摘要：以GDX2剔除装置创新设计为例,描述了利用TRIZ理论解决产品创新设计问题的一般过程。介绍了TRIZ理论的概念和体系结构。利用TRIZ理论指导GDX2剔除装置的创新设计过程,从用途、原理要求等方面着手,说明了如何将实际问题抽象为工程技术参数、如何划分优化参数与恶化参数以及二者之间的矛盾;重点阐述了矛盾矩阵和40条创新原则在设计过程中的具体应用方法,最后得出一种解决方案，杜绝了误剔现象。

   关键词： TRIZ 理论；矛盾矩阵；GDX2；创新设计

   1引言

  GDX2包装机组为意大利GD公司设计制造，后由上海烟机厂引进技术批量生产的高速包接设备，目前有进口和国产两种来源，但其结构和性能基本相同。该机组性能较好，自动化程度高，是当前我国烟草行业中硬盒包装设备的主力机型之一。

   GDX2卡纸接头剔除检测系统的检测，原为一个探测杆压在工作的卡纸上面，在卡纸用完之时探杆下落，触动微动开关检测卡纸用尽并产生接头剔除信号，通过移位在八号轮进行接头剔除。 但对于在高速时，不可避免地会产生误操作。操作工反映“卡纸用尽”显示频繁，八号轮剔除好烟太多。经观察发现设备运行中卡纸用尽检测探杆随卡纸抖动而产生跳动触动微动开关检测，造成误剔及停机。

   2 TRIZ 理论综述

   TRIZ的意思是发明问题解决理论，由前苏联发明家里奇.阿奇舒勒在1946年创立。在军事、工业、航空航天等领域均发挥了巨大作用，成为创新的“点金术”。

   阿奇舒勒发现任何领域的产品改进、技术的变革、创新和生物系统一样，都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡，是有规律可循的。人们如果掌握了这些规律，就能能动地进行产品设计并能预测产品的未来趋势。在他的领导下，前苏联的研究机构、大学、企业组成了TRIZ的研究团体，分析了世界近250万份高水平的发明专利，总结出各种技术发展进化遵循的规律模式，以及解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则，建立一个由解决技术，实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系，并综合多学科领域的原理和法则，建立起TRIZ理论体系。经过半个多世纪的发展，TRIZ理论已经成为一套解决新产品开发实际问题的成熟的九大经典理论体系。 

   2.1 TRIZ的技术系统八大进化法则。

   阿奇舒勒的技术系统进化论可以与自然科学中的达尔文生物进化论和斯宾塞的社会达尔文主义齐肩，被称为“三大进化论”。TRIZ的技术系统八大进化法则分别是：（1）技术系统的S曲线进化法则；（2）提高理想度法则；（3）子系统的不均衡进化法则；（4）动态性和可控性进化法则；（5）增加集成度再进行简化法则；（6）子系统协调性进化法则；（7）向微观级和场的应用进化法则；（8）减少人工进入的进化法则。技术系统的这八大进化法则可以应用于产生市场需求、定性技术预测、产生新技术、专利布局和选择企业战略制定的时机等。它可以用来解决难题，预测技术系统，产生并加强创造性问题的解决工具。 

   2.2最终理想解(IFR)

   TRIZ理论在解决问题之初，首先抛开各种客观限制条件，通过理想化来定义问题的最终理想解（ideal final result，IFR），以明确理想解所在的方向和位置，保证在问题解决过程中沿着此目标前进并获得最终理想解，从而避免了传统创新涉及方法中缺乏目标的弊端，提升了创新设计的效率。如果将创造性解决问题的方法比作通向胜利的桥梁，那么最终理想解(IFR)就是这座桥梁的桥墩。最终理想解(IFR)有四个特点：（1）保持了原系统的优点；（2）消除了原系统的不足；（3）没有使系统变得更复杂；（4）没有引入新的缺陷等。 

   2.3  40个发明原理

   阿奇舒勒对大量的专利进行了研究、分析和总结，提炼出了TRIZ中最重要的、具有普遍用途的这40个发明原理，分别是：1、分割；2、抽取；3、局部质量；4、非对称；5、合并；6、普遍性；7、嵌套；8、配重；9、预先反作用；10、预先作用；11、预先应急措施；12、等势原则；13、逆向思维；14、曲面化；15、动态化；16、不足或超额行动；17、一维变多维；18、机械振动；19、周期性动作；20、有效作用的连续性；21、紧急行动；22、变害为利；23、反馈；24、中介物；25、自服务；26、复制；27、一次性用品；28、机械系统的替代；29、气体与液压结构；30、柔性外壳和薄膜；31、多孔材料；32、改变颜色；33、同质性；34、抛弃与再生；35、物理/化学状态变化；36、相变；37、热膨胀；38、加速氧化；39、惰性环境；40、复合材料。 

   2.4 39个工程参数及阿奇舒勒矛盾矩阵。

    在对专利研究中，阿奇舒勒发现，仅有39项工程参数在彼此相对改善和恶化，而这些专利都是在不同的领域上解决这些工程参数的冲突与矛盾。这些矛盾不断地出现，又不断地被解决。由此他总结出了解决冲突和矛盾的40个创新原理。之后，将这些冲突与冲突解决原理组成一个39个改善参数与39个恶化参数构成的矩阵，矩阵的横轴表示希望得到改善的参数，纵轴表示某技术特性改善引起恶化的参数，横纵轴各参数交叉处的数字表示用来解决系统矛盾时所使用创新原理的编号。这就是，著名的技术矛盾矩阵。阿奇舒勒矛盾矩阵为问题解决者提供了一个可以根据系统中产生矛盾的两个工程参数，从矩阵表中直接查找化解该矛盾的发明原理来解决问题。 

   2.5 物理矛盾和四大分离原理

   当一个技术系统的工程参数具有相反的需求，就出现了物理矛盾。比如说，要求系统的某个参数既要出现又不存在，或既要高又要低，或既要大又要小等。相对于技术矛盾，物理矛盾是一种更尖锐的矛盾，创新中需要加以解决。物理矛盾所存在的子系统就是系统的关键子系统，系统或关键子系统应该具有为满足某个需求的参数特性，但另一个需求要求系统或关键子系统又不能具有这样的参数特性。分离原理是阿奇舒勒针对物理矛盾的解决而提出的，分离方法共有11种，归纳概括为四大分离原理，分别是空间分离、时间分离、居于条件的分离和系统级别分离等。 

   2.6 物一场模型分析

   阿奇舒勒认为，每一个技术系统都可由许多功能不同的子系统所组成，因此，每一个系统都有它的子系统，而每个子系统都可以再进一步地细分，直到分子、原子、质子与电子等微观层次。无论大系统、子系统、还是微观层次，都具有功能，所有的功能都可分解为2种物质和1种场(即二元素组成)。在物质-场模型的定义中，物质是指某种物体或过程，可以是整个系统，也可以是系统内的子系统或单个的物体，甚至可以是环境，取决于实际情况。场是指完成某种功能所需的手法或手段，通常是一些能量形式，如:磁场、重力场、电能、热能、化学能、机械能、声能、光能等等。物一场分析是TRIZ理论中的一种分析工具，用于建立与已存在的系统或新技术系统问题相联系的功能模型。 

   2.7发明问题的标准解法

   标准解法阿奇舒勒于1985年创立的，共有76个，分成5级，各级中解法的先后顺序也反映了技术系统必然的进化过程和进化方向，标准解法可以将标准问题在一两步中快速进行解决，标准解法是阿奇舒勒后期进行TRIZ理论研究的最重要的课题，同时也是TRIZ高级理论的精华。标准解法也是解决非标准问题的基础，非标准问题主要应用ARIZ来进行解决，而ARIZ的主要思路是将非标准问题通过各种方法进行变化，转化为标准问题，然后应用标准解法来获得解决方案。 

   2.8发明问题解决算法(ARIZ)

   ARIZ是发明问题解决过程中应遵循的理论方法和步骤，ARIZ是基于技术系统进化法则的一套完整问题解决的程序，是针对非标准问题而提出的一套解决算法。ARIZ的理论基础由以下3条原则构成：1、ARIZ是通过确定和解决引起问题的技术矛盾；2、问题解决者一旦采用了ARIZ来解决问题，其惯性思维因素必须被加以控制；3、ARIZ也不断地获得广泛的、最新的知识基础的支持。ARIZ最初由阿奇舒勒于1977年提出，随后经过多次完善才形成比较完善的理论体系, ARIZ－85包括九大步骤：1、分析问题；2、分析问题模型；3、陈述IFR和物理矛盾；4、动用物－场资源；5、应用知识库；6、转化或替代问题；7、分析解决物理矛盾的方法；8、利用解法概念；9、分析问题解决的过程等等。 

   2.9科学效应和现象知识库

   科学原理，尤其是科学效应和现象的应用，对发明问题的解决具有超乎想象的、强有力的帮助。应用科学效应和现象应遵循5个步骤，解决发明问题时会经常遇到需要实现的30种功能，这些功能的实现经常要用到100个科学有和现象。 

   3基于TRIZ 改进措施

   39矛盾矩阵与40创新原则作为TRIZ理论的一种主要工具，可以用来解决技术上的矛盾。在39矛盾矩阵中，行和列分别是在大量专利分析基础上总结出来的39项标准参数，用这39项标准参数中的两项分别表示矛盾体中的2个方面，也就是使系统性能改善的特性和导致系统性能恶化的特性，那么在矩阵中这两项标准参数所在行列的交叉点就对应着实践证明最为有效的矛盾解决原理，基于这些矛盾解决原理的启发就可以寻求具体解决的方案。而这些创新原则也有更具体的说明可以辅助设计者有正确的思考方向。

   39矛盾矩阵与40创新原则解决创新性问题的思路在于它采用科学的问题求解方法，具体办法就是将特殊的问题归结为TRIZ的一般性问题，然后应用其带有普遍性的创新理论和工具寻求标准解法，在此基础上演绎形成初始问题的具体解法。

                      
                                     图1 TRIZ解题步骤

   这种从特殊到一般的方法，充分体现了科学解决问题的思想。为了使39矛盾矩阵与40创新原则在导入产品创新设计的过程中具有更强的可操作性，分析了如何规范从设计需求分析到设计方案提出等一系列过程，给出了各阶段解决具体问题的方法和工具，步骤如下：

   （1）确认设计主题的范围条件。

   GDX2包装机白卡纸接头剔除经常误动作，并且微动开关时间长容易失灵。

   （2）收集设计主题相关资料，包含市场调查、使用分析、现有产品优缺点等。

   经过调查分析，操作工反映 “卡纸用尽”显示频繁，八号轮剔除好烟太多。经观察发现设备运行中卡纸用尽检测探杆随卡纸抖动而产生跳动触动微动开关检测，造成误剔及停机。

   （3）明确定义出设计主题必须解决的问题，并且将问题解决的重要性，由高至低做一个排序，然后记录下来。
当要改造GDX2包装机的剔除装置时，必须找出改造过程中会遇到的矛盾问题，例如这种剔除装置强度要高、重量要轻、体量不能过大，便于安装，还要考虑能够及时剔除不合格烟包，结构要简化，安全可靠，是否能提供安全警示等。接着将上述需要解决的问题依其重要性排序：

   •剔除不合格烟包；

   •新技术的便利性；

   •简化结构；

   •安全防护；

   •操作过程中有安全感。

   （4）从这些问题中，找到矛盾参数中相符合的特征参数。

   接着将以上具体问题转化成表现一般性问题的参数：检测干快速间歇移动导致杆的反映过敏而误动作。

   （5）从顺序最高的问题开始，找出解决此问题之后，是否有其他问题的参数会恶化，而从矛盾矩阵表中，找出解决2个矛盾参数的解题原则。

  确定移动物体作用时间是改善参数，强度时恶化参数。运用到39矛盾矩阵中，解决后会产生矛盾的情况因此将这2个问题找到对应的矛盾参数后，利用矛盾矩阵表，找出矩阵中的建议解题原则，然后进行新的思考与找出创新解题方式。
  
                       
                                   图2 矛盾矩阵

   （7）利用解题原则的说明与图例，引导思考出创新设计的方案，并且记录下来。解题原则的顺序并不是依照序号排列，而是依照该矩阵中2个矛盾参数所产生的解题方式，在专利分析中出现的多少，所排列出的顺序，因此参考顺序最好依照解题原则出现的顺序，依序思考。

   （8）重复比对所列举出来的问题冲突，然后籍由解题原则加以思考，找出创新解决方案。

   （9）从想出的所有解题构想中，再定义出新的问题，重复使用39矛盾矩阵与40创新原则，直到设计的产品，解决了所有问题为止。

   当参数15(移动物体作用时间)改进时，参数23(强度)就会恶化，因此根据矩阵表中的40创新原则，得到解决此矛盾的方式有原则27(替代原理)；原则3（局部质量原理）；原则10（预先作用原理）。

   上述的解题原则是阿利赫舒列尔根据分析专利后，按照其被使用的解题次数多少来排序，因此首先考虑顺序为原则27(替代原理)和3（局部质量原理），其中解题的具体原则分别为：27(替代原理)：用廉价的不持久性代替昂贵的持久性原理。用一组廉价物体代替一个昂贵物体，放弃某些品质(如持久性)。3（局部质量原理）：（a）从物体或外部介质(外部作用)的一致结构过渡到不一致结构。（b）物体的不同部分应当具有不同功能。（c）物体的每一部分均应具备最适于它工作的条件。10（预先作用原理） （a）预先完成要求的作用(完整的或部分的)。（b）预先将物体安放妥当，使它们能在现场和最方便地点立即完成所需要的作用。上述三个创新原则的具体图例和说明推动我们产生新思维。

   根据原则27(替代原理)，改变检测方式。如果用色差检测也可检测出卡纸接头，但易受灰尘影响。

   根据原则3（局部质量原理），消除卡纸抖动。卡纸为间歇快速供应，设备运行中探杆随卡纸抖动而产生跳动，要消除这种跳动非常困难。

   根据原则10（预先作用原理），改变检测位置。卡纸用尽时，操作工总是用卡纸切刀切断上一盘余下的卡纸，因此只要检测到卡纸切刀动作即可达到目的。 

   重新考虑原则27(替代原理)，在改造时为了降低成本，不破坏机器原有结构，拆除原微动开关，在同一检测工位的断纸切刀处加装一个电感式接近开关。在卡纸正常运行时电感式接近开关输出高电平到电控柜N12（J3），在卡纸用完进行拼接时，切刀人工压下，电感式接近开关断开到电控柜N12（J3）的高电平，产生卡纸用尽信号及卡纸接头剔除信号，并在八号轮剔除五包烟，确保带卡纸接头的烟包剔除。

                    
                                    图3 改装前后电路图
  
                          
                               图4 改装前微动位置开关位置图
  
                    
                         图5 改装后电感式传感器位置图

   4 效果

   效果：改造后，卡纸接头检测性能稳定、带卡纸接头的烟包100％能够剔除出来，并杜绝了因误检而引起的停机和误剔现象。该项目已得到推广（八台）。

  经济效益：按每天每台减少停机时间1分钟、车速按380包∕分计算，每天每台可以多生产380包卷烟，能够带来经济效益1000元以上。每年能产生300万以上的经济效益。 

  5 结语

  本文针对TRIZ理论进行了初步探讨，并通过TRIZ 在GD包装机提出装置改造中创新方案的寻求过程，实践了应用TRIZ技术矛盾解决矩阵，解决产品改装过程中技术难题。可以看出，TRIZ理论中的39矛盾矩阵与40创新原则一方面能够有效地打破我们的思维定势，扩展我们的创新思维能力，同时又提供了科学的问题分析方法，保证我们按照合理的途径寻求问题的创新性解决办法。

  6 参考文献

   [1]杨清亮.发明是这样诞生的：TRIZ理论全接触[M]. 北京：机械工业出版社,2006. 

   [2]檀润华.创新设计TRIZ：发明问题解决理论[M]. 北京：机械工业出版社,2002. 

   [3]范怡红,黄玉霖等译.哇…发明家诞生了[M]. 成都：西南交通大学出版社,2004. 

  [4]范怡红等译. 创新40法：TRIZ创造性解决技术问题的诀窍[M]. 成都：西南交通大学出版社,2004. 

  [5]赵新军.技术创新理论(TRIZ)及应用[M]. 北京：化学工业出版社,2004. 

  [6]TRIZ专题网站.http：//www.triz.gov.cn/default.asp. 

  [7]亿维讯集团（IWINT, Inc.）. http：//www.iwint.com.cn/.  

   摘自《自动化博览》2011年第十期