面向顾客需求的卷膜机创新设计

王志勇，赵 武，王 晨

（四川大学 制造科学与工程学院，成都 610065）

0 引言

粘胶带作为日常用品，在生活中随处可见。然而，不同的使用条件对粘胶带的性能有着不同的要求。如高温、高压、高腐蚀环境中使用时，对粘胶带基材的性能要求特别高。聚四氟乙烯俗称“塑料王”，在各方面都有着不错的性能，是生产这种高性能粘胶带的不错选择。卷膜机是将聚四氟乙烯生料带薄膜进行放卷，经过特殊的薄膜表面涂胶设备单面涂胶后再收卷的机器。针对不同材质的生料卷，对卷膜机的要求不同。对于半透明的聚四氟乙烯薄膜的生产加工，现有卷膜机并不能很好适用，主要存在如下问题：1）生产过程中的薄膜张力不稳定，胶带变形；2）卷筒卷径变化时，薄膜线速度变化，涂胶质量不佳；3）收、放卷气涨轴多为悬臂梁，其平行度会随生产时间的加长而降低，进而影响胶带质量。文献[1]对卷膜机设计方案进行了研究，但其方案并没有给出方案的详细设计。文献[2]对卷膜机设备中的张力控制进行了研究，但并未考虑到总体方案设计中如何同时保证速度恒定的问题。所以，现在急需设计一台满足聚四氟乙烯胶带生产需求的卷膜机。

1 集成理论概述

文献[3]显示，70%的产品质量问题是设计时候所造成的。好的设计不仅可以提高产品的质量,还可以降低产品的成本。而设计方法的选择是改进质量、降低成本的关键。

QFD意为质量功能配置，是将顾客需求转换为设计要求的有效工具，其核心是质量屋（HOQ）的建立[4]。

TRIZ意为发明问题解决理论，其理论体系主要由TRIZ理论基础、分析工具和知识库工具三个部分组成[4]。

KANO模型可以用来表明产品的特征和功能对顾客的重要程度。KANO模式把顾客需求分为基本需求、功能需求和兴奋需求三类[5]。其分类对应的顾客满意度曲线如图1所示。

图1 KANO模型

QFD与TRIZ的集成创新设计理论已经有不少学者对其进行研究，其成果也应用到许多实例的创新设计中[6]。但是，在使用该方法之前，用户需求的获取、分类和各项需求之间的重要度判断却鲜有研究。用户的各项需求之间的分类和重要性判断直接影响着产品后续的设计过程和制造成本，并最终决定着用户对产品的满意程度。文献[6]对于KANO模型修正QFD方法对顾客需求重要度进行了理论研究，但并未将其应用于产品设计方法。因此，将KANO模型、QFD和TRIZ理论进行集成，建立起由顾客需求到技术需求再到设计方案的集成产品创新设计流程。

以上三种理论在产品的开发设计过程中起着不同的作用。在获取用户需求后，通过KANO模型对需求进行分类、分析，得出其重要度。QFD根据顾客需求及其重要度，以结构化的方式确定需要解决的问题和产品的工程技术参数。然后，借助于TRIZ理论中的工具，实质性的解决QFD所不能解决的问题。其创新设计流程如图2所示。

图2 KANOQFDTRIZ创新设计流程

2 基于KANO、QFD、TRIZ集成理论的卷膜机设计

现有的胶带产品，特别是聚四氟乙烯胶带产品，其生产过程包括三个阶段：1）筒状原料膜进入涂胶处理设备的放卷阶段；2）原料膜在涂胶设备中的表面处理阶段；3）涂胶薄膜卷成筒状的收卷阶段。这整个过程需要特制的卷膜机来完成。根据上述创新设计流程，对卷膜机进行创新设计，步骤如下：

1）获取客户需求，通过KANO模型对客户需求进行分析、分类，并确定各项客户需求的重要度。

2）将各项客户需求及其重要度导入HoQ中，完善质量屋，得出卷膜机的技术需求及其相互关系。

3）分析技术需求及其相互关系，将技术需求中负相关的技术需求运用TRIZ进行创新设计，化解冲突。

4）综合分析冲突解决方案和各项技术需求，最终得出满足顾客需求的设计方案。

2.1 顾客需求分析

针对本次卷膜机的创新设计，采用客户直接提出需求和查找相关资料的方式得出如下顾客需求：张力恒定可调、速度恒定可调、收卷整齐、涂胶质量好、生产效率高、结构合理、工作可靠等，记为CR1、CR2、CR3、CR4、CR5、CR6、CR7。对于每一项客户需求通过如表1所示的正反两个问题进行调查（以涂胶均匀质量好为例）。

表1 问卷调查表

根据顾客对同一需求项两个相反问题的不同反馈将该项顾客需求进行分类。例如，对涂胶质量好这一项需求，顾客对正向问题的回答为“喜欢”，对反向问题回答为“不喜欢”，则这一需求为功能需求。可能出现的25种不同的结果及其分类如表2示。

表2 顾客需求分类表

需要注意的是，在表2中，基本需求、功能需求和兴奋需求是需要的结果。其他三种结果分别为可疑结果、反向结果和不关心，这是不需要的，应排除[7]。将每一项顾客需求作如上分析之后，统计后得出结果如下：

基本需求：CR5、CR6、CR7。

功能需求：CR1、CR2、CR4。

兴奋需求：CR3。

采用专家小组打分的方式，得出CR1、CR2、CR3、CR4、CR5、CR6、CR7对应的初始重要度矩阵为IR1=（5,4,4,5,5,4,5）。对于分类为基本需求、功能需求和兴奋需求的各项顾客需求，分别赋予2、1、1/2的修正量。得到修正后的重要度矩阵为IR2=（6,5,4.5,6,7,6,7）。

2.2 质量屋的搭建与分析

在参考各方面资料后，得到卷膜机设计所需的技术需求和参数主要包括：速度参数、张力参数、薄膜平整、简支梁、换卷快捷、自动控制、系统刚度等。结合顾客需求重要度信息，建立如图3所示的质量屋。

图3 卷膜机设计质量屋

顾客需求与技术需求相关矩阵中：强相关记3分；一般相关记2分；弱相关记1分；无相关记0分。技术需求相关关系矩阵中：正相关记为+；负相关记为-。对质量屋进行分析，得到以下信息：1）根据技术需求与顾客需求之间关系，技术需求按照其重要度得分重新排序为：自动控制、系统刚度、换卷快捷、速度参数、薄膜平整、张力参数、简支梁；2）依据技术需求相互关系矩阵，得到两对负相关特性，一是速度参数与张力参数，二是简支梁与快速换卷之间的矛盾。

2.3 冲突解决

将第一对负相关特性详细表述为：在卷膜机现有的驱动条件下，如果保证了薄膜的速度恒定，那么张力就无法控制。同理，如果保证力矩可调，速度则无法保证随时恒定。即薄膜的速度和张力之间相互存在冲突。在TRIZ理论中，该冲突属于技术冲突，可以借助矛盾矩阵进行求解。

首先，通过查询39个工程参数，将问题标准化。这里与薄膜的速度和张力对应的工程参数为：速度（No.14）和力（No.15）[8]。然后，通过查询矛盾矩阵，找到对应的原理解是No.13（反向作用）、No.28（机械系统的替换）、No.15（动态特性）和No.12（等势性）。通过对上述发明原理进行深入研究之后发现：NO.13和NO.28发明原理对解决负相关特性帮助最大。

原理的详细解释如下：1）No.13：（1）用相反的作用代替问题定义中所规定的动作；（2）让物体或环境的可动部分不动，不动部分可动；（3）将物体上下颠倒或内外翻转。2）No.28：（1）用光学系统、听觉系统、电磁系统、味觉系统或嗅觉系统代替机械系统；（2）使用与物体相互作用的电场、磁场、电磁场；（3）用运动代场代替静止场，时变场代替恒定场，结构化场代替非结构化场；（4）利用场与铁磁粒子的联合使用。

根据发明原理13（反向作用）可启发得到这样构思，既然收卷的驱动端无法实现张力调节，可在放卷端加入一个反向制动力，可以通过调节这个制动力的大小，来实时调节薄膜的张力。同时，结合发明原理28（机械系统的替换）中关于引入磁场的概念，通过查询搜索发现一种磁粉制动的装置。该装置能通过调节磁粉的吸附多少来调节制动力的大小。这样的情况下，当薄膜的张力过大（或过小）时，便可减少（或增加）磁粉的吸附量来调整放卷端制动力的大小，从而保证薄膜的张力稳定。

对第二对负相关特性采用同样的流程进行分析，得出如下结论：该矛盾属于物理矛盾，使用空间分离原理所对应的发明原理分析该矛盾发现，NO.15动态法可以解决其矛盾冲突。设置如图4的收放卷快拆轴承座。创造性地将轴承座改进为可以快速变换为两种形态的结构。很好地化解了设计中的矛盾，满足了简支梁结构和快速换卷的要求。

图4 快拆轴承座示意图

2.4 得出总体方案

从技术系统进化理论来看，最终卷膜机会沿着高度自动化，高效率的方向进化。将TRIZ提出的指定矛盾解决方案和现有的卷膜机设计的成熟技术进行综合，得出该卷膜机的总体方案如图5所示。

图5 卷膜机设计方案图

该卷膜机按照薄膜运行路线主要由放卷系统、展平弯辊、薄膜涂胶处理设备、收卷系统以及纠偏系统组成。其中，放卷系统为控制张力恒定可调的独立闭环控制系统；收卷系统为控制速度恒定可调的独立闭环控制系统；纠偏系统为独立的闭环控制系统。上述各个部分依次固定在强度足够的标准工业铝型材机架上。在方案确定后，后期对其进行三维建模，得如图6所示虚拟样机图。

图6 卷膜机虚拟样机图

3 结论

本文将KANO模型、QFD和TRIZ理论进行集成，三种方法在产品方案设计中各自发挥自己的优势，互相补充和促进，形成一套产品创新设计流程。在充分分析顾客需求的基础上，针对现有的卷膜机设计存在的一些问题，以QFD为主要框架将顾客需求转化为技术需求，指明创新设计的方向，并以TRIZ创新方法为工具解决设计中遇到的问题。通过一个快拆轴承座的设计解决了简支梁和快速换卷之间的矛盾，保证了系统刚度和气涨轴平行度的同时提高了换卷的效率。通过将速度控制和张力控制系统分别置于放卷端和收卷端的方法解决了同时控制张力恒定与速度恒定的矛盾。综合其他关键设计问题最终得出卷膜机的创新方案设计，并通过电脑三维建模得出虚拟样机图。既解决了卷膜机设计遇到的问题，提高了卷膜机的性能和效率，同时也证明了KANO模型、QFD和TRIZ集成理论的可行性。

[1] 樊小西,丁凌,李拓.基于TRIZ理论的卷膜机创新设计[J].轻工标准与质量,2013,(2).

[2] 许德章,梁志扬.卷膜机张力在线控制的实现[J].机械设计与研究,1999,(2).

[3] 石贵龙,佘元冠.基于QFD、TRIZ和田口方法的问题解决理论研究[J].系统工程与电子技术,2008,(5).

[4] 曾富洪.产品创新设计与开发[M].成都：西南交通大学出版社,2009：210-213.

[5] KANO N,SERAKU K,TAKAHASHI F,et al.Attractive quality and must be quality[J].The Journal of the Japanese Society for Quality Control,1984,14(2)：39-48.

[6] 李小明,赵武,王晨,曾杰.基于QFD与TRIZ集成的复卷机创新设计[J].制造业自动化,2013,(18).

[7] 侯智,陈世平.基于Kano模型的用户需求重要度调整方法研究[J].计算机集成制造系统,2005,(12).

[8] 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,2006.