基於TRIZ理論功能裁剪的產品創新設計

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   時間:2014-03-12 03:31:26
基於TRIZ理論功能裁剪的產品創新設計簡介
摘要:本文通過對產品設計過程的分析,提出整個產品的設計過程是一個面向功能的設計過程。從功能定義和功能分析人手,給出了功能建模的過程。在功能分析的基礎上進……
基於TRIZ理論功能裁剪的產品創新設計正文

摘要:本文通過對產品設計過程的分析,提出整個產品的設計過程是一個面向功能的設計過程。從功能定義和功能分析人手,給出了功能建模的過程。在功能分析的基礎上進行功能建模,確定有用功能、不充分功能、過剩功能和有害功能是進行功能裁剪的基礎。在分析了基於TRIZ理論功能裁剪的產品創新設計一般步驟的基礎上,對斜導柱側抽芯機構進行了功能建模和功能裁剪,並建立了改進功能模型,以改進功能模型為基礎,對斜導柱側抽芯機構進行了創新設計,應用實例說明了基於TRIZ理論功能裁剪的產品創新設計方法的有效性。
0引言
技術系統的進化是以提高其理想度為基礎的,產品創新設計的最終目標也是提高其理想度以適應人類需求的不斷提高。功能裁剪是TRIZ理論中的一種分析問題和技術系統改進的方法,通過對技術系統功能模型的建立和分析,去除存在問題的功能元件,進行裁剪,刪除該功能,進而實現產品的系統改進。經過裁剪后的技術系統,其結構更加簡化,生產成本更低,而性能保持不變或更好,使產品更趨於理想解。功能裁剪是一種提高產品理想度,實現產品創新設計的有效方法。本文在討論了TRIZ理論功能裁剪方法的基礎上,依據功能裁剪方法流程進行了注射模斜導柱側向抽芯機構的創新設計。
1功能分析
產品設計的過程是一個複雜的過程,總體來說可以包括需求分析、概念設計、技術設計和詳細設計等四個階段。產品的設計過程也是實現一系列功能的過程,需求分析階段以滿足用戶的需求功能為目標:概念設計階段將需求功能轉化為功能結構;技術設計和詳細設計階段實現了功能機構向物理結構的轉變,最終實現產品的功能。整個產品的設計過程是一個面向功能的設計過程。
功能分析是對系統進行功能分解,確定系統的有用功能、不充分功能、過剩功能和有害功能,以幫助設計者更加透徹的了解系統中各個元件之間的相互聯繫和相互作用,進而找到系統存在的問題。以現有產品為基礎,通過功能分析,建立產品的功能模型,可以為產品的創新設計提供有力的保障。
功能模型是對系統功能的一種描述,其建立過程如下:
第1步:確定系統的元件、製品和與系統相關的超系統;
第2步:確定元件、製品和超系統之間的作用關係並功能性語言表述;
第3步:確定功能的類型;
第4步:用各種功能符號表達元件、製品和超系統以及功能類型並連接繪製系統功能模型。
第5步:通過分析,確定系統存在的問題。
系統功能模型的元件、製品、超系統和功能類型的表達如圖1所示。在系統功能建模過程中,對於簡單的系統可以根據常識或經驗確定各功能元件、製品和超系統;對於複雜系統,可以應用TRIZ理論的多屏幕法、金魚法和反向魚骨圖等方法建立系統的功能模型。


圖1系統功能模型示意圖2功能裁剪
裁剪是解決由功能分析發現的系統存在的問題的有效方法,也是一種對系統改進創新的方法。通過對系統存在的不足作用、過剩作用和有害作用功能的裁剪,以減少或消除系統的缺點,改善了整個功能模型,提高系統的理想度。經過裁剪將存在問題的功能元件刪除后,原來該元件所提供的功能可以通過TRIZ理論提供的方法實現,主要有以下幾種方法。
1)依據TRIZ創新原理的多用性原理,原來元件實現的功能由其他元件或超系統實現;
2)依據TRIZ創新原理的自服務原理,原來元件實現的功能由受作用元件自己來實現;
3)如果功能不是必要,則刪除原來元件實現的功能和原來元件實現功能的作用物;
4)應用TRIZ理論解決物理矛盾的分離方法來解決既需要功能又不需要此功能的物理矛盾問題。
應用功能裁剪的方法進行產品的創新設計主要是針對現有產品,裁剪問題功能元件,對於產生的新問題,可以應用TRIZ理論的發明原理、效應知識庫、標準解等工具來解決。其主要步驟如下:
第1步:確定研究對象;
第2步:對研究對象系統進行功能分析,建立功能模型:
第3步:確定功能模型中存在的有害功能、過剩功能和不足功能,進行功能裁剪;
第4步:分析裁剪后出現的問題,應用TRIZ理論的解決發明問題的工具來解決問題;
第5步:裁剪后系統功能建模;
第6步:產生新的創新設計方案。
3案例分析
為了成型塑件上的側向孔或側向凹槽,注射模結構中常採用斜導柱式的側向分型與抽芯機構。其結構包括了側向成型元件、運動元件、傳動元件、鎖緊元件和限位元件,如圖2所示。開模過程中,模具沿分型面開模,動模向後移動,在斜導柱的驅動下,側滑塊帶動側型芯完成側抽芯,同時側滑塊由彈簧拉杆限位機構限位,以保證合模過程的準確複位;合模時,斜導柱插入斜導孔驅動側滑塊帶動側型芯複位,楔緊塊起到鎖緊側滑塊的作用,整個機構要求動作準確、可靠。
圖1為某企業產品端蓋的注射模斜導柱側向分型與抽芯機構,該機構具有側抽芯力較大、生產率高、容易實現自動化生產等優點,但在使用過程中也存在著模具結構相對複雜、斜導柱容易變形、維修不方便和維修成本高等問題,不能滿足企業生產需求,與理想解存在著一定的差距,需要進行創新設計。
圖2斜導柱側抽芯機構3.1斜導柱側抽芯機構功能分析
現有斜導柱側抽芯機構採用的是機動側向分型與抽芯機構,開模時,依靠注射機的開模力作為動力,通過斜導柱將力作用於側向成型零件使其側抽芯,合模時由靠它使側向成型零件複位。對現有機構進行結構和動作原來分析,建立產品的功能模型並確定問題。
首先,確定與斜導柱側抽芯機構有輸入和輸出關係的各超系統:定模板、動模板和注射機;其次,確定系統的製品是塑件;然後,確定各功能元件及其作用,類型並繪製斜導柱側抽芯機構的功能模型,如圖3所示。
圖3斜導柱側抽芯機構功能模型該功能模型用圖形的方式表達了斜導柱側抽芯機構的製品、元件和超系統以及它們之間的相互關係。通過對這些關係的分析,從斜導柱側抽芯機構側抽芯系統功能的角度,可以發現現有機構存在的問題,如斜導柱長時間使用會產生變形,對側滑塊形成了有用不足的作用;彈簧長時間使用,動力不足同樣對側滑塊的限位是一種有用不足的作用,完善這些功能是進行產品創新設計的出發點。
3.2斜導柱側抽芯機構功能裁剪
通過上面的分析,按TRIZ理論功能裁剪的原理,將有問題的功能元件,也就是斜導柱和彈簧拉杆限位機構中的彈簧裁剪掉,彈簧拉杆限位機構中的彈簧被裁剪掉以後,限位機構不能實現限位功能,因此可以考慮將整個彈簧拉杆限位機構裁剪掉。經過上述裁剪,其結果產生了兩個新的問題:採用什麼樣的驅動方式:採用什麼樣的限位方式。
對於採用什麼樣的驅動方式問題,可以應用TRIZ中的效應來提供解決問題的思路。通過對效應知識庫中的「移動固體物質」功能進行查詢,可以得到與此問題相關的效應,如熱膨脹、慣性、阿基米德原理、彈簧變形和磁致收縮等。結合實際情況、為了使驅動系統結構簡單、操作方便、成本降低,可選用彈簧變形效應,使側滑塊在彈簧恢復力的作用下產生運動,以實現側向抽芯。
對於採用什麼樣的限位方式問題,TRIZ功能裁剪將問題元件裁剪后,原來該元件所提供的功能失去了其功能的提供者,TRIZ理論提供的解決此問題的方法是:被刪除元件所實現的功能由其他元件或受作用元件自己來實現,此方法與40條創新原理中的多用性原理和自服務原理相對應。
依據TRIZ理論解決裁剪后功能缺失問題的方法,原斜導柱的功能是開模時驅動側滑塊進行側抽芯,合模時驅動側滑塊複位,現在將斜導柱裁剪掉,可用彈簧的彈性變形來實現開模側抽芯功能,合模複位功能由楔緊塊來實現,使原楔緊塊由不動變成可動;原彈簧拉杆機構被裁剪掉以後,其功能可由限位螺釘實現,以保證開模后側滑塊的定位。將可動的楔緊塊和限位螺釘結合起來,對斜導柱側抽芯機構進行改進創新,改進后側抽芯機構的功能模型如圖4所示。
圖4改進后側抽芯機構功能模型3.3最終創新設計方案
通過TRIZ功能裁剪對斜導柱側抽芯機構進行創新,設計了楔滑塊側抽芯機構,如圖5所示。該機構主要包括了楔滑塊、導滑槽、限位螺釘、彈簧、側滑塊和側型芯等元件。注射成型完成後,模具沿分型面開模,側滑塊5在彈簧恢復力作用下向上運動實現側抽芯,抽芯完成後,由限位螺釘實現定位。合模過程中,在合模力作用下,定模板推動楔滑塊1向右運動,迫使側滑塊5向下運動複位。該機構動作準確、可靠、滿足企業需求。
圖5楔滑塊側抽芯機構4結束語
將改進前後的側抽芯機構系統進行對比,改進后的結構比改進前的結構元件數量減少了40%,作用不足功能被全部消除,元件間相互作用數減少了將近31%,有用功能數增加了15%,有用功能數與元件數之比增加了約41%,系統結構得到了較大的簡化,系統的理想度明顯提高。
以對系統的功能分析為基礎,運用TRIZ理論的裁剪方法,是提高技術系統理想度的有效途徑。從系統性能的角度來看,採用TRIZ理論中的功能裁剪方法進行注射模側抽芯機構的創新設計,用楔滑塊側抽芯機構代替斜導柱側抽機構的注射模,其結構緊湊,加工簡便、動作可靠、維修方便,元件一旦磨損后,可以通過限位螺釘的調節進行磨損后的修正,降低了注射模模具的成本。    

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