基于TRIZ理論的切絲料理杯結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計

張 健 郭先炳

（杭州九陽小家電有限公司 杭州 310018）

背景

隨著人們生活水平的提高，對食材的要求越來越高，漸漸的開始覺得餐桌上的食材總是那么幾樣，沒有什么變化。通過大規(guī)模的市場調(diào)研顯示，現(xiàn)在餐桌上的痛點主要可以概括為以下幾個方面:食材單一、做法單一、視覺沖擊力差。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在人們不僅需要食材能夠做的好吃，還需要做的“好看”，所以這就需要做飯的人“換著花樣”把食材做好、做“美”，尤其是逢年過節(jié)、家里來客人或者哄小孩吃飯，這是就需要你的做飯水平。此時的你就需要和別人不一樣，如果你能夠做出一個涼拌黃瓜，胡蘿卜沙拉，絲有兩米長，那么你做出來的不僅僅是一碗菜，更是一個藝術(shù)品。本文提出了一種既能切長絲又能切短絲的切絲料理杯，既能切長絲又能切短絲的切絲調(diào)理杯需要有兩個進料口，為了保證能夠放入食材，進料口的尺寸需要在國標允許范圍內(nèi)足夠大。但是外觀、成本等因素的影響，料理杯杯蓋的直徑受到了限制。本文設(shè)計了一種立式切連絲機器，基于TRIZ理論對進料口的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，設(shè)計了一種杯蓋直徑小，工作可靠的雙進料口結(jié)構(gòu)，為既能切長絲又能切短絲的的料理杯設(shè)計打好了基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)介紹

如圖1所示，切絲料理杯主要由主機組件、杯子組件、裝料桶組件、切絲盤組件、進料口組件等部件組成。杯子組件可以放置于主機組件上，主機組件通過電機提供動力傳遞到料理杯內(nèi)部的傳動軸，在傳動軸的上方安裝有切絲盤，工作時用戶通過進料口將食材投入到切絲盤上，切絲盤高速旋轉(zhuǎn)切割食材，食材切割后掉入到裝料桶中。

圖1 料理杯結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，切絲料理杯的切絲盤在高速旋轉(zhuǎn)時，食材為靜止狀態(tài)。要想實現(xiàn)切出來的絲連續(xù)、不斷，在切割過程中，食材應(yīng)在刀盤的中心。切短絲時，食材與刀盤需要偏心放置。所以，切絲料理杯的進料蓋需要有兩個食材投入口，切長絲時由中間口投入，切短絲時由偏心口投入。

圖2 切長、短絲原理

2 設(shè)計目標

設(shè)計一種家庭用，既能切長絲又能切短絲的切絲料理杯。受結(jié)構(gòu)、外觀的影響，切絲料理杯的重量不能超過2 kg，杯體直徑不能超過?200 mm，高度不能超過500 mm。

3 主要問題

對食物加工機的切絲原理進行分析可知，切絲盤在切割食材時，要想切割成長絲，食材在切割時必須與刀盤中心對齊。要想切割成短絲，食材在切割時必須與刀盤中心沒有任何交線。所以切絲盤進料蓋上必須有兩個進料口，分別位于進料蓋的中心位置和偏心的位置。同時切絲料理杯在設(shè)計時必須滿足如下的的限制條件：

1）安規(guī)要求：根據(jù)GB 4706.30-2008國家標準規(guī)定，切絲料理杯單個進料口的平均直徑不能超過65 mm，進料口橫截面的最大長度和最小長度均小于75 mm，進料口最上端距離刀片的高度大于100 mm。

2）工業(yè)造型要求：切絲料理杯的重量不能超過2 kg，杯體直徑不能超過?200 mm，高度不能超過500 mm。

3）功能：根據(jù)產(chǎn)品定義要求，該機器應(yīng)該具備切長絲和切短絲的功能。

4 系統(tǒng)分析

4.1 九屏幕分析

從時間、空間等多維度對多功能切絲料理杯進行全面系統(tǒng)的分析，不僅研究問題的現(xiàn)狀，而且考慮與之相關(guān)的過去、未來，以及子系統(tǒng)、超系統(tǒng)等多方面的狀況[1]。多功能切絲料理杯的九屏幕分析圖如圖3所示，多功能切絲料理杯未來向多功能、全自動、智能化方向發(fā)展，子系統(tǒng)進料口同樣應(yīng)該向多維化，自動化進料口方向發(fā)展[2]。

圖3 九屏幕分析

4.2 生命曲線分析

利用生命曲線對切絲料理杯的性能參數(shù)、專利等級、專利數(shù)量、經(jīng)濟效益進行分析，如圖4所示。通過研判可知，切絲料理杯目前處于成長期，技術(shù)快速發(fā)展，具有價值和潛力顯現(xiàn)，此時應(yīng)有大量的人力、物力、財力的投入，使其效率和性能得到提高[3]。

圖4 生命曲線分析

4.3 資源分析

對切絲料理杯的可用資源進行分析。資源包括自然或環(huán)境資源、時間資源、空間資源、系統(tǒng)資源、信息資源、功能資源，具體分析如表1所示[4]。

表1 切絲料理杯資源分析

4.4 完備性法則

切絲料理杯由動力裝置（串勵電機）、傳動裝置（齒輪箱，傳動軸）、執(zhí)行裝置（切絲料理杯）、控制裝置（數(shù)控系統(tǒng)）等組成，系統(tǒng)完備性圖如圖5所示。對系統(tǒng)完備性圖進行分析，發(fā)現(xiàn)執(zhí)行裝置進料口改進是切入點，可以像多維化進料口方向考慮[5]。

圖5 完備性法則

4.5 功能分析

圍繞系統(tǒng)的各部分名稱、功能、作用，進行功能分析，找出有害作用、有用作用、不足作用，為研究指明方向。功能分析圖如圖6所示。通過功能分析圖可知，有害作用為食材對刀片的磨損，支撐圓套對切絲傳動軸的磨損，不足作用為進料口對食材的作用。為達到要求，必須實現(xiàn)進料口的轉(zhuǎn)換，這進一步明確了研制的著手點[6]。

圖6 功能分析

4.6 動態(tài)性和可控性進化法則

切絲料理杯系統(tǒng)動態(tài)性如圖7所示。對切絲料理杯進行分析可知，食材只能豎直方向升降。由于食材只能在進料口上下移動，因此此時食材只能做1維運動。要滿足長短絲的切換，食材在進料口至少需要2個維度的運動。增加維數(shù)勢必會引入新的機構(gòu)，同時對每個維度運動進行控制的程序也一定會變得更為復(fù)雜。圖7所示的動態(tài)性分析也印證了上述推斷[7]。

5 解決方案

5.1 物場分析——方案一

根據(jù)物場分析可知，本問題屬于第三類模型：效應(yīng)不足的完整模型。對此，采用一般解法5，即增加機械場，如圖8所示。據(jù)此，獲得方案一：在進料口下部設(shè)置滑動機構(gòu)，實現(xiàn)進料口中間、側(cè)面的任意切換[8]。

圖8 切絲料理杯的物場分析及解決方案

5.2 技術(shù)矛盾——方案二

既要增加多用性，又要形狀單一（保證杯蓋體積不變），這就構(gòu)成了適應(yīng)性及多用性與形狀之間的技術(shù)矛盾。根據(jù)分析可知，改善的參數(shù)是適應(yīng)性及多用性，惡化的參數(shù)是形狀。由矛盾矩陣表在40 個發(fā)明原理中進行查找，如表2所示[9,10]。

根據(jù)分割原理得到方案二如圖9所示，將進料口分割維中間的大進料口和側(cè)面的小進料口。

表2 矛盾矩陣表

圖9 進料口分割模型

5.3 物理矛盾——方案三

既要求多個進料口保證食材能從中間和側(cè)面進入，又要杯蓋上只有一個入料口（杯蓋面積?。?/p>

矛盾參數(shù)：進料口數(shù)量

要求1：多；

要求2：少。

解決方法：條件分離方法。

條件1：進料時進料口由兩個；

條件2：杯蓋上的進料口只有一個。

方案三：進料時進料口有兩個，杯蓋上的進料口只有一個（如圖10所示）。

圖10 上部兩個進料口，下部一個進料口模型

5.4 方案整合及評價

方案二將進料口分割維兩個部分，側(cè)面進料口形狀不規(guī)則，食材進入體積小，不可用；方案一可用，但是增加了進料口滑動的機械結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，損壞風(fēng)險達；最終確定用方案三。

6 次級問題解決

采用方案三，在杯蓋的底部對食材缺少一個方向的定位，所以食材在切割過程中易跑“偏”。兩個進料口中間部分缺口，所以食材由中間進料口進入時易跑到側(cè)面進料口中，食材由側(cè)面進料口進入時易跑到中間進料口中。

6.1 因果鏈分析

對食材跑偏的問題進行因果鏈分析，如圖11所示。分析后針對中間、側(cè)面進料口沒有定位，刀片對食材沒有軸向定位，人握住食材易打滑，刀盤動平衡差，導(dǎo)料桶直徑固定等幾個關(guān)鍵問題進行研究[11]。

圖11 因果鏈分析

表4 方案評分表

6.2 次級問題解決方案

如圖12所示，刀片可以安裝在切絲盤上，切長絲時，用戶手持帶齒的推料棒，對食材的上端進行軸向的定位。在刀盤的中心設(shè)置有鋒利的定位軸，對食材的底部進行定位，食材的上、下部均進行了定位，切絲盤高速旋轉(zhuǎn)時，食材可以保持靜止狀態(tài)保證切絲料理杯工作的可靠性。

圖12 切長絲固定方式

在中間進料口設(shè)置有3爪扶正機構(gòu)，如圖13所示。扶正機構(gòu)的材質(zhì)為PP材料（彈性好），扶正機構(gòu)采用弧形懸臂結(jié)構(gòu)，彈性好，在扶正食材時，扶正結(jié)構(gòu)的直徑可以隨著食材直徑的變化而變化。扶正機構(gòu)3個卡爪靠近側(cè)壁進料口卡爪為反弧形結(jié)構(gòu)，可以扶正側(cè)面進料口進入的食材。扶正機構(gòu)的靠近側(cè)壁進料口的卡爪設(shè)置為勾形，當食材由側(cè)面進料口進入擠壓卡爪時，靠近側(cè)壁進料口卡爪上的勾可以卡在另兩個卡爪上進行止位。

圖13 進料口扶正機構(gòu)

7 實驗驗證

將切絲刀片固定在切絲切片盤上；將切絲切片打發(fā)桶放入到切絲料理杯中；將安裝有刀片的切絲切片盤固定在傳動軸上。將杯蓋安裝到切絲料理杯上并旋緊，將組裝好的切絲料理杯發(fā)到主機上即可實現(xiàn)切絲功能。

切絲料理杯的中間、側(cè)面進料口尺寸均為國標允許范圍內(nèi)的最大尺寸。進料蓋的尺寸按照工業(yè)造型要求進行設(shè)計，杯體和進料蓋的直徑未超過?200 mm。切絲功能切出的長、短絲效果如圖14所示。通過試驗驗證，兩個進料口均能保證進料順暢，中間進料口投入的食材可以實現(xiàn)切長絲的功能；側(cè)面進料口投入食材可以實現(xiàn)切短絲的功能。在投入食材過程中，食材的上、下部均能進行定位，食材沒有跑偏的現(xiàn)象。整個切絲料理杯能夠滿足功能、用戶體驗、測試壽命等性能，該料理杯已順利上市。

圖14 試驗驗證

8 結(jié)論

本文設(shè)計了一款既能切長絲又能切短絲的切絲料理杯。通過TRIZ理論對切絲料理杯的進料口進行了優(yōu)化設(shè)計，通過九屏幕分析法對料理杯的超系統(tǒng)、系統(tǒng)、子系統(tǒng)進行了分析，得出進料蓋應(yīng)該向著多維化方向發(fā)展；通過生命曲線法則分析出料理杯處于成長期，應(yīng)該要投入大量的人力、物力、財力；通過資源分析將料理杯整個系統(tǒng)的資源進行了歸納；通過完備性法則得出整個結(jié)構(gòu)的優(yōu)化需要從切絲裝置入手；通過功能分析將各個配件之間的有害作用、有用作用、不足作用進行了總結(jié)。本文利用TRIZ理論的物場分析、技術(shù)矛盾、物理矛盾等方法提出了可移動進料口，大小進料口，基于空間分離的上部兩個、下部一個進料口的方案，對方案整合及評價選出方案三。選擇方案三后伴隨著次級問題，本文通過因果鏈對食材跑偏的次級問題進行了解決，提出了增加扶正結(jié)構(gòu)的方案。最后對優(yōu)化設(shè)計后的切絲料理杯進行了試驗驗證，驗證結(jié)果表明，切絲料理杯能夠?qū)崿F(xiàn)切長、短絲的功能，用戶體驗好，測試壽命合格。