创新设计——TRIZ系统化创新教程教学课件 作者 张换高第14章 裁剪

第14章裁剪创新研究所引言裁剪是基于产品功能分析的重要方法，设计中的重要突破，成本或复杂程度的显著降低往往是在功能分析之后进行裁剪的结果。主要内容14-1概述1.裁剪概述裁剪是TRIZ中改进系统、提高系统理想化程度的重要实现工具，也是TRIZ中通过去除元件激化冲突并结合TRIZ其它工具解决问的方法。裁剪是在系统功能分析的基础上，分析系统中每个功能及其实现元件存在的必要性，并去除不必要的功能及元件，在剩余元件上重新分配系统和超系统中的有用功能。14-1概述2.裁剪目的（1）降低成本（2）去除对系统有负面影响的功能，包括有害功能、不足功能和过剩功能（3）降低复杂性（4）裁剪能够从根本上规避对手专利（5）裁剪能够产生新的产品，创造新市场14-1概述面向产品的裁剪：在系统裁剪规则或裁剪问句引导下，裁剪系统中的元件以实现系统改进的目标。面向工艺过程的裁剪：把过程看作系统，通过裁剪规则裁剪工艺过程中的辅助功能、子过程以改善系统过程。3.裁剪工具问题分类14-1概述裁剪都是从系统中某个冲突区域开始的，裁剪规则和裁剪问句也是围绕冲突区域的。为了理解裁剪规则和裁剪问句，需要强调构成冲突区域的三个要素：功能载体、功能对象及其之间的作用。如图所示：4.功能载体和功能对象冲突区域的三要素14-1概述★功能载体：是冲突区域功能的提供者或施加者。对于系统中的某个元件，当考虑其对其它元件的作用时，该元件就是功能载体。★功能对象：是被作用的对象，是功能的承受者。对于系统中的某个元件，当考虑其它元件对其的作用时，该元件就是功能对象。★作用：代表了功能载体对功能对象的功能，一般用表达作用目的或方式的动词或场描述。两个元件间作用一般都是相互的，但在研究过程中如果某一方向的作用与研究目标不相关，则可以只列出相关的单向作用。按照作用效果，作用分为有用作用、不足作用、过剩作用和有害作用。冲突区域的作用是存在问题的作用，即有可能是不足、过剩或有害作用。14-2裁剪规则和启发式裁剪问句为了便于理解裁剪规则和裁剪问句，将结合如下图所示用牙刷刷牙的功能模型进行分析。例1:牙刷刷牙的功能模型用牙刷刷牙的功能模型14-2裁剪规则和启发式裁剪问句1.裁剪规则裁剪规则是裁去冲突区域中功能载体的指导原则。用于指导对冲突区域进行裁减时，寻找新的功能载体或裁剪功能。许栋梁教授（台湾清华大学）认为不同的裁剪规则的效力是不同，效力由大到小依次为裁剪规则A、X、B、C、D、E，设计者应用裁剪规则尝试裁剪规则时，也是依效力从大到小的顺序依次尝试。14-2裁剪规则和启发式裁剪问句1.1裁剪规则A（TrimmingRuleA）规则描述：如图所示，如果功能对象可以被裁去，则功能载体提供的有用功能也就不需要了，功能载体可以被裁去。如例1中对老年人，如果牙齿已经全部脱落，则刷毛就没有存在的必要，依次类推，刷头、刷柄也就没有必要存在，牙刷将整体失去功能。功能载体（FunctionCarrier）功能对象（Objectofthefunction）RuleA-删除功能对象作用14-2裁剪规则和启发式裁剪问句1.2裁剪规则X（TrimmingRuleX）规则描述：如图所示，如果功能载体提供的有用功能能够被裁去，则功能载体可以被裁去。如例1中如果刷毛提供的清洁功能能被裁去，同上，则牙刷整体能被裁去。功能载体（FunctionCarrier）功能对象（Objectofthefunction）RuleX-删除功能载体所执行的功能作用14-2裁剪规则和启发式裁剪问句1.3裁剪规则B（TrimmingRuleB）规则描述：如图所示，如果功能对象能够自身执行功能载体提供的有用功能，则功能载体可以裁去。如例1中，牙齿如果能够自己保持清洁，则刷牙变得不必要，牙刷整体可以被裁去，如对牙齿封釉处理。功能载体（FunctionCarrier）功能对象（Objectofthefunction）RuleB-功能载体的功能由功能对象自身来执行作用14-2裁剪规则和启发式裁剪问句1.4裁剪规则C（TrimmingRuleC）规则描述：如图所示，如果功能载体的功能能被系统中或超系统其它元件执行，则原来的功能载体可以裁去（被替代）。如例1中，刷柄支持、移动刷头的功能可以由手指承担，则刷柄可以被裁去。功能载体（FunctionCarrier）功能对象（Objectofthefunction）RuleC-功能载体被替代作用其他功能载体（NewFunctionCarrier）作用14-2裁剪规则和启发式裁剪问句1.5裁剪规则D（TrimmingRuleD）规则描述：如图所示，如果系统或超系统中存在某一元件能够取代当前功能载体执行相同或更好的功能，并且改善系统性能或效果（如降低成本），则当前功能载体可以裁去。如例1中，用冲牙器代替牙刷清洁牙齿的功能，可以清洗牙齿更加彻底。功能载体（FunctionCarrier）功能对象（Objectofthefunction）RuleD-功能载体及其功能被替代作用替代元件（Alternativepart）改善性能或效果14-2裁剪规则和启发式裁剪问句1.6裁剪规则E（TrimmingRuleE）规则描述：如图所示，如果能找到新的利基市场（新市场或细分市场），使裁剪后系统获得巨大收益，则功能载体可以裁去。若利基市场需要原有功能，则裁剪后系统须包含原有功能，若利基市场不需要原有功能，则新系统不包含原有功能。如例1中，用牙线加漱口可以代替刷牙，牙线形成新的利基市场。功能载体（FunctionCarrier）功能对象（Objectofthefunction）RuleE-面向新的利基市场的裁剪作用利基市场14-2裁剪规则和启发式裁剪问句2.启发式裁剪问句启发式裁剪问句指通过对冲突区域提出一系列启发式问题，刺激设计者考虑应用裁剪方法进行求解。总结文献中裁剪问句如下，其中“目标元件”是指设计者的研究对象，是要判断能否被裁去的元件，一般是功能载体：（1）是否需要目标元件提供的功能？例如“是否需要清洁牙齿？”（2）是否系统中有其它元件提供目标元件的功能？例如“牙刷系统中除了刷毛是否有其它元件能够提供清洁牙齿的功能？”14-2裁剪规则和启发式裁剪问句（3）是否有其它资源能够提供目标元件的功能？例如“是否有资源能够代替牙刷刷毛的功能？”（4）能否能找到一个低价值元件来提供目标元件的功能？例如“是否存在一个低价值元件能够代替刷毛\刷头\刷柄的功能？”（5）对于其它元件，目标元件是否必须被移除？例如“对于其它元件，刷毛\刷头\刷柄是否必须被移除”（6）目标元件一定要使用与其它元件不同的材料或是目标元件对其它配对的元件而言，需要被独立出来吗？如“刷柄与刷头一定要使用不同的材料，或者对刷头而言，刷柄需要被独立吗？”（7）目标元件一定要与其它配对的元件分开、组装在一起或不组装在一起吗？如“刷头一定要与刷柄分开、组装或不组装在一起吗？”14-2裁剪规则和启发式裁剪问句（8）是否能够裁去低价值元件（价值计算见下节）？如“是否能够裁去低价值的刷柄？”（9）目标元件是否能够加强子系统的独立性？如“刷毛是否能够加强刷毛和刷头组成的子系统的独立性？”（10）是否能够消除对程序、操作或者过程的分割？如“是否能够消除刷牙过程的操作，如挤牙膏？”（11）是否能够使用临时的元件？如“是否能够使用临时的刷柄\刷头\刷毛？”（12）是否能够使用相互协调的子系统？如“刷毛、刷头与刷柄之间是否存在不协调？能否协调？”（13）是否能够只在需要的时候使用昂贵的材料？如“牙刷系统中是否有相对昂贵的材料？是否只在个别情况下使用？”14-2裁剪规则和启发式裁剪问句（14）是否能够裁去辅助功能？如“刷头、刷柄的功能是否能够裁去？”（15）目标元件的功能对象能否自服务？如“牙齿是否能够自己保持清洁？”（16）是否能够从专利分析中寻找到此功能的提供者？如“是否存在保持牙齿清洁的专利？”14-3裁剪对象选择裁剪规则和裁剪问句是在冲突区域确定之后，针对冲突区域的功能载体进行的裁剪尝试。如果裁剪对象是一个系统，首先是在建立系统功能模型基础上，选择裁剪的区域，确定裁剪顺序，即应该从哪个元件开始执行裁剪，然后剩余的元件应该按照怎样的顺序进行裁剪。优先被裁减的元件应具有以下特征中的一个或几个：◆关键负面因素◆最有害功能◆最昂贵元件◆最低功能价值在确定系统中的被裁剪的目标元件时，除了参考以上四个特征外，还可以根据具体设计目标，制定其它选择原则。针对以上四个特征，需要不同方法进行确定。14-3裁剪对象选择1.关键负面因素的确定关键负面因素是对系统存在的问题起关键作用的因素，导致系统问题的根原因指向的因素就是关键负面因素，也就是根据根原因分析结果在功能模型上确定的最终冲突区域的元件应是首先被裁剪的元件。2.最有害功能的确定在功能模型中对元件进行有害功能分析，确定执行有害功能最多、产生有害影响最大的元件作为首要的裁剪对象。通过裁剪执行有害功能最多的元件，以提高系统的运作效率。3.最昂贵的元件的确定利用成本分析可裁去成本最昂贵又价值不高的元件，这样可以大幅降低系统的制造成本；成本分析是将系统元件的成本逐一比较，成本越高的被裁去的优先级别就越高。14-3裁剪对象选择4.最低功能价值的确定以上三个指标对系统都会产生较大影响，但是如果不是集中在一个元件上，又如何取舍呢？就是利用功能价值来综合考虑三方面相应。在创新设计软件TechOptimizer中评估元件功能价值的参数有三个：功能等级（FunctionRank）问题严重性（ProblemSignificance）成本（Cost）。若针对产品设计初期的概念设计，在功能价值评估过程中可以不考虑成本的问题。14-3裁剪对象选择4.1功能等级功能等级与功能模型中各元件的通过作用建立起来的连接关系有关，由功能的位置与制品的接近程度来决定。功能等级定义规则如下：规则1：如果元件是直接作用在制品上，则其作用的功能等级是基本功能（BasicFunction），用B表示；规则2：如果元件作用在产生基本功能（Basicfunction）的元件上，则其作用功能等级是第1级辅助功能（AuxiliaryFunction1），用A1表示；规则3：假定元件作用在产生第i-1级的辅助功能（AuxiliaryFunction）的元件上，则其作用的功能等级是第i级辅助功能（Auxiliaryfunctioni），用Ai表示；规则4：假如元件作用在超系统，则其作用的等级是A1。14-3裁剪对象选择依据规则1-4定出的某一系统的功能等级：某一系统的功能等级14-3裁剪对象选择依据功能等级给予数值，采用如下规则5-7计算功能等级：功能等级数值规则5：规定最低功能Ai的功能等级值为1规则6：Rank(Ai-1)=Rank(Ai)+1规则7：Rank(B)=Rank(A1)+214-3裁剪对象选择根据规则8，各功能元件等级数值计算结果如下：规则8：对于作用多个功能元件的功能，其等级为所有作用之和。 功能等级量化值 折算成十分制功能等级量化值 元件1 4 10 元件2 2+1=3 7.5 元件3 2 5 元件4 1 2.5 元件5 1 2.514-3裁剪对象选择4.2问题严重性由元件所受到的问题功能来决定，问题功能共有三种：有害功能、不足功能、过剩功能。而由这三种问题功能所导致的问题严重性则由有用功能和有害功能作用的等级来决定。其公式为：问题严重性=10×参数其中：参数=1~20参数代表功能作用的程度，需由设计者给定数值，由设计者的主观判断来决定其作用的程度。某一元件的问题严重性为所受到的问题功能所造成的问题严重性量化值总和。依照与功能等级同样的规则，然后把各元件问题严重性量化值折算成十分制数值。14-3裁剪对象选择4.3功能价值计算出功能等级和问题严重性后，功能元件的价值的大小由下列公式决定：Value=F×F/(P+C)其中，F为功能等级；P为问题严重性；C为成本。如果不考虑成本影响，则其值设为0。按照功能元件价值的计算公式将所有元件的价值计算出来，并由低向高排列，即可找到功能价值较低且问题较严重的元件，通过裁去该元件以消除由此元件带来的问题。14-4裁剪过程裁剪最终目的是使系统的理想化程度提高，裁剪的具体目的不同，则裁剪的深度是不同的，裁剪的深度是指被裁去的元件的数量占系统总元件数量的百分率。百分率越高，裁剪深度越大。裁剪深度体现裁剪对系统改变的程度。裁剪主要针对已有产品，在建立功能模型基础上，对系统进行裁剪，裁剪后系统如果出现新的问题，可以应用TRIZ中其它解决问题的工具加以解决。下图为裁剪的流程，大致可以分为裁剪前准备阶段、裁剪执行阶段、裁剪后处理阶段三个阶段。14-4裁剪过程14-4裁剪过程14-4裁剪过程14-4裁剪过程1.裁剪前准备过程裁剪前准备阶段阶段主要解决裁剪对象及裁剪实现的目标问题。1.1选择将要裁剪的系统将要裁剪的系统可以是具体产品，也可以是具体某个专利。可以对单个系统裁剪，也可以对多个系统进行组合后再裁剪。1.2明确期望实现的目标裁剪可以实现技术系统成本降低，去除系统中有负面影响的功能，降低复杂性，规避专利和开发新产品等目的，这是裁剪结果的依据。1.3分析相关专利分析专利在做专利规避设计时是必须的步骤，在实现其它设计目的的同时，避免专利侵权是现代工业社会的基本要求。14-4裁剪过程2.裁剪执行阶段在建立功能模型基础上，确定元件的裁减优先顺序，然后执行裁剪。2.1功能分析功能裁剪首先要建立研究对象的功能模型。如果研究对象是专利，则需要根据专利的描述把专利所涉及的技术系统的功能模型建立起来。2.2确定元件裁剪优先顺序裁剪元件优先顺序根据前面设定的目标而定。2.3对目标元件裁剪选定裁剪目标元件后，应用裁剪规则或启发式裁剪问句，探讨目标元件可被裁去的可能性。14-4裁剪过程3.裁剪后处理阶段主要分析解决由裁剪导致的系统改变引起的新的问题。3.1问题描述与模型转化描述因裁剪引起的问题，分析问题的根原因，然后确定新的冲突区域。▲试着消除根原因，如果引起冲突，则转化为冲突求解；▲把冲突区域提取出来用物质-场模型表达，为应用解做准备。▲提取冲突区域的功能，用黑箱模型表达，为用效应求解做准备。3.2问题求解按照上一部转化的问题模型，分别应用发明原理、效应和标准解求解。产生一个或多个概念解。最后判断设计结果是否满足设计目标，如果不满足设计目标，需要重新定义分析裁剪后问题，或者重新进行裁剪分析。14-5案例分析1.问题背景某汽车厂油漆车间，工件涂装系统如图所示，工艺过程如下：工件固定在吊具上，由输送链传送，经过充满油漆的油漆池时，工件没入油漆中，随着输送链的运动，工件逐渐离开油漆池，进入后续工艺。当油漆池内的油漆不足时，池面的浮球下降，带动杠杆摆动，连杆脱离泵控制开关（常闭），泵开始工作，把油漆泵入漆池中，当浮球随同液面一起上升到一定高度，杠杆与泵控制开关接触，切断电源，泵停止工作，停止向漆池中注入油漆。当前系统存在的问题：空气会干燥粘附在浮球感应器上的油漆，使得感应器无法正确测量储存桶内的油漆水位，造成油漆补充过多而溢出。14-5案例分析2.裁剪过程分析（1）明确裁剪对象和实现的目标以当前油漆涂装系统为待裁剪系统，裁剪的目的是为了解决当前系统中漆泵无法自动停止泵漆的问题。（2）裁剪过程分析1）建立功能模型14-5案例分析2）根原因分析和裁剪优先级确定在排除了油漆池、泵、电机（含导线）、开关、杠杆、工件自身因素之后，池中油漆溢出的根原因分析过程如图。池中油漆溢出的根原因分析（部分）14-5案例分析3）裁剪元件裁剪1：按照裁剪规则B，裁去浮球，杠杆需要独立完成移动功能，目前不可行。按照裁剪规则C，裁剪掉浮球，需要从系统或超系统找一种能够替代元件替代浮球执行移动杠杆的功能，新元件应不受漆凝固的影响。裁剪后功能模型如图所示：14-5案例分析裁剪方案2：进一步裁剪杠杆，按照裁剪规则B，控制开关需要独立承担控制自身的功能。目前不可行。按照裁剪规则C，需要从系统或超系统找一种元件替代杠杆控制泵控制开关的功能。并且不受油漆凝固的影响。如采用非接触式测量如用光测量或超声波测量油面实现控制。裁剪后功能模型如图所示：14-5案例分析裁剪方案3：依照上面的思路，进一步深入裁剪，直到把浮球、杠杆、控制开关、电机、泵都裁去。最终裁剪过后的功能模型如图所示。模型失去了原来泵控制油漆液面高度的功能，是个问题模型。14-5案例分析（3）裁剪后处理由于裁剪方案3存在油漆液面无法控制的问题，对该问题应用TRIZ中其它工具求解。问题描述：装置无法自动实时供给油漆。1）系统资源分析首先分析系统资源，资源列表如表14.2。 资源类型 所需资源属性描述 可用资源 资源可用性评价 物质资源 能够移动、控制油漆的物质； 内部资源 油漆桶 漆桶变形可移动油漆，但不可持续 油漆 油漆收到力的作用会移动 油漆池 油池面积变小，但不可持续，不可行。 外部资源 空气 空气流动产生力，空气可以传递压力； 场资源 需移动油漆的力场 内部资源 油漆内部压力 油漆不同深度压力不同、油漆受到的压力不平衡时的会流动，压力平衡时会静止 漆桶对漆的作用力 漆桶对桶内油漆可产生力，不可持续 漆池对漆的作用力 漆池面积变小可产生力，不可持续。 外部资源 1.气压 大气压随海拔而变化，气体压力热力学定律和流体力学定律等有关，可考虑相关效应。 2.重力场 液体的势能能转化为动能14-5案例分析2）应用冲突求解查找附录2中冲突矩阵得到的可用发明原理有：预操作（No.10）、动态化（No.15）和中介物（No.24）。希望改进的特性为：自动化程度；通常采用的措施：增加一套控制系统；恶化的特性为：装置的复杂性。14-5案例分析由No.10预操作原理的描述“在操作开始前是物体局部或全部产生所需的变化”。结合资源分析的结果，为了利用重力作为动力驱动油漆从油漆桶流入油漆池，需要把漆桶预置在高于漆池的一定高度。由No.15动态化原理的描述“使一个物体或其环境在操作的每一个阶段自动调整，以达到优化的性能。”油漆受到的驱动力应该随着漆池液面高度的增加而减小，当液面达到一定高度，油漆受到的驱动力变为零。应用动态化原理，需要寻找系统或超系统可变化的资源：★漆桶液面下降会使油漆压力减小；★漆池液面上升会使内部压力提高；★空气压力会随着流速和密度变化而变化。14-5案例分析其中漆桶液面下降导致的油漆压力变化可以直接应用，容易想到的是连通器原理，如图所示连通器原理14-5案例分析由No.24中介物原理的描述“在两个物体、系统或作用中增加中介物”。考虑制造一个密闭空间，隔绝一部分气体，以改变气体压力。由资源分析结果可知，油漆桶和桶内油漆可以提供一个密闭的空间，隔绝内外空气。随着油漆液面的降低，内部气压降低，阻止油漆流出。为了能够使桶内油漆在油漆池液面低于一定高度时自动连续注入油漆，需要调高调节桶内压力，补充一部分空气进入，当液面达到规定高度，要阻止空气进入。考虑空气的通道，最好的方法就是直接利用液面作为中介物隔断空气的通道。最终设计方案的功能模型如下图所示：14-5案例分析储料桶桶容纳容纳油漆移动油漆涂装系统最终功能模型裁剪工具的应用剪掉了原有油漆罐装系统浮球及其一系列复杂的附属结构大大简化了系统。结合TRIZ解决问题工具解决问题后得到的新模型不但减少了能源消耗，而且方便可靠。最终解决方案系统如图下所示：14-5案例分析裁剪后解决方案系统图本章小结功能裁剪是TRIZ中的重要工具，通过裁去问题元件，有用功能再分配，实现问题的解决。 裁剪规则五个裁剪规则裁剪元件的选择原则裁剪问卷裁剪后有用功能的重新分配原则 裁剪分析过程谢谢!www.triz.com.cn