基于INPD方法的颗粒物料包装机设计研究

李宇晗 范旭东

关键词：iNPD TRIZ 颗粒物料包装机 改良设计 流程优化

引言

通过市场调研发现，颗粒包装机械在当今机械设备领域内占有重要的一席之地，但是发展较为滞后，存在一系列问题：包装的速率和精度都缺乏一定的竞争力，智能化水平较为低下，人性化设计方面略显不足，一些不合理的装置及操作方法容易造成工人生理与心理健康方面的问题。在以用户为中心的设计理念大行其道的今天，针对欠缺人性化考量的颗粒物料包装机提出优化设计方案迫在眉睫。

iNPD法是高效的产品开发方法，尤其是其中的SET因素分析[1]更是被广泛运用到产品的前期机会探索中，TRIZ作为创新系统理论运用到iNPD的流程之中，不仅可以加速产品开发速度，更可以提升创新方案的质量与科学性。本文基于iNPD与TRIZ复合的方法，通过前期利用SET因素分析寻找产品在市场机会中的缺口并进一步理解市场机会[2]，在产品机会概念化设计阶段结合TRIZ创新原理进行设计，开发一款符合人机工学和需求的颗粒物料包装机。

一、TRIZ理论在iNPD方法中的应用

iNPD（integrated New Product Development）设计方法是由卡耐基梅隆大学的Craig Vogel和Jonathan Cagan[3]为解决一体化新产品开发问题，开发出的全新设计方法。iNPD包括如下几个阶段[4]，如图1所示。

TRIZ拥有8大技术系统的进化法则、40个系统发明应用原理以及阿奇舒勒矛盾矩阵，当一个问题解决者面对一个冲突时，首先从TRIZ中定义的39个工程参数中，通过匹配每个矛盾的含义来搜索合适的参数。然后通过矛盾矩阵，用户可以指出合适的发明原则，并提出产生理想解决方案的方法，可以有效帮助系统设计者快速打破传统思维的定势[5-6]，寻求到解决问题的科学途径。在TRIZ方法学的应用中，将TRIZ与其他方法相结合，以增强TRIZ方法学的优势是目前的一个发展趋势。

在iNPD方法中，识别机会阶段采用的SET分析可有效识别到产品机会缺口[7]，在概念化机会阶段，引入TRIZ理论对矛盾问题进行科学求解，依据这一复合设计方法得出的模型科学合理，具有一定的实际价值与可实践性。基于TRIZ和iNPD的复合设计方法见图2。

iNPD法是一种行之有效的科学流程开发方法，而TRIZ理论作为解决矛盾的一套理论体系，可以很好地融入iNPD方法之中，提升了iNPD法的普适性与科学性。二者的完美结合是一种符合时代需求的科学方法，可以普遍应用于各类创新产品的研发中，有助于设计者得到高质量产品并且加速创造创新的进程[8]。

二、识别机会

第一阶段对颗粒物料包装机存在的问题展开识别和选择，进行实地体验采访和情景体验。通过对颗粒物料包装机工作进行观察，同时设身处地地对工人的操作进行情景模拟体验，发现产品的不足之处。在此阶段的产品设计过程，很多设计师都犯了理想主义的错误，仅仅依靠过去的经验与主观意志进行设计，过分依赖主观判断从而忽视了一些重要的客观因素，阻碍了创新设计的进一步发展。在此阶段对颗粒物料包装机进行SET因素分析，见图3。并根据机会权衡矩阵，最终确定了颗粒物料包装机操作过程的人性化、安全性、美观性为产品机会。

三、理解机会

（一）市场调研

通过市场调研，选取了市面上最有常见的，并有一定代表性的四款颗粒物料包装机产品样机进行竞品分析，具体样式参见图4。根据工人比较关注的属性包括安全性/卫生性/省力性/可操作性/美观/人情味/尺寸，制作问卷，邀请10名颗粒物料包装机产品用户进行打分，分值从0到5分，八项指标共计满分为40分。四款产品总分分别为10、11、19、18分，与理想中的颗粒物料包装机模型差距甚远，尤其在安全性、美观性、人情化等属性上评分普遍偏低，可见当下市场上的颗粒物料包装机都存在一定设计方面的问题。

（二）用戶调研

通过采用深度访谈法和参与观察法，对上述参与评分的十位颗粒物料包装机的操作工人进行了调查，并对其中重点访谈的三位工人在使用产品过程中进行了观察记录和深度访谈，发现在其使用过程中存在一系列问题：（1）裸露结构对于工人在操作过程中容易产生一定危险，并且对包装机内部的颗粒物会造成一定污染;（2）对于工人而言，人力提升原料过程不仅费时费力而且对工人的健康造成一定的负面影响;（3）机器装置尺寸不符合人机工学原理，操作起来十分不便，容易引发一系列的职业病;（4）包装机颜色冰冷枯燥，容易对工人产生心理上的压迫感等。通过观察和访谈的结果，并结合识别机会阶段的SET因素分析，提出了对目标产品改良设想：将设计重点设置在人机关系，注重生产车间的工人的生理特点，充分考虑用户工作状态与心理需求，设计出更适合他们操作、有感情有温度的颗粒物料包装机。

四、将TRIZ原理引入概念化机会

通过市场调研，基于颗粒物料包装机的功能模型结合实际生产中产品存在的问题以及用户的期望，从而确定产品的概念定义，利用TRIZ创新方法解决上阶段提出的矛盾问题。

（一）问题描述颗粒物料包装机作为此问题的系统，其功能是将颗粒物进行封装。其中子系统含有各种颗粒物，操作工人，然而当前技术系统存在以下问题：（1）料仓的高度问题，方便工人倒料而又能满足高度合理的问题;（2）裸露结构的安全问题与对于工人身体健康方面问题;（3）操作人员对机器运转过程中的观察十分不方便，而这容易造成一系列的生产安全问题;（4）界面操作的人机交互存在系列问题。基于上述四点，此次设计对象颗粒物料包装机需要具有较高安全系数、外型美观、人性化等特点。

（二）问题分析为了解决颗粒包装机存在的技术矛盾问题，第一步将其转为TRIZ通用模型问题[9]。进而将设计点一一对应TRIZ中的标准参数，运用 TRIZ 的矛盾矩阵法，获取需要的创新原理，从而得到基于TRIZ方法的创新方案。

建立颗粒物料包装机的功能模型，见图5。对颗粒物料包装机技术系统展开冲突细化，保持包装机工作流程照常运作的同时优化整个流程。

1. 颗粒物料包装机的人性化问题：结合工人的生产环境和操作情境，倒料过程中会损伤工人的腰椎及脊椎健康，并且机器过大的高度不方便工人进行观察与操作，影响了工作效率。在针对操作显示屏的设计上，也欠缺人性化的考量。对以上通用问题进行直接转化，使之成为一系列关于TRIZ的标准问题，使用通用参数对该矛盾进行阐述，需要改进的参数为物体可操作性，恶化参数为复杂程度。在TRIZ的矛盾矩阵中，可以发现6号、12号、15号、24号、25号原理与之相关。关于人性化问题所应用的原理及释义可见表1。通过对所有原理的可行性进行剖析后，最终选取6号多功能原理，提出一款可以自动杀菌的装置;运用12号等势与24号中介原理，设置一款提料机，可以减轻工人负担，提升机器的工作效率。运用15号动态性原则，将机器不同面设计成可移动的结构，方便工人进行操作。交互面板的设计分为四大区域，分别为电脑操作屏、启动区，数字键盘，检查区域。检查区域分为主机区域，工作区域，置料区域，按下按钮，相应的区域可以活动。整个操作屏可以调节角度，适宜不同角度操作，如图6。

2. 颗粒物料包装机的安全性问题：根据调研显示，安全性问题是包装机在设计中最为重要的核心问题，而颗粒物料包装机为了节约成本，以及方便维修，通常将包装结构以及电机裸露在外面，飞扬的灰尘可能进入颗粒中，不仅不卫生，并且裸露的电机也对工人的安全造成极大威胁。如果要加强机器的安全性，就要设计一款外壳，收纳所有结构，但与此同时会增加设备维修难度增大与可视化弱化。对以上通用问题进行直接转化，使之成为一系列关于TRIZ的标准问题，使用通用参数对该矛盾进行阐述，需要优化的参数为可靠性，而恶化的是监控的困难程度与维修性。在矛盾矩阵中可以得到1号、11号原理与之相符合。与安全相符合的原理见表2。利用1号分割原则将机器的外壳进行分割，变成可移动的模块，降低工人维修与观察的难度。运用11号预补偿原理解决，解决电机裸露的安全问题，如图7。

3. 颗粒物料包装机的美观化问题随着市场竞争的白热化，符合大眾审美的外观造型也逐渐也成为工厂的诉求之一。除此之外，机器的色彩过于冰冷，缺乏应有的情感温度，容易对工人心理造成压抑的感受，在设计过程中不应只简单考虑功能作用，也要对外形进行相应的设计思考。从工厂的需求出发，工厂更渴望一款占地面积小，外形美观，便于移动的包装设备，并且整体采用模块化设计，方便满足不同包装产品的需求，从而使整个产品在采购、制造和维护上更加方便。但是外观的美化意味着企业更多生产成本投入。将上述若干通用问题的矛盾性转化为一个TRIZ通用标准的矛盾问题，对比其TRIZ的矛盾性和通用工程的参数，描述此标准的矛盾问题，需要优化的通用工程参数是外形，恶化的是物质损失。在矛盾矩阵中可寻求到3 号、5号、32号原理与之契合，相符的原理和释义如表3。通过对所有原理的可行性进行剖析后，最终选取5号原则将功能区域进行划分，使包装机具有简洁、统一的视觉效果。以及32号改变色彩原理对机器的配色进行重新设计，最后通过综合考量，选取白灰色与浅蓝色的搭配作为最后的成品方案。可以在沉闷的环境中为工人师傅增添一抹亮色，安抚焦躁的情绪。改变了机器原有的机械感、冷漠感。

（三）最终解决方案依据上述问题与原理，针对如下几个方面进行了创新方案设计：

（1）功能合理性：1.对机器裸露结构进行设计，设计一款部分透明的外壳结构，将裸露在外的容易污染的环节包裹其中，降低噪音的同时减少空气灰尘污染;2.外壳被分割成多个可移动模块结构，方便工人进行维修与操作;3.改进提升机装置，占地空间小，减轻工人操作负担;4.依据模块化设计方法，分离与机身一体的传送带装置，从而满足不同工厂的需求。

（2）操作人性化：1.电脑操作台和电机放置在机器外壳的右侧，操作界面可以根据工人需求进行一定角度的旋转，方便工人操作;2.电机位置的改变和传统料斗的去除都有效地降低了整个机器的高度，更方便工人进行观察。

（3）造型美观性：1.在配色方面，考虑到工人的精神需求，采用亮灰色为机器主色，金属蓝作为辅色，色彩搭配稳重不失活泼，缓解工人审美疲劳感[10];2.在形体设计方面，采用不对称结构，美观大方，安全可靠。整体效果见图8。

五、实现机会

在机会实现阶段制作产品样机模型，用于检验颗粒物料包装机的功能，外观以及人性化设计方面的问题优化是否合理。样机具有如下特点：

（一）产品造型设计1.外形设计：改变了传统的颗粒物料包装机死板、缺乏美感的形态，对产品进行模块化切割与功能区的划分，形态更富有科技感与美感。

2.配色优化：对颜色搭配进行深度考究，打破原有机械带给人冰冷的视觉感受与心里压迫，突破原有单调乏味的色彩感，大面积的灰色搭配点缀的蓝色，带给人整体视觉感受稳重而不失靓丽。

（二）产品功能设计1.料斗提升机设计：在原料提升上做了优化改良，改变了以往需要工人人工提升的方式，而是选择采用提升机提升原料，减轻工人生理上的繁重负担，进一步提升了整体的工作效率。

2.传送带模块化设计：将传统包装机一体化的传送带分离出来，变为模块化组装装备，企业可以根据自身生产需求与生产空间大小自主选择不同尺寸与形状的传送带，在选择上为其提供了更灵活多变的选项，可以满足不同企业的需求。

（三）人性化设计1.操作界面优化设计：操作界面可以根据工人的需要进行一定角度的调节，满足不同身高工人的使用需求，同时减轻工人长时间工作时对于颈椎造成的压力。

2.安全性能优化设计：传统包装机在工作时，电机处于一个裸露的状态，优化后将电机隐藏在机械内部，减少一些意外情况发生的概率，提升产品的安全性能的同时也起到了美化外观的作用。

3.开放式结构设计：虽然整体是属于封闭式的机械形态，但是包装机各个操作模块进行了半透明或者可推拉的结构改良，方便工人在操作过程中进行实时的观察，对于异常情况可以进行及时处理。

（四）产品效果检验为检验最终产品的效果，对参与过第二阶段的3名工人进行二次调查研究，均反映有很好的改进效果。机器在成本控制与功能之间也达到了很好的平衡，获得了一定厂家的认同。产品模型见图9。

结论

在iNPD流程中融入TRIZ创新原理的系统方法，通过前期利用SET分析产品机会，深入挖掘用户的需求，加以TRIZ创新方法辅助概念设计，增强了设计系统的科学理论性与可实践性，得到了一种创新的颗粒物料包装机设计方案。结果表明，用此设计方法对颗粒物料包装机进行功能与外观的创新设计，对于操作者而言，能够有效地满足其生理与心理方面的实际需求，提升其工作效率。对于产品生产厂商而言，有效地降低了其产品的研发和生产风险，有助于进一步提升其企业经济效益。总的来说，iNPD法与TRIZ已经成为实现系统创新的科学方法，通过提供系统和有效的解决问题的方法，帮助避免了解决问题的无效路径。而这种基于二者的科学的设计方法，对其他机械产品的创新设计同样有着极大的借鉴意义。