所組成的綜合方案，并進(jìn)行了三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證，符合國軍標(biāo)要求，解決了顧客需求。

[1] 張震, 張夢(mèng)元, 周蕾等. 利用TRIZ提高燃料電池增濕器的增濕能力[J]. 船電技術(shù), 2021, 41（06）: 51-53

[2] 程虎. 利用TRIZ創(chuàng)新方法提高BGA芯片貼裝精度[J].船電技術(shù), 2022, 42（02）: 55-60

[3] 姚威, 韓旭, 儲(chǔ)昭衛(wèi). 創(chuàng)新之道TRIZ理論與實(shí)戰(zhàn)精要[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2019.

[4] 趙新軍, 孔祥偉. TRIZ創(chuàng)新方法及應(yīng)用案例分析[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2020.

[5] 孫永偉, （美）伊克萬科（Ikovenko,s.）. TRIZ打開創(chuàng)新之門的金鑰匙I[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2015.

[6] 趙林林，李景仲，武濤. 基于TRIZ 理論的洗瓶機(jī)出瓶裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械, 2014, 41（1）: 54-56.

[7] 楊劍偉，陳文戈，周金平等. 基于TRIZ的水冷系統(tǒng)三通閥設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2015, 44（9）: 15-17.

The application of TRIZ theory in the design of console display stand

Cheng Hu, Xia Feifan

(WuHan Digital Engineering Institute, Wuhan 430205, China)

TJ02

A

1003-4862（2022）11-0039-05

2022-02-25

程虎（1986-），男，本科，研究方向：無線電裝接。E-mail：chenghu115@163.com

夏飛凡（1991-），男，碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail：1093935789@qq.com