王晴，張明勤，2*，全錦，孫大銘，劉昆

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；3.山東建筑大學(xué)后勤處，山東濟(jì)南250101）

物質(zhì)—場(chǎng)分析在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王晴1，張明勤1，2*，全錦3，孫大銘1，劉昆1

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省高校機(jī)械工程創(chuàng)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；3.山東建筑大學(xué)后勤處，山東濟(jì)南250101）

運(yùn)用TRIZ物質(zhì)—場(chǎng)分析原理進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)是短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的重要方法。文章通過(guò)對(duì)產(chǎn)品功能分析和物質(zhì)—場(chǎng)分析的研究，歸納了功能模型與物質(zhì)—場(chǎng)模型之間的關(guān)系，提出了功能模型轉(zhuǎn)換成物質(zhì)—場(chǎng)模型的方法，構(gòu)建了產(chǎn)品的功能模型間接得到產(chǎn)品的物質(zhì)—場(chǎng)模型，進(jìn)而查找TRIZ理論中物質(zhì)—場(chǎng)模型對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解法獲得創(chuàng)新方案，并將物質(zhì)—場(chǎng)分析原理應(yīng)用到鋼筋捆扎機(jī)絞頭的方案設(shè)計(jì)和立體車庫(kù)車體框架的方案設(shè)計(jì)中，證明了該研究方法的可行性。

TRIZ；物質(zhì)—場(chǎng)分析；功能分析；鋼筋捆扎機(jī)；立體車庫(kù)

0 引言

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是不斷滿足當(dāng)前市場(chǎng)需求，并不斷挖掘用戶潛在需求和開(kāi)發(fā)新用戶的過(guò)程。為提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)效率，要求在設(shè)計(jì)階段快速而準(zhǔn)確地將產(chǎn)品特定需求轉(zhuǎn)換為一系列功能。TRIZ理論作為系統(tǒng)科學(xué)的創(chuàng)新方法，可有效輔助眾多領(lǐng)域中的創(chuàng)新進(jìn)程［1-2］。以TRIZ理論為指導(dǎo)，采用其物質(zhì)—場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱物場(chǎng)）分析方法在保證功能的前提下尋找不同的滿足產(chǎn)品功能要求的原理和結(jié)構(gòu)，可在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于TRIZ物場(chǎng)分析法的研究與應(yīng)用主要集中在物場(chǎng)的擴(kuò)展運(yùn)用、演化分析等方面。張建輝等給出了利用物場(chǎng)功能分析進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法［3］；簡(jiǎn)兆輝等提出一種結(jié)合減件—運(yùn)行法和FAST法來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的物場(chǎng)建模過(guò)程［4］。這些研究在利用物場(chǎng)分析方法時(shí)并沒(méi)有給出進(jìn)行功能分析與構(gòu)建物場(chǎng)模型的直接關(guān)系，因而很難快速通過(guò)功能分析有效建立設(shè)計(jì)區(qū)域的物場(chǎng)模型。文章通過(guò)功能分析，構(gòu)建了功能模型與物場(chǎng)模型的轉(zhuǎn)換方法，解決了上述問(wèn)題。

1 物場(chǎng)分析

為打破思維定勢(shì)，TRIZ理論將產(chǎn)品統(tǒng)稱為技術(shù)系統(tǒng)，而物場(chǎng)分析是對(duì)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題描述和分析的工具。由于技術(shù)系統(tǒng)往往比較復(fù)雜，因此應(yīng)用該方法時(shí)先通過(guò)功能分析進(jìn)行問(wèn)題簡(jiǎn)化，再過(guò)渡到物場(chǎng)分析來(lái)求解。

產(chǎn)品功能是系統(tǒng)所具有的的重要特征，也是突顯產(chǎn)品價(jià)值的所在。產(chǎn)品功能分析是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行的功能分解及功能模型的建立。在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段需要借助功能分析將功能要求向結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)化，建立產(chǎn)品的功能—結(jié)構(gòu)映射關(guān)系即產(chǎn)品最終的功能模型，得到最優(yōu)的原理方案［5］。TRIZ理論中，物質(zhì)與物質(zhì)及它們間場(chǎng)的作用稱為功能。物場(chǎng)是指物質(zhì)之間相互作用與相互影響的一種聯(lián)系［6］。物場(chǎng)分析認(rèn)為產(chǎn)品體現(xiàn)的功能均可分解為物質(zhì)S1、物質(zhì)S2、場(chǎng)F三種基本元素，它們不可或缺并有機(jī)組合才可產(chǎn)生功能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品價(jià)值。因此，一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)若要完成預(yù)定工作，必須構(gòu)成一個(gè)以上的物場(chǎng)，其模型如圖1所示，描述的是物質(zhì)S2通過(guò)場(chǎng)F作用于物質(zhì)S1并改變S1的過(guò)程。

圖1 物場(chǎng)功能模型的三種形式圖

雖然依據(jù)功能分析可得到功能—結(jié)構(gòu)模型，從而直觀地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中相互作用不能達(dá)到預(yù)期效果的部分，但對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，若依據(jù)物場(chǎng)分析可建立與技術(shù)系統(tǒng)問(wèn)題有直接聯(lián)系的物場(chǎng)模型，查找對(duì)應(yīng)問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)解法使問(wèn)題得到有效解決，因此可以將功能—結(jié)構(gòu)模型與物場(chǎng)模型有機(jī)結(jié)合，快速進(jìn)行產(chǎn)品問(wèn)題查找與改進(jìn)。

2 物場(chǎng)模型與功能模型關(guān)系

物場(chǎng)模型與功能模型都是一種基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模型，均采用較規(guī)范化的功能描述方式來(lái)表達(dá)系統(tǒng)組件之間的相互作用關(guān)系，揭示系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)機(jī)理。在物場(chǎng)模型圖和功能模型圖中，均采用符號(hào)語(yǔ)言來(lái)描述技術(shù)系統(tǒng)功能，如用不同線型的箭頭表示各功能的類型［7］。

功能模型能夠直觀地將組成產(chǎn)品的零部件、原料、信號(hào)等功能元件及其作用顯示出來(lái)，如圖2所示。而物場(chǎng)模型能夠直觀的顯示出功能實(shí)現(xiàn)中存在的問(wèn)題，并且這種描述形式簡(jiǎn)單統(tǒng)一便于查找對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解法，如圖3所示。

圖2 功能與輸入、輸出的關(guān)系圖

任何一個(gè)完整的系統(tǒng)功能，都可以用一個(gè)完整的物場(chǎng)模型進(jìn)行描述，但由于物質(zhì)間相互作用的多樣性，一個(gè)完整的物場(chǎng)模型卻對(duì)應(yīng)著不止一個(gè)能實(shí)現(xiàn)該功能的系統(tǒng)，所以物場(chǎng)模型描述更多的是系統(tǒng)的模型而不是系統(tǒng)的功能［8］。

一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)往往包含多個(gè)功能，但并非每個(gè)功能都需要建立物場(chǎng)模型，通常需要確定建立物場(chǎng)模型的區(qū)域即系統(tǒng)中哪些功能未按預(yù)期效果實(shí)現(xiàn)的區(qū)域，也稱為創(chuàng)新設(shè)計(jì)感興趣的區(qū)域［9］。為快速發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題需建立必要的物場(chǎng)模型，這要求確定創(chuàng)新設(shè)計(jì)感興趣的區(qū)域。進(jìn)行功能分析，建立功能模型無(wú)疑是解決該問(wèn)題的捷徑。

圖3 物場(chǎng)模型的四種模型圖

3 物場(chǎng)分析在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用過(guò)程

依據(jù)物場(chǎng)模型與功能模型之間的關(guān)系，可以將功能模型有目的地轉(zhuǎn)換為所需物場(chǎng)模型，再根據(jù)TRIZ為物場(chǎng)分析提供的標(biāo)準(zhǔn)解法，快速改進(jìn)原有物場(chǎng)模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

物場(chǎng)分析在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用步驟有:

（1）功能模型的建立

功能模型的本質(zhì)是將系統(tǒng)預(yù)定的抽象總功能轉(zhuǎn)換成詳細(xì)的子功能，再繼續(xù)轉(zhuǎn)換成具體的基本功能［10］。因此建模時(shí)首先確定產(chǎn)品的總功能，盡量選擇比較抽象簡(jiǎn)練的詞匯來(lái)描述總功能；然后將總功能分解為存在層次關(guān)系的子功能，再將子功能繼續(xù)分解為易于實(shí)現(xiàn)的基本功能，基本功能的組成元素為功能單元。在系統(tǒng)功能分解的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)按其結(jié)構(gòu)形式分解為可以單獨(dú)存在的組成部分，直至最小組成部分即基本結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)的組成元素為結(jié)構(gòu)單元。

（2）物場(chǎng)模型的建立

在功能模型圖中，重點(diǎn)關(guān)注功能不足、過(guò)度和有害的區(qū)域，這些區(qū)域一般可作為創(chuàng)新設(shè)計(jì)感興趣的區(qū)域。另外，需要注意只有箭頭指向的元件或只有箭尾的元件。

TRIZ理論將物場(chǎng)模型分為了四類，即圖3所示內(nèi)容。這四類模型的具體含義如表1所示。創(chuàng)新設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的任意相互作用的兩功能元件，箭頭指向的元件為物場(chǎng)模型中的S1，箭尾處的元件為S2，元件間的相互作用為場(chǎng)F并可判斷場(chǎng)的類型。根據(jù)功能模型中元件間連線的線型按表2所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換到物場(chǎng)模型中，完成物場(chǎng)模型的構(gòu)建。

表1 物質(zhì)—場(chǎng)模型的分類

表2 功能模型與物場(chǎng)模型對(duì)應(yīng)表

（3）標(biāo)準(zhǔn)解分析

TRIZ理論專為物場(chǎng)模型提出了76種標(biāo)準(zhǔn)解法，這些標(biāo)準(zhǔn)解法對(duì)應(yīng)著特定的物場(chǎng)模型。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解法時(shí)首先根據(jù)物場(chǎng)模型判斷模型中問(wèn)題的類別，再針對(duì)模型的問(wèn)題類別查找相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解法。結(jié)合實(shí)際工程及相關(guān)專業(yè)知識(shí)將標(biāo)準(zhǔn)解轉(zhuǎn)化為改進(jìn)方案。

（4）方案評(píng)價(jià)

對(duì)得到的改進(jìn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，如僅有一個(gè)改進(jìn)方案，可分析其合理性和可行性；如有多個(gè)可行方案，可綜合考慮擇最優(yōu)。

4 案例分析

4.1 案例一

建筑行業(yè)電動(dòng)工具鋼筋捆扎機(jī)主要由微減速電機(jī)、送絲、繞絲、切絲和絞絲等組件構(gòu)成。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，送絲、繞絲、切絲和絞絲依次動(dòng)作，并完成切刀和絞頭復(fù)位，此為一個(gè)工作循環(huán)。在實(shí)際操作過(guò)程中，現(xiàn)有絞頭為防止在絞扭時(shí)造成扎絲滑脫，故其成叉口型的兩個(gè)端頭側(cè)面較為粗糙，導(dǎo)致絞扭結(jié)束后絞頭不易撤出。現(xiàn)結(jié)合所述的物場(chǎng)分析法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析求解。

（1）功能模型的建立

確定產(chǎn)品總功能:該產(chǎn)品總功能為對(duì)鋼筋進(jìn)行捆扎。對(duì)總功能進(jìn)行功能和結(jié)構(gòu)分解。如圖4、5所示。

圖4 鋼筋捆扎機(jī)總功能分解圖

圖5 鋼筋捆扎機(jī)結(jié)構(gòu)分解圖

鋼筋捆扎機(jī)的基本功能為扎絲傳送、纏繞、切斷和擰緊。結(jié)合實(shí)際操作中問(wèn)題構(gòu)建具體的絞絲功能模型圖，如圖6所示。圖6中超系統(tǒng)為與系統(tǒng)之間存在輸入與輸出關(guān)系的系統(tǒng)。

（2）物場(chǎng)模型的建立

首先確定圖6中虛線框內(nèi)容為設(shè)計(jì)區(qū)域，然后建立物場(chǎng)模型，如圖7（a）所示。該模型表示在完成擰緊扎絲的有效作用的同時(shí)產(chǎn)生了絞頭不易撤出的有害作用，其中S2為絞頭，S1為圈狀扎絲，F(xiàn)為機(jī)械場(chǎng)。

圖6 鋼筋捆扎機(jī)絞絲功能模型圖

圖7 鋼筋捆扎機(jī)絞絲功能的物場(chǎng)模型圖

（3）標(biāo)準(zhǔn)解分析

根據(jù)物場(chǎng)模型類型查找第1類標(biāo)準(zhǔn)解。這類物場(chǎng)模型的改變形式有兩種:加入F2抵消有害作用；加入S3或改變S1（或S2）阻止有害作用［11］，如圖7（b）所示。

在第1類標(biāo)準(zhǔn)解中選擇上述兩種形式所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解法9和標(biāo)準(zhǔn)解法10。標(biāo)準(zhǔn)解法9:在一個(gè)系統(tǒng)中有用及有害作用同時(shí)存在，S1及S2不必互相接觸，可通過(guò)添加S3消除有害作用［12］。

標(biāo)準(zhǔn)解法10:在一個(gè)系統(tǒng)中有益及有害作用同時(shí)存在，但不允許系統(tǒng)引入其它物質(zhì)，則可考慮改變S1或S2來(lái)消除有害作用［12］。

考慮本例的實(shí)際問(wèn)題，可將上述兩種標(biāo)準(zhǔn)解法有機(jī)結(jié)合，得到兩種解決方案。

方案1:原有絞頭為U形叉口，兩端頭截面相同且無(wú)變化，導(dǎo)致絞頭撤出時(shí)阻力較大，如圖8所示?，F(xiàn)將絞頭改為變截面式，如圖9（a）所示，方便絞頭取出，問(wèn)題得到解決。需要說(shuō)明的是，因涉及技術(shù)專利權(quán)［13］，只給出示意結(jié)構(gòu)。

方案2:將絞頭的兩端尾部活動(dòng)連接，靠近尾部處設(shè)有彈簧，彈簧末端設(shè)置重塊，如圖9（b）所示。絞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，在向心力驅(qū)使下重塊向外擺動(dòng)，彈簧伸長(zhǎng)使絞頭兩端頂部相互靠近，防止扎絲滑脫，保證扭緊牢固；絞軸停轉(zhuǎn)后，在彈力作用下端頭頂部張開(kāi)，松開(kāi)扎絲，絞頭輕松撤出，問(wèn)題得到解決。

圖8 原有絞頭圖

圖9 改進(jìn)后的絞頭圖

（4）方案評(píng)價(jià)

上述兩種方案各具特點(diǎn)，方案1僅改變絞頭兩端頭形狀，結(jié)構(gòu)較方案2緊湊、簡(jiǎn)單；方案2工作較方案1可靠，但可制造性降低。因此，方案1較優(yōu)。

4.2 案例二

機(jī)械式立體車庫(kù)可有效解決停車難等問(wèn)題，其主要結(jié)構(gòu)組成一般包括機(jī)械部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和控制管理系統(tǒng)三部分。在現(xiàn)有的傳統(tǒng)式立體車庫(kù)中，車庫(kù)整體固定不動(dòng)，存取車輛的載車臺(tái)單體運(yùn)動(dòng)。若通過(guò)提高載車臺(tái)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度來(lái)提高存取車輛效率，會(huì)增加車庫(kù)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全隱患?，F(xiàn)結(jié)合所述的物場(chǎng)分析法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析求解。

（1）功能模型的建立

確定產(chǎn)品總功能該產(chǎn)品總功能為實(shí)現(xiàn)高效存取車輛。對(duì)總功能進(jìn)行功能和結(jié)構(gòu)分解。如圖10、11所示。

圖10 立體車庫(kù)總功能分解圖

圖11 立體車庫(kù)結(jié)構(gòu)分解圖

立體車庫(kù)能量轉(zhuǎn)換由電機(jī)實(shí)現(xiàn)，能量由傳動(dòng)裝置傳遞到載車臺(tái)，在支撐功能中，傳統(tǒng)的車庫(kù)框架對(duì)載車臺(tái)的作用為支撐固定，載車臺(tái)可相對(duì)車庫(kù)框架升降橫移運(yùn)動(dòng)，平衡機(jī)構(gòu)保證載車臺(tái)不傾翻。但是只有載車臺(tái)移動(dòng)的車輛存取效果不足。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行中問(wèn)題構(gòu)建具體的支撐功能模型圖，如圖12所示，其圖中符號(hào)含義與圖6相同。

（2）物場(chǎng)模型的建立

首先確定圖12虛線框內(nèi)容為設(shè)計(jì)區(qū)域，然后建立物場(chǎng)模型，如圖13（a）所示。該模型表示車庫(kù)框架的固定狀態(tài)使得載車臺(tái)存取車輛效果不足，這里S2為車庫(kù)框架，S1為載車臺(tái)，F(xiàn)為機(jī)械場(chǎng)。

圖12 立體車庫(kù)功能模型圖

圖13 立體車庫(kù)功能的物場(chǎng)模型圖

（3）標(biāo)準(zhǔn)解分析

根據(jù)物場(chǎng)模型類型查找第2類標(biāo)準(zhǔn)解。這類物場(chǎng)模型的改變形式為:通過(guò)增加系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性水平來(lái)加強(qiáng)物場(chǎng)模型［14］，如圖13（b）所示。

在第2類標(biāo)準(zhǔn)解法中選擇對(duì)應(yīng)上述形式的標(biāo)準(zhǔn)解法——標(biāo)準(zhǔn)解法19。該解法描述了系統(tǒng)中具有剛性、永久和非彈性元件，則可考慮讓系統(tǒng)具有更好的柔韌性、適應(yīng)性、動(dòng)態(tài)性來(lái)改善其效率［15］。

考慮本例的實(shí)際問(wèn)題，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解法19得到一種解決方案。

方案:考慮到原有的立體車庫(kù)框架固定不動(dòng)，通常以載車臺(tái)升降橫移運(yùn)動(dòng)為主，存取車輛是升降橫移的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，且車庫(kù)整體固定，如圖14所示。現(xiàn)將車庫(kù)框架整體變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)式，可將原載車臺(tái)單體直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成車庫(kù)框架整體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，增加了車庫(kù)的柔韌性、動(dòng)態(tài)性，如圖15所示。

圖14 原有立體車庫(kù)圖

圖15 改進(jìn)后的立體車庫(kù)圖

（4）方案評(píng)價(jià)

上述方案改變了傳統(tǒng)車庫(kù)存取車輛模式，車庫(kù)框架由靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)，相對(duì)縮短了載車臺(tái)單體運(yùn)動(dòng)時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)高效存取車輛。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)產(chǎn)品功能分析，結(jié)合功能模型與物場(chǎng)模型的關(guān)系，給出了基于TRIZ物場(chǎng)分析的功能模型與物場(chǎng)模型的轉(zhuǎn)換方法，準(zhǔn)確定位需要建立的物場(chǎng)模型，為短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了一條有效的處理途徑。但是借助標(biāo)準(zhǔn)解法并不能直接給出問(wèn)題特定領(lǐng)域的解，還需要設(shè)計(jì)者根據(jù)領(lǐng)域知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)、提煉和優(yōu)化。

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（責(zé)任編輯：李雪蕾）

Application of substance-field analysis in product innovation design

Wang Qing1，Zhang Mingqin1，2*，Quan Jin3，et al.

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China；3.Logistics Deparement，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

Using the substance-field analyzing principle of TRIZ in the process of product design is one of the importantmethods in a short period of time to realize product innovation.In this paper，through the study of function analysis and substance-field analysis，themethod which function model was converted into substance-field modelwas proposed through the relationship of the function model and the substance-field model.Then through function model which was obtained directly to achieve substance-field model indirectly，and the innovative solutions were obtained in combination with standard solutionswhich was corresponded to substance-field model of TRIZ，and the efficiency of the product innovation design was improved，and in the case of rebar tyingmachine，the substance-field analyzing principle to project design of twist head of rebar tyingmachine and frame of space parking system were applied，which demonstrated the practicability of the proposed method.

TRIZ；substance-field analysis；function analysis；rebar tying machine；space parking system

TH122

A

1673-7644（2014）06-0590-06

2014-06-13

王晴（1989-），女，在讀碩士，主要從事TRIZ理論及其應(yīng)用、工程機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法研究.E-mail:wqgreen＠163.com

*通訊作者：張明勤（1964-），男，教授，碩士，主要從事TRIZ理論及其應(yīng)用、工程機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法、產(chǎn)品創(chuàng)新方法的研究.

E-mail:z.m.q＠126.com