基于TRIZ理論功能分析與裁剪的應(yīng)用研究

祁云峰，姚貴英

(河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038)

0 引 言

TRIZ[1]理論是阿奇舒勒在1946年創(chuàng)建且已發(fā)展至今的一種發(fā)明問(wèn)題解決理論，為各行各業(yè)的設(shè)計(jì)人員提供了創(chuàng)新理論與創(chuàng)新工具。裁剪是TRIZ理論中一種有效的解決發(fā)明問(wèn)題的工具，通過(guò)減少或去除系統(tǒng)某些元件，將系統(tǒng)有用功能重新分配給系統(tǒng)或超系統(tǒng)中的其他組件，達(dá)到消除有害作用，降低成本，優(yōu)化系統(tǒng)等目的。功能分析是應(yīng)用裁剪方法的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)過(guò)程中，成本或復(fù)雜程度的降低往往是功能分析和裁剪共同的結(jié)果。

1 功能分析

產(chǎn)品是功能的載體，功能是產(chǎn)品的核心和本質(zhì)。了解產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)，分析產(chǎn)品功能是一項(xiàng)重要且具有實(shí)際意義的活動(dòng)。功能分析是從功能的角度而不是從技術(shù)的角度分析系統(tǒng)，主要目的是將抽象的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為具體圖表，以便于設(shè)計(jì)者了解產(chǎn)品所必需具備的功能與特征，從而進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。在分析過(guò)程中，最重要就是建立產(chǎn)品的功能模型。

1.1 功能定義

20世紀(jì)40年代美國(guó)電氣工程師邁爾斯首先提出了功能定義，他認(rèn)為，顧客要購(gòu)買(mǎi)的是產(chǎn)品功能而非產(chǎn)品本身[2]；Pahl和Beitz認(rèn)為功能是系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系[3]；現(xiàn)代TRIZ對(duì)功能做出了如下定義：一個(gè)元件改變或者保持另一個(gè)元件的某個(gè)參數(shù)，即為實(shí)現(xiàn)了功能，故阿奇舒勒總結(jié)了3條功能定律：

(1) 所有的功能都可以分解為3個(gè)基本元件；

(2) 一個(gè)存在的功能必定由三個(gè)基本元件組成；

(3) 將相互作用的三個(gè)元件進(jìn)行有機(jī)組合將形成一個(gè)功能。

功能的基本描述如圖1所示，S1為被動(dòng)元件，起被作用，被操作被改變的角色；S2為主動(dòng)元件，起工具的作用，操作、改變或作用被動(dòng)元件S1；F為使能元件，是S1和S2相互作用。在描述上，通常用“動(dòng)詞+名詞”來(lái)表示，動(dòng)詞是實(shí)現(xiàn)功能的方式，名詞是作用對(duì)象，這是一個(gè)功能抽象化的過(guò)程，有助于產(chǎn)生新的方案解。

圖1 元件間的功能作用關(guān)系

根據(jù)主動(dòng)元件在系統(tǒng)中起的作用的好壞，可以將功能分為有用功能和有害動(dòng)能，有用功能又分為標(biāo)準(zhǔn)功能，過(guò)剩功能，不足功能，符號(hào)如圖2所示。其中，標(biāo)準(zhǔn)功能繼續(xù)保持，過(guò)剩功能和不足功能通過(guò)進(jìn)一步調(diào)整來(lái)提高技術(shù)系統(tǒng)的整體理想度，有害作用則需要利用某些工具進(jìn)行消除。功能的分類(lèi)為功能分析和裁剪提供了依據(jù)。

圖2 功能的類(lèi)型

1.2 功能模型的建立

任何系統(tǒng)的元件必有其存在的目的，也就是提供功能，運(yùn)用功能分析，能夠發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)元件的目的和表現(xiàn)，從而發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的根本。由于功能分析的本質(zhì)是在現(xiàn)有產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新和改機(jī)，所以需要一個(gè)基礎(chǔ)產(chǎn)品來(lái)作為設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。利用功能分析，將該基礎(chǔ)產(chǎn)品建立基礎(chǔ)功能模型，來(lái)進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)工作。

系統(tǒng)是由功能元件及作用組成的，將功能和元件用圖表的形式表達(dá)出來(lái)，即為功能模型。具體步驟為：

(1) 確定元件、制品、超系統(tǒng)。如圖3所示的表達(dá)方式。

圖3 元件的表達(dá)

(2) 進(jìn)行元件相互作用分析：構(gòu)造元件間的相互作用矩陣。如表1。

表1 元件相互作用關(guān)系矩陣表

(3) 進(jìn)行作用類(lèi)型及等級(jí)分析，即有用功能和有害功能。

2 裁剪方法

2.1 裁剪的定義

裁剪是TRIZ中一條重要的進(jìn)化路線，是一種通過(guò)裁剪，減少技術(shù)系統(tǒng)中某些元件或者組件，仍能保留有用功能的改進(jìn)系統(tǒng)的方法。裁剪作為產(chǎn)品功能分析的重要步驟，其目的是為了研究每個(gè)功能是否必需，如果必需，系統(tǒng)中的其他元件是否可完成有用功能[4]。

2.2 實(shí)施系統(tǒng)裁剪的規(guī)則

裁剪規(guī)則進(jìn)一步為裁剪組件的選擇提供了更為具體詳細(xì)的依據(jù)。根據(jù)兩組件及兩組件間的相互作用，通常有4中裁剪規(guī)則[5-6]：

規(guī)則一：如果不存在受作用組件B，則裁剪掉組件A、組件B及作用，如圖4。

規(guī)則二：組件A實(shí)現(xiàn)的功能由受作用組件B自己實(shí)現(xiàn)，則可以裁剪組件A，如圖5。

規(guī)則三：如果系統(tǒng)或超系統(tǒng)中存在的組件C可以實(shí)現(xiàn)組件A的功能，則組件A和組件A實(shí)施的作用可以被裁剪，如圖6。

規(guī)則四：如果新組件能夠完成組件A的功能。則組件A和作用可以被裁剪，如圖7。

圖4 規(guī)則一 圖5 規(guī)則二

圖6 規(guī)則三 圖7 規(guī)則四

2.3 裁剪的流程

裁剪主要針對(duì)已有產(chǎn)品，通過(guò)功能分析，刪除功能元件，完善功能模型，得到理想解，其具體的實(shí)施流程如圖8所示。

圖8 裁剪流程

3 電風(fēng)扇的裁剪

一到夏天，落地扇是人們常用的必需品，雖然扇葉有網(wǎng)罩阻擋，但難免會(huì)有人被轉(zhuǎn)動(dòng)的扇葉傷到；風(fēng)扇使用時(shí)間長(zhǎng)，也會(huì)落入很多灰塵，影響美觀。

上述出現(xiàn)的問(wèn)題與理想狀態(tài)還有一定差距，我們利用功能分析和裁剪來(lái)解決此問(wèn)題。

按照建立功能模型相關(guān)內(nèi)容，確定落地扇系統(tǒng)的各個(gè)作用元件，以及元件間的相互作用、作用類(lèi)型并繪制系統(tǒng)的功能模型。如表2為落地扇各元件間的相互作用關(guān)系，根據(jù)表2建立功能模型，如圖9。

表2 落地扇元件相互作用矩陣

圖9 落地扇的系統(tǒng)功能模型

通過(guò)圖8可知，網(wǎng)罩對(duì)人具有保護(hù)作用，由于扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)需要使氣流流動(dòng)出來(lái)，網(wǎng)罩需要留有一定縫隙，年幼者還是容易把手伸進(jìn)網(wǎng)罩內(nèi)，從而被轉(zhuǎn)動(dòng)的扇葉打傷，所以網(wǎng)罩對(duì)人的保護(hù)作用的是不足的，且扇葉對(duì)人造成損傷是有害作用；同時(shí)網(wǎng)罩對(duì)扇葉防止灰塵落入的作用也是不足的，從而影響了整個(gè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的理想度。

根據(jù)上述分析可以得到，“扇葉”和“網(wǎng)罩”是問(wèn)題組件，需要對(duì)其進(jìn)行裁剪分析。根據(jù)裁剪規(guī)則四，如果新組件能夠完成主動(dòng)組件的功能，則主動(dòng)組件和作用可以被裁剪，現(xiàn)將扇葉和網(wǎng)罩裁剪，用一個(gè)新的組件來(lái)實(shí)現(xiàn)使人涼爽，但不會(huì)打傷人的功能，故裁剪后的功能模型如圖10所示。

圖10 裁剪后的功能模型

針對(duì)裁剪后的功能模型，由組件直接作用與人，故出現(xiàn)了市場(chǎng)上的無(wú)葉風(fēng)扇[7](國(guó)外已申請(qǐng)專(zhuān)利)，它是由無(wú)論增壓器和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生氣流，然后由環(huán)形的出風(fēng)口將氣流排除，直接作用到人，此種風(fēng)扇，不會(huì)對(duì)人造成傷害，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易清潔。

4 結(jié) 論

本文主要介紹了TRIZ理論中的功能分析和裁剪的實(shí)施過(guò)程，通過(guò)無(wú)葉風(fēng)扇的例子給創(chuàng)新設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)良好的設(shè)計(jì)思路。根據(jù)具體情況，進(jìn)行功能分析，建立功能模型，選用不同的裁剪規(guī)則，得到創(chuàng)新設(shè)計(jì)，優(yōu)化技術(shù)系統(tǒng)，提高理想度。