基于技术进化趋势的裁剪方法研究

第２３卷第４

设计学

３４基于技术进化趋势的裁剪方法研究 河北工业大学机械，国家技术创新方法与实施工具工程技术，裁剪是ＴＲＩＺ中一种有效解决问题的方法，其通过删除问题元件，重组系统有用功能进行产品创新设计，达到简化系统与优化产品的目的为了启发和引导设计者在裁剪过程中有效地利用资源，在使用裁剪规则引导创新设计的基础上以具有预测性和启发性的技术进化趋势作为知识源综合分析进化趋势解题与裁剪规则引导功能重组的资源来源构建了进化趋势与裁剪规则的映射关系提出了基于裁剪规则的多层次进化趋势选择策略利用进化趋势辅助功能重组，构建了基于进化趋势的裁剪方法过程模型最后通过钢带铠装机裁剪实例验证了此方法的合理性．进化趋势；裁剪；功能重组；裁剪规则；ＴＲＩＺ号：ＴＨ１２２文献标志码：Ａ文章编号ｇＩ２Ｇ２ ２２Ｇｆ ｄｅｍｉ．ｉｄｏ，ｅｏｓｇｅｉｇｄｓｙａｅｇｐｎｅｇｓｂａａ，ｇｅＦｇｇ．ｉ裁剪是发明问题解决理论中一种减少系统元件并重组系统功能而构成新系统的解题方法本质是裁剪后系统资源消耗减少达到删除有害作用降低成本简化系统提高理想度等目的．

围绕裁剪方法国内外许多学者展开了一系列研究提出了裁剪元件的优先选择顺序产生有害过剩不足功能越多的元件应优先被裁剪．许栋梁［３］在已有基于元件间作用关系的有用功能分． ·期ｂ基金项目国家自然科学基金资助项目．作者简介—男山西长治人生从事创新设计研究Ｅ通信联系人—女河北保定人博士讲师从事产品创新设计等研究，Ｅ． 配规则基础上扩展出条裁剪规则基于裁剪规则建立了系统化的裁剪方法应用流程［４］在基于价值评价的裁剪元件确定方法基础上进行了改进提出基于理想化水平的系统元件裁剪优先权评价方法高长青等［５］论述了基于功能分析的裁剪方法

个趋势作为问题解决工具表１３７个进化趋势ｓ空间进化趋 界面进化趋 时间进化趋前裁剪方法实施主要是通过裁剪规则引导设计者

２

１４单－双－多同构型１５单－双－多变异性

４３５单－双－多同构型５３６单－双－多变异性６１９７４３５单－双－多同构型５３６单－双－多变异性６１９７２０８２１９１０１１２４１２２５２８功能分配的宏观方向搜索可利用资源的盲目性较大不利于设计者操作功能重组时缺乏客观知识的引导和启发［１］，一方面易使设计者受到惯性思维的误导另一方面使设计资源的获取过分受制于设计者的知识水平和经验阻碍了设计者获得高理想度的创新解虽然文献提出了基于知识启发的裁剪方法应用过程但由于知识源过于庞大设计者在选裁剪方法集时仍存在一定盲目性技术进化理论中的进化趋势具有预测性和启发性［］以进化趋势为解题工具论述了以功能属性关系辨识进化趋势的应用过程文献认为进化趋势可作为系统进化策略的预测工具和解题工具，进化趋势可帮助设计者快速定位启发解范围因此本文引入进化趋势指导设计者进行功能重组以新功能载体来源不同为依据将文献中扩展的６类裁剪规则重新划分为３类并且将文献２进化趋势对应于裁剪规则提出多层次进化趋势选择策略在功能重组过程中利用进化趋势辅助解题，构建了基于技术进化趋势的裁剪方法过程模型．１进化趋势与裁剪规则映射关系构建技术进化定律了系统或组件发展的一般方向是技术发展过程中的客观规律但没有每个方向的进化细节而技术进化趋势是进化定律的

进化趋势的进化状态表明了技术系统的进化潜能每个进化趋势都可表示为由几个进化状态组成的进化趋势链如表它是由一个状态向下一个状态跳跃的发展过程从整体来看它是朝着系统理想化方向进行的进化链上的每个进化状态都可以启发设计者得到启发解．表２进化趋势链２进化趋 进化趋势材料单向适应材料双向适应材１智能材料料全向适应材料单一固体中空结构多重中空细２空间分割多孔结构多孔结构＋ 不协调动作部分协调动作完全协调进一步细化故本文将具有预测性和启发性的进化趋势作为启发源通过对世界专利库中大量专利的分析发现并确认了技术在结构上进化

３２３３

动作间隔时不同动作连续动作周期动作共振／共鸣—的趋势最先提出条进化定律等［９］在以往ＴＲＩＺ研究成果的基础上将技术进化定律归纳为９条由于进化定律过于宏观操作性差很难被用于解决问题将进化定律进一步细化提出３７个进化趋势如表从时间空间和界面三个方面对进化趋势进行了划分描述了系统组件进化趋势的方向每个进化趋势都有不同的进化状态其较为具体详细能够作为解决问题的工具其中市场进化趋势和顾客所关注的焦点进化趋势属于市场趋势其不可作为解题工具［６］，故本文共有３５

裁剪规则是裁剪方法应用过程中指导有用功能分配的原则计算机辅助创新软件ｒ提供了４种基于被裁剪元件功能的有用功能分配途径］提出了３条基于元件间作用关系的系统有用功能分配规则许栋梁［３］在已有基于元件间作用关系的有用功能分配规则基础上扩展出６第４ 类裁剪规则现有裁剪规则中新功能载体来源区分不明确资源搜索空间存在交叉增加了资源搜索的重复性设计者在选择裁剪规则时不能准确定位新功能载体来源以缩小资源搜索空间为了更好地区

分新功能载体来源本文在文献中扩展出的类裁剪规则基础上依据新功能载体来源的不同将裁剪规则重新划分为３类具体如表所示在使用裁剪规则时按表３中排列顺序依次选用．表３重新划分的裁剪规则３裁剪规 关系 原理解 新功能载体来删除原来元件执行之功能１无删除原来元件执行之功能的作用对象删除原来元件执行之功能１无删除原来元件执行之功能的作用对象原来元件执行之功能由系统内组件执行２系统内部组件作用对象自己执行原来元件执行之功能由系统外组件执行３系统外部组件１．３中资源可分为系统内部资源和系统外部资源两类［７］，内部资源是指从系统主要零部件获得的资源外部资源是指整个系统外部的资源基于系统内部资源和外部资源的划分可将３５个进化趋势按照解题过程中资源来源不同分为类第类利用内部资源操作第２类利用外部资源操作．利用系统内部资源操作的趋势以系统内组件为新功能载体提高组件性能包括结构变化颜色变化运动状态变化等改善后组件具备了新的功能属性故可执行系统中其它组件所执行的功能利用系统外部资源操作的趋势在解题过程中引入系统外组件作为新功能载体由于引入的组件具备执行系统组件功能的属性故可以代替系统内组件执行进化趋势解题过程的实质就是搜索系统内资源或系统源进行功能重组进化趋势解题时所利用资源的来源与裁剪规则引导的新功能载体的资源来源相似这一相似性为构建进化趋势与裁剪规则之间的映射关系模型如图１）提供了理论基础图中ｆ１ｆ２为映射关系函数．从以上论述可知进化趋势了裁剪规则２，３中新功能载体来源的具体方向如趋势分割表面趋势增加不对称性趋势９打破边界等通过改善系统内组件进行解题则其对应于裁剪规则趋

图 进化趋势与裁剪规则的映射关系模１ｐ势１智能材料趋势４分割物体趋势１４单双多等通过引入系统源解题则其对应于裁剪规则３．按照上述方法将利用系统内资源操作的趋势划分在裁剪规则２中利用系统源操作的趋势划分在裁剪规则３中得进化趋势与裁剪规则的映射关系如表所示由于裁剪规则不需要新功能载体本文不作讨论．２多层次进化趋势选择策略进化趋势作为ＴＲＩＺ中解题工具使用时能够有效预测系统未来状态以及启发设计者获得高理想度的创新解但设计者在选择进化趋势时较为困难．现有进化趋势解题多依赖专利数据分析确定进化趋势由于专利数据分析较为繁琐并且需要设计者掌握一定检索及分析技巧本文在选择进化趋势时省去了专利数据分析过程构建了基于进化趋势与裁剪规则的映射关系层空间界面时间三个角 表进化趋势与裁剪规则的映射关系４ｅｅ规则 空间进化趋势 界面进化趋势时间进化趋势规则１ ，

裁剪元件及其功能与进化链中进化状态及其功能的相似性对比确定能够满足新功能载体功能需求的进化趋势．３基于技术进化趋势的裁剪方法过程模型本文所研究裁剪方法对原有裁剪方法作了改规则２ 进引入进化趋势辅助功能重组进化趋势辅助功， 重组黑箱模型如图是构建新的裁剪方法过程模规则３ 型 内容其主要分为进化趋势选择和进化势解题两部分在删除被裁剪元件后初次筛选设计者在选择裁剪规则后在进化趋．二次筛选分析裁剪元件及其问题区域等分别从空间界面时间三个角度选择进化趋势为了便于设计者筛选进化趋势本文给出了空间界面时间进化趋势的概念以及解题范围如表５所示．表 空间界面时间进化趋势的概念及解题范

行功能重组故设计者可依据多层次的进化趋势选择策略模型选择进化趋势进而利用进化趋势解题启发设计者获得创新解通过以上分析为设计者掌握此黑箱模型的内部框架提供了详细的理论知识以及方法流程为构建基于技术进化趋势的裁剪方法过程模型奠定了基础．

空间进化趋 界面进化趋 时间进化趋空间是与时间相对的一种物质客界面是指个或时间是一个较为

图进化趋势辅助功能重组黑箱模型３ｎｈ观存在形式物与多个不同物相之抽象的概念，是概 物的位置差异度间的分界面界面物质运动、变量称之为空间”，是人与物体互动的持续性和顺序

基于技术进化趋势的裁剪方法过程模型如图４所示具体步骤如下：空间由长度、宽的媒介体现了一度高度、大小表定的交互性

性的表现

选择目标系统目标系统可以是产品已有方案结构空间 时间冲突，运动突、组件几何变组件或功能数量变化的持续性和

功能分析依据系统各组件之间关系

化物质的物理结

变化、交互作用人机交互外观等顺序性

如频率

能不足功能过剩功能有害功能构建系统功能构变化 协调性 模型确定裁剪元件并依据根原因分析成本分析或有害功能分析等确定裁剪元件优先顺序．确定裁剪规则按顺序依次选用裁剪规则找到符合要求的裁剪规则若裁剪规则１符合要求则直接转至步骤若规则１不符合要求则依次选用裁剪规则转至步骤５）．选择进化趋势针对选择的裁剪规则依据多层次的进化趋势选择策略模型确定进化趋势在此，也可借助根原因分析及有害作用分析辅助确定进化趋势通常在根原因分析中区域所违背的进化图２多层次进化趋势选择策略模型２ｅｙｈｆ三次筛选基于前两次选择的进化趋势

趋势就是系统或组件潜在发展方向进化趋势解题或组件在进化链中的当前状态分析得出潜力状态由潜力状态启发得到启发解对于裁剪规则启发解为符合潜力状态第４ 要求的系统内组件可提高或挖掘系统内组件的功能属性对于裁剪规则启发解为系统外组件．评价以理想性和可行性作为评判标准对裁剪后模型进行评判若满足要求则输出创新方案，

反之则重新确定裁剪元件继续进行裁剪操作在本文中理想性评价主要包括组件数成本有害作用等因素可行性评价包括结构技术以及原理等图 基于进化趋势的裁剪方法过程模 ｇ４实例应用钢带铠装机裁剪创新设计电缆行业是我国仅次于汽车行业的第二大行业［１４１５］，在一些要求电缆承受拉力的情况下电缆需要加装钢带铠装层即在电缆绞线上绕包钢带形成钢带铠装电缆钢带铠装机如图５图６所示钢带铠装电缆的出现解决了电缆抗拉以及防护等问题但企业在实际生产过程中存在一些急需改进的问题目前主要是把钢带均匀缠绕在绞线上钢带盘装在钢带盘轴上工作时钢带盘随轴一起转动而当钢带盘转速太高时回转产生不平衡的离心 图５钢带铠装机ｇ 性力系离心惯性力系发生周期性变化致使在承载中产生附加动压力影响机器的强度并降低机械效率［１６］，同时会引起机器振动长期高速旋转势必会影响机器稳定性甚至会造成事故存在很大的安全图６当前钢带铠装机结构示意图ｇ

对钢带铠装机进行功能分析建立其功能模型如图找出其有害作用不足作用及过剩作用．由问题根原因分析可知钢带盘轴带动钢带盘间歇运动造成变化的离心力容易引起机器振动存在安全隐患确定裁剪元件为钢带盘和钢带盘轴等现已知钢带盘较重由离心力可知钢带盘及钢带自重是产生巨大离心力的一个重要因素但钢带盘为钢带装置故不能裁剪因此将对钢带盘轴进行裁剪最终确定裁剪元件为钢带盘轴．４．２

图７钢带铠装机功能模型 ｇ势和协调性节奏趋势的各个进化状态找出符合功能属性要求的下一发展状态为部分协调动作和周期协调动作．基于对系统的分析发现裁剪规则１不可行选择裁剪规则原来元件执行之功能由系统内组件执行即钢带盘轴所提供的旋转支撑等功能由铠装机系统内组件执行由于钢带重量大钢带高速旋转产生的离心力较大机器振动严重存在很大安全隐患所以旋转不能太快问题涉及时间频率振动等因素则从时间进化角度筛选进化趋势依据功能相似性对比最终选择协调性动作趋势和协调性节奏趋势进化趋势解题由于裁剪造成对钢带盘的支撑固定旋转等功能缺失故依据下一发展状态在系统内寻找能够提供这些功能的组件在表２中查看协调性动作趋

受表６中进化状态启发寻找动作协调性的组件或周期运动组件显然系统内组件铠装机纵轴即滚筒符合条件由滚筒执行钢带盘轴的功能钢带盘横穿在铠装机滚筒上进而形成创新解即裁剪后模型如图８所示．表钢带铠装机的进化趋势解题过程６ｎｓｈｅｇ趋势名称 问题当前状态下一发展状态 启发解协调性动 不协调动 部分协调动 协调结协调性节 连续的动 周期动 钢带盘周期旋第４ 图８钢带铠装机裁剪后模型 ｇ评价以理想性和可行性作为评判标准对裁剪后模型进行评价首先此方案在裁剪过程中删除了系统内组件钢带盘轴没有引入新组件达到了减少系统组件的目的钢带盘横穿在滚筒上轴向旋转受力均匀回转过程中不会产生不平衡的离心惯性力系可消除振动噪声等有害作用机器运行过程中的稳定性得到了保障故可提高钢带盘转速进而提高了生产效率组件数的减少和生产率的提高可使其成本降低则系统理想性得到提高其次裁剪后模型在原有方案基础上作了改进利用滚筒执行钢带盘轴的功能由于工作时滚筒本身处于旋转状态且强度较高故可代替钢带盘轴实现支撑旋转等功能方案在原理上可行钢带铠装机新结构已通过三维软

图１０钢带铠装机创新方案ｎ表７钢带铠装机评价表７ｇ评价项 评价结删除了钢带盘轴由滚筒执行其功能件建模仿真如图且现有机械加工技术能够为其提供技术支撑方案已经过某电缆企业工程师验证本方案对机器结构进行了改进提高了机器性

有害作

组件数减少消除了振动噪声等有害作用提高了机器稳定性提高了出线率能满足设计要求则输出创新方案如图与当前铠装机方案比较对实施裁剪后方案进行评价如表７所示．

成 降加工技术与原方案相似现有机械加工技术能够制造实现可行

已通过三维软件建模仿真验证了结构可行性工作时滚筒本身旋转且强度较高可代替钢带盘轴实现支撑旋转等功能５图９钢带铠装机新结构的建模仿真ｅ

本文在现有裁剪方法应用方式及裁剪规则分类的基础上将裁剪规则依据新功能载体来源重新划分为类并基于此分类原理建立了进化趋势与裁剪规则的映射关系同时建立了多层次进化趋势选择策略与进化趋势辅助功能重组黑箱模型构建了基于进化趋势的裁剪方法过程模型该模型利用进