面向需求的勾花网自动卷网机创新设计

林科宏，成思源，杨雪荣，钟瑞洲

(广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006)

0 前言

现如今，随着科技日新月异、经济蓬勃发展，创新成为社会中不可或缺的一部分。创新是企业的核心竞争力，而产品创新是企业发展的动力源泉，很多企业在产品创新上加大投入。专利库包含的专利信息是重要的技术信息，被用于技术变革和技术创新中，是占领市场的重要武器。

TRIZ理论是前苏联AHSHULDER在分析了不同学科领域大量专利的基础上形成的一套完整的理论体系，是快速解决产品概念创新设计问题的方法学。TRIZ理论包含一系列工具，结合专利知识库能有效缩短解决问题的周期。计算机辅助创新(Computer Aided Innovation,CAI)软件包含大量的专利库和基于自然语义的搜索，帮助设计人员打破专业壁垒，进行跨学科、跨领域的检索，获得相关解决方案，高效解决工程设计难题。

在对新产品进行创新设计时，目前研究和应用较多的是基于功能分析系统技术(Function Analysis System Technology，FAST)的功能分解方法。吴晓莉等运用FAST法，根据用户对自行车的功能需求，建立功能树，根据功能元设计出一款功能组合式自行车；陶红莉通过FAST法，建立助行架的功能树，通过形态学矩阵获得不同助行方式的助行架，适用于不同老年人的需求；丁治中运用FAST法，建立家里迷你自行车的功能树，分析了主要尺寸对骑行的影响，设计出符合人体工程学的车座；李君华和苗梦宇应用FAST法通过建立功能树对城市救援车进行模块化设计，降低了运行成本，提高了效率，证明了FAST法设计城市救援车的可行性；宋云应用FAST法结合仿生设计的理念，对滑沙板进行造型设计，证明FAST法可将产品功能整合进行设计创新。

但当运用FAST法进行较为复杂的产品概念创新设计时，存在一定的弊端。功能树分解的子功能非常复杂，其逻辑关系极其抽象，子功能的原理解需要根据产品的实际问题进行分析，对工程设计人员的知识和经验积累要求较高。本文作者提出一种基于TRIZ理论和CAI技术的产品概念创新方法：首先根据语义相近原则将产品需求分类为几个子需求群，运用Goldfire软件检索其子需求群的工作原理，基于工作原理建立功能树，并检索实现功能元的载体，利用TRIZ和专利库完成产品结构设计。文中以一种勾花网自动卷网机为例验证此方法的可行性。

1 基于CAI与TRIZ的产品设计流程

文中提出了一种基于CAI技术与TRIZ理论的产品概念创新设计方法，其思路是进行子需求群划分并通过科学效应和专利知识库检索工作原理，建立其功能模型。设计流程主要分4个阶段：子需求分类、效应检索与工作原理设计、功能模型构建、方案求解与侵权判定，如图1所示。

图1 基于CAI技术与TRIZ的设计流程

考虑到在设计的初始阶段收集到的设计需求通常是无序的子需求，在产品的功能系统复杂的情况下，先将产品各子需求进行分类，检索专利知识库，获得其工作原理。将艺术、成本类等需求分类为一个子需求群，剩余的子需求按照语义相近的原则分类为若干个子需求群。首先检索子需求群的工作原理，然后根据工作原理定义各级子功能，最后根据各级子功能求解其功能载体。检索子需求群的工作原理时，通过关键词或自然语义定义其总功能，通过检索相关科学效应得到启发，构思产品子功能，实现总功能分解，最终获得各级子功能。例如，总功能“回弹”，检索到受迫振动效应，通过设想产品结构得到“施加驱动力”和“压缩”这2个一级子功能。计算机辅助创新软件Goldfire可以检索同一功能不同领域的工作原理，并展示其动画，最后给出工作原理的实际案例；STC算子可以转换产品功能模型的尺寸()、时间()、成本()，然后检索相关专利进行总结。

将产品设计需求分类成多个子需求群，充分理解其工作原理后，进行功能分解，可分解获得复杂产品的一级子功能。由于一级子功能往往不能直接获得对应的实体结构方案，通过进一步的功能元分解可有利于后续的方案设计。功能的分解可以借鉴相关专利的科学效应或工作原理，当功能元的工作原理可以直接用机构实现时则停止分解，然后结合TRIZ理论和CAI软件进行产品功能原理解方案的设计。从子功能到功能载体通常有很多实现方式，这时可列出多种结构方案的形态学矩阵进行选择，得到最优的实现方式。最后根据专利法判定是否侵权。

2 一种勾花网自动卷网机创新设计

2.1 勾花网收卷问题分析

勾花网是由勾花网机(菱形网机)对各种材质的金属丝钩编而成，可分为折边缩把和拧边锁把2种，广泛应用于高速公路设施、室内装饰、动物园围栏等场合。勾花网加工过程主要包括编网、修边、卷网、装袋等工序。目前，勾花网卷网方式有2种，其中一种是人工卷网，这种方式卷的网不紧，容易松松散散而且网的两端不平整，最后需要人抬下卷轮上的网，耗时费力。企业对勾花网机提出如下要求：实现自动卷网功能，勾花网机卷成的网体积小，解决勾花网机卷网圆筒“内紧外松”现象，降低成本，适配现有的编网设备。

2.2 产品子需求分类

明确产品需求后，按照艺术、成本类需求把“成本低”和“适配现有编网设备”分类为一个子需求群，按照语义相近的原则把“实现自动卷网”和“勾花网机圆筒‘内紧外松’现象”分类为一个子需求群，把“勾花网机卷网体积小”分类为一个子需求群，如图2所示。

图2 产品子需求群分类

2.3 工作原理的检索和设计

根据上述分析，把设计需求分类成几个子需求群，子需求群的工作原理通过Goldfire软件查找后，进一步分解成一级子功能。使用Goldfire软件根据关键词搜寻各个知识库，或利用TRIZ理论进行方案设计，也可使用STC算子把勾花网参数进行增添和缩减，比如减少收卷物体的直径、增加收卷物体的速度。使用Goldfire软件检索和总结包装产品的科学效应和工作原理。根据“收卷物料”关键词查询获得专利的工作原理及相关科学效应，如表1所示。

表1 科学效应及工作原理

对比各个工作原理的优点和缺点，工作原理(2)的气涨轴转动可使物料自动收卷，但是卸料后气涨轴中心会“中空”，因此出现物料体积变大和松垮现象。工作原理(1)和(3)中心处无气涨轴，但它们收卷后“内紧外松”的效果不如工作原理(4)。工作原理(5)的螺旋网丝是缠绕在圆环上，不适合勾花网卷网。由此可知，表1的工作原理(4)可以选用为子需求群1的工作原理，解决卷网后“内紧外松”的问题。

对于子需求群2的工作原理，当网片长度一定时，质量和长度保持不变，但其卷网体积要变小，这其中包含2对矛盾参数——质量和体积，长度和体积。针对技术矛盾问题，查找矛盾矩阵，参考编号14的曲面化原理得到启发，将收卷样式设计成如图3所示，极大减少收卷体积，满足设计要求。

图3 勾花网收卷样式

子需求群3属于外观、成本和方便性要求，可以在结构设计中完成，因此不进行原理设计。至此3个子需求群的原理设计全部完成。

2.4 结构及功能设计

为了满足子需求群1，工作原理(4)是物料在多个转速不同的转动轮形成的收卷空间里，在摩擦力的带动下转动，完成收卷。获得一级子功能“收卷”；收卷空间引导收卷物料进入，获得二级子功能“引导”；在摩擦力作用下，收卷物料进行收卷，根据滑动摩擦力的大小计算公式为=和定义可知摩擦力的产生需要压力和相对运动，获得二级子功能“压紧”和“转动”；收卷物料需要动力才能不断转动，分解获得三级子功能“提供动力”和“传递动力”；收卷物料不停转动时，其直径不断变大，因此收卷空间也需要不断变大，获得三级子功能“扩大收卷空间”;为了满足子需求群2，在收卷物料过程中需要限定其臂弯，获得一级子功能“限位”。功能模型如图4所示。

图4 包装系统功能模型

下面是功能元的载体设计。根据机械设计知识可将“传递动力”和“提供动力”对应设计成“链轮-链条”和“电机”，功能元“引导”对应于“人力”，而功能元“压紧”根据摩擦力公式=需要正压力，转动轮本身重力可提供压力，因此它本身可作为功能载体。功能元“扩大收卷空间”，可使用TRIZ工具功能导向搜索，将功能进行一般化处理，“勾花网”一般化为“基材”，“扩大收卷空间”一般化为“扩大容纳空间”。将一般化的功能用词输入到Goldfire软件查询专利，得到专利CN109399287A,根据“收卷辊向上向外移动”获得启发，功能元“扩大收卷空间”的载体设计成“一个转动轴向上向外移动”，如图5所示。因此，功能载体设计全部完成，如表2所示。

图5 “扩大收卷空间”功能载体求解过程

表2 功能元及其载体

接下来可以根据TRIZ理论和专利库进行产品结构设计。对于功能元“扩大收卷空间”和“压紧”进行结合时，转轴装置位置既要固定又要不固定，属于物理矛盾问题。据此在Goldfire软件自然语言检索框输入“随收卷直径增大不断向上向外移动”可得2个典型的方案：专利CN2033381U的结构“螺旋轨道”随收卷直径增大，卷轴向上、向外移动，从动卷轴可以自动调整对主动轴的正压力，铝箔纸缠绕时的松紧度将得到保证，收卷空间将增大。专利CN202428758U的结构是气缸带动摆臂进行料模收卷。但是收卷装置复杂，成本更高。而且考虑到勾花网的收卷速度与专利1基本一样，经过综合考虑，此设计采用了螺旋轨道结构以解决这一矛盾。

产品最终方案如图6所示，机器的工作流程为：经过握边系统完成的网片引导至由转轴部件7、12和11组成的收卷系统。接着启动电机14，3个转轴部件带动网片转动，进行收卷。在螺旋轨道的转轴部件11随着收卷直径的不断增大而向上向外移动。完成收卷后，电机关闭，用扎带捆卷好后，接着启动气缸13，支撑架9进行旋转完成卸货。

图6 勾花网自动卷网机

使用SolidWorks三维软件建出300根网丝组成9 m长网片的编织效果。如果使用人工包装网片，产品直径是439.81 mm。使用文中设计的包装方案，直径是233.63 mm，包装体积比前者减少50%，方案对比效果如图7所示。

图7 9 m长的网片收卷直径对比

根据专利法进行侵权判定,文中在设计方案中只引用了相关专利的局部技术特征方案，该局部技术特征方案没有单独进行专利申请；在此基础上引入了新的技术方案，通过对比专利库，没有与此结构设计相似的专利，因此判断方案不侵权。目前该设计方案已申请了专利。

3 结论

文中提出的面向需求的勾花网自动卷网机创新设计，将产品需求分类成若干个子需求群，借助专利库技术检索其工作原理，能在设计初期摆脱对自身知识的依赖，通过跨学科领域的知识检索与再利用，在产品设计中打破知识壁垒，使设计过程有规可循，有章可依。通过TRIZ理论与CAI软件的结合，可以加速知识获取和加快创新设计。在如今各国加大对知识产权保护、市场对产品的开发质量和速度要求越来越高的背景下，可以提高工程设计人员的设计效率，降低开发成本，快速抢占市场。