應用TRIZ 創新原理進行畢業設計多樣化求解的研究與實踐

史 諾，鄭 航，席 源，李 耀

（西安航空學院機械工程學院，陜西 西安 710077）

0 引言

畢業設計是人才培養過程中的關鍵環節，是檢驗理論知識、實踐能力和創新能力的綜合性教學活動。對于畢業設計問題進行多樣化求解，不僅能夠輔助學生深入題目背后所蘊含的原理和邏輯，實現對理論知識的內化升華，而且促進了學生運用和融合不同的策略與工具來解決復雜問題，實現實踐技能的提高與創新思維的躍遷。雖然畢業設計多樣化求解是增強畢業設計質量較為理想的方式，但是對于其研究較少涉及，這主要是因為欠缺可操作性較強的實施策略造成的。鑒于此，嘗試以TRIZ 作為理論基礎構建畢業設計多樣化求解的執行方案，以期形成高效、簡捷的實施策略，為高等院校的人才培養提供參考。

1 TRIZ 理論融入畢業設計的適用性分析

1.1 內容體系

TRIZ 全稱為“發明問題解決理論”，是由蘇聯科學家G.S.Altshuller 對全世界250 萬件專利經過分析、歸納后形成的系統化創新方法學[1]。TRIZ 的核心理念認為創新是有規律可循的，經過若干年的發展，已形成了由工具層、方法論層、哲學層構成的金字塔體系，如圖1 所示。從起源與發展過程上來講，TRIZ 是一套基于知識的系統，它對已知的發明、技術、科學原理進行了深入的抽象與分類，應用TRIZ 理論可以遵循技術的發展規律制定合理的解決方案。從TRIZ 的內容體系上來講，適合引導學生進行創新思考，能夠在畢業設計中發揮良好的技術支撐作用。

圖1 TRIZ 的形成及其理論體系

1.2 求解效率

TRIZ 按照復雜度和困難度將發明問題分為五個等級：第一等級為最小發明問題，利用常規知識與經驗就能解決；第二等級為小型發明問題，往往是對現有技術的微小改進，借助于專業知識與技能進行求解；第三等級為中等發明問題，這類問題通常涉及矛盾與沖突，需要較為深入的科學研究和技術分析來處理；第四等級為大型發明問題，這一類問題要從科學底層的角度出發，采用全新的原理來應對挑戰；第五等級為重大發明問題，這一類問題主要依靠對自然規律和科學原理的新發現來尋求問題的解決方案。

將傳統創新方法與TRIZ 體系中的創新原理、標準解法、發明問題解決算法的求解效率進行比較，如圖2 所示[2]。傳統創新方法主要包含頭腦風暴法、試錯法、SWOT 法等，這些方法在處理第一等級問題時效率較高，處理第二、三等級問題時其效率迅速衰減。TRIZ 采用了具有啟發性的方案搜索方法，能夠引導技術人員快速、收斂的逼近目標，因此其求解效率和發明級別相對于傳統方法有較大優勢。

圖2 TRIZ 的求解效率

畢業設計所涉及的工程問題往往屬于第二、三等級，應用創新原理進行求解是較優的選擇。從求解效率的角度來講，TRIZ 創新原理適合在畢業設計中幫助學生進行系統性和結構性的思考，提高作品完成質量。

2 創新原理的應用流程

2.1 標準流程

創新原理需和通用工程參數聯合使用，TRIZ 中定義了39 個通用工程參數和40 條創新原理，應用創新原理的流程可以概括為以下幾步：

（1）問題定義：清晰、全面的描述要解決的問題，明確要達到的目標。

（2）尋找矛盾：在改善系統中某一特性的過程中，經常會導致另外一個或幾個特性的惡化，改善特性與惡化的特性就形成了技術矛盾，根據問題定義，將改善、惡化的特性分別映射為通用工程參數，準確的找到技術矛盾。

（3）查詢矛盾矩陣：在矛盾矩陣的列中找到改善參數，在行中找到惡化參數，交叉點上就對應了該技術矛盾對應的創新原理。

（4）轉化創新原理：根據查詢得到的創新原理，結合實際問題的工程背景與邊界條件，將創新原理轉化成具體的技術方案。

（5）方案實施：根據技術方案制定執行計劃，應用專業的知識與技能推動方案的落地實施。

在整個流程中，難度最大的是第（2）步，需要準確的運用通用工程參數描述技術矛盾，通用工程參數是高度概括與抽象的，將客觀的系統特性映射為通用工程參數具有較大的挑戰性。

2.2 簡化流程

對矛盾矩陣進行二次分析，統計整個矩陣中的創新原理的使用頻次，根據使用頻次得到每一條創新原理的優先級別[3]，見表1。使用頻次與優先級別是正相關關系，優先級別1 為最高級別，現有研究也證明了優先級別較高的創新原理能夠解決絕大多數的發明創造問題[4]。

表1 矛盾矩陣創新原理使用頻次統計簡表

為了降低創新原理的應用難度，省略標準流程中的（2）（3）步驟，直接按照優先級別從高到低逐一將創新原理應用至具體問題中尋找技術方案，如圖3 所示，這種處理方式雖然降低了解答速度，但是避免了“尋找矛盾”這一難度最大的環節，綜合考慮來看，使用這種簡化方法為學生在畢業設計中使用創新原理鋪設了平緩的階梯，更能夠發揮TRIZ 的導向與指引作用。

圖3 應用TRIZ 創新原理的簡化流程

3 應用實例

畢業設計需要保證一人一題，立題階段學生確定的任務分別為：轉筒式去核機設計、加工中心自動換刀機構設計、供彈裝置設計，在這些設備中，弧面分度凸輪是關鍵的傳動設備，當學生做完前期工作后，面臨的相同任務就是弧面分度凸輪的設計。

弧面分度凸輪的工作輪廓曲面是不可展開的空間曲面，通過工作輪廓曲面與分度盤滾子之間的共軛嚙合實現各種運動規律的輸出[5]?；∶娣侄韧馆喸O計難度大，引導學生采用創新原理制定合理的技術方案。

任務為轉筒式去核機設計的學生通過簡化流程逐一比對，發現優先級別為4 的創新原理1（分割原理）可以用于指導設計工作。分割原理是指將一個對象分割成幾個相對獨立的部分，或者提高對象的可分性。根據分割原理，將弧面分度凸輪的工作輪廓曲面分割為分度曲面段、定位環面段，而每一段曲面又可以分割為若干條等距曲線。如圖4 所示，按照此方案，可以從曲線的建立著手，根據空間嚙合原理建立分度曲線、定位曲線的方程，從方程分別生成曲線族，將兩組曲線族合并形成完整的工作輪廓曲線，然后將曲線拼接為曲面，由曲面生成凸脊實體，最后得到弧面分度凸輪三維實體模型。

圖4 應用分割原理設計弧面分度凸輪

任務為加工中心自動換刀機構設計的學生應用優先級別為8 的創新原理15（動態特性原理）進行規劃。動態特性是指改變對象部件的運動形式或者是將對象部件設置為柔性或自適應性結構。根據動態特性原理，將分度盤與弧面分度凸輪的毛坯進行裝配，如圖5 所示，在實際的工況中，分度盤做間歇運動，凸輪做勻速運動，對間歇運動規律進行設計后，在分度盤上施加函數驅動，推動分度盤按照指定的運動規律運行，同時對毛坯施加勻速驅動，分度盤與毛坯兩者的獨立運動形成了干涉體，在毛坯與干涉體之間進行布爾運算，就形成了弧面分度凸輪的數字化模型。

圖5 應用動態特性原理設計弧面分度凸輪

任務為供彈裝置設計的學生采用優先級別為11的創新原理13（反向作用原理）開展創新。反向作用原理是指將規定操作、位置改為相反方向，或者使運動的部分靜止、靜止的部分運動。根據反向作用原理，假設弧面分度凸輪固定不動，分度盤一方面繞著中心軸線自轉，另一方面繞著凸輪的中心軸線公轉，通過分度盤的運動反求弧面分度凸輪的三維結構。如圖6所示，驅動分度盤進行自轉與公轉的復合運動，追蹤分度盤滾子兩個端點的運動軌跡，將軌跡點采用樣條曲線進行串聯，利用兩條曲線構造出工作輪廓曲面，并通過加厚、求差等一系列操作，形成弧面分度凸輪的3D 模型。

圖6 應用反向作用原理設計弧面分度凸輪

分割原理、動態特性原理、反向作用原理應用于弧面分度凸輪的設計均能夠取得較為精確的數字化模型，組織學生進行交流研討，進一步分析每一種創新原理蘊含的科學知識、邏輯思維和應用規律，學生表示應用TRIZ 創新原理使自己思考問題時更有方向感，能夠獲取有價值的解決問題線索，大家集思廣益形成的多樣化求解方案也促進自己更全面的理解和掌握學科知識。

4 結論

以TRIZ 創新原理為依據，進行了畢業設計多樣化求解的實踐探索，為提高畢業設計質量、開闊學生視野提供了一種新路徑，并有以下結論：

（1）按照優先級別從高到低逐一將創新原理應用至具體問題中尋找技術方案，這樣的方法大大簡化了創新原理的應用流程，更好促進學生生成創新概念方案。

（2）多樣化求解擴寬了知識的廣度、拓展了思想的維度，不僅取得了學生的認同，而且提高了畢業設計質量，在應用型本科院校中具有較高的推廣價值。