应用计算机辅助创新技术进行长度测量仪的概念设计
解士昆、杨以杰、万欣
 
摘要:以某测量设备为例,介绍计算机辅助创新(CAI)技术在概念设计中的应用。详细描述了概念设计中系统分析、问题分解、方案求索等主要过程。
 
关键词:计算机辅助创新、概念设计、发明问题解决理论
 
0.引言
 
产品的设计过程一般可分为立项、概念设计、详细设计、施工设计、试制、试验、检测等阶段。其中概念设计阶段所占的时间和资源一般只占10%~30%,但决定了产品制造成本的80%,如果考虑到产品的维护期费用,这个比例还要更高。同时,由于概念设计阶段确定了产品的所有主要技术方向,因此人们所说的创新也主要产生在这一阶段。近年来在欧美快速发展的计算机辅助创新(Computer Aided Innovation,CAI)技术,它用科学、系统化的方法支持了创新概念设计这一过程,大大提高了概念设计的效率和质量,进而为企业带来极具竞争力的产品。
 
1.CAI技术简介
 
我国企业已经普遍认识到技术创新对于企业持续发展的重要意义。但同时,一提到创新,很多人也会有一种恐惧:认为创新就是要做出“蒸汽机”一样推动历史的伟大发明,需要天才、需要投入天文数字的科研经费。而实际上,在以产品为中心的企业当中,日常工作中的解决技术问题就是创新。资料表明,在工程技术问题中,其中四分之三的问题可以通过企业内部的既有知识得到解决,如表1所示。
 
表1 发明的等级划分及解决问题需要的知识领域
发明创造级别 创新的程度 比例 知识来源
1 明确的解 32% 个人的知识
2 少量的改进 45% 公司内的知识
3 根本性的改进 18% 行业内的知识
4 全新的概念 4% 行业以外的知识
5 发现 1% 所有已知的
  
传统的产品创新是以“试错法”为核心的。橡胶、灯泡等都是基于试错法诞生的。但面对今天激烈的市场竞争,试错法所带来的高昂成本是企业不愿接受的;同时,应用试错法使研发周期较长,市场机会的丧失更是让企业痛心疾首。企业期望更有效的创新方法来指导自己的科研团队和科研行为。那么,是否存在一种切实有效的方法论,帮助工程技术人员高质、高效地进行产品创新设计呢?事实上,早在上个世纪40年代,前苏联的科学家阿奇舒勒(Altshuller)及其团队在分析大量专利的基础上,对人类创新活动规律和原理进行了系统的揭示,从而形成了指导创新活动的发明问题解决理论(俄文首字母的拉丁缩写为TRIZ,译为“萃智”)。前苏联解体后,随着TRIZ大师们移居欧美,TRIZ(萃智)理论在全球得到了更为广泛的传播和应用,进而也得到了快速的发展。
 
TRIZ(萃智)理论的核心认识包括:
 
1)产品及其技术的发展总是遵循着一定的客观规律;
 
2)同一条规律往往在不同的产品或技术领域被反复应用,很多创新实质上往往是其他领域技术在某一领域的全新应用;
 
3)人们只要遵循着产品及其技术发展的客观规律就能能动地进行产品设计并预测产品的未来发展趋势;
 
4)问题的模型是一样的,那么解决方案的模型也是一样的,而和这个问题是来自于哪个领域的无关。
 
几十年来,经过众多前人的深入研究和应用,总结出了一套应用TRIZ(萃智)理论解决工程问题的基本路线:针对具体问题,首先要通过一系列工具进行分析,将具体问题抽象成一般性问题;然后,通过TRIZ工具的指引找到解决问题的方向;最后再将这些解决方向具体化为具体问题的解决方案。这与传统的设计方法中,从“具体问题”到“具体解决方案”的思考路线有着明显的差异。如图1所示。而正是这一差异,使应用TRIZ(萃智)理论的工程技术人员超越了思维惯性,从而更加系统化、结构化地分析问题,创造性地提出解决问题方案。  

图1 TRIZ(萃智)理论解决问题基本模式
 
在计算机技术和包括TRIZ(萃智)理论在内的设计理论高速发展的背景下,本世纪初,随着应用需求地推动,逐步形成了计算机辅助创新(Computer aided Innovation,CAI)技术。经过近年来的快速发展,现在CAI技术已经具备了结构化、系统化描述、分析问题,充分调动既有知识创造性地寻求工程问题的解决方案的能力,成为辅助研发人员高效地进行概念设计的有力工具。
 
CAI技术的核心是:现代设计方法论体系,和经过本体论有机组织的创新知识库。如图2所示。

 
图2 CAI技术体系构成
 
2.应用CAI技术对某测量设备改进设计问题的研探
 
计算机辅助创新软件Pro/Innovator是CAI技术的一个代表产品。借助该工具,技术人员可以有效地对问题进行分析,借鉴不同领域的知识,从而高质、高效地构建解决方案。
 
本文基于计算机辅助创新软件Pro/Innovator,解决了某测量设备受环境中灰尘的影响,导致测量精度下降的具体问题。
 
2.1问题描述
 
某专用测量设备,由于工况的要求,采用了绕线装置间接测量物体的位移,如图3所示。该装置用一根0.6mm的钢丝缠绕在线轴上,通过计量线轴的缠绕圈数(角度)实现对长度的测量。为了均匀地缠绕钢丝,系统设有一个导丝器。绕线轴和导丝器被放置在一个空间有限的箱体中(根据实际工况要求,该设备中的箱体不能再放大,并希望减小尺寸)。为了提高系统测量精度,不希望灰尘进入内腔,因此期望箱体上的开孔越小越好;同时,为了让钢丝能够平滑、自如地与导丝器配合工作,需要在箱体上开一个狭长的导槽。


图3 初始问题工况
 
TRIZ(萃智)理论认为,技术系统的进步主要是其内在矛盾运动的结果。因此,辨识并解决技术系统的矛盾问题往往是产品设计和研发工作的出发点。通过对以上问题的描述,辨识出该系统的一个基本矛盾:为了保障精度,箱体上的窗口需要尽可能小;为了保障丝线平滑的缠绕,箱体需要开一个较长的导槽。
 
2.2分析问题
 
2.2.1绘制系统基本功能树
 
根据基本工况信息绘制出该系统的主要功能和基本功能树分解,如图4、5所示。