摘要：以GDX2剔除裝置創(chuàng )新設計為例,描述了利用TRIZ理論解決產(chǎn)品創(chuàng )新設計問(wèn)題的一般過(guò)程。介紹了TRIZ理論的概念和體系結構。利用TRIZ理論指導GDX2剔除裝置的創(chuàng )新設計過(guò)程,從用途、原理要求等方面著(zhù)手,說(shuō)明了如何將實(shí)際問(wèn)題抽象為工程技術(shù)參數、如何劃分優(yōu)化參數與惡化參數以及二者之間的矛盾;重點(diǎn)闡述了矛盾矩陣和40條創(chuàng )新原則在設計過(guò)程中的具體應用方法,最后得出一種解決方案，杜絕了誤剔現象。

   關(guān)鍵詞： TRIZ 理論；矛盾矩陣；GDX2；創(chuàng )新設計

   1引言

  GDX2包裝機組為意大利GD公司設計制造，后由上海煙機廠(chǎng)引進(jìn)技術(shù)批量生產(chǎn)的高速包接設備，目前有進(jìn)口和國產(chǎn)兩種來(lái)源，但其結構和性能基本相同。該機組性能較好，自動(dòng)化程度高，是當前我國煙草行業(yè)中硬盒包裝設備的主力機型之一。

   GDX2卡紙接頭剔除檢測系統的檢測，原為一個(gè)探測桿壓在工作的卡紙上面，在卡紙用完之時(shí)探桿下落，觸動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測卡紙用盡并產(chǎn)生接頭剔除信號，通過(guò)移位在八號輪進(jìn)行接頭剔除。 但對于在高速時(shí)，不可避免地會(huì )產(chǎn)生誤操作。操作工反映“卡紙用盡”顯示頻繁，八號輪剔除好煙太多。經(jīng)觀(guān)察發(fā)現設備運行中卡紙用盡檢測探桿隨卡紙抖動(dòng)而產(chǎn)生跳動(dòng)觸動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測，造成誤剔及停機。

   2 TRIZ 理論綜述

   TRIZ的意思是發(fā)明問(wèn)題解決理論，由前蘇聯(lián)發(fā)明家里奇.阿奇舒勒在1946年創(chuàng )立。在軍事、工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域均發(fā)揮了巨大作用，成為創(chuàng )新的“點(diǎn)金術(shù)”。

   阿奇舒勒發(fā)現任何領(lǐng)域的產(chǎn)品改進(jìn)、技術(shù)的變革、創(chuàng )新和生物系統一樣，都存在產(chǎn)生、生長(cháng)、成熟、衰老、滅亡，是有規律可循的。人們如果掌握了這些規律，就能能動(dòng)地進(jìn)行產(chǎn)品設計并能預測產(chǎn)品的未來(lái)趨勢。在他的領(lǐng)導下，前蘇聯(lián)的研究機構、大學(xué)、企業(yè)組成了TRIZ的研究團體，分析了世界近250萬(wàn)份高水平的發(fā)明專(zhuān)利，總結出各種技術(shù)發(fā)展進(jìn)化遵循的規律模式，以及解決各種技術(shù)矛盾和物理矛盾的創(chuàng )新原理和法則，建立一個(gè)由解決技術(shù)，實(shí)現創(chuàng )新開(kāi)發(fā)的各種方法、算法組成的綜合理論體系，并綜合多學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則，建立起TRIZ理論體系。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀的發(fā)展，TRIZ理論已經(jīng)成為一套解決新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)實(shí)際問(wèn)題的成熟的九大經(jīng)典理論體系。 

   2.1 TRIZ的技術(shù)系統八大進(jìn)化法則。

   阿奇舒勒的技術(shù)系統進(jìn)化論可以與自然科學(xué)中的達爾文生物進(jìn)化論和斯賓塞的社會(huì )達爾文主義齊肩，被稱(chēng)為“三大進(jìn)化論”。TRIZ的技術(shù)系統八大進(jìn)化法則分別是：（1）技術(shù)系統的S曲線(xiàn)進(jìn)化法則；（2）提高理想度法則；（3）子系統的不均衡進(jìn)化法則；（4）動(dòng)態(tài)性和可控性進(jìn)化法則；（5）增加集成度再進(jìn)行簡(jiǎn)化法則；（6）子系統協(xié)調性進(jìn)化法則；（7）向微觀(guān)級和場(chǎng)的應用進(jìn)化法則；（8）減少人工進(jìn)入的進(jìn)化法則。技術(shù)系統的這八大進(jìn)化法則可以應用于產(chǎn)生市場(chǎng)需求、定性技術(shù)預測、產(chǎn)生新技術(shù)、專(zhuān)利布局和選擇企業(yè)戰略制定的時(shí)機等。它可以用來(lái)解決難題，預測技術(shù)系統，產(chǎn)生并加強創(chuàng )造性問(wèn)題的解決工具。 

   2.2最終理想解(IFR)

   TRIZ理論在解決問(wèn)題之初，首先拋開(kāi)各種客觀(guān)限制條件，通過(guò)理想化來(lái)定義問(wèn)題的最終理想解（ideal final result，IFR），以明確理想解所在的方向和位置，保證在問(wèn)題解決過(guò)程中沿著(zhù)此目標前進(jìn)并獲得最終理想解，從而避免了傳統創(chuàng )新涉及方法中缺乏目標的弊端，提升了創(chuàng )新設計的效率。如果將創(chuàng )造性解決問(wèn)題的方法比作通向勝利的橋梁，那么最終理想解(IFR)就是這座橋梁的橋墩。最終理想解(IFR)有四個(gè)特點(diǎn)：（1）保持了原系統的優(yōu)點(diǎn)；（2）消除了原系統的不足；（3）沒(méi)有使系統變得更復雜；（4）沒(méi)有引入新的缺陷等。 

   2.3  40個(gè)發(fā)明原理

   阿奇舒勒對大量的專(zhuān)利進(jìn)行了研究、分析和總結，提煉出了TRIZ中最重要的、具有普遍用途的這40個(gè)發(fā)明原理，分別是：1、分割；2、抽??；3、局部質(zhì)量；4、非對稱(chēng)；5、合并；6、普遍性；7、嵌套；8、配重；9、預先反作用；10、預先作用；11、預先應急措施；12、等勢原則；13、逆向思維；14、曲面化；15、動(dòng)態(tài)化；16、不足或超額行動(dòng)；17、一維變多維；18、機械振動(dòng)；19、周期性動(dòng)作；20、有效作用的連續性；21、緊急行動(dòng)；22、變害為利；23、反饋；24、中介物；25、自服務(wù)；26、復制；27、一次性用品；28、機械系統的替代；29、氣體與液壓結構；30、柔性外殼和薄膜；31、多孔材料；32、改變顏色；33、同質(zhì)性；34、拋棄與再生；35、物理/化學(xué)狀態(tài)變化；36、相變；37、熱膨脹；38、加速氧化；39、惰性環(huán)境；40、復合材料。 

   2.4 39個(gè)工程參數及阿奇舒勒矛盾矩陣。

    在對專(zhuān)利研究中，阿奇舒勒發(fā)現，僅有39項工程參數在彼此相對改善和惡化，而這些專(zhuān)利都是在不同的領(lǐng)域上解決這些工程參數的沖突與矛盾。這些矛盾不斷地出現，又不斷地被解決。由此他總結出了解決沖突和矛盾的40個(gè)創(chuàng )新原理。之后，將這些沖突與沖突解決原理組成一個(gè)39個(gè)改善參數與39個(gè)惡化參數構成的矩陣，矩陣的橫軸表示希望得到改善的參數，縱軸表示某技術(shù)特性改善引起惡化的參數，橫縱軸各參數交叉處的數字表示用來(lái)解決系統矛盾時(shí)所使用創(chuàng )新原理的編號。這就是，著(zhù)名的技術(shù)矛盾矩陣。阿奇舒勒矛盾矩陣為問(wèn)題解決者提供了一個(gè)可以根據系統中產(chǎn)生矛盾的兩個(gè)工程參數，從矩陣表中直接查找化解該矛盾的發(fā)明原理來(lái)解決問(wèn)題。 

   2.5 物理矛盾和四大分離原理

   當一個(gè)技術(shù)系統的工程參數具有相反的需求，就出現了物理矛盾。比如說(shuō)，要求系統的某個(gè)參數既要出現又不存在，或既要高又要低，或既要大又要小等。相對于技術(shù)矛盾，物理矛盾是一種更尖銳的矛盾，創(chuàng )新中需要加以解決。物理矛盾所存在的子系統就是系統的關(guān)鍵子系統，系統或關(guān)鍵子系統應該具有為滿(mǎn)足某個(gè)需求的參數特性，但另一個(gè)需求要求系統或關(guān)鍵子系統又不能具有這樣的參數特性。分離原理是阿奇舒勒針對物理矛盾的解決而提出的，分離方法共有11種，歸納概括為四大分離原理，分別是空間分離、時(shí)間分離、居于條件的分離和系統級別分離等。 

   2.6 物一場(chǎng)模型分析

   阿奇舒勒認為，每一個(gè)技術(shù)系統都可由許多功能不同的子系統所組成，因此，每一個(gè)系統都有它的子系統，而每個(gè)子系統都可以再進(jìn)一步地細分，直到分子、原子、質(zhì)子與電子等微觀(guān)層次。無(wú)論大系統、子系統、還是微觀(guān)層次，都具有功能，所有的功能都可分解為2種物質(zhì)和1種場(chǎng)(即二元素組成)。在物質(zhì)-場(chǎng)模型的定義中，物質(zhì)是指某種物體或過(guò)程，可以是整個(gè)系統，也可以是系統內的子系統或單個(gè)的物體，甚至可以是環(huán)境，取決于實(shí)際情況。場(chǎng)是指完成某種功能所需的手法或手段，通常是一些能量形式，如:磁場(chǎng)、重力場(chǎng)、電能、熱能、化學(xué)能、機械能、聲能、光能等等。物一場(chǎng)分析是TRIZ理論中的一種分析工具，用于建立與已存在的系統或新技術(shù)系統問(wèn)題相聯(lián)系的功能模型。 

   2.7發(fā)明問(wèn)題的標準解法

   標準解法阿奇舒勒于1985年創(chuàng )立的，共有76個(gè)，分成5級，各級中解法的先后順序也反映了技術(shù)系統必然的進(jìn)化過(guò)程和進(jìn)化方向，標準解法可以將標準問(wèn)題在一兩步中快速進(jìn)行解決，標準解法是阿奇舒勒后期進(jìn)行TRIZ理論研究的最重要的課題，同時(shí)也是TRIZ高級理論的精華。標準解法也是解決非標準問(wèn)題的基礎，非標準問(wèn)題主要應用ARIZ來(lái)進(jìn)行解決，而ARIZ的主要思路是將非標準問(wèn)題通過(guò)各種方法進(jìn)行變化，轉化為標準問(wèn)題，然后應用標準解法來(lái)獲得解決方案。 

   2.8發(fā)明問(wèn)題解決算法(ARIZ)

   ARIZ是發(fā)明問(wèn)題解決過(guò)程中應遵循的理論方法和步驟，ARIZ是基于技術(shù)系統進(jìn)化法則的一套完整問(wèn)題解決的程序，是針對非標準問(wèn)題而提出的一套解決算法。ARIZ的理論基礎由以下3條原則構成：1、ARIZ是通過(guò)確定和解決引起問(wèn)題的技術(shù)矛盾；2、問(wèn)題解決者一旦采用了ARIZ來(lái)解決問(wèn)題，其慣性思維因素必須被加以控制；3、ARIZ也不斷地獲得廣泛的、最新的知識基礎的支持。ARIZ最初由阿奇舒勒于1977年提出，隨后經(jīng)過(guò)多次完善才形成比較完善的理論體系, ARIZ－85包括九大步驟：1、分析問(wèn)題；2、分析問(wèn)題模型；3、陳述IFR和物理矛盾；4、動(dòng)用物－場(chǎng)資源；5、應用知識庫；6、轉化或替代問(wèn)題；7、分析解決物理矛盾的方法；8、利用解法概念；9、分析問(wèn)題解決的過(guò)程等等。 

   2.9科學(xué)效應和現象知識庫

   科學(xué)原理，尤其是科學(xué)效應和現象的應用，對發(fā)明問(wèn)題的解決具有超乎想象的、強有力的幫助。應用科學(xué)效應和現象應遵循5個(gè)步驟，解決發(fā)明問(wèn)題時(shí)會(huì )經(jīng)常遇到需要實(shí)現的30種功能，這些功能的實(shí)現經(jīng)常要用到100個(gè)科學(xué)有和現象。 

   3基于TRIZ 改進(jìn)措施

   39矛盾矩陣與40創(chuàng )新原則作為T(mén)RIZ理論的一種主要工具，可以用來(lái)解決技術(shù)上的矛盾。在39矛盾矩陣中，行和列分別是在大量專(zhuān)利分析基礎上總結出來(lái)的39項標準參數，用這39項標準參數中的兩項分別表示矛盾體中的2個(gè)方面，也就是使系統性能改善的特性和導致系統性能惡化的特性，那么在矩陣中這兩項標準參數所在行列的交叉點(diǎn)就對應著(zhù)實(shí)踐證明最為有效的矛盾解決原理，基于這些矛盾解決原理的啟發(fā)就可以尋求具體解決的方案。而這些創(chuàng )新原則也有更具體的說(shuō)明可以輔助設計者有正確的思考方向。

   39矛盾矩陣與40創(chuàng )新原則解決創(chuàng )新性問(wèn)題的思路在于它采用科學(xué)的問(wèn)題求解方法，具體辦法就是將特殊的問(wèn)題歸結為T(mén)RIZ的一般性問(wèn)題，然后應用其帶有普遍性的創(chuàng )新理論和工具尋求標準解法，在此基礎上演繹形成初始問(wèn)題的具體解法。

                      
                                     圖1 TRIZ解題步驟

   這種從特殊到一般的方法，充分體現了科學(xué)解決問(wèn)題的思想。為了使39矛盾矩陣與40創(chuàng )新原則在導入產(chǎn)品創(chuàng )新設計的過(guò)程中具有更強的可操作性，分析了如何規范從設計需求分析到設計方案提出等一系列過(guò)程，給出了各階段解決具體問(wèn)題的方法和工具，步驟如下：

   （1）確認設計主題的范圍條件。

   GDX2包裝機白卡紙接頭剔除經(jīng)常誤動(dòng)作，并且微動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)間長(cháng)容易失靈。

   （2）收集設計主題相關(guān)資料，包含市場(chǎng)調查、使用分析、現有產(chǎn)品優(yōu)缺點(diǎn)等。

   經(jīng)過(guò)調查分析，操作工反映 “卡紙用盡”顯示頻繁，八號輪剔除好煙太多。經(jīng)觀(guān)察發(fā)現設備運行中卡紙用盡檢測探桿隨卡紙抖動(dòng)而產(chǎn)生跳動(dòng)觸動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測，造成誤剔及停機。

   （3）明確定義出設計主題必須解決的問(wèn)題，并且將問(wèn)題解決的重要性，由高至低做一個(gè)排序，然后記錄下來(lái)。
當要改造GDX2包裝機的剔除裝置時(shí)，必須找出改造過(guò)程中會(huì )遇到的矛盾問(wèn)題，例如這種剔除裝置強度要高、重量要輕、體量不能過(guò)大，便于安裝，還要考慮能夠及時(shí)剔除不合格煙包，結構要簡(jiǎn)化，安全可靠，是否能提供安全警示等。接著(zhù)將上述需要解決的問(wèn)題依其重要性排序：

   •剔除不合格煙包；

   •新技術(shù)的便利性；

   •簡(jiǎn)化結構；

   •安全防護；

   •操作過(guò)程中有安全感。

   （4）從這些問(wèn)題中，找到矛盾參數中相符合的特征參數。

   接著(zhù)將以上具體問(wèn)題轉化成表現一般性問(wèn)題的參數：檢測干快速間歇移動(dòng)導致桿的反映過(guò)敏而誤動(dòng)作。

   （5）從順序最高的問(wèn)題開(kāi)始，找出解決此問(wèn)題之后，是否有其他問(wèn)題的參數會(huì )惡化，而從矛盾矩陣表中，找出解決2個(gè)矛盾參數的解題原則。

  確定移動(dòng)物體作用時(shí)間是改善參數，強度時(shí)惡化參數。運用到39矛盾矩陣中，解決后會(huì )產(chǎn)生矛盾的情況因此將這2個(gè)問(wèn)題找到對應的矛盾參數后，利用矛盾矩陣表，找出矩陣中的建議解題原則，然后進(jìn)行新的思考與找出創(chuàng )新解題方式。
  
                       
                                   圖2 矛盾矩陣

   （7）利用解題原則的說(shuō)明與圖例，引導思考出創(chuàng )新設計的方案，并且記錄下來(lái)。解題原則的順序并不是依照序號排列，而是依照該矩陣中2個(gè)矛盾參數所產(chǎn)生的解題方式，在專(zhuān)利分析中出現的多少，所排列出的順序，因此參考順序最好依照解題原則出現的順序，依序思考。

   （8）重復比對所列舉出來(lái)的問(wèn)題沖突，然后籍由解題原則加以思考，找出創(chuàng )新解決方案。

   （9）從想出的所有解題構想中，再定義出新的問(wèn)題，重復使用39矛盾矩陣與40創(chuàng )新原則，直到設計的產(chǎn)品，解決了所有問(wèn)題為止。

   當參數15(移動(dòng)物體作用時(shí)間)改進(jìn)時(shí)，參數23(強度)就會(huì )惡化，因此根據矩陣表中的40創(chuàng )新原則，得到解決此矛盾的方式有原則27(替代原理)；原則3（局部質(zhì)量原理）；原則10（預先作用原理）。

   上述的解題原則是阿利赫舒列爾根據分析專(zhuān)利后，按照其被使用的解題次數多少來(lái)排序，因此首先考慮順序為原則27(替代原理)和3（局部質(zhì)量原理），其中解題的具體原則分別為：27(替代原理)：用廉價(jià)的不持久性代替昂貴的持久性原理。用一組廉價(jià)物體代替一個(gè)昂貴物體，放棄某些品質(zhì)(如持久性)。3（局部質(zhì)量原理）：（a）從物體或外部介質(zhì)(外部作用)的一致結構過(guò)渡到不一致結構。（b）物體的不同部分應當具有不同功能。（c）物體的每一部分均應具備最適于它工作的條件。10（預先作用原理） （a）預先完成要求的作用(完整的或部分的)。（b）預先將物體安放妥當，使它們能在現場(chǎng)和最方便地點(diǎn)立即完成所需要的作用。上述三個(gè)創(chuàng )新原則的具體圖例和說(shuō)明推動(dòng)我們產(chǎn)生新思維。

   根據原則27(替代原理)，改變檢測方式。如果用色差檢測也可檢測出卡紙接頭，但易受灰塵影響。

   根據原則3（局部質(zhì)量原理），消除卡紙抖動(dòng)?？垶殚g歇快速供應，設備運行中探桿隨卡紙抖動(dòng)而產(chǎn)生跳動(dòng)，要消除這種跳動(dòng)非常困難。

   根據原則10（預先作用原理），改變檢測位置?？堄帽M時(shí)，操作工總是用卡紙切刀切斷上一盤(pán)余下的卡紙，因此只要檢測到卡紙切刀動(dòng)作即可達到目的。 

   重新考慮原則27(替代原理)，在改造時(shí)為了降低成本，不破壞機器原有結構，拆除原微動(dòng)開(kāi)關(guān)，在同一檢測工位的斷紙切刀處加裝一個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān)。在卡紙正常運行時(shí)電感式接近開(kāi)關(guān)輸出高電平到電控柜N12（J3），在卡紙用完進(jìn)行拼接時(shí)，切刀人工壓下，電感式接近開(kāi)關(guān)斷開(kāi)到電控柜N12（J3）的高電平，產(chǎn)生卡紙用盡信號及卡紙接頭剔除信號，并在八號輪剔除五包煙，確保帶卡紙接頭的煙包剔除。

                    
                                    圖3 改裝前后電路圖
  
                          
                               圖4 改裝前微動(dòng)位置開(kāi)關(guān)位置圖
  
                    
                         圖5 改裝后電感式傳感器位置圖

   4 效果

   效果：改造后，卡紙接頭檢測性能穩定、帶卡紙接頭的煙包100％能夠剔除出來(lái)，并杜絕了因誤檢而引起的停機和誤剔現象。該項目已得到推廣（八臺）。

  經(jīng)濟效益：按每天每臺減少停機時(shí)間1分鐘、車(chē)速按380包∕分計算，每天每臺可以多生產(chǎn)380包卷煙，能夠帶來(lái)經(jīng)濟效益1000元以上。每年能產(chǎn)生300萬(wàn)以上的經(jīng)濟效益。 

  5 結語(yǔ)

  本文針對TRIZ理論進(jìn)行了初步探討，并通過(guò)TRIZ 在GD包裝機提出裝置改造中創(chuàng )新方案的尋求過(guò)程，實(shí)踐了應用TRIZ技術(shù)矛盾解決矩陣，解決產(chǎn)品改裝過(guò)程中技術(shù)難題?？梢钥闯?，TRIZ理論中的39矛盾矩陣與40創(chuàng )新原則一方面能夠有效地打破我們的思維定勢，擴展我們的創(chuàng )新思維能力，同時(shí)又提供了科學(xué)的問(wèn)題分析方法，保證我們按照合理的途徑尋求問(wèn)題的創(chuàng )新性解決辦法。

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  [7]億維訊集團（IWINT, Inc.）. http：//www.iwint.com.cn/.  

   摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第十期