李銀寶+李銘書+曹榮康

摘 要：該文主要應用TRIZ理論對已有中小學課桌椅進行了再設計。依據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)進化路線，針對多數(shù)校園中已有的木制課桌笨重、運輸搬運不便、結(jié)構(gòu)單一、不可調(diào)節(jié)、桌椅管理不便等諸多不足，在較充分考察課桌市場和相關技術(shù)（主要對專項專利進行了研究與總結(jié)）的基礎上，有的放矢地對成套課桌椅進行了創(chuàng)造性改進，實現(xiàn)了系統(tǒng)基于場的控制和連續(xù)性變化。該文提出的新型課桌椅最大的特點是便攜、可折疊、桌椅一體化和輕量化，且成本易于控制，工藝簡單，便于批量投產(chǎn)。

關鍵詞：TRIZ ?課桌椅 ?進化路線 ?工藝性 ?便攜

中圖分類號：TH218 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0034-02

目前多數(shù)校園中已有的木制課桌存在結(jié)構(gòu)笨重、搬運不便、功能單一、高度不可調(diào)節(jié)、管理不便及浪費資源等諸多不足。市場上一些其他形式的便攜或者可折疊的桌椅盡管實現(xiàn)了便攜性和可折疊功能，但其整體結(jié)構(gòu)復雜，對管件間配合精度要求較高，即工藝性較差，進而造成加工成本的增加。此外，桌椅一般配套使用，所以其是否便于管理很重要。綜上所述，影響桌椅使用和生產(chǎn)特性的因素主要包括桌面高度、桌椅重量、便攜性、可調(diào)節(jié)性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、工藝性、是否便于管理等。因此，研究開發(fā)出一種新型課桌椅，便攜可折疊，工藝性好，高度可調(diào)，桌椅一體。

1 技術(shù)背景[1]

我國學生的課桌椅大體沿襲著西方學校課桌椅的發(fā)展軌跡。從構(gòu)成的材質(zhì)和發(fā)展歷史看，兩者并無明顯不同，都經(jīng)歷了雜木制造、鋼木合一、硬塑替代等過程;從外形看，由單一的形態(tài)逐漸過渡到升降式等更符合人機工程學的多種形態(tài)。并且隨著青少年身高、體重的變化，國內(nèi)外都存在課桌椅標準再修訂的問題，但也有不同，主要體現(xiàn)在課桌椅的擺放方面，相對國內(nèi)普遍的整齊劃一，國外學生課桌椅的擺放則靈活多樣。

當下可升降學生課桌材質(zhì)主要為鋼木結(jié)合結(jié)構(gòu)，桌面為三聚氰胺板，桌腿鋼結(jié)構(gòu)。凳子也多為鋼木結(jié)構(gòu)，桌凳也有相關固件來調(diào)節(jié)高度;也有塑料的升降學生課桌。但是鋼木結(jié)構(gòu)導致桌凳腿結(jié)果復雜，使得教室打掃起來比較麻煩，且因為不能隨手調(diào)節(jié)高度，需要借用一定的器械才能調(diào)節(jié)高度，導致很多學校的升降課桌淪為固定課桌。

目前我國采用實施的是GB/T3976-2002標準。該標準是對GB/T7792-1987《學校課桌椅衛(wèi)生標準》和GB/T3976-1983《學校課桌椅功能尺寸》的合并修訂。同時該標準的修訂，主要依據(jù)近年我國的人體測量資料和專門調(diào)查，非等效采用了國際標準ISO 5970-1979《家具—— 教學用桌椅—— 功能尺寸》，并參考了日本工業(yè)規(guī)格JIS S 1021-1991《學校家具（普通教室用桌椅）》和JIS S 1015-1974《講課教室用固定式桌椅尺寸》。

2 基于TRIZ的新型課桌椅方案設計

針對木制課桌存在結(jié)構(gòu)笨重、搬運不便、功能單一、高度不可調(diào)節(jié)、管理不便及浪費資源等諸多不足，本文基于TRIZ理論指導進行了創(chuàng)新性方案分析，論證與結(jié)構(gòu)設計。設計出一種便攜式可調(diào)新型課桌椅。

2.1 TRIZ主要理論及方法研究

TRIZ理論最初是在20世紀中期由前蘇聯(lián)科學家G.S.Altshuller提出。TRIZ理論是一種用于解決發(fā)明問題的創(chuàng)新理論和方法，其體系中很重要的兩部分就是技術(shù)進化理論和沖突解決理論。技術(shù)進化理論用于預測現(xiàn)有技術(shù)的進化方向，為產(chǎn)品設計提供指導。沖突解決理論則用于產(chǎn)品設計過程中具體發(fā)明問題的解決。

TRIZ理論將創(chuàng)新設計過程中遇到的矛盾、沖突、問題歸納成兩類：物理沖突和技術(shù)沖突。針對物理沖突，經(jīng)常利用的TRIZ工具是分離原理;針對技術(shù)沖突，經(jīng)常利用的是沖突矩陣。利用TRIZ理論中的沖突解決理論，我們對課桌椅再設計過程中的發(fā)明問題進行了合理的解決，實現(xiàn)了桌椅便攜、高度可調(diào)、成本易控、工藝簡單等特點。

TRIZ理論歸納出了系統(tǒng)的九大技術(shù)進化定律及其對應的若干進化路線。這一通過統(tǒng)計2001年5月到2014年5月的1404例中國“桌椅”專利和160例歐美“桌椅”專利，可以大致歸納出桌椅作為一個系統(tǒng)的進化路線，即向連續(xù)變化系統(tǒng)進化（單態(tài)系統(tǒng)→多態(tài)系統(tǒng)→連續(xù)變化系統(tǒng)）或向場進化（剛性系統(tǒng)→帶有一個鉸鏈的系統(tǒng)→帶有多個鉸鏈的系統(tǒng)→柔性系統(tǒng)→基于場的系統(tǒng)）[2]。所以，在具體的方案設計中，應基本實現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)性變化或通過增強柔性來控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2.2 TRIZ理論中的沖突解決理論為新產(chǎn)品設計提供了思路

G.S.Altshuller等人將沖突主要分為管理沖突、物理沖突和技術(shù)沖突，發(fā)明問題主要面臨的是物理沖突和技術(shù)沖突。因此，在應用TRIZ沖突解決理論解決發(fā)明問題時，首先應將問題用TRIZ語言進行描述和分類。

具體而言，當對一子系統(tǒng)具有相反的要求時就出現(xiàn)了物理沖突?，F(xiàn)代TRIZ在總結(jié)物理沖突解決方法的基礎上，提出了采用如下的分離原理解決物理沖突的方法：空間分離、時間分離、基于條件的分離、整體與部分的分離。

當子系統(tǒng)間產(chǎn)生矛盾或系統(tǒng)的某兩個參數(shù)、特性間產(chǎn)生矛盾時就出現(xiàn)了技術(shù)沖突。TRIZ理論中技術(shù)沖突的解決是一個完整的過程，除了理論的應用過程，還包括應用該理論前的前處理與應用之后的后處理等過程。前處理過程的主要任務包括尋找要改變的系統(tǒng)特性、查找TRIZ給出的工程參數(shù)中與要改變的系統(tǒng)特性對應的參數(shù)、將眼前的一般問題描述為TRIZ的標準問題，同時確定參數(shù)變化方向（改進或惡化）等;理論應用過程主要包括在沖突矩陣中查找相互沖突的工程參數(shù)確定的矩陣元素，并用上述元素確定發(fā)明原理，而后將所確定的原理應用于設計者的問題等;后處理過程的主要任務是對從沖突矩陣得出的發(fā)明原理進行啟發(fā)性思考、獲得設計依據(jù)和靈感，評價并完善概念設計及后續(xù)的設計等。其中，TRIZ給出的沖突矩陣和40條發(fā)明原理是整個過程的核心工具。

2.3 設計過程問題的描述

結(jié)合TRIZ中發(fā)明問題的解決理論，我們將發(fā)明問題歸納為兩類：物理沖突和技術(shù)沖突。

首先，根據(jù)正常的使用習慣，人們普遍希望課桌椅在使用時高度合適，使用面積大，必要時要實現(xiàn)桌椅高度調(diào)節(jié);在桌椅處于備用狀態(tài)時，如進行桌椅搬運、存放甚至是攜帶時，其整體結(jié)構(gòu)要實現(xiàn)便攜，這時就需要其體積要盡量小，以避免不必要的空間、人力、財力的浪費。此時，問題就是如何實現(xiàn)一套桌椅的體積在使用時大，不使用時小，這是對系統(tǒng)的體積提出的兩個相反方向的設計要求，屬于物理沖突。

其次，既然要改變系統(tǒng)體積，就難免在設計時出現(xiàn)活動部件和調(diào)節(jié)機構(gòu)，這就會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到一定程度上的影響，通過查閱TRIZ給出的39個工程參數(shù)，將這一沖突可轉(zhuǎn)化為標準沖突，即靜止物體體積與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的沖突。

此外，要想實現(xiàn)便攜，就應盡量減少系統(tǒng)中元件數(shù)量，所以提出了桌椅一體化的設計思路。同時為實現(xiàn)體積調(diào)節(jié)，還要增加體積調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。但是具體方案中就要面臨這樣一個問題，“一體化”過程會不會使整個系統(tǒng)變復雜？會不會使系統(tǒng)可操作性變差？通過對比查閱TRIZ給出的39個工程參數(shù)，這一沖突可轉(zhuǎn)化為標準沖突：物質(zhì)或事物的數(shù)量與可操作性之間的沖突、物質(zhì)或事物的數(shù)量與裝置復雜性之間的沖突。

2.4 基于TRIZ技術(shù)沖突解決原理的新型課桌椅創(chuàng)新方案設計

依據(jù)系統(tǒng)的進化路線，我們初步給出了解決方案的設計方向。對于物理沖突，主要應用分離原理進行解決。考慮到桌椅在使用時要求體積要大，不使用時要求體積要小，便說明兩種狀態(tài)存在時間差。因此，可以應用時間分離原理對該物理沖突進行解決。對此，我們需要設計或者尋找一種機構(gòu)，能實現(xiàn)以上兩種工作狀態(tài)甚至實現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)變化。經(jīng)過查閱文獻資料和大量專利[3]，我們選定了可實現(xiàn)伸縮功能的交叉機構(gòu)。

對于技術(shù)沖突：靜止物體體積與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的沖突。通過查閱沖突矩陣，TRIZ對相應給出了28、34、35、40四條發(fā)明原理。其中34拋棄與修復原理和40復合材料原理對于桌椅這種簡單系統(tǒng)來說會造成結(jié)構(gòu)復雜化和成本提升，所以不予考慮。之后依據(jù)連續(xù)性變化和基于場控制系統(tǒng)的進化方向，我們在28機械系統(tǒng)的替代原理和35參數(shù)變化原理的啟發(fā)下注意到重要兩點：換場、改變物體柔性。對于換場，我們選擇將靜態(tài)場轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)場，這樣可以實現(xiàn)場控制;對于改變物體柔性，我們選擇改變機構(gòu)的運動軌跡，這樣可以進一步實現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)性變化。作為補充，考慮到方案設計的細節(jié)問題，對于技術(shù)沖突：物質(zhì)或事物的數(shù)量與可操作性/裝置復雜性之間的沖突，通過查閱沖突矩陣，我們得到了35、29、25、3、13、27、10等若干條發(fā)明原理。其中29氣動與液壓結(jié)構(gòu)原理和25自服務原理工藝復雜，不便實現(xiàn);3局部質(zhì)量原理簡單，但是勢必給結(jié)構(gòu)帶來新的改變。所以，上述原理不予考慮。對于35參數(shù)變化原理，我們選擇了改變物體柔性;對于10預操作原理，我們選擇了預先對物體進行特殊安排;對于13反向原理，我們選擇了結(jié)構(gòu)多用性;對于27用低成本、不耐用物體代替昂貴、耐用物體原理，我們選擇了合適的結(jié)構(gòu)材料。

針對物理沖突，我們選定了可伸縮的交叉機構(gòu)。具體實施上，桌椅使用時機構(gòu)張開，不使用時機構(gòu)收緊。

針對第一個技術(shù)沖突，我們設計了滑道，使其一端與交叉機構(gòu)的一端固連;另一端滑動，以便于整個機構(gòu)的變動，我們還配備了定位銷，以實現(xiàn)機構(gòu)定位，這樣便可以實現(xiàn)靜態(tài)場與動態(tài)場的相互轉(zhuǎn)換。為增加機構(gòu)柔性，我們改小了交叉機構(gòu)尺寸，增加了交叉機構(gòu)數(shù)量，即通過改變桌腿的節(jié)數(shù)增強了機構(gòu)的柔性?；琅c交叉機構(gòu)相互配合，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的場控制和連續(xù)性變化

針對第二個技術(shù)沖突，我們設計了連桿機構(gòu)以實現(xiàn)桌椅“一體化”和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的預操作，為保證強度和相對運動位置準確度，采用了平面四桿機構(gòu)[4];為降低系統(tǒng)復雜度，同時實現(xiàn)結(jié)構(gòu)多用性，我們賦予椅子腿另一個功能：手柄。就是說，在桌椅收緊后，椅子腿可充當新系統(tǒng)中手柄的角色;為降低成本和技術(shù)可實現(xiàn)性，我們將承重機構(gòu)的材料選定為不銹鋼，將各板面材料選定為聚酯材料。

3 設計評價

從技術(shù)上分析，該設計方案對于設計思路和要求中的場控制和連續(xù)性變化進行了合理的實現(xiàn)。值得關注的是，該設計方案工藝性良好，整個制造過程僅涉及管材的切割、焊接、鉚接等工藝，幾乎不存在高精度的配合及其他技術(shù)要求，便于高效批量生產(chǎn)，且便于回收再利用。此外，該設計方案多采用市場標準件，結(jié)構(gòu)簡單，組裝方便，均保證了生產(chǎn)過程的低成本，便于投入生產(chǎn)。

面對市場，課桌椅的設計主要是為學生、學校和運輸搬運者提供更優(yōu)化的使用功能，也包括制造商。對于學生，該設計方案便于使用與攜帶;對于學校，該設計方案便于存儲與管理;對于搬運者，該設計方案便于運輸和搬運;對于制造商，該設計方案節(jié)省工時，工藝簡單，成本低，便于投產(chǎn)且生產(chǎn)效率高。表1為相同參數(shù)（如高度、面積相同）情況下，該設計方案的重要設計參數(shù)與已有產(chǎn)品相應參數(shù)的對比[5]。

4 結(jié)論

該設計方案在完成初步設計的基礎上，參考國家標準，對一組參數(shù)進行了實物制作和系統(tǒng)強度校核，在不銹鋼壁厚1 mm，截面尺寸為10×15[6]時，整個系統(tǒng)可承受至少200 kg的重量[7]，這對于學生來說是十分安全的。至于將該設計方案進一步投入生產(chǎn)，還需進行更多參數(shù)的標準化和系統(tǒng)強度校驗，即實現(xiàn)該設計方案的標準化、系列化[8]。

展望未來，該設計方案將以其顯著地結(jié)構(gòu)、性能、工藝、成本優(yōu)勢極大地刺激消費，加速校園桌椅更新?lián)Q代。

參考文獻

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[2] 檀潤華.TRIZ及應用[M].北京：高等教育出版社，2010.

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[7] 范慕輝，焦永樹.材料力學[M].機械工業(yè)出版社，2010：55-173.

[8] 韋莉莉.推進課桌椅標準化建設的策略[J].實驗教學與儀器，2014（3）：69-70.

2.3 設計過程問題的描述

結(jié)合TRIZ中發(fā)明問題的解決理論，我們將發(fā)明問題歸納為兩類：物理沖突和技術(shù)沖突。

首先，根據(jù)正常的使用習慣，人們普遍希望課桌椅在使用時高度合適，使用面積大，必要時要實現(xiàn)桌椅高度調(diào)節(jié);在桌椅處于備用狀態(tài)時，如進行桌椅搬運、存放甚至是攜帶時，其整體結(jié)構(gòu)要實現(xiàn)便攜，這時就需要其體積要盡量小，以避免不必要的空間、人力、財力的浪費。此時，問題就是如何實現(xiàn)一套桌椅的體積在使用時大，不使用時小，這是對系統(tǒng)的體積提出的兩個相反方向的設計要求，屬于物理沖突。

其次，既然要改變系統(tǒng)體積，就難免在設計時出現(xiàn)活動部件和調(diào)節(jié)機構(gòu)，這就會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到一定程度上的影響，通過查閱TRIZ給出的39個工程參數(shù)，將這一沖突可轉(zhuǎn)化為標準沖突，即靜止物體體積與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的沖突。

此外，要想實現(xiàn)便攜，就應盡量減少系統(tǒng)中元件數(shù)量，所以提出了桌椅一體化的設計思路。同時為實現(xiàn)體積調(diào)節(jié)，還要增加體積調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。但是具體方案中就要面臨這樣一個問題，“一體化”過程會不會使整個系統(tǒng)變復雜？會不會使系統(tǒng)可操作性變差？通過對比查閱TRIZ給出的39個工程參數(shù)，這一沖突可轉(zhuǎn)化為標準沖突：物質(zhì)或事物的數(shù)量與可操作性之間的沖突、物質(zhì)或事物的數(shù)量與裝置復雜性之間的沖突。

2.4 基于TRIZ技術(shù)沖突解決原理的新型課桌椅創(chuàng)新方案設計

依據(jù)系統(tǒng)的進化路線，我們初步給出了解決方案的設計方向。對于物理沖突，主要應用分離原理進行解決?？紤]到桌椅在使用時要求體積要大，不使用時要求體積要小，便說明兩種狀態(tài)存在時間差。因此，可以應用時間分離原理對該物理沖突進行解決。對此，我們需要設計或者尋找一種機構(gòu)，能實現(xiàn)以上兩種工作狀態(tài)甚至實現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)變化。經(jīng)過查閱文獻資料和大量專利[3]，我們選定了可實現(xiàn)伸縮功能的交叉機構(gòu)。

對于技術(shù)沖突：靜止物體體積與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的沖突。通過查閱沖突矩陣，TRIZ對相應給出了28、34、35、40四條發(fā)明原理。其中34拋棄與修復原理和40復合材料原理對于桌椅這種簡單系統(tǒng)來說會造成結(jié)構(gòu)復雜化和成本提升，所以不予考慮。之后依據(jù)連續(xù)性變化和基于場控制系統(tǒng)的進化方向，我們在28機械系統(tǒng)的替代原理和35參數(shù)變化原理的啟發(fā)下注意到重要兩點：換場、改變物體柔性。對于換場，我們選擇將靜態(tài)場轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)場，這樣可以實現(xiàn)場控制;對于改變物體柔性，我們選擇改變機構(gòu)的運動軌跡，這樣可以進一步實現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)性變化。作為補充，考慮到方案設計的細節(jié)問題，對于技術(shù)沖突：物質(zhì)或事物的數(shù)量與可操作性/裝置復雜性之間的沖突，通過查閱沖突矩陣，我們得到了35、29、25、3、13、27、10等若干條發(fā)明原理。其中29氣動與液壓結(jié)構(gòu)原理和25自服務原理工藝復雜，不便實現(xiàn);3局部質(zhì)量原理簡單，但是勢必給結(jié)構(gòu)帶來新的改變。所以，上述原理不予考慮。對于35參數(shù)變化原理，我們選擇了改變物體柔性;對于10預操作原理，我們選擇了預先對物體進行特殊安排;對于13反向原理，我們選擇了結(jié)構(gòu)多用性;對于27用低成本、不耐用物體代替昂貴、耐用物體原理，我們選擇了合適的結(jié)構(gòu)材料。

針對物理沖突，我們選定了可伸縮的交叉機構(gòu)。具體實施上，桌椅使用時機構(gòu)張開，不使用時機構(gòu)收緊。

針對第一個技術(shù)沖突，我們設計了滑道，使其一端與交叉機構(gòu)的一端固連;另一端滑動，以便于整個機構(gòu)的變動，我們還配備了定位銷，以實現(xiàn)機構(gòu)定位，這樣便可以實現(xiàn)靜態(tài)場與動態(tài)場的相互轉(zhuǎn)換。為增加機構(gòu)柔性，我們改小了交叉機構(gòu)尺寸，增加了交叉機構(gòu)數(shù)量，即通過改變桌腿的節(jié)數(shù)增強了機構(gòu)的柔性?；琅c交叉機構(gòu)相互配合，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的場控制和連續(xù)性變化

針對第二個技術(shù)沖突，我們設計了連桿機構(gòu)以實現(xiàn)桌椅“一體化”和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的預操作，為保證強度和相對運動位置準確度，采用了平面四桿機構(gòu)[4];為降低系統(tǒng)復雜度，同時實現(xiàn)結(jié)構(gòu)多用性，我們賦予椅子腿另一個功能：手柄。就是說，在桌椅收緊后，椅子腿可充當新系統(tǒng)中手柄的角色;為降低成本和技術(shù)可實現(xiàn)性，我們將承重機構(gòu)的材料選定為不銹鋼，將各板面材料選定為聚酯材料。

3 設計評價

從技術(shù)上分析，該設計方案對于設計思路和要求中的場控制和連續(xù)性變化進行了合理的實現(xiàn)。值得關注的是，該設計方案工藝性良好，整個制造過程僅涉及管材的切割、焊接、鉚接等工藝，幾乎不存在高精度的配合及其他技術(shù)要求，便于高效批量生產(chǎn)，且便于回收再利用。此外，該設計方案多采用市場標準件，結(jié)構(gòu)簡單，組裝方便，均保證了生產(chǎn)過程的低成本，便于投入生產(chǎn)。

面對市場，課桌椅的設計主要是為學生、學校和運輸搬運者提供更優(yōu)化的使用功能，也包括制造商。對于學生，該設計方案便于使用與攜帶;對于學校，該設計方案便于存儲與管理;對于搬運者，該設計方案便于運輸和搬運;對于制造商，該設計方案節(jié)省工時，工藝簡單，成本低，便于投產(chǎn)且生產(chǎn)效率高。表1為相同參數(shù)（如高度、面積相同）情況下，該設計方案的重要設計參數(shù)與已有產(chǎn)品相應參數(shù)的對比[5]。

4 結(jié)論

該設計方案在完成初步設計的基礎上，參考國家標準，對一組參數(shù)進行了實物制作和系統(tǒng)強度校核，在不銹鋼壁厚1 mm，截面尺寸為10×15[6]時，整個系統(tǒng)可承受至少200 kg的重量[7]，這對于學生來說是十分安全的。至于將該設計方案進一步投入生產(chǎn)，還需進行更多參數(shù)的標準化和系統(tǒng)強度校驗，即實現(xiàn)該設計方案的標準化、系列化[8]。

展望未來，該設計方案將以其顯著地結(jié)構(gòu)、性能、工藝、成本優(yōu)勢極大地刺激消費，加速校園桌椅更新?lián)Q代。

參考文獻

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[8] 韋莉莉.推進課桌椅標準化建設的策略[J].實驗教學與儀器，2014（3）：69-70.

2.3 設計過程問題的描述

結(jié)合TRIZ中發(fā)明問題的解決理論，我們將發(fā)明問題歸納為兩類：物理沖突和技術(shù)沖突。

首先，根據(jù)正常的使用習慣，人們普遍希望課桌椅在使用時高度合適，使用面積大，必要時要實現(xiàn)桌椅高度調(diào)節(jié);在桌椅處于備用狀態(tài)時，如進行桌椅搬運、存放甚至是攜帶時，其整體結(jié)構(gòu)要實現(xiàn)便攜，這時就需要其體積要盡量小，以避免不必要的空間、人力、財力的浪費。此時，問題就是如何實現(xiàn)一套桌椅的體積在使用時大，不使用時小，這是對系統(tǒng)的體積提出的兩個相反方向的設計要求，屬于物理沖突。

其次，既然要改變系統(tǒng)體積，就難免在設計時出現(xiàn)活動部件和調(diào)節(jié)機構(gòu)，這就會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到一定程度上的影響，通過查閱TRIZ給出的39個工程參數(shù)，將這一沖突可轉(zhuǎn)化為標準沖突，即靜止物體體積與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的沖突。

此外，要想實現(xiàn)便攜，就應盡量減少系統(tǒng)中元件數(shù)量，所以提出了桌椅一體化的設計思路。同時為實現(xiàn)體積調(diào)節(jié)，還要增加體積調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。但是具體方案中就要面臨這樣一個問題，“一體化”過程會不會使整個系統(tǒng)變復雜？會不會使系統(tǒng)可操作性變差？通過對比查閱TRIZ給出的39個工程參數(shù)，這一沖突可轉(zhuǎn)化為標準沖突：物質(zhì)或事物的數(shù)量與可操作性之間的沖突、物質(zhì)或事物的數(shù)量與裝置復雜性之間的沖突。

2.4 基于TRIZ技術(shù)沖突解決原理的新型課桌椅創(chuàng)新方案設計

依據(jù)系統(tǒng)的進化路線，我們初步給出了解決方案的設計方向。對于物理沖突，主要應用分離原理進行解決。考慮到桌椅在使用時要求體積要大，不使用時要求體積要小，便說明兩種狀態(tài)存在時間差。因此，可以應用時間分離原理對該物理沖突進行解決。對此，我們需要設計或者尋找一種機構(gòu)，能實現(xiàn)以上兩種工作狀態(tài)甚至實現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)變化。經(jīng)過查閱文獻資料和大量專利[3]，我們選定了可實現(xiàn)伸縮功能的交叉機構(gòu)。

對于技術(shù)沖突：靜止物體體積與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的沖突。通過查閱沖突矩陣，TRIZ對相應給出了28、34、35、40四條發(fā)明原理。其中34拋棄與修復原理和40復合材料原理對于桌椅這種簡單系統(tǒng)來說會造成結(jié)構(gòu)復雜化和成本提升，所以不予考慮。之后依據(jù)連續(xù)性變化和基于場控制系統(tǒng)的進化方向，我們在28機械系統(tǒng)的替代原理和35參數(shù)變化原理的啟發(fā)下注意到重要兩點：換場、改變物體柔性。對于換場，我們選擇將靜態(tài)場轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)場，這樣可以實現(xiàn)場控制;對于改變物體柔性，我們選擇改變機構(gòu)的運動軌跡，這樣可以進一步實現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)性變化。作為補充，考慮到方案設計的細節(jié)問題，對于技術(shù)沖突：物質(zhì)或事物的數(shù)量與可操作性/裝置復雜性之間的沖突，通過查閱沖突矩陣，我們得到了35、29、25、3、13、27、10等若干條發(fā)明原理。其中29氣動與液壓結(jié)構(gòu)原理和25自服務原理工藝復雜，不便實現(xiàn);3局部質(zhì)量原理簡單，但是勢必給結(jié)構(gòu)帶來新的改變。所以，上述原理不予考慮。對于35參數(shù)變化原理，我們選擇了改變物體柔性;對于10預操作原理，我們選擇了預先對物體進行特殊安排;對于13反向原理，我們選擇了結(jié)構(gòu)多用性;對于27用低成本、不耐用物體代替昂貴、耐用物體原理，我們選擇了合適的結(jié)構(gòu)材料。

針對物理沖突，我們選定了可伸縮的交叉機構(gòu)。具體實施上，桌椅使用時機構(gòu)張開，不使用時機構(gòu)收緊。

針對第一個技術(shù)沖突，我們設計了滑道，使其一端與交叉機構(gòu)的一端固連;另一端滑動，以便于整個機構(gòu)的變動，我們還配備了定位銷，以實現(xiàn)機構(gòu)定位，這樣便可以實現(xiàn)靜態(tài)場與動態(tài)場的相互轉(zhuǎn)換。為增加機構(gòu)柔性，我們改小了交叉機構(gòu)尺寸，增加了交叉機構(gòu)數(shù)量，即通過改變桌腿的節(jié)數(shù)增強了機構(gòu)的柔性?；琅c交叉機構(gòu)相互配合，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的場控制和連續(xù)性變化

針對第二個技術(shù)沖突，我們設計了連桿機構(gòu)以實現(xiàn)桌椅“一體化”和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的預操作，為保證強度和相對運動位置準確度，采用了平面四桿機構(gòu)[4];為降低系統(tǒng)復雜度，同時實現(xiàn)結(jié)構(gòu)多用性，我們賦予椅子腿另一個功能：手柄。就是說，在桌椅收緊后，椅子腿可充當新系統(tǒng)中手柄的角色;為降低成本和技術(shù)可實現(xiàn)性，我們將承重機構(gòu)的材料選定為不銹鋼，將各板面材料選定為聚酯材料。

3 設計評價

從技術(shù)上分析，該設計方案對于設計思路和要求中的場控制和連續(xù)性變化進行了合理的實現(xiàn)。值得關注的是，該設計方案工藝性良好，整個制造過程僅涉及管材的切割、焊接、鉚接等工藝，幾乎不存在高精度的配合及其他技術(shù)要求，便于高效批量生產(chǎn)，且便于回收再利用。此外，該設計方案多采用市場標準件，結(jié)構(gòu)簡單，組裝方便，均保證了生產(chǎn)過程的低成本，便于投入生產(chǎn)。

面對市場，課桌椅的設計主要是為學生、學校和運輸搬運者提供更優(yōu)化的使用功能，也包括制造商。對于學生，該設計方案便于使用與攜帶;對于學校，該設計方案便于存儲與管理;對于搬運者，該設計方案便于運輸和搬運;對于制造商，該設計方案節(jié)省工時，工藝簡單，成本低，便于投產(chǎn)且生產(chǎn)效率高。表1為相同參數(shù)（如高度、面積相同）情況下，該設計方案的重要設計參數(shù)與已有產(chǎn)品相應參數(shù)的對比[5]。

4 結(jié)論

該設計方案在完成初步設計的基礎上，參考國家標準，對一組參數(shù)進行了實物制作和系統(tǒng)強度校核，在不銹鋼壁厚1 mm，截面尺寸為10×15[6]時，整個系統(tǒng)可承受至少200 kg的重量[7]，這對于學生來說是十分安全的。至于將該設計方案進一步投入生產(chǎn)，還需進行更多參數(shù)的標準化和系統(tǒng)強度校驗，即實現(xiàn)該設計方案的標準化、系列化[8]。

展望未來，該設計方案將以其顯著地結(jié)構(gòu)、性能、工藝、成本優(yōu)勢極大地刺激消費，加速校園桌椅更新?lián)Q代。

參考文獻

[1] 學生課桌椅國家標準[EB/OL].http： //www.ahkoo.com/news/118.htm.

[2] 檀潤華.TRIZ及應用[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3] 搜索-中國知網(wǎng)-桌椅[EB/OL].http：//epub.cnki.net/kns/brief/default_result.aspx.

[4] 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].高等教育出版社，2010：109-150.

[5] 桌椅價格批發(fā)商-阿里巴巴[EB/OL].http：//p4psearch.1688.com/p4p114/p4psearch/offer2.htm？keywords=%d7%c0%d2%ce%bc%db%b8%f1&cosite=baidujj&location=phrase&trackid=4014000003490694.

[6] 常用鋼管規(guī)格一覽表[EB/OL].http：//www.docin.com/p-403230080.html.

[7] 范慕輝，焦永樹.材料力學[M].機械工業(yè)出版社，2010：55-173.

[8] 韋莉莉.推進課桌椅標準化建設的策略[J].實驗教學與儀器，2014（3）：69-70.