洪思敏，楊雪榮，成思源，黃宇浩，羅佳龍

(1. 廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006;2. 廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510006)

0 前言

目前我國(guó)企業(yè)普遍存在產(chǎn)品落后、創(chuàng)新能力不足等問(wèn)題，關(guān)鍵在于企業(yè)缺乏快速響應(yīng)并滿足市場(chǎng)需要的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及制造技術(shù)創(chuàng)新的能力，因此迫切需要獲得新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的具體技術(shù)支持。TRIZ 是由解決技術(shù)問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的各種方法、算法組成的綜合理論體系。TRIZ 解決問(wèn)題是通過(guò)系統(tǒng)化地應(yīng)用已有知識(shí)，在解決設(shè)計(jì)沖突的過(guò)程中而逐步獲得創(chuàng)新解［1］。TRIZ 作為一種理論體系，在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，其效果往往取決于對(duì)該理論的掌握程度，這樣TRIZ就可能逐步成為少數(shù)專家的專用工具，而企業(yè)日益迫切的創(chuàng)新需求需要的是普通設(shè)計(jì)人員也能使用的創(chuàng)新工具［2］。

計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新CAI (Computer Aided Innovation)作為工程領(lǐng)域一個(gè)重要的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)而出現(xiàn)，是科學(xué)的創(chuàng)新理論、方法發(fā)展到一定程度的結(jié)果，并融合計(jì)算機(jī)技術(shù)，在當(dāng)今工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。Pro/Innovator 作為一種計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件，通過(guò)整合TRIZ 理論、基于本體的知識(shí)表達(dá)和重用以及來(lái)自高水平發(fā)明專利的知識(shí)庫(kù)，可以有效地輔助工程技術(shù)人員快速構(gòu)造出創(chuàng)新方案，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化創(chuàng)新知識(shí)管理［3］。

在研發(fā)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新技術(shù)可以有效地提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，對(duì)現(xiàn)代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)起到一定的推動(dòng)和支撐作用。CAI 技術(shù)為概念設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)的創(chuàng)新理論、方法與多學(xué)科知識(shí)的支持，研發(fā)人員可以有效地運(yùn)用創(chuàng)新的科學(xué)規(guī)律，全面分析問(wèn)題，構(gòu)建出科學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化研發(fā)進(jìn)程，減少研發(fā)的重復(fù)工作和資源浪費(fèi)［4］。

如今世界眾多國(guó)家和政府都在致力于研究和運(yùn)用TRIZ 理論，結(jié)合傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法及計(jì)算機(jī)軟件，用以解決多種技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新課題［5］。我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道三維檢測(cè)的專用儀器——軌檢小車正在研制和發(fā)展中，目前仍處于起步階段，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上存在較多的缺陷。軌檢小車機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與創(chuàng)新對(duì)無(wú)砟軌道三維檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有重要作用［6－7］。本文作者結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件Pro/Innovator，對(duì)現(xiàn)有的軌檢小車手推換向裝置存在的缺陷進(jìn)行分析，并進(jìn)行相應(yīng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，探討應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件Pro/Innovator 解決問(wèn)題的流程和方法。

1 基于Pro/Innovator 的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新

計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺(tái)Pro/Innovator 是TRIZ、本體論、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、自然語(yǔ)言處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)相結(jié)合的新一代計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)工具。不同工程領(lǐng)域的技術(shù)人員在面臨技術(shù)難題時(shí)，可以借助其強(qiáng)大的綜合分析工具和源于世界優(yōu)秀專利而創(chuàng)建的創(chuàng)新方案庫(kù)，打破思維定勢(shì)，拓展設(shè)計(jì)思路，以全新的角度和思路分析問(wèn)題，快速地得到高效可行的解決方案［8］。

在TRIZ 理論解決發(fā)明問(wèn)題核心思想的基礎(chǔ)上，Pro/Innovator 提供了清晰的創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目導(dǎo)航功能，可以明確地區(qū)分、記錄和管理軟件所提供的集體啟示以及用戶在此基礎(chǔ)上的創(chuàng)造性工作。其主要功能模塊包括項(xiàng)目導(dǎo)航、技術(shù)系統(tǒng)分析、問(wèn)題分解、解決方案、創(chuàng)新原理、專利查詢、方案評(píng)價(jià)、報(bào)告生成、知識(shí)庫(kù)編輯、專利申請(qǐng)［9］。

應(yīng)用Pro/Innovator 解決工程技術(shù)問(wèn)題時(shí)，技術(shù)人員首先必須對(duì)初始問(wèn)題進(jìn)行描述并針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析，找出問(wèn)題產(chǎn)生的原因，不斷分解問(wèn)題并形成問(wèn)題列表。通過(guò)矛盾問(wèn)題求解或根本問(wèn)題求解，以軟件中創(chuàng)新原理模塊的相關(guān)內(nèi)容作為參考，找出解決問(wèn)題的方法和備選方案(必要時(shí)對(duì)其資源分析、可行性分析或風(fēng)險(xiǎn)性分析)，最后對(duì)各備選方案生成評(píng)價(jià)報(bào)告，選擇最優(yōu)創(chuàng)新方案。同時(shí)，可以對(duì)最終的創(chuàng)新方案進(jìn)行知識(shí)庫(kù)編輯，納入企業(yè)知識(shí)庫(kù)，也可以生成專利并申請(qǐng)［9］。其解題流程如圖1 所示。

圖1 Pro/Innovator 解題流程

2 具體分析

2.1 項(xiàng)目背景與初始問(wèn)題描述

文中的研究對(duì)象為如圖2 所示的軌檢小車手推換向裝置。此裝置為目前高速鐵路軌道幾何狀態(tài)檢測(cè)小車常用的一種手推換向裝置，主要是通過(guò)手推連接板不同角度的定位孔，利用螺栓連接的方式實(shí)現(xiàn)換向功能。

圖2 軌檢小車手推換向裝置

軌檢小車在作業(yè)過(guò)程中是以操作人員的推動(dòng)為動(dòng)力源，行走在鐵路鋼軌上面的。在測(cè)量數(shù)據(jù)的過(guò)程中，不同的操作人員、不同的操作環(huán)境，對(duì)手推組件所處的角度方位要求不同，尤其是當(dāng)軌檢小車需要調(diào)試或返回到起始位置時(shí)候，要求軌道檢測(cè)小車的手推組件可以實(shí)現(xiàn)便捷換向的功能?，F(xiàn)有的軌檢小車一般采用T 型架構(gòu)，其手推部件安裝于縱橫梁連接部分的上方，通過(guò)螺栓連接的方式固定于手推連接板上。雖然可以滿足基本的換向要求，但是每次進(jìn)行換向都需要制動(dòng)小車并手動(dòng)擰緊擰松螺栓。這樣，不僅操作不方便，降低作業(yè)效率，而且長(zhǎng)久操作后會(huì)造成螺栓連接部分的松動(dòng)，最后甚至失效。總的來(lái)說(shuō)，目前軌檢小車手推換向裝置存在的問(wèn)題為作業(yè)過(guò)程中不能實(shí)現(xiàn)便捷換向。

2.2 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析模塊是對(duì)既有技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行功能建模，建立技術(shù)系統(tǒng)的功能單元及它們之間的相互作用關(guān)系。對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行分級(jí)分解可以幫助設(shè)計(jì)人員更深入地理解系統(tǒng)，確定分析問(wèn)題的落腳點(diǎn)［10］。Pro/Innovator 的建模是以TRIZ 理論為基礎(chǔ)的，通過(guò)分析技術(shù)系統(tǒng)中組件及組件之間的作用關(guān)系，建立對(duì)應(yīng)的組件模型。同時(shí)，通過(guò)建立技術(shù)系統(tǒng)的流模型，可以看出能量、物質(zhì)及信息等如何通過(guò)系統(tǒng)以及如何受到組件之間相互作用的影響。系統(tǒng)分析是定性的分析，可以幫助設(shè)計(jì)者對(duì)不同流上組件單元之間的相互作用進(jìn)行分析，找出系統(tǒng)功能運(yùn)作的薄弱環(huán)節(jié)［11］。

軌檢小車手推換向裝置主要由手推組件、換向螺栓、螺栓件及手推連接板等組成。整個(gè)裝置通過(guò)手推連接板以螺栓連接的方式固定在軌檢小車車架上方，手推組件與手推連接板通過(guò)螺栓件連接，手推組件對(duì)小車車架起推動(dòng)作用，換向螺栓與手推連接板主要實(shí)現(xiàn)對(duì)車架的換向功能。

在作業(yè)過(guò)程中需要進(jìn)行換向時(shí)，主要是通過(guò)固定在手推組件上的換向螺栓與手推連接板側(cè)面不同角度的定位孔之間的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這里，針對(duì)軌檢小車手推換向裝置不能實(shí)現(xiàn)便捷換向的問(wèn)題對(duì)與其關(guān)聯(lián)的組件(手推組件、螺栓件、換向螺栓、手推連接板等)進(jìn)行分析，理清各功能組件間的關(guān)系后，可以在Pro/Innovator 的系統(tǒng)分析模塊中構(gòu)建出如圖3 所示的軌檢小車手推換向裝置的功能模型圖，以便進(jìn)一步的分析。

圖3 軌檢小車手推換向裝置的功能模型圖

由圖3 的功能模型圖分析，本裝置對(duì)軌檢小車車架起推動(dòng)與換向作用。軌檢小車需要換向時(shí)，通過(guò)換向螺栓和手推連接板無(wú)法實(shí)現(xiàn)便捷換向，存在功能不足。系統(tǒng)組件分析中，找到了當(dāng)前系統(tǒng)的不足之處后，需要面臨如何確定系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)以及如何從眾多問(wèn)題中找到解決系統(tǒng)問(wèn)題突破口的問(wèn)題。由Pro/Innovator 針對(duì)組件的價(jià)值分析功能得到啟示，該功能是基于價(jià)值工程理論，可以幫助工程技術(shù)人員快速地定位出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)的系統(tǒng)簡(jiǎn)化和性能改進(jìn)提供重要參考［9］。

系統(tǒng)組件價(jià)值是由組件理想度指標(biāo)來(lái)進(jìn)行評(píng)定的。組件的理想度則是根據(jù)有用功能之和與有害功能之和的比值來(lái)確定的。一般情況下，系統(tǒng)組件的理想度指標(biāo)越高，其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)值就越高;反之，系統(tǒng)組件的理想度指標(biāo)越低，其對(duì)系統(tǒng)而言就越可能存在問(wèn)題［11］。針對(duì)軌檢小車手推換向裝置不能實(shí)現(xiàn)便捷換向的問(wèn)題，結(jié)合軟件的組件價(jià)值分析初步確定最需要改進(jìn)或簡(jiǎn)化的組件是換向螺栓和手推連接板。

2.3 問(wèn)題分解

問(wèn)題分解模塊運(yùn)用“三軸分析法”，通過(guò)流程時(shí)序軸、系統(tǒng)層次軸和因果關(guān)系軸對(duì)初始問(wèn)題進(jìn)行分析，可以將復(fù)雜的工程問(wèn)題分解為多個(gè)子問(wèn)題，進(jìn)而逐步找出初始問(wèn)題的根本原因，為后續(xù)的方案生成提供參考［11］。針對(duì)軌檢小車手推換向裝置不能實(shí)現(xiàn)便捷換向的問(wèn)題進(jìn)行問(wèn)題分解，得到如圖4 所示的模型。

圖4 問(wèn)題分解模型

在分解模型中，由左到右分別為具體原因、基本原因、初始問(wèn)題和結(jié)果。即對(duì)于初始問(wèn)題“軌檢小車手推換向裝置不能實(shí)現(xiàn)便捷換向”，其造成的結(jié)果是軌檢小車作業(yè)效率降低。具體原因是換向螺栓需要進(jìn)行孔定位和松開(kāi)擰緊用時(shí)過(guò)長(zhǎng)造成的換向速度過(guò)慢以及換向螺栓所處位置造成的操作不方便，如圖4 所標(biāo)示。

因此，軌檢小車手推裝置不能實(shí)現(xiàn)便捷換向的主要原因是換向螺栓需進(jìn)行孔定位、換向螺栓松緊用時(shí)過(guò)長(zhǎng)和換向螺栓所處位置不利。綜合分析得出改善的技術(shù)參數(shù)為操作流程的方便性，惡化的技術(shù)參數(shù)為適用性、通用性［9］。得到需要改善以及惡化的技術(shù)參數(shù)后，可針對(duì)存在的技術(shù)矛盾問(wèn)題，結(jié)合創(chuàng)新原理和創(chuàng)新方案庫(kù)生成解決方案。

3 方案生成

Pro/Innovator 軟件提供了一套基于本體論的創(chuàng)新方案庫(kù)，因此設(shè)計(jì)者可以迅速掌握不同領(lǐng)域中可用于解決同一類技術(shù)問(wèn)題的不同方案，有助于快速獲得本領(lǐng)域中的創(chuàng)新方案。同時(shí)，還可以利用創(chuàng)新原理，不折衷地解決技術(shù)矛盾或者物理矛盾［3］。

針對(duì)軌檢小車手推換向裝置不能便捷換向的技術(shù)矛盾問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)化后得知其改善參數(shù)為操作流程的方便性，惡化參數(shù)為適用性及通用性，根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)查找矛盾矩陣，其交叉表格的發(fā)明原理為分割、動(dòng)態(tài)特性、不足或過(guò)度的作用、拋棄與再生。

如圖5 所示，利用Pro/Innovator 對(duì)問(wèn)題的定義，得出其主要的技術(shù)矛盾:操作流程的方便性和適應(yīng)性與通用性，通過(guò)Pro/Innovator 中的創(chuàng)新原理模塊可得到該矛盾問(wèn)題下的創(chuàng)新原理。根據(jù)收集的資料及目前的技術(shù)條件等各方面的信息，考慮到軌檢小車換向時(shí)手推組件與手推連接板之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，適合采用動(dòng)態(tài)特性原理解決。動(dòng)態(tài)特性原理為:如果一個(gè)物體整體是靜止的，使之移動(dòng)或可動(dòng);分割物體，使其各部分可以改變相對(duì)位置。

圖5 軌檢小車手推換向裝置的矛盾問(wèn)題通用解

針對(duì)不同操作人員、不同操作環(huán)境、現(xiàn)有螺栓換向方法的不足以及軌檢小車手推裝置便捷換向的需求，借助動(dòng)態(tài)特性原理的啟示進(jìn)行思考?？紤]到換向螺栓需進(jìn)行孔定位、換向螺栓松緊用時(shí)過(guò)長(zhǎng)，想到通過(guò)滑塊裝置實(shí)現(xiàn)手推組件與手推連接板之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)消除孔定位以及縮短用時(shí)。另一方面，考慮到換向螺栓所處位置造成的操作不方便，可以將換向裝置的控制機(jī)構(gòu)安放于操作人員易于觸及的位置。

綜合上述分析應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件Pro/Innovator 提出的各種創(chuàng)新方案，查詢相關(guān)企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)可以得到軌檢小車手推換向裝置的一個(gè)比較理想的最終解決方案是:采用滑塊裝置實(shí)現(xiàn)手推組件與手推連接板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，手推連接板上的定位孔改為開(kāi)槽，通過(guò)滑塊相對(duì)開(kāi)槽的上下移動(dòng)，手推組件與手推連接板可以快速實(shí)現(xiàn)分離與連接。滑塊的控制則采用類似剎車裝置的結(jié)構(gòu)，在手把處設(shè)置剎車把，可帶動(dòng)滑塊向上移動(dòng)脫離手推連接板，調(diào)整到手推組件需要的方向和角度。同時(shí)在滑塊處安放彈簧，利用彈簧的伸縮特性，將滑塊重新卡入手推連接板的開(kāi)槽，最終實(shí)現(xiàn)便捷換向功能。具體方案如圖6 所示。

最后，若得到多個(gè)問(wèn)題解決方案，可以通過(guò)Pro/Innovator 的評(píng)價(jià)模塊建立起對(duì)多個(gè)備選方案價(jià)值的理解，找出問(wèn)題的最佳解決方法。

圖6 軌檢小車手推換向裝置改進(jìn)方案

4 結(jié)論

結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件Pro/Innovator，針對(duì)軌檢小車手推換向裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)便捷換向的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行功能分析和問(wèn)題分解，提取相關(guān)的技術(shù)矛盾問(wèn)題，找到適合解決的創(chuàng)新原理解。結(jié)合實(shí)際，創(chuàng)造性地提出了適合實(shí)際問(wèn)題的解決思路，從而獲得其改進(jìn)方案。通過(guò)研究案例表明，Pro/Innovator 對(duì)于輔助機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有啟示作用，隨著計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展和完善，在解決工程技術(shù)問(wèn)題的過(guò)程中將發(fā)揮更大的作用。

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