付 敏，劉 威，李 萌，劉曉義，谷志新

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

功能裁剪法(trimming)也稱功能理想化方法，是現(xiàn)代發(fā)明問題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving，TRIZ)中分析問題和解決問題的工具之一，是產(chǎn)品改進(jìn)創(chuàng)新的重要方法。裁剪法的基本原理是通過刪減或替換系統(tǒng)中的問題組件、重新分配有用功能，達(dá)到降低成本、優(yōu)化功能結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)理想度的目的[1-2]。

國內(nèi)外學(xué)者圍繞裁剪規(guī)則、裁剪對(duì)象的選擇、組件裁剪優(yōu)先級(jí)、有用功能重組等問題展開了一系列研究。MANN[3]結(jié)合面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)(Design for Manufacturing and Assembly，DFMA)提出4條裁剪規(guī)則，指出裁剪過程中應(yīng)優(yōu)先裁剪具有有害、過度及不足功能的組件；SHEU等[4]提出一種確定裁剪優(yōu)先級(jí)的數(shù)學(xué)方法，采用親和度指標(biāo)和樹狀圖在超系統(tǒng)層級(jí)上進(jìn)行功能裁剪和重構(gòu)；白仲航等[5]應(yīng)用TRIZ標(biāo)準(zhǔn)解輔助多層級(jí)系統(tǒng)資源挖掘，以確定裁剪過程中有用功能重組的功能載體；于菲等[6-7]基于TRIZ中的發(fā)明原理、標(biāo)準(zhǔn)解及技術(shù)進(jìn)化規(guī)律，確定了基于客觀知識(shí)的裁剪方法，并將裁剪方法歸類為消除沖突、降低成本、簡化結(jié)構(gòu)、提高可靠性、提高可操作性5個(gè)子集，形成基于設(shè)計(jì)目標(biāo)的裁剪方法選用模式，以提高系統(tǒng)理想化水平和降低組件裁剪后搜尋解的難度為目標(biāo)，提出確定組件裁剪優(yōu)先權(quán)的影響因素，抽取系統(tǒng)功能模型中組件在各影響因素下的相關(guān)屬性特征并計(jì)算其評(píng)價(jià)值，利用最大離差和熵確定影響因素權(quán)系數(shù)；石衛(wèi)剛等[8]結(jié)合37條進(jìn)化趨勢和裁剪規(guī)則，提出基于技術(shù)進(jìn)化趨勢的裁剪設(shè)計(jì)模型；楊伯軍等[9]將激進(jìn)式裁剪方法應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)的模糊前端階段，通過功能分析和因果分析確定系統(tǒng)裁剪對(duì)象，利用標(biāo)準(zhǔn)解、進(jìn)化趨勢、效應(yīng)等TRIZ工具輔助功能重組；趙磊等[10]基于理想化分析方法確定裁剪組件的優(yōu)先權(quán)，提出先裁剪單一組件再裁剪沖突區(qū)域的遞進(jìn)式裁剪方法；張二甲等[11]基于TRIZ發(fā)明原理提取25條裁剪規(guī)則，結(jié)合設(shè)計(jì)需求、工程參數(shù)、發(fā)明原理與裁剪規(guī)則，建立了設(shè)計(jì)需求與裁剪原理的映射關(guān)系；譚震等[12]在流程功能分析的基礎(chǔ)上，提出應(yīng)用于流程的裁剪規(guī)則；還有學(xué)者將裁剪法與專利侵權(quán)判斷原則相結(jié)合，為專利規(guī)避設(shè)計(jì)和專利壁壘設(shè)計(jì)提供具體的方法路徑[13-16]。上述研究為基于裁剪的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了新視角。

產(chǎn)品及其技術(shù)的發(fā)展是有生命周期的，生命周期各階段的產(chǎn)品特征不同[17]，產(chǎn)品進(jìn)化策略也不相同，現(xiàn)有研究缺乏面向產(chǎn)品生命周期不同階段裁剪規(guī)則指引性和針對(duì)性的關(guān)注。為此，本文面向產(chǎn)品改進(jìn)型設(shè)計(jì)，以提高生命周期不同階段產(chǎn)品功能理想化的針對(duì)性和指引性、提升創(chuàng)新設(shè)計(jì)的效率為目標(biāo)，研究產(chǎn)品生命周期不同階段的理想度提升策略，基于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則提取功能裁剪規(guī)則；結(jié)合組件價(jià)值功能分析與系統(tǒng)完備性拆解，確定功能裁剪對(duì)象及組件裁剪優(yōu)先級(jí)；面向生命周期不同階段的產(chǎn)品，應(yīng)用裁剪規(guī)則指導(dǎo)物場模型變換重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)有用功能重組；構(gòu)建基于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化及物場變換的功能裁剪設(shè)計(jì)模型，并以秸稈燃料成型機(jī)為實(shí)例進(jìn)行模型有效性驗(yàn)證。

1 基于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的功能裁剪規(guī)則

1.1 基于生命周期的產(chǎn)品理想度提升策略研究

TRIZ理論指出，產(chǎn)品及其技術(shù)的發(fā)展遵循一定的客觀規(guī)律，在進(jìn)化過程中一般會(huì)經(jīng)歷孵化期、成長期、成熟期和衰退期，形成產(chǎn)品生命周期S曲線[18]，分析技術(shù)系統(tǒng)的生命周期可以評(píng)估現(xiàn)有技術(shù)的成熟度，為產(chǎn)品研發(fā)策略的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1.1.1 產(chǎn)品生命周期S曲線的簡明判定

TRIZ識(shí)別產(chǎn)品生命周期階段的定量指標(biāo)有性能參數(shù)、專利數(shù)量、發(fā)明級(jí)別、利潤等[18]，存在統(tǒng)計(jì)工作量大、數(shù)據(jù)收集困難、周期長等問題，在不需要定量精確判定的場景下，可以采用簡明的定性判定方法，如圖1所示。

若市場還未有該產(chǎn)品出售，則處于孵化期；若為市場在售產(chǎn)品且其關(guān)鍵性能參數(shù)處于持續(xù)改善狀態(tài)，則處于成長期；若為市場在售產(chǎn)品且其關(guān)鍵性能參數(shù)已接近極限，則處于成熟期；對(duì)于關(guān)鍵性能參數(shù)已接近極限的產(chǎn)品，若市場已有競爭性產(chǎn)品出現(xiàn)且技術(shù)參數(shù)高于當(dāng)前系統(tǒng)，則處于衰退期。

1.1.2 基于理想度提升的功能理想化策略

提高理想度是指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最高法則，產(chǎn)品(技術(shù)系統(tǒng))的理想度[18]

(1)

式中：I為理想度；U為有用功能；C為成本。

TRIZ中的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則描述了技術(shù)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)其功能的過程中改進(jìn)和發(fā)展的趨勢，可以為產(chǎn)品進(jìn)化提供方向和路線，但在產(chǎn)品生命周期不同階段重點(diǎn)應(yīng)用的法則不同。生命周期各階段的提高理想度策略[19]、常用的進(jìn)化法則[17]以及改善系統(tǒng)的功能理想化路徑如表1所示。在產(chǎn)品從孵化期至衰退期的進(jìn)化過程中，首先向系統(tǒng)內(nèi)添加新的元素，擴(kuò)展系統(tǒng)的組成，改善系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)直至滿足需要為止；然后通過刪減系統(tǒng)組件來降低成本，優(yōu)化功能結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的理想度[20]。

表1 產(chǎn)品生命周期各階段的功能理想化策略

1.2 基于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的功能裁剪規(guī)則提取

裁剪規(guī)則是裁剪方法實(shí)施過程中指導(dǎo)有用功能重組和系統(tǒng)功能重構(gòu)的原則[21]，目前應(yīng)用最廣泛的4條裁剪規(guī)則是：①若不再需要某種功能，則可裁剪功能載體及其功能對(duì)象；②由功能對(duì)象自己完成有用功能；③由系統(tǒng)內(nèi)的組件替代被裁剪組件完成有用功能；④由系統(tǒng)外的組件替代被裁剪組件完成有用功能[22]。由于裁剪路徑少，規(guī)則應(yīng)用針對(duì)性不強(qiáng)，導(dǎo)致創(chuàng)新解存在局限性和隨意性，本文面向消除有害作用、功能簡化和功能增益的不同目標(biāo)，以提高系統(tǒng)理想度和功能理想化策略為指導(dǎo)，基于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則，提取了10條功能裁剪規(guī)則。

(1)基于完備性法則的裁剪規(guī)則

完備性法則是孵化期技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的常用法則。一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)設(shè)定功能，必須具備動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行裝置和控制裝置[17]。處于孵化期的產(chǎn)品通常無法獨(dú)立實(shí)現(xiàn)其主要功能，因此從超系統(tǒng)獲取資源是技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的有效路徑?；谕陚湫苑▌t的裁剪規(guī)則可提取為：

ET1：引入系統(tǒng)外組件，即通過引入超系統(tǒng)組件來完善系統(tǒng)功能。

ET2：資源替代，即采用系統(tǒng)外的其他資源替代問題組件完成系統(tǒng)功能。

(2)基于能量傳遞法則的裁剪規(guī)則

經(jīng)典TRIZ中的能量傳遞法則指明了能量流的傳遞規(guī)律，即能量應(yīng)從能量源以最短路徑流向技術(shù)系統(tǒng)的所有組件[17]，但是缺乏對(duì)物質(zhì)流與信息流傳遞的關(guān)注?，F(xiàn)代TRIZ把物質(zhì)、能量、信息統(tǒng)稱為流，并提出了新的問題分析工具——流分析以及流改進(jìn)措施[23-24]。技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化應(yīng)沿著縮短流傳遞路徑、減少能量形式的轉(zhuǎn)換次數(shù)、減少信息傳遞層級(jí)的方向發(fā)展[19]?；谀芰總鬟f法則的裁剪規(guī)則可提取為：

ET3：刪除有害功能載體，即直接刪除產(chǎn)生有害功能的問題組件。

ET4：裁剪中性或輔助功能，即在不影響主要功能完成的條件下，裁剪系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)中的輔助功能和中性功能。

(3)基于提高理想度法則的裁剪規(guī)則

提高理想度是推動(dòng)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的主要?jiǎng)恿?。提高理想度的進(jìn)化方向主要有減少有害功能和成本、增加有益功能、應(yīng)用理想系統(tǒng)替代有害作用系統(tǒng)[17]?；谔岣呃硐攵确▌t的裁剪規(guī)則可提取為：

ET3：刪除有害功能載體。

ET5：變換物場增益有用功能，即通過引入新物質(zhì)和場資源加強(qiáng)或增加有用功能。

ET6：新原理替代，即采用新原理替代原有的功能實(shí)現(xiàn)原理，從而消除系統(tǒng)有害功能。

(4)基于動(dòng)態(tài)性法則的裁剪規(guī)則

動(dòng)態(tài)性進(jìn)化法則指技術(shù)系統(tǒng)向增加結(jié)構(gòu)柔性、可移動(dòng)性和可控性方向發(fā)展[17]，動(dòng)態(tài)化的關(guān)鍵是通過系統(tǒng)某些參數(shù)的變化使系統(tǒng)調(diào)整至最佳工作狀態(tài)?；趧?dòng)態(tài)性法則的裁剪規(guī)則可提取為：

ET7：改變結(jié)構(gòu)，即通過改變問題組件的結(jié)構(gòu)形式來完善功能或消除有害功能。

ET8：改變參數(shù)，即通過改變組件性能參數(shù)來完善功能或消除有害功能。

(5)基于子系統(tǒng)不均衡進(jìn)化法則的裁剪規(guī)則

技術(shù)系統(tǒng)由多個(gè)實(shí)現(xiàn)各自不同功能的子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)均沿著各自的S曲線進(jìn)化，導(dǎo)致各子系統(tǒng)之間發(fā)展不均衡[17]?；谧酉到y(tǒng)不均衡進(jìn)化法則應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)最不理想的子系統(tǒng)，消除因子系統(tǒng)間不均衡而出現(xiàn)的矛盾，其裁剪規(guī)則可提取為：

ET2：資源替代。

ET4：裁剪中性或輔助功能。

ET6：新原理替代。

(6)基于向超系統(tǒng)進(jìn)化法則的裁剪規(guī)則

向超系統(tǒng)進(jìn)化的路線沿著系統(tǒng)合成方向發(fā)展，通過增加合并系統(tǒng)參數(shù)差異、增加合并系統(tǒng)功能差異、增加系統(tǒng)集成深度來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品進(jìn)化[19]。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)化到極限時(shí)，實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能的子系統(tǒng)會(huì)從系統(tǒng)中剝離，轉(zhuǎn)移至超系統(tǒng)；該子系統(tǒng)功能在得到增強(qiáng)改進(jìn)的同時(shí)，也簡化了原有系統(tǒng)?；谙虺到y(tǒng)進(jìn)化法則的裁剪規(guī)則可提取為：

ET4：裁剪中性或輔助功能。

ET5：變換物場增益有用功能。

ET8：改變參數(shù)。

ET9：功能對(duì)象自己完成有用功能。

(7)基于向微觀級(jí)進(jìn)化法則的裁剪規(guī)則

向微觀級(jí)進(jìn)化法則指出，技術(shù)系統(tǒng)向著減小元件尺寸的方向發(fā)展，即由宏觀到微觀，向原子、粒子級(jí)別進(jìn)化，增加組件的分割度是主要進(jìn)化路徑[17]?；谙蛭⒂^級(jí)進(jìn)化法則的裁剪規(guī)則可提取為：

ET7：改變結(jié)構(gòu)。

ET8：改變參數(shù)。

(8)基于協(xié)調(diào)性法則的裁剪規(guī)則

協(xié)調(diào)性法則指出，技術(shù)系統(tǒng)向著其子系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)、與超系統(tǒng)協(xié)調(diào)的方向發(fā)展[17]，主要表現(xiàn)為形狀、材料和頻率的協(xié)調(diào)[19]?；趨f(xié)調(diào)性法則的裁剪規(guī)則可提取為：

ET7：改變結(jié)構(gòu)。

ET8：改變參數(shù)。

ET10：改變材料，即通過改變材料來完善作用不足的功能或消除有害功能。

綜上所述，基于進(jìn)化法則提取的功能裁剪規(guī)則如表2所示，按照實(shí)現(xiàn)作用不同，裁剪規(guī)則分為消除有害作用、功能簡化和功能增益3類。

表2 基于進(jìn)化法則的功能裁剪規(guī)則

續(xù)表2

續(xù)表2

2 裁剪對(duì)象及優(yōu)先級(jí)的確定

2.1 裁剪對(duì)象的選擇

功能裁剪設(shè)計(jì)首先要合理選擇裁剪對(duì)象。本文借鑒功能成本圖[25]的概念，提出組件相對(duì)功能價(jià)值分析方法，為功能裁剪對(duì)象的定性選擇提供簡潔易實(shí)施的依據(jù)。

組件的功能價(jià)值

(2)

Fi為功能類別。功能分為基本功能、輔助功能和附加功能?；竟δ苁桥c技術(shù)系統(tǒng)的主要目的直接有關(guān)的功能；輔助功能是服務(wù)于基本功能的功能，以保障基本功能更好地執(zhí)行；如果功能對(duì)象為超系統(tǒng)組件，則該功能稱為附加功能[25]?；竟δ苡洖镕A；輔助功能記為FB，如果輔助功能的對(duì)象是提供基本功能的組件則為FBA；附加功能記為FC。功能類別等級(jí)從高到低依次為FA，F(xiàn)BA，F(xiàn)B，F(xiàn)C。

Hi為功能水平。根據(jù)與基本功能的關(guān)系，功能分為有用功能和有害功能。有用功能指功能載體對(duì)功能對(duì)象的作用沿著期望的方向改變功能對(duì)象的參數(shù)，有用功能對(duì)功能對(duì)象參數(shù)的改善值和期望值之間的差異稱為功能水平。當(dāng)實(shí)際改善達(dá)到所期望的改善時(shí)稱為有用充分的功能，當(dāng)實(shí)際的改善大于所期望的改善時(shí)稱為功能過度，當(dāng)實(shí)際的改善小于所期望的改善時(shí)稱為功能不足。有害功能指功能載體提供的功能不是按照期望的方向改變功能對(duì)象的參數(shù)[19]。有用充分的功能記為H1，有用但不足的功能記為H2，有用但過度的功能記為H3，有害功能記為H4，功能水平從高到低依次為H1，H2，H3，H4。

Cp為組件的成本占比，即該組件成本占產(chǎn)品總成本的百分比值。

最理想的組件功能價(jià)值表示為

最不期望的組件功能價(jià)值表示為

通過對(duì)比分析組件的功能價(jià)值可得系統(tǒng)組件的功能—成本圖，如圖2所示。位于區(qū)域1的組件，功能類別價(jià)值高、功能水平高、成本低，為理想?yún)^(qū)域；位于區(qū)域2的組件，功能類別價(jià)值高，但功能水平低、成本高，應(yīng)通過提高功能水平、降低成本的方式來提高價(jià)值；位于區(qū)域3的組件，功能水平高、成本低，但功能類別價(jià)值低，需采取功能增益的策略來提高功能類別價(jià)值；位于區(qū)域4的組件，功能類別價(jià)值低、功能水平低、成本高，應(yīng)通過裁剪實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能優(yōu)化。

2.2 組件裁剪優(yōu)先級(jí)的確定

組件裁剪優(yōu)先級(jí)表征了系統(tǒng)功能裁剪設(shè)計(jì)的優(yōu)先順序。不同裁剪順序可能使產(chǎn)品的進(jìn)化方向不同，系統(tǒng)理想化水平的提高程度也不同。

TRIZ完備性法則指出，一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)設(shè)定功能必須具備圖3所示的4個(gè)基本部分[19]，并具有最低限度的工作能力。其中，動(dòng)力裝置將從能量源獲取的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)所需的能源，傳輸裝置將能量或場傳遞給執(zhí)行裝置，執(zhí)行裝置對(duì)系統(tǒng)作用對(duì)象執(zhí)行功能，控制裝置協(xié)調(diào)其他裝置實(shí)現(xiàn)功能[17]。

有害功能的實(shí)施同樣符合技術(shù)系統(tǒng)完備性法則，因此可以從破壞系統(tǒng)完備性入手，按照執(zhí)行裝置→傳輸裝置→動(dòng)力裝置→控制裝置的順序確定裁剪組件的優(yōu)先級(jí)。

基于組件相對(duì)功能價(jià)值分析和破壞系統(tǒng)完備性，提出的裁剪優(yōu)先級(jí)確定流程如圖4所示。

(1)組件相對(duì)功能價(jià)值分析 通過分析系統(tǒng)功能，建立功能價(jià)值參數(shù)表和功能成本圖。

(2)組件區(qū)域判斷與分類 根據(jù)功能成本圖判斷組件區(qū)域，并基于完備性法則進(jìn)行分類。

(3)確定裁剪對(duì)象和裁剪順序 裁剪優(yōu)先級(jí)從高到低依次為4區(qū)組件→3區(qū)組件→2區(qū)組件。首先選擇4區(qū)組件為裁剪優(yōu)化對(duì)象；然后選擇3區(qū)組件進(jìn)行裁剪設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)功能增益；最后以提高功能水平、降低成本為目標(biāo)，選擇2區(qū)組件進(jìn)行裁剪設(shè)計(jì)。各區(qū)組件的裁剪設(shè)計(jì)均按照執(zhí)行裝置→傳輸裝置→動(dòng)力裝置→控制裝置的順序進(jìn)行。

3 面向生命周期的物場模型和功能裁剪 規(guī)則映射

3.1 物場模型與標(biāo)準(zhǔn)解存在的問題

物場模型是TRIZ對(duì)最小技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成的表達(dá)方式，兩種物質(zhì)(substance)和一種場(field)組成的物場模型可認(rèn)為是組件最少的技術(shù)系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能的最簡約結(jié)構(gòu)[26]。物場模型進(jìn)化的總體趨勢為：不完整物場→普通物場→物質(zhì)—場參數(shù)可變物場→物質(zhì)—場協(xié)調(diào)→結(jié)構(gòu)可變物場→加強(qiáng)物場[20]。

按照功能的完成情況，物場模型分為有用充分、作用不足、作用過度、不完整和有害物場模型。針對(duì)不完整、作用不足和有害物場模型，TRIZ提供了標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)[18]。標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)共有5級(jí)76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，其缺點(diǎn)是體系龐大、標(biāo)準(zhǔn)解的選擇缺乏判斷依據(jù)；第2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解(增強(qiáng)物場模型)指引性不強(qiáng)，存在一定的主觀性和盲目性；第3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解(向超系統(tǒng)和微觀系統(tǒng)進(jìn)化)和技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則重復(fù)；第5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解的部分解法和物理效應(yīng)庫內(nèi)容重復(fù)。

3.2 物場模型與功能裁剪規(guī)則的映射關(guān)系

問題物場模型直觀表征了系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)的缺陷，通過物場模型變換可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的優(yōu)化重構(gòu)；功能裁剪規(guī)則是指導(dǎo)有用功能再分配及系統(tǒng)功能重構(gòu)的原則，因此可用裁剪規(guī)則指導(dǎo)物場模型變換重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)有用功能重組。

面向生命周期不同階段的產(chǎn)品，以提高理想度和功能裁剪策略為指導(dǎo)，建立物場模型和功能裁剪規(guī)則的映射關(guān)系如表3所示，其中：S1為作用對(duì)象，S2為工具，F(xiàn)為場。相比于76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)的物場求解模型，應(yīng)用功能裁剪規(guī)則指導(dǎo)物場模型變換重構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

(1)面向產(chǎn)品生命周期的不同階段，以物場模型和技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化趨勢為方向，給出相應(yīng)的裁剪規(guī)則指導(dǎo)物場模型變換重構(gòu)，使有用功能重組的實(shí)施路徑具體、功能載體的求解方向明確。

(2)標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)主要為存在問題的物場模型提供求解方法。本文針對(duì)有用充分的物場模型，給出了變換進(jìn)化路徑，擴(kuò)展了物場模型的求解范圍。

表3 物場模型和功能裁剪規(guī)則映射關(guān)系

4 基于物場變換及技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的功能 裁剪設(shè)計(jì)模型

功能裁剪設(shè)計(jì)主要面向已有產(chǎn)品的改進(jìn)優(yōu)化，通過系統(tǒng)功能分析比較系統(tǒng)組件的相對(duì)功能—成本價(jià)值，確定裁剪對(duì)象；基于組件相對(duì)功能價(jià)值分析與系統(tǒng)完備性拆解，確定組件裁剪設(shè)計(jì)的順序；基于系統(tǒng)功能模型構(gòu)建物場模型；面向產(chǎn)品生命周期不同階段的產(chǎn)品，應(yīng)用基于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的裁剪規(guī)則對(duì)物場模型進(jìn)行變換求解，實(shí)現(xiàn)有用功能重組和系統(tǒng)功能重構(gòu)。

基于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化及物場變換的功能裁剪設(shè)計(jì)模型如圖5所示，具體步驟如下：

步驟1確定設(shè)計(jì)目標(biāo)。

步驟2選擇原型系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)需求查詢領(lǐng)域內(nèi)的功能相似產(chǎn)品作為設(shè)計(jì)原型。

步驟3判定產(chǎn)品生命周期。應(yīng)用產(chǎn)品生命周期簡明判則明晰產(chǎn)品所處階段，確定理想度提升的功能裁剪策略。

步驟4分析系統(tǒng)功能。從功能角度分析系統(tǒng)各組件之間的相互作用，建立系統(tǒng)功能模型圖[19]。

步驟5確定裁剪對(duì)象及優(yōu)先級(jí)。分析組件功能類別、功能水平和組件成本占比，建立組件功能—成本價(jià)值參數(shù)表，繪制功能成本圖，判定各組件所在區(qū)域；基于組件相對(duì)功能價(jià)值分析和破壞系統(tǒng)完備性，確定裁剪對(duì)象及優(yōu)先級(jí)。

步驟6物場模型的構(gòu)建與分類。基于系統(tǒng)功能模型圖建立物場模型，并按照有用充分、不完整、作用不足、有害的物場模型進(jìn)行分類。

步驟7變換求解物場模型。以提高理想度的功能裁剪策略為指導(dǎo)，針對(duì)生命周期不同階段的產(chǎn)品，應(yīng)用相應(yīng)的裁剪規(guī)則指導(dǎo)物場模型進(jìn)行變換重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)有用功能重組和系統(tǒng)功能重構(gòu)。

步驟8對(duì)方案進(jìn)行綜合與評(píng)價(jià)。

5 工程實(shí)例

秸稈燃料成型機(jī)是一種將粉碎狀秸稈原料經(jīng)過壓縮制成顆?；虬魻睢K狀燃料的設(shè)備，目前市場上的秸稈燃料成型機(jī)多采用環(huán)模壓輥式結(jié)構(gòu)，如圖6所示，其存在?？滓锥氯?、壓輥和環(huán)模磨損嚴(yán)重、生產(chǎn)率低及維修不便等問題，成為制約秸稈燃料成型規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化的瓶頸[27-28]。本文以提高設(shè)備可靠性、減少輥模磨損、提高生產(chǎn)率為目標(biāo)，基于功能裁剪設(shè)計(jì)模型對(duì)秸稈燃料成型機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

5.1 生命周期的判定

目前，市場上已存在秸稈燃料成型機(jī)，但性能參數(shù)不佳且未接近設(shè)計(jì)極限，系統(tǒng)可靠性差，不能滿足生產(chǎn)要求，由圖1判定秸稈燃料成型機(jī)處于成長期。提高系統(tǒng)理想度的策略是通過向雙、多系統(tǒng)轉(zhuǎn)化改善系統(tǒng)功能，通過系統(tǒng)功能裁剪去除系統(tǒng)中的有害組件和聯(lián)系，以及通過更換組件和聯(lián)系實(shí)現(xiàn)功能替代。

5.2 系統(tǒng)功能分析

從功能角度分析秸稈燃料成型機(jī)各組件之間的相互作用，建立系統(tǒng)功能模型，如圖7所示。

5.3 裁剪對(duì)象及優(yōu)先級(jí)的確定

分析組件功能類別、功能水平、組件成本占比和組件分類，組件功能價(jià)值參數(shù)如表4所示。

表4 環(huán)模壓輥式秸稈燃料成型機(jī)的組件功能價(jià)值參數(shù)表

續(xù)表4

環(huán)模壓輥式秸稈燃料成型機(jī)的組件相對(duì)功能—成本價(jià)值圖如圖8所示，現(xiàn)有系統(tǒng)中沒有處于理想?yún)^(qū)域的組件，符合成長期產(chǎn)品的特征?；趫D8所示的功能成本圖，確定裁剪優(yōu)化對(duì)象為4區(qū)組件，即環(huán)模孔、喂料裝置、輥模間隙；功能增益對(duì)象為3區(qū)組件，即電機(jī)、主軸、環(huán)模盤、環(huán)模托盤；提高功能水平/降低成本對(duì)象為2區(qū)組件，即壓輥。由圖4確定裁剪設(shè)計(jì)順序依次為環(huán)?？住沽涎b置→輥模間隙→環(huán)模盤→環(huán)模托盤→主軸→電機(jī)→壓輥。

5.4 物場模型的構(gòu)建與變換

5.4.1 物場模型的構(gòu)建

基于5.3節(jié)確定的裁剪對(duì)象和圖7的系統(tǒng)功能模型圖，分析構(gòu)建出13個(gè)物場模型，如圖9所示。

5.4.2 基于裁剪規(guī)則的物場變換

根據(jù)5.3節(jié)確定的組件裁剪設(shè)計(jì)順序，應(yīng)用裁剪規(guī)則對(duì)圖9構(gòu)建的物場模型進(jìn)行變換重構(gòu)。

(1)4區(qū)組件的物場變換

4區(qū)組件的物場模型如圖9a～圖9e所示，應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行裁剪變換來優(yōu)化功能結(jié)構(gòu)。

在圖9a所示的秸稈壓塊堵塞環(huán)?？子泻ψ饔梦飯瞿Ｐ椭?，秸稈壓塊是系統(tǒng)的作用對(duì)象，不能裁剪刪除該組件。應(yīng)用ET6新原理替代，提出概念解1：在?？變?nèi)部添加振動(dòng)裝置，利用振動(dòng)頻率使秸稈壓塊順利脫模。應(yīng)用ET10改變材料，提出概念解2：在?？妆砻嫱扛矟櫥繉?，以減少摩擦阻力，避免模孔堵塞。

針對(duì)圖9b所示的環(huán)?？讓?duì)秸稈壓塊擠壓作用不足的物場模型，應(yīng)用ET5變換物場增益有用功能，提出概念解3：引入氣場，在?？字行纬韶?fù)壓，以增強(qiáng)對(duì)秸稈的擠壓作用。應(yīng)用ET8改變參數(shù)向雙系統(tǒng)進(jìn)化，提出概念解4：增加模孔數(shù)量，在環(huán)模盤上設(shè)置上下兩排?？?，以提高生產(chǎn)率。應(yīng)用ET7改變結(jié)構(gòu)，提出概念解5：采用方形?？捉Y(jié)構(gòu)，將圓柱形模孔改為方形?？祝谕戎睆较麦w積增大、產(chǎn)能增加。

針對(duì)圖9c所示的喂料裝置對(duì)秸稈引導(dǎo)作用不足的物場模型，裁剪刪除喂料裝置，應(yīng)用ET7改變結(jié)構(gòu)，提出概念解6：采用分料盤替代喂料裝置，引導(dǎo)秸稈均勻進(jìn)入成型室。

針對(duì)圖9d所示的秸稈散料改變輥模間隙的有害作用物場模型和圖9e所示的輥模間隙容納秸稈散料作用不足的物場模型，裁剪刪除輥模間隙，應(yīng)用ET7改變結(jié)構(gòu)，提出概念解7：在環(huán)模盤內(nèi)壁設(shè)置進(jìn)料凹槽，以方便容納秸稈散料。

(2)3區(qū)組件的物場變換

3區(qū)組件的物場模型如圖9f～圖9m所示，應(yīng)通過裁剪變換實(shí)現(xiàn)功能增益。

針對(duì)圖9f所示的秸稈散料摩擦環(huán)模盤的有害作用物場模型，采用ET2資源代替，提出概念解8：在秸稈里添加潤滑物質(zhì)，以減小秸稈與環(huán)模盤間的摩擦力。

圖9g所示為環(huán)模盤限制秸稈散料有用充分的物場模型，由表4可知環(huán)模盤成本較高且拆卸維修不便。應(yīng)用ET7改變結(jié)構(gòu)和ET8改變參數(shù)，提出概念解9：環(huán)模盤采用組合式結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)環(huán)模塊拼接組合形成一個(gè)成型模孔，以便加工和拆裝。

針對(duì)圖9h所示的環(huán)模托盤支撐秸稈散料有用充分的物場模型和圖9j所示的環(huán)模托盤支撐環(huán)模盤有用充分的物場模型，應(yīng)用ET10改變材料，提出概念解10：環(huán)模托盤采用比環(huán)模盤材料成本低的Q235制造，以降低成本。

針對(duì)圖9k所示的主軸旋轉(zhuǎn)壓輥有用充分的物場模型和圖9m所示的電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸有用充分的物場模型，應(yīng)用ET8改變參數(shù)，提出概念解11：采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，帶動(dòng)壓輥的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)擠壓阻力的波動(dòng)。

(3)2區(qū)組件的物場變換

2區(qū)組件的物場模型如圖9n和圖9p所示，應(yīng)通過裁剪變換來提高功能水平，降低成本。

針對(duì)圖9n所示的秸稈散料摩擦壓輥的有害作用物場模型，采用ET10改變材料，提出概念解12：壓輥表層采用耐磨材料制造，以提高表面硬度和耐磨性。

針對(duì)圖9p所示的壓輥擠壓秸稈散料作用不足的物場模型，應(yīng)用ET7改變結(jié)構(gòu)和ET8改變參數(shù)，提出概念解13：壓輥外形采用類齒輪狀結(jié)構(gòu)，以增大對(duì)秸稈的擠壓力，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)壓縮。

5.4.3 實(shí)施方案

本文對(duì)13個(gè)概念解進(jìn)行方案綜合與評(píng)價(jià)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種立式雙孔輥模咬合式秸稈燃料成型機(jī)[29]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示，具有以下特點(diǎn)：①采用新型環(huán)模結(jié)構(gòu)，單層環(huán)模盤上開有上下兩排模孔，粉碎后的秸稈由一個(gè)進(jìn)料凹槽喂入，由兩個(gè)方形模孔擠出，增加了?？组_孔率和物料導(dǎo)入率，有利于提高生產(chǎn)率；②壓輥采用類齒輪狀設(shè)計(jì)，以減小秸稈和壓輥的摩擦面積，壓輥和環(huán)?？椎囊Ш鲜浇Y(jié)構(gòu)有利于對(duì)物料進(jìn)行精準(zhǔn)有效擠壓；③環(huán)模盤采用便于拆裝的多塊組合式結(jié)構(gòu)；④采用分料盤引導(dǎo)秸稈均勻入料。

6 結(jié)束語

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程分為問題分析、概念設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)4個(gè)階段，產(chǎn)品創(chuàng)新性實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在概念設(shè)計(jì)階段[30]。概念設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)需求確定系統(tǒng)的功能工作原理、擬定功能結(jié)構(gòu)、選擇功能載體、求解可行方案，然而目前常用的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、類比設(shè)計(jì)難以獲得創(chuàng)新解，亟需能有效指導(dǎo)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)實(shí)踐的功能創(chuàng)新設(shè)計(jì)與功能求解方法。為此，本文面向產(chǎn)品改進(jìn)型設(shè)計(jì)，結(jié)合產(chǎn)品生命周期理論，提出一種基于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化和物場變換的功能裁剪方法。該方法以提高系統(tǒng)理想度和功能理想化策略為指導(dǎo)，基于技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則提取10條功能裁剪規(guī)則，根據(jù)功能改進(jìn)屬性劃分為消除有害作用、功能簡化和功能增益3類，相比傳統(tǒng)裁剪規(guī)則增加了裁剪路徑且更具指引性；基于組件相對(duì)功能價(jià)值分析選擇裁剪對(duì)象，結(jié)合破壞系統(tǒng)完備性趨勢確定組件裁剪優(yōu)先級(jí)，能夠避免裁剪對(duì)象選擇和評(píng)價(jià)的主觀性與隨意性。面向生命周期不同階段的產(chǎn)品，以物場模型及技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化趨勢為方向，應(yīng)用相應(yīng)的功能裁剪規(guī)則指導(dǎo)物場模型變換重構(gòu)，使有用功能重組的實(shí)施路徑具體、功能載體的求解方向明確；針對(duì)有用充分的物場模型給出了變換進(jìn)化路徑，擴(kuò)展了物場模型的求解范圍?；谏鲜龇椒?gòu)建了流程化的功能裁剪設(shè)計(jì)模型，將該模型應(yīng)用于秸稈燃料成型機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)實(shí)例，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種立式雙孔輥模咬合式秸稈燃料成型機(jī)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)模型的可行性和有效性。

采用本文所提的功能裁剪方法，可以改善生命周期不同階段產(chǎn)品功能理想化的針對(duì)性和指引性，提高產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的效率。然而，由于系統(tǒng)功能模型的構(gòu)建依賴于設(shè)計(jì)者的認(rèn)知判斷，影響物場模型的提取及功能裁剪路徑的選擇，未來將研究面向不同目標(biāo)的系統(tǒng)功能建模方法，開發(fā)功能裁剪設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新(Computer Aided Innovation，CAI)軟件，以提高設(shè)計(jì)模型的可操作性，為企業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供方法支撐。