李付乐
华南理工大学设计学院 广东省广州市 510000
摘要： 目的 针对现阶段的智能卫浴检测试验机普遍存在的结构、造型、外观、密封及操作方便性等方面的缺陷，利用发明问题解决理论（TRIZ）和产品设计理论，提出一种基于 TRIZ 理论的试验机创新设计方法。方法 首先运用 TRIZ 理论建立智能卫浴检测试验机的功能模型图，阐述技术矛盾；并根据矛盾矩阵确定发明原理，确定最适合解决技术矛盾的具体解决方案；结果 将 TRIZ 理论与相关理论相结合，对检测试验机进行设计实践，验证了应用该方法为产品设计构思提供创新思路的可行性，并为相关试验机产品的开发设计提供了重要的参考。
关键词：智能卫浴检测试验机；TRIZ理论；矛盾矩阵；发明原理；产品设计
1. 课题背景
试验机是检测批量生产的产品是否符合标准的检测实验仪器，其操作方式，外观结构与人机交互与数控机床有类似之处。近年来，随着国家关于各类产品标准制度的完善，对于产品质量的重视，使得试验机产业的市场与地位都有了显著的提升。现今中国制造业的不断发展，产品种类层出不穷，质量要求不断提高，检测标准更加完善，试验机的市场需求得以持续快速的增长。但是市面上现存的试验机普遍外观较为呆板，缺乏美感。在面对这样的市场现状，工业设计师应当利用人机、造型、材料与色彩等知识，对试验机产品的外观与结构进行改良设计，使产品更加方便使用，与企业的形象准确结合。
2. TRIZ理论
TRIZ是前苏联科学家阿奇舒勒团队综合众多学科领域和法则形成的理论体系，通过发现问题，分析问题，解决问题的流程，利用TRIZ工具得到标准解，再进行对比分析得出最优化解决方案。
根据 TRIZ 所提供的原理将实际问题转换为可以归类的标准问题，并针对标准问题进行分析总结，提炼出可能的标准化解决方案，为产品的创新设计、发明提供思路。将TRIZ理论运用在检测试验机产品创新设计中，可以全面地分析系统中的所有组件，发现工程系统中的问题，找出功能冲突，并对技术冲突进行矛盾分析，从而寻找功能原理组。
3. 基于 TRIZ的检测试验机创新设计应用流程
3.1功能分析
1)组件分析。系统组件功能分析是一个对系统功能建模的过程，所建的模型应包括超系统、系统组件、作用对象等元素，通过系统组件功能分析，可提示整个技术系统所有组件之间的相互作用关系，以及如何实现系统，并从中找出解决问题的入手点。检测试验机的组件分析可分为系统组件和超系统组件两种，如下表所示。
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2)相互作用分析。通过组件分析，建立相互作用的矩阵表，若两组件之间相互作用，则用“+”标记，否则用“—”标记，见下表。
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组件功能模型
3.2应用 TRIZ矛盾矩阵解决技术矛盾
TRIZ 理论把矛盾分为技术矛盾、物理矛盾和管理矛盾。管理矛盾更多是针对家具的经营、成本控制、生态要求等方面的知识。技术矛盾是指一个系统在某个方面改善的同时使得另外一方面的坏化，一种方案、技术参数或特征的选择是以在其他方面丧生为代价的。而TRIZ在产品系统改善的同时也解决掉造成某种恶化的困境。TRIZ理论提供了39系数的阿奇舒勒矛盾矩阵表和40条发明原理，可以针对自身设计产品分析所存在的技术矛盾，通过这两块内容得出解域，在此基础上通过对比、推敲，研究出最佳方案。
通过对初步方案能满足一般就座功能的基础上进行分析，本案例若要进行创新改进就存在 2 对技术矛盾:
1)矛盾1：改善参数（35适应性、通用性）恶化参数（32可制造性）
本设备的防护门开启方式应满足，推拉便利，安全性高的基本功能，同时还要满足大多数用户的工作空间，合理的检测工作视野。根据阿奇舒勒矛盾矩阵表可得解域为2，13,15。解域所对应的 40 条发明原理为2抽取原理，13反向作用原理，15动态特性原理。
经分析，能解决矛盾一的原理主要为15动态特性原理，而另外两条原理与本技术矛盾的解决关系不大，不能解决问题。在TRIZ理论中，对动态化原理的具体描述为:1)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。2)把一个物体划分成具有相互关系的元件，元件之间可以改变相对位置。3)如果一个物体是静止的，使之变为运动的或可改变的。
具体解决方案：对于试验机整体造型而言，防护门属于比较重要的一部分，为了与试验机外防护正立面的轮廓线相匹配，将防护门设计成曲门造型。根据试验机设备的外观造型，将弧面上的防护门设计成对称的、单开门、单侧推拉的开启方式，同时为了便于防护门的开启，在防护门上设计了内嵌式的把手，更适合小型试验机。该方案进行结构设计时，把手高度为1500mm，较高于成年男性P95人站立时的肘高尺寸1096mm，与人的合理工作区域相协调。同时，防护门的宽高度也影响着操作的精度与机能，门打开后的操作空间必须大于人肩宽，一般而言，防护门的宽度应略大于检测工位的工作宽度。
2)矛盾2：改善参数（33操作流程方便性）恶化参数（36系统的复杂性）
本设备的显示屏是用户与试验机进行沟通的渠道，实现人机之间的信息传递，试验机中显示屏的高度和位置，都对用户操作及调试试验机有着至关重要的作用。因此要求在进行试验机显示屏结构设计时，必须考虑用户的操作空间及工作范围，使其能够舒适地进行操作。根据阿奇舒勒矛盾矩阵表可得解域为27，9,26,24。解域所对应的 40 条发明原理为27廉价替代品原理，9预先反作用原理，26复制原理，24借助中介物原理。
具体解决方案：根据人体高度的测量标准、站姿操作机床时的舒适工作区域，确定机床操纵台合理的工作高度、合理的手臂活动空间范围，确定机床操纵台与机床主机之间合理的空间位置，使操作者在操作机床时有合理的自由空间范围。图3.8为人体舒适的操作高度与工作范围，给出了身体不倾斜时，男性的手臂最大半径范围为 R=720 mm，最有利的抓握半径范围为 R=600 mm，最佳的操作高度 H为1080 mm～1370 mm。图3.9为机床操纵台上操纵面板设置的位置及视野角度范围，给出了在考虑人体力学及人体生理学条件下的最佳视野。为了满足在操作机试验机时能够灵活、方便与舒适，以更好进行人机对话，试验机显示屏的倾斜角度应当控制在10°-30°之间，不超过水平视野以外的30°-40°。
参考文献：
1. 黄朝亮，数控机床的外观造型创新设计研究［Ｄ］，北京·北京邮电大学博士学位论文，2013,38—39
2. 袁桂珍，机床外观设计中的工业造型技术的应用［Ｊ］，科技创新导报，2017，3—4