石衛(wèi)剛， 楊伯軍， 于　菲， 李祚國(guó)， 張二甲

(1.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300130；2.國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新方法與實(shí)施工具工程技術(shù)研究中心， 天津 300130)

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基于技術(shù)進(jìn)化趨勢(shì)的裁剪方法研究

石衛(wèi)剛1，2， 楊伯軍1，2， 于菲1，2， 李祚國(guó)1，2， 張二甲1，2

(1.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300130；2.國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新方法與實(shí)施工具工程技術(shù)研究中心， 天津 300130)

裁剪是TRIZ中一種有效解決問(wèn)題的方法，其通過(guò)刪除問(wèn)題元件，重組系統(tǒng)有用功能進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)與優(yōu)化產(chǎn)品的目的.為了啟發(fā)和引導(dǎo)設(shè)計(jì)者在裁剪過(guò)程中有效地利用資源，在使用裁剪規(guī)則引導(dǎo)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以具有預(yù)測(cè)性和啟發(fā)性的技術(shù)進(jìn)化趨勢(shì)作為知識(shí)源，綜合分析進(jìn)化趨勢(shì)解題與裁剪規(guī)則引導(dǎo)功能重組的資源來(lái)源，構(gòu)建了進(jìn)化趨勢(shì)與裁剪規(guī)則的映射關(guān)系，提出了基于裁剪規(guī)則的多層次進(jìn)化趨勢(shì)選擇策略，利用進(jìn)化趨勢(shì)輔助功能重組，構(gòu)建了基于進(jìn)化趨勢(shì)的裁剪方法過(guò)程模型.最后通過(guò)鋼帶鎧裝機(jī)裁剪實(shí)例驗(yàn)證了此方法的合理性.

進(jìn)化趨勢(shì)； 裁剪； 功能重組； 裁剪規(guī)則； TRIZ

裁剪是發(fā)明問(wèn)題解決理論(TRIZ)中一種減少系統(tǒng)元件并重組系統(tǒng)功能而構(gòu)成新系統(tǒng)的解題方法，本質(zhì)是裁剪后系統(tǒng)資源消耗減少[1]，達(dá)到刪除有害作用、降低成本、簡(jiǎn)化系統(tǒng)、提高理想度等目的.

圍繞裁剪方法，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者展開了一系列研究.Mann[2]提出了裁剪元件的優(yōu)先選擇順序，產(chǎn)生有害、過(guò)剩、不足功能越多的元件應(yīng)優(yōu)先被裁剪.許棟梁[3]在已有基于元件間作用關(guān)系的有用功能分配規(guī)則基礎(chǔ)上，擴(kuò)展出6條裁剪規(guī)則，基于裁剪規(guī)則建立了系統(tǒng)化的裁剪方法應(yīng)用流程.于菲[4]在基于價(jià)值評(píng)價(jià)的裁剪元件確定方法基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出基于理想化水平的系統(tǒng)元件裁剪優(yōu)先權(quán)評(píng)價(jià)方法.高長(zhǎng)青等[5]論述了基于功能分析的裁剪方法.目前，裁剪方法實(shí)施主要是通過(guò)裁剪規(guī)則引導(dǎo)設(shè)計(jì)者的主觀分析而進(jìn)行裁剪，由于裁剪規(guī)則僅指出有用功能分配的宏觀方向，搜索可利用資源的盲目性較大，不利于設(shè)計(jì)者操作，功能重組時(shí)缺乏客觀知識(shí)的引導(dǎo)和啟發(fā)[1]，一方面易使設(shè)計(jì)者受到慣性思維的誤導(dǎo)，另一方面使設(shè)計(jì)資源的獲取過(guò)分受制于設(shè)計(jì)者的知識(shí)水平和經(jīng)驗(yàn)，阻礙了設(shè)計(jì)者獲得高理想度的創(chuàng)新解，雖然文獻(xiàn)[1]提出了基于知識(shí)啟發(fā)的裁剪方法應(yīng)用過(guò)程，但由于知識(shí)源過(guò)于龐大，設(shè)計(jì)者在選用裁剪方法集時(shí)仍存在一定盲目性.

技術(shù)進(jìn)化理論中的進(jìn)化趨勢(shì)具有預(yù)測(cè)性和啟發(fā)性，黃鈺婷[6]以進(jìn)化趨勢(shì)為解題工具，論述了以功能屬性關(guān)系辨識(shí)進(jìn)化趨勢(shì)的應(yīng)用過(guò)程，文獻(xiàn)[2]認(rèn)為進(jìn)化趨勢(shì)可作為系統(tǒng)進(jìn)化策略的預(yù)測(cè)工具和解題工具，進(jìn)化趨勢(shì)可幫助設(shè)計(jì)者快速定位啟發(fā)解范圍，因此本文引入進(jìn)化趨勢(shì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)者進(jìn)行功能重組.以新功能載體來(lái)源不同為依據(jù)，將文獻(xiàn)[3]中擴(kuò)展的6類裁剪規(guī)則重新劃分為3類，并且將文獻(xiàn)[2]提出的進(jìn)化趨勢(shì)對(duì)應(yīng)于裁剪規(guī)則，提出多層次進(jìn)化趨勢(shì)選擇策略，在功能重組過(guò)程中利用進(jìn)化趨勢(shì)輔助解題，構(gòu)建了基于技術(shù)進(jìn)化趨勢(shì)的裁剪方法過(guò)程模型.

1　進(jìn)化趨勢(shì)與裁剪規(guī)則映射關(guān)系構(gòu)建

1.1進(jìn)化趨勢(shì)概述

技術(shù)進(jìn)化定律指出了系統(tǒng)或組件發(fā)展的一般方向，是技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的客觀規(guī)律[7]，但沒有指出每個(gè)方向的進(jìn)化細(xì)節(jié)，而技術(shù)進(jìn)化趨勢(shì)是進(jìn)化定律的進(jìn)一步細(xì)化，故本文將具有預(yù)測(cè)性和啟發(fā)性的進(jìn)化趨勢(shì)作為啟發(fā)源.Altshuller[8]通過(guò)對(duì)世界專利庫(kù)中大量專利的分析，發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了技術(shù)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)化的趨勢(shì)，最先提出8條進(jìn)化定律.Fey等[9]在以往TRIZ研究成果的基礎(chǔ)上，將技術(shù)進(jìn)化定律歸納為9條，由于進(jìn)化定律過(guò)于宏觀，操作性差，很難被用于解決問(wèn)題.Mann[2]將進(jìn)化定律進(jìn)一步細(xì)化，提出37個(gè)進(jìn)化趨勢(shì)(如表1)，從時(shí)間、空間和界面三個(gè)方面對(duì)進(jìn)化趨勢(shì)進(jìn)行了劃分，描述了系統(tǒng)組件進(jìn)化趨勢(shì)的方向，指出每個(gè)進(jìn)化趨勢(shì)都有不同的進(jìn)化狀態(tài)，其較為具體、詳細(xì)，能夠作為解決問(wèn)題的工具，其中市場(chǎng)進(jìn)化趨勢(shì)和顧客購(gòu)買所關(guān)注的焦點(diǎn)進(jìn)化趨勢(shì)屬于市場(chǎng)趨勢(shì)，其不可作為解題工具[6]，故本文共有35個(gè)趨勢(shì)作為問(wèn)題解決工具.

表1　37個(gè)進(jìn)化趨勢(shì)

進(jìn)化趨勢(shì)的進(jìn)化狀態(tài)表明了技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化潛能，每個(gè)進(jìn)化趨勢(shì)都可表示為由幾個(gè)進(jìn)化狀態(tài)組成的進(jìn)化趨勢(shì)鏈(如表2)，它是由一個(gè)狀態(tài)向下一個(gè)狀態(tài)跳躍的發(fā)展過(guò)程，從整體來(lái)看，它是朝著系統(tǒng)理想化方向進(jìn)行的，進(jìn)化鏈上的每個(gè)進(jìn)化狀態(tài)都可以啟發(fā)設(shè)計(jì)者得到啟發(fā)解.

表2　進(jìn)化趨勢(shì)鏈

1.2裁剪規(guī)則重構(gòu)

裁剪規(guī)則是裁剪方法應(yīng)用過(guò)程中指導(dǎo)有用功能分配的原則.計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件TechOptimizer提供了4種基于被裁剪元件功能的有用功能分配途徑[10]，Yeoh[11]提出了3條基于元件間作用關(guān)系的系統(tǒng)有用功能分配規(guī)則，許棟梁[3]在已有基于元件間作用關(guān)系的有用功能分配規(guī)則基礎(chǔ)上，擴(kuò)展出6類裁剪規(guī)則.現(xiàn)有裁剪規(guī)則中，新功能載體來(lái)源區(qū)分不明確，資源搜索空間存在交叉，增加了資源搜索的重復(fù)性，設(shè)計(jì)者在選擇裁剪規(guī)則時(shí)不能準(zhǔn)確定位新功能載體來(lái)源，以縮小資源搜索空間.為了更好地區(qū)分新功能載體來(lái)源，本文在文獻(xiàn)[3]中擴(kuò)展出的6類裁剪規(guī)則基礎(chǔ)上，依據(jù)新功能載體來(lái)源的不同將裁剪規(guī)則重新劃分為3類，具體如表3所示.在使用裁剪規(guī)則時(shí)，按表3中排列順序依次選用.

表3　重新劃分的裁剪規(guī)則

1.3基于資源相似性的映射關(guān)系構(gòu)建

TRIZ中資源可分為系統(tǒng)內(nèi)部資源和系統(tǒng)外部資源兩類[7]，內(nèi)部資源是指從系統(tǒng)主要零部件獲得的資源,外部資源是指整個(gè)系統(tǒng)外部的資源.基于系統(tǒng)內(nèi)部資源和外部資源的劃分，可將35個(gè)進(jìn)化趨勢(shì)按照解題過(guò)程中資源來(lái)源不同分為2類，第1類利用內(nèi)部資源操作，第2類利用外部資源操作.

利用系統(tǒng)內(nèi)部資源操作的趨勢(shì)，以系統(tǒng)內(nèi)組件為新功能載體，提高組件性能，包括結(jié)構(gòu)變化、顏色變化、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化等，改善后組件具備了新的功能屬性，故可執(zhí)行系統(tǒng)中其它組件所執(zhí)行的功能；利用系統(tǒng)外部資源操作的趨勢(shì)，在解題過(guò)程中引入系統(tǒng)外組件作為新功能載體，由于引入的組件具備執(zhí)行系統(tǒng)組件功能的屬性，故可以代替系統(tǒng)內(nèi)組件執(zhí)行其功能.

進(jìn)化趨勢(shì)解題過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是搜索系統(tǒng)內(nèi)資源或系統(tǒng)外資源進(jìn)行功能重組，進(jìn)化趨勢(shì)解題時(shí)所利用資源的來(lái)源與裁剪規(guī)則引導(dǎo)的新功能載體的資源來(lái)源相似.這一相似性為構(gòu)建進(jìn)化趨勢(shì)與裁剪規(guī)則之間的映射關(guān)系模型(如圖1)提供了理論基礎(chǔ)，圖中f1，f2為映射關(guān)系函數(shù).

圖1　進(jìn)化趨勢(shì)與裁剪規(guī)則的映射關(guān)系模型Fig.1　Mapping relationship model of trimming rules and evolution trends

從以上論述可知，進(jìn)化趨勢(shì)指出了裁剪規(guī)則2，3中新功能載體來(lái)源的具體方向：如趨勢(shì)3分割表面、趨勢(shì)8增加不對(duì)稱性、趨勢(shì)9打破邊界等通過(guò)改善系統(tǒng)內(nèi)組件進(jìn)行解題，則其對(duì)應(yīng)于裁剪規(guī)則2；趨勢(shì)1智能材料、趨勢(shì)4分割物體、趨勢(shì)14單-雙-多等通過(guò)引入系統(tǒng)外資源解題，則其對(duì)應(yīng)于裁剪規(guī)則3.

按照上述方法，將利用系統(tǒng)內(nèi)資源操作的趨勢(shì)劃分在裁剪規(guī)則2中，利用系統(tǒng)外資源操作的趨勢(shì)劃分在裁剪規(guī)則3中，得進(jìn)化趨勢(shì)與裁剪規(guī)則的映射關(guān)系，如表4所示.由于裁剪規(guī)則1不需要新功能載體，本文不作討論.

2　多層次進(jìn)化趨勢(shì)選擇策略

進(jìn)化趨勢(shì)作為TRIZ中解題工具使用時(shí)，能夠有效預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)狀態(tài)以及啟發(fā)設(shè)計(jì)者獲得高理想度的創(chuàng)新解，但設(shè)計(jì)者在選擇進(jìn)化趨勢(shì)時(shí)較為困難.現(xiàn)有進(jìn)化趨勢(shì)解題多依賴專利數(shù)據(jù)分析確定進(jìn)化趨勢(shì)[12-13]，由于專利數(shù)據(jù)分析較為繁瑣，并且需要設(shè)計(jì)者掌握一定檢索及分析技巧.本文在選擇進(jìn)化趨勢(shì)時(shí)，省去了專利數(shù)據(jù)分析過(guò)程，構(gòu)建了基于進(jìn)化趨勢(shì)與裁剪規(guī)則的映射關(guān)系層，空間、界面、時(shí)間三個(gè)角度的劃分層以及功能相似性對(duì)比層等多層次的進(jìn)化趨勢(shì)選擇策略模型(如圖2)，具體步驟如下：

表4進(jìn)化趨勢(shì)與裁剪規(guī)則的映射關(guān)系

Table 4The mapping relationship of trimming rules and evolution trends

規(guī)則空間進(jìn)化趨勢(shì)界面進(jìn)化趨勢(shì)時(shí)間進(jìn)化趨勢(shì)規(guī)則1———規(guī)則22,3,5,8,9,10,11,1219,20,21,24,26,27,30,3132,33,34,37 規(guī)則31,2,4,5,6,7,10,1314,15,16,17,18,25,28,2933,35,36,37

1)初次篩選.設(shè)計(jì)者在選擇裁剪規(guī)則后，在進(jìn)化趨勢(shì)與裁剪規(guī)則的映射關(guān)系表中選擇相應(yīng)的進(jìn)化趨勢(shì).

2)二次篩選.分析裁剪元件及其問(wèn)題沖突區(qū)域等，分別從空間、界面、時(shí)間三個(gè)角度選擇進(jìn)化趨勢(shì)，為了便于設(shè)計(jì)者篩選進(jìn)化趨勢(shì)，本文給出了空間、界面、時(shí)間進(jìn)化趨勢(shì)的概念以及解題范圍，如表5所示.

表5空間、界面、時(shí)間進(jìn)化趨勢(shì)的概念及解題范圍

Table 5The concept of evolution trends about space、interface and time, and scope of the problem solving

概念及解題范圍空間進(jìn)化趨勢(shì)界面進(jìn)化趨勢(shì)時(shí)間進(jìn)化趨勢(shì)概念空間是與時(shí)間相對(duì)的一種物質(zhì)客觀存在形式,物與物的位置差異度量稱之為“空間”,空間由長(zhǎng)度、寬度、高度、大小表現(xiàn)出來(lái)界面是指2個(gè)或多個(gè)不同物相之間的分界面.界面是人與物體互動(dòng)的媒介,體現(xiàn)了一定的交互性時(shí)間是一個(gè)較為抽象的概念,是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、變化的持續(xù)性和順序性的表現(xiàn)解題范圍結(jié)構(gòu)沖突、空間沖突、組件幾何變化、物質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)變化等組件或功能數(shù)量變化、交互作用、人機(jī)交互、外觀等時(shí)間沖突,運(yùn)動(dòng)、變化的持續(xù)性和順序性,如頻率、共振、協(xié)調(diào)性等

圖2　多層次進(jìn)化趨勢(shì)選擇策略模型Fig.2　The model of selection strategy with multi-level of evolution trend

3)三次篩選.基于前兩次選擇的進(jìn)化趨勢(shì)，分析裁剪元件及其功能與進(jìn)化鏈中進(jìn)化狀態(tài)及其功能的相似性，對(duì)比確定能夠滿足新功能載體功能需求的進(jìn)化趨勢(shì).

3　基于技術(shù)進(jìn)化趨勢(shì)的裁剪方法過(guò)程模型

本文所研究裁剪方法對(duì)原有裁剪方法作了改進(jìn)，引入進(jìn)化趨勢(shì)輔助功能重組.進(jìn)化趨勢(shì)輔助功能重組黑箱模型(如圖3)是構(gòu)建新的裁剪方法過(guò)程模型的核心內(nèi)容，其主要分為進(jìn)化趨勢(shì)選擇和進(jìn)化趨勢(shì)解題兩部分，在刪除被裁剪元件后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能重組，故設(shè)計(jì)者可依據(jù)多層次的進(jìn)化趨勢(shì)選擇策略模型選擇進(jìn)化趨勢(shì)，進(jìn)而利用進(jìn)化趨勢(shì)解題，啟發(fā)設(shè)計(jì)者獲得創(chuàng)新解.通過(guò)以上分析，為設(shè)計(jì)者掌握此黑箱模型的內(nèi)部框架提供了詳細(xì)的理論知識(shí)以及方法流程，為構(gòu)建基于技術(shù)進(jìn)化趨勢(shì)的裁剪方法過(guò)程模型奠定了基礎(chǔ).

圖3　進(jìn)化趨勢(shì)輔助功能重組黑箱模型Fig.3　Black-box model of functional reorganization with evolution trends

基于技術(shù)進(jìn)化趨勢(shì)的裁剪方法過(guò)程模型如圖4所示，具體步驟如下：

1)選擇目標(biāo)系統(tǒng).目標(biāo)系統(tǒng)可以是產(chǎn)品、系統(tǒng)或已有方案.

2)功能分析.依據(jù)系統(tǒng)各組件之間關(guān)系(有用功能、不足功能、過(guò)剩功能、有害功能)，構(gòu)建系統(tǒng)功能模型.

3)確定裁剪元件，并依據(jù)根原因分析、成本分析或有害功能分析等確定裁剪元件優(yōu)先順序.

4)確定裁剪規(guī)則.按順序依次選用裁剪規(guī)則，找到符合要求的裁剪規(guī)則.若裁剪規(guī)則1符合要求則直接轉(zhuǎn)至步驟7)，若規(guī)則1不符合要求則依次選用裁剪規(guī)則2,3，轉(zhuǎn)至步驟5).

5)選擇進(jìn)化趨勢(shì).針對(duì)選擇的裁剪規(guī)則，依據(jù)多層次的進(jìn)化趨勢(shì)選擇策略模型確定進(jìn)化趨勢(shì)，在此，也可借助根原因分析及有害作用分析輔助確定進(jìn)化趨勢(shì).通常在根原因分析中，沖突區(qū)域所違背的進(jìn)化趨勢(shì)就是系統(tǒng)或組件潛在發(fā)展方向.

6)進(jìn)化趨勢(shì)解題.定位系統(tǒng)或組件在進(jìn)化鏈中的當(dāng)前狀態(tài)，分析得出潛力狀態(tài)，由潛力狀態(tài)啟發(fā)得到啟發(fā)解:對(duì)于裁剪規(guī)則2，啟發(fā)解為符合潛力狀態(tài)要求的系統(tǒng)內(nèi)組件，可提高或挖掘系統(tǒng)內(nèi)組件的功能屬性;對(duì)于裁剪規(guī)則3，啟發(fā)解為系統(tǒng)外組件.

7)評(píng)價(jià).以理想性和可行性作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)裁剪后模型進(jìn)行評(píng)判，若滿足要求，則輸出創(chuàng)新方案，反之，則重新確定裁剪元件繼續(xù)進(jìn)行裁剪操作.在本文中，理想性評(píng)價(jià)主要包括組件數(shù)、成本、有害作用等因素，可行性評(píng)價(jià)包括結(jié)構(gòu)、技術(shù)以及原理等方面.

圖4　基于進(jìn)化趨勢(shì)的裁剪方法過(guò)程模型Fig.4　The process model of trimming method based on evolution trends

4　實(shí)例應(yīng)用——鋼帶鎧裝機(jī)裁剪創(chuàng)新設(shè)計(jì)

電纜行業(yè)是我國(guó)僅次于汽車行業(yè)的第二大行業(yè)[14-15]，在一些要求電纜承受拉力的情況下，電纜需要加裝鋼帶鎧裝層，即在電纜絞線上繞包鋼帶，形成鋼帶鎧裝電纜.鋼帶鎧裝機(jī)如圖5、圖6所示.鋼帶鎧裝電纜的出現(xiàn)解決了電纜抗拉以及防護(hù)等問(wèn)題，但企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在一些急需改進(jìn)的問(wèn)題.

目前主要是把鋼帶均勻纏繞在絞線上，鋼帶盤裝在鋼帶盤軸上，工作時(shí)鋼帶盤隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng).然而，當(dāng)鋼帶盤轉(zhuǎn)速太高時(shí)，回轉(zhuǎn)產(chǎn)生不平衡的離心慣

圖5　鋼帶鎧裝機(jī)Fig.5　Steel tape armoring machine

性力系，離心慣性力系發(fā)生周期性變化，致使在承載中產(chǎn)生附加動(dòng)壓力，影響機(jī)器的強(qiáng)度并降低機(jī)械效率[16]，同時(shí)會(huì)引起機(jī)器振動(dòng).長(zhǎng)期高速旋轉(zhuǎn)，勢(shì)必會(huì)影響機(jī)器穩(wěn)定性，甚至?xí)斐墒鹿剩嬖诤艽蟮陌踩[患[17].現(xiàn)對(duì)該機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，采用裁剪方法解決問(wèn)題.

圖6　當(dāng)前鋼帶鎧裝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6　The structure diagram of current steel tape armoring machine

4.1裁剪元件確定

對(duì)鋼帶鎧裝機(jī)進(jìn)行功能分析，建立其功能模型(如圖7)，找出其有害作用、不足作用及過(guò)剩作用.由問(wèn)題根原因分析可知，鋼帶盤軸帶動(dòng)鋼帶盤間歇運(yùn)動(dòng)造成變化的離心力，容易引起機(jī)器振動(dòng)，存在安全隱患.確定裁剪元件為鋼帶盤和鋼帶盤軸等.現(xiàn)已知鋼帶盤較重，由離心力公式可知鋼帶盤及鋼帶自重是產(chǎn)生巨大離心力的一個(gè)重要因素，但鋼帶盤為儲(chǔ)存鋼帶裝置，故不能裁剪，因此將對(duì)鋼帶盤軸進(jìn)行裁剪.最終確定裁剪元件為鋼帶盤軸.

圖7　鋼帶鎧裝機(jī)功能模型Fig.7　The functional model of steel tape armoring machine

4.2進(jìn)化趨勢(shì)輔助功能重組

4.2.1進(jìn)化趨勢(shì)的選擇

基于對(duì)系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)裁剪規(guī)則1不可行，則選擇裁剪規(guī)則2，原來(lái)元件執(zhí)行之功能由系統(tǒng)內(nèi)組件執(zhí)行，即鋼帶盤軸所提供的旋轉(zhuǎn)、支撐等功能由鎧裝機(jī)系統(tǒng)內(nèi)組件執(zhí)行.由于鋼帶重量大，鋼帶高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力較大，機(jī)器振動(dòng)嚴(yán)重，存在很大安全隱患，所以旋轉(zhuǎn)不能太快.問(wèn)題涉及時(shí)間、頻率、振動(dòng)等因素，則從時(shí)間進(jìn)化角度篩選進(jìn)化趨勢(shì)，依據(jù)功能相似性對(duì)比最終選擇協(xié)調(diào)性動(dòng)作趨勢(shì)和協(xié)調(diào)性節(jié)奏趨勢(shì).

4.2.2進(jìn)化趨勢(shì)解題

由于裁剪造成對(duì)鋼帶盤的支撐、固定、旋轉(zhuǎn)等功能缺失，故依據(jù)“下一發(fā)展?fàn)顟B(tài)”在系統(tǒng)內(nèi)尋找能夠提供這些功能的組件.在表2中查看協(xié)調(diào)性動(dòng)作趨勢(shì)和協(xié)調(diào)性節(jié)奏趨勢(shì)的各個(gè)進(jìn)化狀態(tài)，找出符合功能屬性要求的下一發(fā)展?fàn)顟B(tài)為部分協(xié)調(diào)動(dòng)作和周期協(xié)調(diào)動(dòng)作.

受表6中進(jìn)化狀態(tài)啟發(fā)尋找動(dòng)作協(xié)調(diào)性的組件或周期運(yùn)動(dòng)組件，顯然系統(tǒng)內(nèi)組件鎧裝機(jī)縱軸即滾筒符合條件.由滾筒執(zhí)行鋼帶盤軸的功能，鋼帶盤橫穿在鎧裝機(jī)滾筒上，進(jìn)而形成創(chuàng)新解即裁剪后模型，如圖8所示.

表6鋼帶鎧裝機(jī)的進(jìn)化趨勢(shì)解題過(guò)程

Table 6The solution process with evolution trends of the steel tape armouring machine

趨勢(shì)名稱問(wèn)題當(dāng)前狀態(tài)下一發(fā)展?fàn)顟B(tài)啟發(fā)解協(xié)調(diào)性動(dòng)作不協(xié)調(diào)動(dòng)作部分協(xié)調(diào)動(dòng)作協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性節(jié)奏連續(xù)的動(dòng)作周期動(dòng)作鋼帶盤周期旋轉(zhuǎn)

圖8　鋼帶鎧裝機(jī)裁剪后模型Fig.8　The model after trimming of steel tape armoring machine

4.3評(píng)價(jià)

以理想性和可行性作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)裁剪后模型進(jìn)行評(píng)價(jià).首先，此方案在裁剪過(guò)程中刪除了系統(tǒng)內(nèi)組件鋼帶盤軸，沒有引入新組件，達(dá)到了減少系統(tǒng)組件的目的；鋼帶盤橫穿在滾筒上，軸向旋轉(zhuǎn)，受力均勻，回轉(zhuǎn)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生不平衡的離心慣性力系，可消除振動(dòng)、噪聲等有害作用，機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性得到了保障，故可提高鋼帶盤轉(zhuǎn)速，進(jìn)而提高了生產(chǎn)效率；組件數(shù)的減少和生產(chǎn)率的提高可使其成本降低，則系統(tǒng)理想性得到提高.其次，裁剪后模型在原有方案基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，利用滾筒執(zhí)行鋼帶盤軸的功能，由于工作時(shí)滾筒本身處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，且強(qiáng)度較高，故可代替鋼帶盤軸實(shí)現(xiàn)支撐、旋轉(zhuǎn)等功能，方案在原理上可行.鋼帶鎧裝機(jī)新結(jié)構(gòu)已通過(guò)三維軟件建模仿真(如圖9)，且現(xiàn)有機(jī)械加工技術(shù)能夠?yàn)槠涮峁┘夹g(shù)支撐，方案已經(jīng)過(guò)某電纜企業(yè)工程師驗(yàn)證.本方案對(duì)機(jī)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了機(jī)器性能，滿足設(shè)計(jì)要求，則輸出創(chuàng)新方案(如圖10).與當(dāng)前鎧裝機(jī)方案比較，對(duì)實(shí)施裁剪后方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，如表7所示.

圖9　鋼帶鎧裝機(jī)新結(jié)構(gòu)的建模仿真Fig.9　The modeling and simulation of steel tape armoring machine

圖10　鋼帶鎧裝機(jī)創(chuàng)新方案Fig.10　The innovative solution of steel tape armoring machine

評(píng)價(jià)項(xiàng)目評(píng)價(jià)結(jié)果理想性組件數(shù)刪除了鋼帶盤軸,由滾筒執(zhí)行其功能,組件數(shù)減少有害作用/性能消除了振動(dòng)、噪聲等有害作用,提高了機(jī)器穩(wěn)定性,提高了出線率成本降低可行性技術(shù)加工技術(shù)與原方案相似,現(xiàn)有機(jī)械加工技術(shù)能夠制造實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)已通過(guò)三維軟件建模仿真,驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)可行性原理工作時(shí)滾筒本身旋轉(zhuǎn),且強(qiáng)度較高,可代替鋼帶盤軸實(shí)現(xiàn)支撐、旋轉(zhuǎn)等功能

5　結(jié)束語(yǔ)

本文在現(xiàn)有裁剪方法應(yīng)用方式及裁剪規(guī)則分類的基礎(chǔ)上，將裁剪規(guī)則依據(jù)新功能載體來(lái)源重新劃分為3類，并基于此分類原理建立了進(jìn)化趨勢(shì)與裁剪規(guī)則的映射關(guān)系，同時(shí)建立了多層次進(jìn)化趨勢(shì)選擇策略與進(jìn)化趨勢(shì)輔助功能重組黑箱模型，構(gòu)建了基于進(jìn)化趨勢(shì)的裁剪方法過(guò)程模型.該模型利用進(jìn)化趨勢(shì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)者進(jìn)行有用功能重組，為裁剪過(guò)程中資源的利用指明了方向，為獲得高理想度的創(chuàng)新解創(chuàng)造了條件，在有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)裁剪方法資源分配盲目性的同時(shí)具有更強(qiáng)的可操作性和可預(yù)測(cè)性.

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Study of trimming method based on technology evolution trends

SHI Wei-gang1，2， YANG Bo-jun1，2， YU Fei1，2， LI Zuo-guo1，2， ZHANG Er-jia1，2

(1. School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China;2. National Technological Innovation Method and Tool Engineering Research Center， Tianjin 300130， China)

Trimming is an effective method to solve problem in TRIZ, which simplifies the system and optimizes product by removing problem elements and reorganizing useful functions in system. In order to inspire and guide designers to use resources effectively in the process of trimming, technology evolution trends as the source of knowledge on the base of using trimming rules to guide the innovative process was introduced. The source of resources in problem solving with the evolution trends and function reorganizing guided by trimming rules was comprehensively analyzed, then the mapping relationship between evolution trends and trimming rules was established, a multi-level selection strategy of evolution trends based on trimming rules was proposed, evolution trends were utilized to assist the process of function reorganization. On this basis, the model of trimming process which based on evolution trends was proposed. Finally, the trimming case of armoring machine verified the rationality of the process.

evolution trend; trimming; function reorganization; trimming rule; TRIZ

2016-04-07.

本刊網(wǎng)址·在線期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275153).

石衛(wèi)剛(1990—)，男，山西長(zhǎng)治人，碩士生，從事創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究，E-mail:244582694@qq.com.

通信聯(lián)系人：于菲(1986—)，女，河北保定人，博士，講師，從事產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)等研究，E-mail: feiyu529@126.com.

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.04.001

TH 122

A

1006-754X(2016)04-0301-08

http://orcid.org//0000-0002-4231-7191