TRIZ设计案例——智能洗碗机

1、创新产品概念设计家用智能洗碗机齐济上海大学机器人中心大致设计流程 1. 市场需求分析 2. 功能原理建模 3. 形态学分析 4. 公理化设计 5. TRIZ理论求解 6. 技术路线图的绘制 7. QFD质量屋方法一.洗碗机的需求分析 发展史：发展史：洗碗机起源于欧洲，在1927年，德国创立了世界上第一个简易的洗碗机。在德国有20家洗碗机公司，意大利有21家洗碗机公司，产品普及率超过70%。 洗碗机在中国的发展情况：洗碗机在中国的发展情况： 洗碗机在我国市场上累计已有20年的发展历史，但是这个领域一直发展缓慢，产品的普及率长期徘徊在10%以下，远低于欧洲国家50%以上的普及率。价格在3000-5

2、000元之间，有些高达万元。 洗碗机价格一般在4000多远，售价6000元以上的产品也很普遍，国内具有洗碗机生产线的企业有小天鹅、海尔、美的、澳柯玛、格兰仕。生产的多款洗碗机中，只有一款是面向中国消费者，其他的型号主要出口欧美国家。2.厨房空间小3.不完全适用于中国餐具4.消费者对洗碗机缺乏认知度我国洗碗机无法普及的主要原因：我国洗碗机无法普及的主要原因： 定位：定位：以上的分析证明：洗碗机在欧美国家有很大的市场需求，在中国普及程度不高，所以有很大的市场前景。该产品的定位旨在设计高档的、功能全面的、能够清理中国特色餐具的洗碗机。 理念：理念：结合最新的科技成果，将多种基本功能如清洗、去垢、杀菌

3、等功能融入洗碗机，做到功能强大，高度智能。将洗碗机做的轻便小巧，不占厨房宝贵空间。 目标：目标：通过功能分析、方案拟定、结构设计、TRIZ理论解决关键问题，设计出合理的方案。下面就用SWOT分析法分析洗碗机的优势、劣势、市场商机、市场威胁。Strength Weakness Opportunities Threats产品优势：产品优势：能够全自动地进行洗碗工作，极大地节省了人力资源；1. 能够储存餐具，节省空间。不易落灰，更加卫生，保证饮食健康。产品缺点：产品缺点：操作复杂，针对不同的餐具有多种洗涤模式，如若选择不当就可能造成污物残留；资源浪费严重，一次清洗往往要用水10L以上，超声波清洗、紫

4、外线杀菌灯工序耗电严重。洗碗时间长，一次要1h以上；洗碗机内部需要定期清理，使用前接水管、用后拔水管，操作复杂；相比西式餐具，中式餐具不易清理净;1.占用空间大。市场威胁：市场威胁： 同类产品竞争激烈，生产厂商多。不同品牌产品差异小，普遍智能化程度不高，工作原理基本相同。市场商机：市场商机： 洗碗机销售量逐年提高，产量不断增大，证明其得到了良好的市场认可。 由于其提高了家务完成效率，对工作在外、无时间打理厨房的年轻人来说是件“利器”，在今后也将得到良好发展。现有市场洗碗机的主要功能总结 绝大部分洗碗机的功能是一致的，均是洗碗功能：绝大部分洗碗机的功能是一致的，均是洗碗功能：有不同的洗碗模式，每

5、种模式的水温、水量、水的流速、清洗时间不同，以应对不同状态下的餐具。如带着粘性米粒残余、或者长时间难以清理的油垢，就需要采用“强洗”，而用餐刚结束就清晰，污垢易于除去，可用“标准”或“超快洗”。 还有一个基本功能是保持餐具清洁，防止落灰。另外还有部分高端洗碗机可以提供紫外线杀菌和超声波去垢的功能。 但绝大多数洗碗机说明书都要求顾客能够做到但绝大多数洗碗机说明书都要求顾客能够做到：1.定期清洗滤网；2.准确选择清洗模式；3.要与冷水管和热水管同时相连，用前接水管、用后拔水管；4.添加多种洗涤剂；5.需谨慎操作以避免危险发生。二.功能分析-功能结构图电能电能冷热水、洗涤剂冷热水、洗涤剂饭后餐具饭后

6、餐具清洁餐具清洁餐具控制面板显示控制面板显示放碗格架单片机控制保洁杀菌结构水剂混合器污水污水循环清洗结构强力去垢结构 用“黑箱法”确定洗碗机大致功能结构。我们将输入和输出首先选定，设计了一个洗碗机大致需要的几个结构模块和模块间的相互关系。功能主体基本功能具体功能设备名称功能层次图 我们的设计方案就基于该功能层次图的分析。三.形态学矩阵与方案设计 我们总结出洗碗机的功能元，并找到了每个功能元对应的可能的几种硬件结构的方案组成形态学矩阵，在下一篇ppt中，我们对硬件方案进行筛选，得到最终设计方案。由筛选后的形态学矩阵可得由筛选后的形态学矩阵可得1X2X3X3X1X1=18个原理方案个原理方案由原形

7、态学矩阵可得由原形态学矩阵可得4X4X4X5X2X4=2560个原理方案个原理方案筛选筛选 将无法应用的硬件方案去除，筛选得到可行的硬件方案组合。最终方案拟定进出水控制进出水控制硬件选择：硬件选择：水泵抽水水泵抽水水温控制水温控制硬件选择：硬件选择：A.A.冷热水管出水混合冷热水管出水混合B.B.微型电锅炉微型电锅炉循环冲洗循环冲洗硬件选择：硬件选择：A.A.水泵循环抽水水泵循环抽水B.B.扇叶旋转打水扇叶旋转打水C.C.喷水头或水枪喷水头或水枪顽渍去垢顽渍去垢硬件选择：硬件选择：A.A.软布旋转刮擦软布旋转刮擦B.B.超声波微振荡超声波微振荡C.C.高压水枪高压水枪加热烘干加热烘干硬件选择：

8、硬件选择：电热丝电热丝+ +吹风机吹风机杀菌消毒杀菌消毒硬件选择：硬件选择：紫外线发生器紫外线发生器设计者首先分析用户的需求，并把它们转化为产品的一系列功能需求FR然后根据产品的功能需求FR来确定零部件的结构及其设计参数DP信息公理信息公理独立化公理独立化公理最终方案最终方案独立化公理：保持功能要求的独立性独立化公理：保持功能要求的独立性 当有两个或两个以上的功能要求时，当有两个或两个以上的功能要求时，设计方案必须满足每一个功能要求，而且设计方案必须满足每一个功能要求，而且不影响其它的功能要求，这就要求选择设不影响其它的功能要求，这就要求选择设计参数时，既要满足功能要求，又要保持计参数时，既要

9、满足功能要求，又要保持功能要求的相互独立功能要求的相互独立。分析功能要求与对应的设计参数之间的关系可以判断功能要求之间是否相互独立。 信息公理：信息公理： 力求设计信息含量最少力求设计信息含量最少 在所有满足独立性公理的设计中，信息含量最少的设计是最好的设计，它是用来对设计方案进行评价和比较的原则。根据公理2的要求，在设计中应尽量简化设在设计中应尽量简化设计工作，减少设计中各种因素的影响，以计工作，减少设计中各种因素的影响，以减少设计中产生公理化设计理论及其应用减少设计中产生公理化设计理论及其应用研究功能耦合的可能性研究功能耦合的可能性。四.公理化设计分析设计方程组：FRADP从功能域到结构域

10、的映射可以用上式来表示，其中：FR功能要求，表示设计洗碗机所需要的各项基本功能；DP设计参数，表示设计洗碗机的结构需要哪些组成部分；A设计矩阵，表示功能要求FR与设计参数DP之间对应元素的关系。独立化公理判定规则：独立化公理判定规则：在线性设计方案中，Aij是个常数。A为对角矩阵，则每个FR可以通过调整某一个DP来保证，而不影响其他的FR。满足独立性公理，这样的设计称为非偶合设计。A为三角矩阵，独立性公理也可以被满足，称为准偶合设计。A为其他形式的矩阵，则称之为偶合设计。偶合设计不满足独立性公理，应分解偶合。信息公理判定规则：信息公理判定规则：具有最小信息量的设计是最佳设计。换言之，用最简单的

11、设计参数实现所有功能需求的设计是最佳设计。对于给定的功能要求FRi，如果设计参数DPi满足FRi的概率为Pi，那么信息量为：对于有m个FR的设计问题，整个系统的信息量为：其中，Pm为m个FR的联合概率联合概率； Pi|j为同时满足Fri及其它所有与之相关的FRj（j=0，1，2，i）的条件概率。无耦合设计无耦合设计 耦耦合设计合设计i2iIlog P m2immi 1sysi2mmi 1i 12iji 1log PIIlog Plog P 由左侧分解图生成设计矩阵：由左侧分解图生成设计矩阵： 首先将功能域和物理域对照起来进行“之”字曲折分析，得到设计矩阵。由于设计矩阵的形状是对角阵，所以洗碗机

12、的设计是非耦合设计，不同功能之间相互独立，互不影响，满足满足独立化公理独立化公理。从功能域到物理域的从功能域到物理域的“之之”字形曲折分析：字形曲折分析：功能域物理域100000010000001000000100000010000001电磁阀搅拌器驱动马达和泵超声波发生器电加热丝和吹风机紫进出水水剂混合循环冲洗外顽渍去垢加热烘干消毒线发生器其中，Pm为m个FR的联合概率； Pi|j为同时满足Fri及其它所有与之相关的FRj（j=0，1，2，i）的条件概率。经过检验，我认为我们的项目符合信息量条件：mmmsysi2m2ii 1i 1i 1IIlog Plog P 最终我们得到结论：该设计满足信

13、息公理满足信息公理。五.产品进化趋势应用技术进化趋势和法则：TRIZ的8种进化法则：该理论强调技术系统一直处于进化之中，技术的进化受到客观规律的支配，解决矛盾就是解决阻碍技术系统的进化、实现系统从低级到高级变化的过程。 法则1：完备性法则：完备性法则：完整的技术系统包括动力、传输、执行和控制四个部件装置。洗碗机中有驱动马达带动水泵（动力）、由传动机构和电路机构将单片机驱动命令传输到各部件（传输）、搅拌器，紫外线发生器、吹风机等部件执行各自功能（执行）、单片机与控制面板（控制）； 法则2：能量传递法则能量传递法则：沿着能量流动路径缩短的方向发展，提高部件运作效率。洗碗机中超声波、水枪、水循环去垢

14、方式效率高于人工往复式擦洗； 法则3：动态性进化法则：动态性进化法则：结构上增加柔性，可移动性和可控制性。柔性提高、体积不断减小易于移动，面板简化，功能集中，易于控制； 法则4：提高理想度法则：提高理想度法则：其意义是技术系统的进化由量变到质变，效率提升，功能多样化，性价比提升。洗碗机的进化由低级到高级，不断提升效率，集清晰、去垢、烘干、杀菌等功能于一体。 法则5：子系统不均衡进化法则：子系统不均衡进化法则：主系统由多个子系统组成，每个子系统都根沿着自己的S曲线向前发展，进化动力源于子系统不均衡性。如超声波技术日臻成熟，就可以推动洗碗机的去垢技术向前发展。 法则6：向超系统进化法则：向超系统进

15、化法则：简化原有系统。将过去洗碗机的洗碗槽、水箱等部分分理出机器本身，简化后的洗碗机体积小，更加简化。 法则7：微观进化法则：微观进化法则：随着科技技术进步，很多模块的尺寸不断减小，如触摸屏和控制模块，只需要很小的一块就能完成；超声波发生器模块、吹风机模块都可以做的更高效，更精巧。 法则8：协调性法则：协调性法则：不同的技术模块可以集成在一个不大的空间内共同完成一个复杂的洗碗任务，具有良好的协调性。 经过分析，洗碗机的技术进化趋经过分析，洗碗机的技术进化趋势满足势满足TRIZTRIZ理论的理论的8 8种进化法则！种进化法则！六.关键问题抽出和TRIZ原理求解关键问题一 由于中国式的餐具比较深，

16、洗碗机的水流难以进入到碗的底部进行冲洗，所以将中国的餐具放入洗碗机清洗都会有污垢残留。相比之下，西方的餐具以碟子为主，表面平滑，易于被洗碗机清洗。这也是洗碗机在中国迟迟打不开市场的原因。为了解决这一现象，我们通过TRIZ理论予以解决。 步骤是：步骤是： 1.确定形成技术系统矛盾的通用工程参数； 2.查询应用矛盾矩阵表，找到相应改善工程参数和恶化工程参数的对应位置； 3.获得发明原理的详解，逐个应用到具体问题上，看看是否可行。 经分析，改善的工程参数是形状（9），恶化参数是运行效率（24），查表结果如下： 恶化参数恶化参数改善参数改善参数抽出原理气压或液压结构原理替换机械系统原理局部特性原理复合

17、材料原理多孔材料原理组合原理 由于过去的洗碗机仅仅是靠水流冲刷，碗底无法洗净。通过机械性装置，直接通过接触方式擦除污垢。 用先进、效果好的多孔材料吸收碗底的油垢将高压水枪、超声波微振荡、机械旋转清洁头等部件组合，同时工作。17：多维化原理35：状态和参数变化原理09：预先反作用原理31：多孔材料原理13：反向作用原理03：局部特性原理05：组合原理 恶化参数恶化参数改善参数改善参数状态和参数变化原理：状态和参数变化原理：不工作时机器的状态可以发生改变。比如做成可拆卸式的洗碗机，不用时可以拆成几个装有电机的部件和几个简单的板子。板子可以用来装饰或搭架子，用的时候直接快速拼装，很节省空间。局部特性

18、原理：局部特性原理：发挥洗碗机的局部特性，将循环清洗的功能拆分出来，做一个单独的模块，其他的能省则省，尽量简单。组合原理：组合原理：将洗碗机拆封成多个小模块，用的时候组合做成一个微型的流水线，餐具在传送带作用下运送到消毒模块等处理，处理完毕直接被送上碗架。想要什么模块就可以拼上什么模块，用完之后拆开，节省空间。关键问题二关键问题二减小机器的尺寸和质量，使其更轻便，不占地方七.设计开发的战略进程设计未来厨房愿景未来的厨房高度智能化，高度整洁，洗碗机在使用前可以拿出来拼装，不用了可以拆分后收起，不占用多余空间，提高了便捷性。21时间市场清洗效果好的便捷洗碗机强力循环去污的便捷洗碗机产品普通尺寸洗碗

19、机便捷洗碗机可拆卸式流水线式技术循环冲洗机械式旋转擦洗头组合：机械+水枪开发项目模型清洗模型循环清洗污垢去除杀菌模型杀菌测试资源资金人员/技能供应链起点：我们起点：我们在这里在这里手段：不同阶段采取哪些手段：不同阶段采取哪些手段做支撑手段做支撑时间轴：我们何时时间轴：我们何时到达到达产品技术路线图绘制-粗略的技术路线图将市场、产品、技术、开发项目和资源统筹兼顾的考虑进路线图。 密封件强度设计质量设计冲击力小涡流死角高压水冲洗高压水喷头设计 涡流发生水循环管道设计泵转速控制冲击方向设计碗底去垢机械清洁头设计机械装置设计碗部擦头材料设计转速快小巧油性大粘度大顽渍吹风机精巧化设计温度控制紫外线杀菌功

20、率控制 杀菌不净辐射散逸模块精巧设计烘干杀菌功能循环清洁项目功能的促进与阻碍项目功能的促进与阻碍电机设计杀菌死角可拆卸设计模块化设计密封设计流水线设计流畅性设计安全性模块的体积模块的耐用性红色箭头表示促进因素绿色箭头表示阻碍因素详细的技术路线图用鱼骨图分析对该项目有促进和阻碍作用的因素。 质量功能展开QFD(Quality Function Deployment)是把顾客或市场的要求转化为设计要求、零部件特性、工艺要求、生产要求的多层次演绎分析方法。QFD作用作用：质量展开-将顾客要求转化为产品设计要求功能展开-将设计要求转化为合适的部件，过程，和生产要求。QFD益处：益处：增加满足顾客的呼声

21、的保证；减少由于工程知识引起的更改数量；识别相冲突的设计要求；将各种公司的活动集中于以顾客为主的目标上缩短产品开发周期；减少工程，制造和服务的成本QFD最早被日本提出的时候有27个阶段，被美国引进后简化为四个阶段。质量屋的展开有以下几点注意事项：质量屋的结构可以剪裁和扩充从图中可以看出，质量屋的结构要素，各个阶段大体通用，但可根据具体情况，每个阶段可以适当剪裁和扩充。QFD的四阶段可以剪裁和扩充并不是所有的质量功能展开都需要严格的按照上述四个阶段。根据具体的情况，QFD的四个阶段可以进行剪裁或扩充。质量屋的规模不宜过大质量屋的规模不宜过大，以便于操作。QFD各阶段质量屋的建造要遵循并行工程的原

22、则要特别指出，四阶段的质量屋必须按照并行工程的原理在产品方案论证阶段同步完成，以便同步地规划产品在整个开发过程中应该进行的所有的工作，确保产品开发一次成功。用水用电量用水用电量 烘干效果烘干效果美观度美观度容纳量容纳量售价售价杀菌效果杀菌效果清洁力清洁力功率功率耗水耗水量量用电用电量量污渍污渍残余残余量量元器元器件质件质量量按钮按钮耐用耐用性性整机整机体积体积安全安全性能性能紫外紫外线能线能级级强相关强相关相关相关弱相关弱相关强正相关强正相关相关相关负相关负相关强负相关强负相关17竞争性评价竞争性评价A-松下松下 B-我的我的 C-西门子西门子1 2 3 4 5顾客关注指标及关注程度排序顾客关

23、注指标及关注程度排序A B CA B CB C AB C AB C AB C AC B AC B AA B CA B CCB ACB AA B CA B C技术性评价技术性评价蓝蓝-松下；绿松下；绿-我我的；红的；红-西门子西门子相对重要性相对重要性技术难度技术难度201524102511252八.质量功能配置分析-做出质量屋QFD图A-松下松下B-我公司品牌我公司品牌C-西门子西门子放碗格架电磁阀喷水口滤网餐具排水口泵洗涤剂料斗机器进水口机器排水口箱体增加重量增加重量加入洗涤剂将水管中的冷、热水通过喷水口打入箱体开关作用循环过滤污垢循环过滤污垢抽、排水功能摆放功能循环冲洗功能循环冲洗功能超声波发生器或软布旋转支架电加热丝、吹风机、紫外线发生器去垢加热、烘干、消毒马达驱 动高压水枪或扇叶九.最终总体设计效果图和机构示意图碗底清洁头，通过高速旋转去除碗底污垢，可以俯仰，清理碗的每个角落吸收油污的多孔材料在清洁头中间是喷射口，同时喷出洗涤剂和高压水加热烘干、紫外线模块流水带式输送，将碗取出，清洗好之后自动送回碗架方案一：流水线式洗碗机方案一：流水线式洗碗机水槽高压水与洗涤剂混合喷出多孔材料去污头旋转电机上下俯仰关节、左右旋转关