技术冲突解决原理及其在冷压模具结构创新设计上的应用

0 前言

    为了提高模具使用寿命和降低生产成本，各模具生产企业都将模具产品的创新设计研究作为在市场竞争中取胜的重要手段。由于模具设计可以分为模具功能定义、概念设计、技术设计及详细设计等几个阶段，而概念设计又是整个设计过程的关键，因此对模具进行概念创新设计或者针对原模具概念设计进行创新改良已成为我国模具行业进行创新设计研究的主要课题。目前各国科技工作者大多依据发明问题解决理论TRIZ (theory of inventive problem solving)进行产品创新设计研究。

    冷压模具在使用过程中会出现各类问题，这主要是由于在模具结构设计中存在冲突或者矛后而造成的。模具概念创新设计的核心就是解决模具设计中存在的冲突或者矛后，如果解决好冲突或矛后，就为模具设计提供了新途径，新方法。为了解决各类冲突问题，TR1G理论的发明人前苏联学者G.S. Altshuller在研究世界上各种著名的发明和专利后建立了确定和解决冲突的理论方法，提出解决冲突的发明原理，运用基于知识的逻辑方法来解决冲突。这些方法包括发明原理(Inventive  Principles、发明问题解决算法(ARIZ, Algorithm for inventive Problem Solving)及标准解(TRIZ Standard Techniques)等，这些方法组成了TRTZ理论的主要内容。

    本文首先介绍了TRIZ理论中技术冲突的定义、物质-场分析方法、技术冲突解决原理等基本概念，进而根据上述原理对某型钢丝绳铝套冷压机冷压模具结构进行概念创新改良设计。在这一工程实例中，本文根据厂家要求运用39个通用工程参数确定原模具设计中存在的主要技术冲突，结合40条发明原理求解模具技术冲突矩阵得到可以解决该技术冲突的一般发明原理解，并将这些一般解转化为模具结构设计的特定解，实现了对模具结构设计的创新改良，大幅度提高了该模具的使用寿命。

1 利用物质-场分析方法确定技术冲突

    1.1技术冲突的定义
   
    冲突具有不同的分类方法，TRIZ理论将冲突分为两个层次，第一个层次分为二类冲突:自然冲突、社会冲突及工程冲突，该二大类冲突中的每一类可以细分为若干类刑。其中工程冲突可细分为数学冲突、物理冲突、技术冲突二类，技术冲突为产品设计中经常出现的冲突类刑，该类刑冲突较容易解决，它是TRIZ理论的主要研究内容。技术冲突是指一个作用同时导致有用及有害两种结果，也可指有用作用的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统或系统某方面性能变坏。技术冲突常表现为一个系统中两个子系统之间的冲突。
   
    由于技术冲突是由冲突双方子系统而造成的.因此使用合理的方法确定技术冲突就具有重要意义。

    1.2物质-场分析方法
   
    物质-场分析方法在TRIZ理论中是确定技术冲突的主要方法。作为TRIZ理论的基础，Altshuller认为产品是功能的实现。任何产品都包含一个或者多个功能，通过对产品的功能研究发现了如下3条定律:
   
    (1)所有的功能都可以分解为3个基本元件。
   
    (2)一个存在的功能必定由3个基本元件构成。
   
    (3)将相互作用的3个基本元件有机组合将产生一个功能。   

    组成功能的3个基本元件分别为两种物质及一种场。在TRIZ中，功能的基本描述如图1所示，图中F为场，S1及S2分别为物质。其意义为:场F通过物质S2作用于物质S1,并且改变S1。

    组成功能的每个儿件都具有其特殊的角色。S1为被动元件，起被作用、被操作、被改变的角色。S2为主动儿件，起到工具的作用，它操作、改变或者作用于被动元件S1，S2又被称为工具。F为使能元件，它使得S1与S2相互作用。由于产品要由具有相互关系的多个零部件组成，并且一个产品系统中具有多个功能，在一个功能中作为被动元件S1可能是另一功能中的主动元件S2，这些功能的总体就构成了待设计的系统的总功能。

    1.3技术冲突的确定方法
   
    按物质-场分析方法，首先建立待设计系统的模型。一个系统往往包含多个功能，建立每个功能的模型是必须的。TRIZ中将功能分为4类:
   
    (1)有效完整功能。该功能的3个元件都存在，且都有效，是设计者追求的效应。
   
    (2)不完整功能。组成功能的三元件中部分元件不存在，需要增加元件来实现有效完整功能，或用一种新功能代。
   
    (3)非有效完整功能。功能中的三元件都存在，但设计者所追求的效应未能完全实现。如产生的力不足够大、温度不足够高等，需要改进以达到要求。
   
    (4)有害功能。功能中的三元件都存在，但产生与设计者所追求效应相冲突的效应。
   
    创新设计的过程就是要消除有害功能。一个产品或系统往往是多个支持功能的体现。如果用图1所示的符号系统来表示这些支持功能，并且S1将有害效应作用于S1时，则可判断系统或产品是否存在有技术冲突，如图2所示。图2 (a)可以解释为，系统中同时存在有效完整功能S1.1及有害功能S1.2,有效完整功能S1.1的存在同时导致了有害功能S1.2的存在，因此存在技术冲突。图2 (b)的意义为:系统中同时存在非有效完整功能S1.1及有害功能S1.2，如果改价非有效完整功能S1.1则可能加剧有害功能S1.2的负面效应，因此存在技术冲突。图2为技术冲突的一种模型。由上文可看出利用物质-场分析的方法可以快速发现己有产品的技术冲突，以便利用技术冲突解决原理加以解决。

2 技术冲突解决原理及冲突知阵

    2.1技术冲突解决原理
   
    为了能够更好地描述冲突，通过对250万件专利的详细研究，TRIZ理沦提出利用39个通用工程参数描述冲突。在实际应用中，首先要把一组或者多组冲突均用该39个工程参数来表示，利用该方法可以把实际工程中设计的冲突转化为一般的或者标准的技术冲突来解决。
   
    技术冲突解决原理即为TRIZ理沦中的40条发明原理。在技术创新的历史中，人类不断总结前人很多发明创造的经验，得出两大类经验的总结:适应于本领域的经验和适应于不同领域的通用经验。第一类经验主要由本领域的专家、研究人员本身总结，或者与这些人员讨沦并整理总结，这一类经验对本领域产品创新具有一定意义，但对其它领域的创新意义不大。第一类经验是由专门的研究人员对不同领域的己有创新成果进行分析、总结而得到的具有普遍意义的规律，这些规律对指导不同领域的产品创新都具有重要参考价值。TRIZ理沦中的发明原理就属于第一类经验，这些原理是在分析全世界大量专利的基础上提出的。通过对专利的分析，TRIZ的分析人员发现在以往不同领域的发明中所用到的发明原理并不多，这些发明原理被人们在不同时代用于不同领域的发明。每条发明原理并不限定于仅能用于某一领域，它融合了物理的、化学的及各个工程领域的原理，可以使用于不同的领域的发明创造。发明原理起着工具集的作用，从发明原理中选择规则，可对问题提出求解的思路或线索。
   
    2.2冲突知阵
   
    冲突矩阵是解决技术冲突的有效方法。冲突矩阵为一个40行40列的矩阵，它是由39个通用工程参数和40条发明原理所构成的庞大矩阵，其中第1行为恶化的特征参数.第一列为改再的特征参数。除第1行与第1列外，其余39行与39列矩阵，每个矩阵儿素表示恶化特征和改再特征对应的发明原理解序号。应用的过程为:首先从第1行中选取冲突方为变坏特征参数序号，再从第1列中选取改再特征参数序号，两序号在对应行与列的交叉处确定一特定矩阵元素，该元素所给出的数字为推荐采用的解决原理序号。冲突矩阵形式如表1所示。应用解决冲突矩阵可以解决绝大部分工程设计问题，井对产品概念创新设计提出有效方案。