關鍵詞：TRIZ；畢業(yè)設計；物理沖突；技術沖突；精密壓力機

0 引言

發(fā)明問題解決理論（以下簡稱TRIZ）是蘇聯(lián)科學家根里奇·阿奇舒勒（GenrichS.Altshuler）從250余萬件專利中經分析、歸納、總結和提煉出的系統(tǒng)化創(chuàng)新方法，從應用角度講，TRIZ是一套基于知識的創(chuàng)新方法和工具，可以像地圖一樣，引導技術人員快速找到解決問題的切入點與路徑，已在工程技術領域發(fā)揮出良好作用，并逐步向管理科學、教育科學等領域滲透與發(fā)展[1-6]。

畢業(yè)設計是人才培養(yǎng)過程中的重要環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)促進學生將每門課程學到的相對單一、分散的知識與技能有機融合，通過集中訓練完成能力內化與素質提升。TRIZ嚴謹?shù)倪壿嫼苓m合于進行創(chuàng)新領域的訓練，將TRIZ與畢業(yè)設計深度融合，對于挖掘學生的創(chuàng)新潛力，進而提高畢業(yè)設計質量，具有重要的現(xiàn)實意義和應用價值[7-8]。

1 TRIZ與畢業(yè)設計融合路徑

對于應用型本科高校而言，畢業(yè)設計的題目大部分來源于工程實踐，從TRIZ理論體系中選取適合的工具、方法與立題、開題、實施和答辯各階段進行融合，將創(chuàng)新思維貫穿至畢業(yè)設計全流程，融合路徑如圖1所示。立題階段，需要對實際狀況簡化后形成理想化模型，根據(jù)TRIZ的發(fā)明創(chuàng)造層級理論對模型進行判斷與修正，以形成正確的問題描述。開題階段，學生查閱大量文獻后，依據(jù)技術系統(tǒng)進化法則明確改進方向，并對原有技術進行功能分析和組件分析，進一步凝練出創(chuàng)新突破點。實施階段，根據(jù)問題的復雜程度，采用HOWTO模型、物理沖突、技術沖突和物場模型等工具進行分析，并利用對應的方法求解后形成技術方案。答辯階段，教師根據(jù)理想度提高法則對學生的作品進行評估，并提出優(yōu)化建議。

畢業(yè)設計流程中難度最大的是實施階段，有兩種現(xiàn)象特別突出。一是受到思維慣性的影響，技術方案欠缺創(chuàng)新性；二是思維發(fā)散，技術方案欠缺可操作性。針對以上的突出問題，不僅需要促進學生打破思維定式激發(fā)創(chuàng)新意識，而且要對學生進行有序引導，為創(chuàng)新過程提供方向性，從而收斂、高效地逼近理想答案。大多數(shù)情況下，畢業(yè)設計所涉及的工程問題在難度上屬于一般問題，因此合理應用技術沖突與物理沖突的解決工具非常關鍵。

2 TRIZ沖突理論

TRIZ認為發(fā)現(xiàn)并解決沖突推動著產品的進化，每解決一個沖突，產品就會蛻變?yōu)橐环N新的狀態(tài)，持續(xù)地解決沖突會推動產品狀態(tài)的不斷躍遷，向理想方向演化。沖突分為管理沖突、技術沖突和物理沖突3種類型，管理沖突在畢業(yè)設計中涉及較少，在這里不做討論，下面就物理沖突、技術沖突具體展開論述。

2.1 物理沖突與技術沖突

物理沖突是指系統(tǒng)內同一個參數(shù)上體現(xiàn)出互斥需求，如圖2a所示，常見的物理沖突有長度的長與短、用量的多與少、黏度的高與低及摩擦系數(shù)的大與小等，TRIZ主張對不同的需求進行分離，即通過解耦的方式來解決這類互斥需求，如圖2b所示。解決物理沖突的4大分離原理分別是空間分離、時間分離、條件分離及整體與部分分離，在4大分離原理中首先考慮空間分離和時間分離，將分離原理與專業(yè)知識、工程背景結合就可以具化為創(chuàng)新方案。

技術沖突是指系統(tǒng)內兩個參數(shù)之間的矛盾，一個參數(shù)性能改善時，另一個參數(shù)性能隨之惡化，如圖3a所示，兩個參數(shù)之間是此消彼長的關系。傳統(tǒng)設計中往往采用了折衷的方法，在等設計能力曲線上找到折衷點提出設計方案，沖突并沒有徹底解決，只是降低了沖突的程度，TRIZ設計理念是不斷突破沖突鏈，每消除一部分的沖突，就突破了一層沖突鏈，系統(tǒng)性能就越接近于理想狀態(tài)，如圖3b所示。TRIZ解決技術沖突的工具是沖突矩陣表，沖突矩陣表定義了39個通用技術參數(shù)和40條發(fā)明原理，針對問題提煉出改善的參數(shù)與惡化的參數(shù)，然后根據(jù)沖突矩陣表查詢出對應的發(fā)明原理得到通解，將通解應用至工程場景中，推演出具體的設計方案。

2.2 沖突解決方法優(yōu)勢

在畢業(yè)設計中，首先需要根據(jù)工程問題識別沖突，將其轉化為TRIZ標準問題，這個階段的主要目的是實現(xiàn)從特殊到一般；然后進入求解階段，利用分離原理或發(fā)明原理得到標準方案；最后是應用階段，將標準方案落地后形成技術方案，實現(xiàn)從一般到特殊。這種轉化?求解?應用的流程中保證了學生最大限度地避免了傳統(tǒng)創(chuàng)新方法（如試錯法、頭腦風暴法）的無序性對探究過程中的干擾，能夠明確清晰地得到答案，如圖4所示。

3 實施案例

3.1 設計題目

曲柄壓力機是冷沖壓成型工藝的關鍵設備，其核心是沖壓機構，本質上是一個曲柄滑塊機構，為了提高沖壓零件的尺寸精度，要求在工作行程中滑塊的速度不能太高且應盡量保持均勻，同時為了提高生產效率，要求提高滑塊的回程速度，傳統(tǒng)的曲柄壓力機不能滿足精密零件的工藝要求，需要對其結構進行改進，根據(jù)這一工程實際問題，設置了精密壓力機的設計這一畢業(yè)設計題目[9-10]。

3.2 物理沖突及解決方法

根據(jù)沖壓工藝分析，滑塊的工作行程速度要求慢，回程速度要求快，速度的快與慢形成了物理矛盾，引導學生應用分離原理對物理矛盾進行解耦。傳統(tǒng)的曲柄壓力機采用的是減速電機與曲柄直接連接的方式進行驅動，曲柄的回轉帶動滑塊做往復直線運動，曲柄的轉速是關鍵的控制要素，因此在減速電機與曲柄之間設置機械變速裝置，在空間上實現(xiàn)減速電機與曲柄的分離，減速電機帶動機械變速裝置運行，對曲柄進行變轉速驅動，從而使滑塊速度滿足沖壓要求。根據(jù)空間分離原理提出了兩種初步方案，第1種采用凸輪機構，如圖5a所示，第2種采用了非圓齒輪機構，如圖5b所示，考慮到凸輪凹槽與曲柄之間的連接間隙會造成曲柄回轉速度的波動，而非圓齒輪機構輪齒逐一嚙合，運行較為平穩(wěn)，故采用第2種方案進行設計。

3.3 技術沖突及解決方法

非圓齒輪機構設計的關鍵點之一是構造齒廓，工程應用中大部分情況下采用了折算齒形法設計齒廓，其核心要點是將節(jié)曲線進行均分后對每個輪齒的中心進行定位，然后以輪齒的中心為對象，尋找其所對應的曲率中心及曲率半徑，將具有相同曲率半徑的圓柱齒輪輪齒等效為非圓齒輪輪齒，若干個輪齒組合后得到整個非圓齒輪的齒廓。折算齒形法意義明確，作圖步驟清晰，但這是一種近似的方法，齒形的質量并不高，這里構成了一對技術矛盾，查詢矛盾矩陣表，改善的參數(shù)為33（操作流程的方便性），惡化的參數(shù)為12（形狀），消除這對技術矛盾對應的發(fā)明原理為15（動態(tài)特性原理）、34（拋棄或再生原理）、29（氣壓和液壓結構原理）和28（機械系統(tǒng)替代原理），如表1所示。

對4條發(fā)明原理逐條進行分析，該技術矛盾可以依靠動態(tài)特性原理、拋棄或再生原理來解決。動態(tài)特性原理是指將系統(tǒng)轉化成可移動、自適應、柔性或可變化的狀態(tài)，拋棄或再生原理是指當部件的作用完成后予以去除或者重新恢復消耗掉的有用部件。根據(jù)動態(tài)特性原理、拋棄或再生原理聯(lián)想到實際生產中，齒條型刀具相對于非圓齒輪的齒坯做范成運動，去除多余材料后完成非圓齒輪加工。因此，在設計過程中，在三維軟件中實現(xiàn)刀具與齒坯之間的純滾動，生成兩者之間的干涉體，如圖6a所示；然后讓齒坯與干涉體之間進行布爾減運算形成齒廓，獲得了非圓齒輪三維實體模型，如圖6b所示；將設計完成的主動輪與從動輪進行裝配，得到非圓齒輪副，如圖6c所示。

3.4 設計結果

非圓齒輪副設計完成后，就突破了精密壓力機設計中難度最大的部分，對壓力機的其他機構進行設計與建模，將各個機構裝配后形成完整的三維數(shù)字化模型，如圖7所示。對精密壓力機的工作過程進行運動仿真，工作行程中沖壓速度均勻一致，接近死點處沖壓速度逐漸降低，回程速度很快，具備了急回特性，從仿真結果來看，精密壓力機能夠滿足高精度零件沖壓工藝的要求。

4 結束語

本研究建立了TRIZ與畢業(yè)設計的融合路徑，并指出將TRIZ沖突解決方法應用于實施階段是畢業(yè)設計整個流程中的關鍵環(huán)節(jié)，以精密壓力機的設計為例進行了詳細闡述，得出以下結論。

（1）根據(jù)化解物理沖突的分離原理和處理技術沖突的發(fā)明原理能夠幫助學生快速找到解決問題的突破口，結合實際工程情況合理地運用專業(yè)知識，可以得到較為理想的技術方案。

（2）利用TRIZ沖突理論分析問題，綜合了發(fā)散思維與收斂思維的特點，不僅最大限度地利用可用資源，而且避免了執(zhí)行過程中的散亂無序，在畢業(yè)設計這一人才培養(yǎng)中的重要環(huán)節(jié)中推廣TRIZ理論，能夠收獲良好的效果。