黃兆飛 邱仕安 陳勇 關(guān)文勇

摘要：霍爾傳感器裝配是制作高斯計的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文運用創(chuàng)新理論中的相關(guān)知識主要是創(chuàng)新策略，成功的設(shè)計了一能夠進行霍爾傳感器裝配的裝置，解決了原來裝配裝置設(shè)計中機械結(jié)構(gòu)復雜的問題，同時也驗證了創(chuàng)新設(shè)計理論的可行性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：霍爾傳感器；裝配；創(chuàng)新理論；創(chuàng)新策略

引言

高斯計是磁場強度檢測的重要工具。目前國內(nèi)只有少數(shù)的儀器廠家生產(chǎn)該類型產(chǎn)品。高斯計制作中，霍爾元件在銅管中的安裝極為關(guān)鍵，決定著傳感器的最終精度要求。在對其進行設(shè)計的過程中，根據(jù)高斯計的功能原理及相關(guān)要求，進行了初步設(shè)計，但是由于其機械結(jié)構(gòu)較為復雜，很難設(shè)計下去。本文借助創(chuàng)新設(shè)計理論中的一些方法和工具另辟途徑，最后圓滿的完成了產(chǎn)品的設(shè)計。

1.創(chuàng)新設(shè)計簡介

1.1創(chuàng)新設(shè)計概念

創(chuàng)新設(shè)計是指充分發(fā)揮設(shè)計者的創(chuàng)造力，利用人類已有的相關(guān)科學技術(shù)成果、理論、方法等，構(gòu)思創(chuàng)新產(chǎn)品概念，并進一步應(yīng)用新技術(shù)、新原理和新方法進行產(chǎn)品的設(shè)計和分析，開發(fā)具有新穎性和實用性產(chǎn)品的實踐活動[1]。產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的實質(zhì)是發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的一系列創(chuàng)造性的過程，是關(guān)于“產(chǎn)品設(shè)計如何能滿足目標市場開發(fā)的功效性要求”的創(chuàng)新。

1.2.創(chuàng)新設(shè)計的策略

創(chuàng)新設(shè)計過程就是設(shè)定一個特定的目標，然后找到達到該目標的合適的路徑。根據(jù)設(shè)計問題類型的不同，將創(chuàng)新設(shè)計問題分為四類：面向問題的創(chuàng)新、面向目的的創(chuàng)新、面向產(chǎn)品的創(chuàng)新和面向載體的創(chuàng)新，并根據(jù)不同的類型，采用TRIZ、FBS平臺、創(chuàng)造性模板和非邏輯思維等不同的方法實現(xiàn)創(chuàng)新，所有以上四種類型，不論采用什么創(chuàng)新策略，最終的創(chuàng)新概念產(chǎn)生，都需借助非邏輯思維、科學效應(yīng)庫和多層次網(wǎng)絡(luò)信息搜索。圖1表示了創(chuàng)新設(shè)計的分類（問題確定、定義和表征）以及達到該目標（問題解決）所需采用的策略。

圖1 創(chuàng)新設(shè)計的分類及求解策略

1.2.1面向問題的創(chuàng)新

面向問題的創(chuàng)新的目標是提高現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)的性能，解決現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)中影響主要功能的問題，朝著理想化的目標前進。這類設(shè)計問題往往針對的是某種具體的技術(shù)問題，采用的策略是解決最小化問題，解決系統(tǒng)中的沖突，對系統(tǒng)僅作漸進式改進。TRIZ方法是實施策略比較好的方法。

1.2.2 面向目的的創(chuàng)新

面向目的的創(chuàng)新的目標是設(shè)計一個全新產(chǎn)品或系統(tǒng)，待設(shè)計的產(chǎn)品或系統(tǒng)在市場上可能并不存在，或者雖然存在，但是現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)的主要功能改進已達到極限。解決此類問題時，利用功能–行為–結(jié)構(gòu)映射法結(jié)合科學效應(yīng)、類比等方法，可以有效輔助設(shè)計人員對知識進行快速搜索，迅速產(chǎn)生多種解決方案，并從這些方案中選出針對該問題的最優(yōu)解。

1.2.3 面向產(chǎn)品的創(chuàng)新

面向產(chǎn)品的創(chuàng)新的目標是現(xiàn)有產(chǎn)品的主要功能不作改變，著重在產(chǎn)品的次要功能的開發(fā)和改進。采用的策略是著眼產(chǎn)品本身和功能跟隨形式的方法。創(chuàng)造性模板方法是實施此策略比較好的方法。

1.2.4 面向載體的創(chuàng)新

產(chǎn)品的主要功能和實現(xiàn)功能的原理是確定的，通過改變產(chǎn)品的外觀形式，創(chuàng)造新的產(chǎn)品，主要用于滿足用戶文化和精神上的需求。采用的策略是非邏輯思維法，通過聯(lián)想法、隨機對象激勵法產(chǎn)生新穎的設(shè)計概念。

2. 霍爾傳感器裝配裝置設(shè)計

本文主要是基于以上理論方法設(shè)計一個霍爾傳感器裝配裝置。在高斯計的制作中，霍爾元件的裝配的原理圖如下圖2所示。根據(jù)功能要求，在制作磁場強度測試探頭時，要將霍爾元件裝入到銅管中并確保霍爾元件的感應(yīng)方向和銅管的幾何軸線相重合。

圖2 霍爾傳感器在銅管內(nèi)的安裝示意圖

為解決上述問題，通過搜集資料和調(diào)查研究，經(jīng)過課題人員討論形成的初步設(shè)計思路如下圖3所示：

圖3 霍爾元件安裝調(diào)整裝置

上述方案是通過改變橫桿的位置來實現(xiàn)霍爾元件方位的調(diào)整。在上圖中，可以看到銅管所在橫桿的兩端分別向上向下運動調(diào)整霍爾元件上下邊緣的高度從而實現(xiàn)對銅管以及霍爾元件上下方位的位置確定。該裝置調(diào)整時，由于橫桿的長度是固定的，當橫桿的兩端上下調(diào)整時，左右立桿既存在著上下運動，又存在著向中心的水平運動。若再加上霍爾元件在水平方位的調(diào)整，整個機械結(jié)構(gòu)十分復雜。

下面運用創(chuàng)新設(shè)計理論來進行該裝置的設(shè)計。由于沒有找到相關(guān)的設(shè)計資料進行借鑒，對我們而言該設(shè)計是一個全新的產(chǎn)品設(shè)計。在選擇創(chuàng)新理論中的求解策略時，選擇面向目的的產(chǎn)品創(chuàng)新。在面向目的的創(chuàng)新中，要思考設(shè)計最終的目的是什么，是否有其它方法和技術(shù)可以更好地達到此目的，采用的策略是解決最大化問題和對系統(tǒng)的工作原理改變，解決此類問題時，利用功能–行為–結(jié)構(gòu)映射法結(jié)合科學效應(yīng)、類比等方法，以有效輔助對知識進行快速搜索，產(chǎn)生多種解決方案，并從這些方案中選出針對該問題的最優(yōu)解。

重新回顧要求，我們將要設(shè)計的機構(gòu)實現(xiàn)的主要功能描述為：調(diào)節(jié)傳感器感應(yīng)的方向（總功能目標）。初步方案的提出時對問題的定義為如何通過調(diào)節(jié)傳感器上下、左右的位置而實現(xiàn)傳感器位置的調(diào)整。由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計時遇到了困難，下面嘗試運用創(chuàng)新方案生成問題的定義方法重新對問題進行定義。通過對傳感器端面調(diào)整的方式進行深入分析；調(diào)整傳感器端面的上下、左右邊線實際上是傳感器在沿著中心作兩個方向的翻轉(zhuǎn)運動，這個運動軌跡是一個球形，這樣可以把問題定義描述為如何實現(xiàn)傳感器在兩個方向的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動。有了這個定義后，思路就打開了。下面運用面向目的的創(chuàng)新策略中FBS映射法求解新的結(jié)構(gòu)方案。

（1）產(chǎn)品的F–B映射：

調(diào)節(jié)傳感器的方向（功能）–沿著中心上下、左右方向的旋轉(zhuǎn)。

也就是說我們可以通過對傳感器沿著中心進行上下方向的旋轉(zhuǎn)和左右方向的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)位置的調(diào)整。

（2）產(chǎn)品B–S映射。

在問題的定義描述時，已經(jīng)分析到，該運動實際上是一個沿著中心的球形運動，通過聯(lián)想類比，首先想到球。把旋轉(zhuǎn)運動向球形結(jié)構(gòu)上進行映射。取球的兩條相互垂直的最大圓線，讓其中一條圓線繞球心作上下旋轉(zhuǎn)運動，另外一條作左右旋轉(zhuǎn)運動。兩條圓線間內(nèi)外套裝，活動連接，因而可以有相互位置變化。外圈圓線通過活動連接定位到工作臺上。重新設(shè)計的結(jié)構(gòu)模型如下圖4所示。和初始設(shè)計方案相比，上述設(shè)計很好的解決了原機械結(jié)構(gòu)過于復雜的問題，在功能上完全能夠滿足需要。

圖4 球形旋轉(zhuǎn)裝置

上述方案雖然實現(xiàn)了要求的各項功能，相對于初始方案結(jié)構(gòu)也很簡單，但是其結(jié)構(gòu)形式不很美觀，占用空間較大。我們把這類問題歸結(jié)為第四類創(chuàng)新策略要解決的問題，選用面向載體的創(chuàng)新策略中的非邏輯思維法。運用非邏輯思維法中的聯(lián)想法，借助知識庫，檢索和聯(lián)想能實現(xiàn)類似運動的機構(gòu)，發(fā)現(xiàn)醫(yī)院的CT機、地球儀，360度旋轉(zhuǎn)風扇（火車用）等是個很好的借鑒。由于上述設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，考慮到工作臺的易用性設(shè)計了如下圖5結(jié)構(gòu)。

圖5 霍爾元件安裝調(diào)整裝置

3.小結(jié)

在上述設(shè)計中，運用創(chuàng)新理論中策略及方法工具，迅速的解決了霍爾傳感器調(diào)節(jié)機構(gòu)初步設(shè)計中機構(gòu)過于復雜的問題，使用創(chuàng)新策略面向目的的創(chuàng)新中對問題的重新定義法和FBS映射法完成了機械結(jié)構(gòu)初步設(shè)計。運用面向載體的創(chuàng)新工具–聯(lián)想法最終完成了機械結(jié)構(gòu)、外形設(shè)計方案。因此，在機械產(chǎn)品設(shè)計中有效的運用創(chuàng)新工具可以輔助我們快速地完成設(shè)計任務(wù)。

參考文獻：

[1]李彥，李文強等.創(chuàng)新設(shè)計方法.北京：科學出版社.2012

[2]李彥，王杰，李翔龍，趙武，胡偉.創(chuàng)造性思維及計算機輔助產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計研究[J].計算機集成制造系統(tǒng)-CIMS， 2003， 9（12）： 1092-1096.