基于ARIZ 理论的维护终端结构优化方法

2023-12-13范敦坤

机电工程技术 2023年11期

吴杰，范敦坤

（广州广电运通金融电子股份有限公司，广州 510663）

0 引言

随着经济发展和技术进步，人们对自动柜员机（Automated Teller Machine，ATM）的需求量在逐年增加，自动柜员机是一种在计算机自动控制下，为用户提供个人自助银行服务的公共自助设备［1］。它除了可以办理传统银行柜面服务外，还能够增加网点智能化程度，简化业务办理流程，提升办理效率。随着数字人民币试点持续推进，ATM机已率先实现了数字人民币与纸钞的双向兑换功能，它给人们带来了极大的便利。ATM 维护终端的显示屏是通过旋转机机构固定在后门上，由于旋转轴与孔间存在间隙，且其支撑臂较长，因而经常发生维护终端向一端偏斜，直接影响用户使用体验。目前维护终端偏斜问题解决方案主要是从减小配合间隙方面考虑，既增加了制造成本，又降低了生产效率，存在一定的问题。然而，应用ARIZ理论在自动柜员机领域鲜有研究，对于维护终端偏斜问题的创新设计未见报道。

本文运用ARIZ 理论针对维护终端偏斜问题，建立了针维护终端的系统模型、并进行了系统相互作用分析、物质场资源分析、因果分析和最小问描述，最终消除了维护终端装置中出现的技术矛盾和物理矛盾，提出了多个结构优化方案，并结合实际情况对设计方案进行了工程可行性评估，选择其中较理想的解决方案进行了生产验证，为今后产品创新设计提供了有价值的参考。

1 ARIZ理论

发明问题解决算法（Algorithm for Inventive-Problem Solving，ARIZ）是TRIZ 创新方法理论中用于解决复杂创新问题的重要思维工具之一，它提供了一整套从问题分析解决到方案评价的系统化流程。创新方法用于问题解决近年来被应用于工程技术、社科等多个领域，为人们创造性发现问题和解决问题提供系统的理论和方法工具，成功解决了不少复杂难题。经过多次改进和发展，ARIZ-85C版本应用最为普遍［2-6］。

ARIZ-85C版本共计9 个关键步骤，如图1 所示。其中步骤1、7、8、9 是常规性步骤，其余步骤则根据该问题是否获得了解决方案循环推进。当进行到某一步骤获得问题解决方案即可跳出循环。其处理问题的关键在于聚焦最小问题，抓住主要矛盾，同时利用多个TRIZ理论工具，如发明原理、物场原理、技术矛盾、物理矛盾等，获得该问题的创新设计方案［7-12］。在用ARIZ理论对产品进行优化改进时，应充分考虑产品存在的问题，对其工作原理作合适的调整，以满足对产品的新要求。

图1 ARIZ-85C流程

2 ARIZ在维护终端优化的应用

2.1 问题描述

技术系统的名称是维护终端，其主要功能是支撑显示器。如图2 所示，维护终端包括固定架、支撑臂、联接板和显示器。支撑臂右端和固定架枢接，支撑臂左端和联接板枢接，联接板与显示器锁紧。为了使显示器在工作过程中，可以灵活的转动，压铆螺母柱与配合孔之间存在间隙。由于压铆螺母柱与配合孔之间存在间隙，导致其对显示器的约束不足，发生偏斜现象。目前维护终端偏斜问题主要是从减小配合间隙方面考虑，既降低了生产效率，也无法彻底解决偏斜问题。

图2 维护终端结构

2.2 系统功能分析

2.2.1 系统资源列表

维护终端系统中的外部资源是整机、空气、重力等，系统中的内部资源是固定架、支撑臂、联接板、显示器。维护终端超系统组件、系统组件、子系统组件列表如图3 所示。

图3 系统资源列表

2.2.2 系统相互作用分析

组件相互作用分析是问题识别阶段的一个步骤，它是用来识别一个工程系统中的组件。在这个过程中，工程系统以及与之相互作用和共存的超系统的相关组件被识别出来［13］。根据系统资源分析，维护终端超系统组件、系统组件、子系统组件在系统运行中的相互作用如图4 所示，交叉为黑点时表示有相互作用。

图4 系统相互作用

2.2.3 系统功能模型

维护终端主要功能是支撑显示器。根据系统资源列表和系统相互作用分析，得到功能模型算法，再根据算法建立系功能模型。如图5 所示，图中实线表示功能正常，虚线表示功能不足。

图5 系统功能模型

通过组件模型分析，可以得出导致偏斜可能的4 个功能因素：压铆螺母柱1 与支撑臂约束不足；压铆螺母柱2 与固定架约束不足；压铆螺母柱3 与联接板约束不足；压铆螺母柱4 与支撑臂约束不足。

2.2.4 因果分析

采用5W方式分析维护终端装配到ATM 上发生明显倾斜的原因：（1）为什么显示器发生倾斜现象？答：因为联接板发生了倾斜。（2）为什么联接板发生倾斜现象？答：因为支撑臂发生了倾斜。（3）为什么支撑臂发生了倾斜现象？答：因为压铆螺母柱和孔之间存在间隙。（4）为什么压铆螺母柱和孔之间存在微小间隙就会发生明显倾斜现象？答：因为维护终端为水平放置受向下的重力作用，由于支撑臂较长，所以左端发生的微小倾斜时在右端被放大数倍。

如图6所示，假设压铆螺母柱（高度为L2）和孔之间倾角为β，支撑臂（长度为L1）和水平面之间的倾角为α，则由几何关系可知：α ＝β，因此由三角函数公式可得到：

图6 几何关系示意图

将上面式（2）、（3）参数代入式（1），得

由上面几何关系推导出的公式可得：由于压铆螺母柱和孔之间存在微小间隙，当左端发生微小的倾斜距离H2时，则支撑臂右端倾斜距离为H1被成倍放大，放大倍数为L1／L2。

2.3 定义最小问题

在维护终端系统里，系统的功能是支撑显示器，系统组件分别是固定架、支撑臂、联接板和显示器。关键是定义系统存在的技术矛盾TC1 和TC2。

技术矛盾TC1：如果压铆螺母柱与孔配合间隙小（制造精度高），那么不发生偏斜（可靠性高），但是生产效率低。

技术矛盾TC2：如果压铆螺母柱与孔配合间隙大（制造精度低），那么生产效率高（可靠性低），但是会发生偏斜。

定义最小问题：在提高生产效率同时，显示器不发生偏斜。下面将根据最小问题，寻找解决方案。

2.4 问题模型分析

2.4.1 技术矛盾

（1）技术冲突分析

按照TRIZ理论描述：TC1 定义为增强有用作用，同时增强有害作用。TC2 定义为降低有害作用，同时降低有用作用［14］。通过上述最小问题的定义，发现系统中存在技术矛盾。如图7 所示，利用技术矛盾进行分析，选取技术冲突TC1 进行求解。

图7 技术矛盾分析

（2）技术冲突解决

本次技术矛盾中“可靠性”是需要改善的参数；孔与轴的“制造精度”是恶化参数。寻找阿奇舒勒冲突矩阵中改善和恶化通用工程参数交叉的单元，确定发明原理。根据发明原理列表可以获得以下两个创新方案。

方案1，基于发明原理-预补偿（采用预先准备好的应急措施补偿物体相对较低的可靠性），如图8 所示。采用楔形垫片放置在固定架固定面的下方，该楔形垫片具有一个长圆形通孔，用来调整补偿距离。楔形垫片产生的补偿距离可以纠正压铆螺母柱和孔配合间隙引起的倾斜，避免维护终端发生倾斜。

图8 方案1 示意图

方案2，基于发明原理-分割（①将物体分为多个独立单元，使物体易于拆卸；②增加物体可分割的程度），如图9 所示。将与压铆螺母柱配合的孔从中间分割开移除部分材料，形成Ω形锁片。该Ω形锁片的特点是完全闭合时弦高均小于直径。Ω形锁片与支撑臂焊件成一体，然后用一个螺钉锁紧压铆螺母柱，从而消除间隙，避免维护终端发生倾斜。

图9 方案2 示意图

2.4.2 物理矛盾

（1）定义操作区间和操作时间

操作区域是指系统完成某项功能的执行，需要一定的空间区域［15］。操作时间是指系统完成某项功能的执行，需要一定的时间区域。维护终端系统存在技术矛盾的同时也存在物理矛盾，依据图10 进行物理矛盾的操作区域和操作时间分析。

图10 操作区间和操作时间图

（2）物理冲突分析

在装配时为了提高生产效率，希望压铆螺母柱与孔的间隙比较大，但是为了使后护终端在工作过程中不发生倾斜，这时又要求压铆螺母柱与孔的间隙比较小。这种既要间隙“大”与又要间隙“小”的同时存在的情况，是物理冲突。根据对维护终端系统操作区域和操作时间分析，利用四大“分离法则”（空间分离、时间分离、条件分离、整体与部分分离）进行消除物理冲突。查找与该分离法则对应的发明原理，得到解决方案。

（3）物理冲突解决

方案3，空间分离法则中的维数变化发明原理（①将物体变为二维运动以克服一维直线运动或定位的困难，或者过渡到三维空间运动以消除物体在二维平面的运动或定位问题；②单层排列的物体变为多层排列；将物体倾斜或侧向放置；③利用照射到临近表面或物体背面的光线），如图11 所示，将压铆螺柱和孔壁由垂直改变为倾斜即锥孔。利用锥孔的自动对心作用，使其居中，从而避免倾斜。

图11 方案3 示意图

方案4，条件分离法则中的热膨胀发明原理（①利用材料的热膨胀或热收缩；②组合使用不同热膨胀系统的几种材料）。压铆螺母柱外径与孔配间隙小，装配时用电磁感应对孔预热，孔受热膨胀后变大容易装配，冷却至常温时间隙小，从而避免倾斜。

2.4.3 物场资源

思维惯性是创新设计的最大障碍，ARIZ强调在解决问题过程中必须开阔思路，运用TRIZ可以克服思维惯性导致的障碍，增加解决问题的灵活性。这一步旨在增加可用物场资源数量，寻找系统内资源与外资源等。模拟智能小人法（SLP）可打破思维定势，用于在微观级别上分析系统。当系统的某些组件无法执行必要的功能和显示冲突的功能时，使用一小群人来表示无法完成特定的功能，通过活跃的小人物来达到预期的功能。然后根据模型对结构进行重新设计。如图12 所示，建立SLP模型，红色小人与黑色小人分别表示压铆螺母柱的“外表面”和孔壁的“内表面”，两者之间的理想状态是：在装配时两者之间没有约束并能自由离开；在工作时，黑色小人被红色小人抓住，两组小人紧紧地抓在一起。

图12 智能小人法模型示意图

方案5，智能小人法（SLP）：压铆螺母柱采用记忆合金制造，装配时将其冷却，使外径变小，易于装配，生产效率高；装配完成放置一段时间后它靠记忆功能恢复初始形状，此时与孔配合间隙变小，从而避免倾斜。

2.5 创新方案评估及验证

（1）创新方案评估

下面结合工艺加工情况，从成本、经济效益和技术难度对上述5 个设计方案进行评估，分别如下。

方案1，采用预先准备好的楔形垫片来调整补偿间隙，避免后台维护终端发生倾斜。该方案虽然结构简单、但因增加了新的物料成本较高，暂不考虑。

方案2，采用Ω 形锁片锁紧压铆螺母柱，从而消除间隙，避免后台维护终端发生倾斜。该方案结构简单、但因增加了新的物料及焊接工艺成本较高，暂不考虑。

方案3，采用锥孔的自动对心作用使其居中，从而避免倾斜。该方案不仅结构简单、而且成本较低，优选此方案。

方案4，采用电磁感应对孔预热，冷却时间隙小，从而避免倾斜。该方案需要投入新的设备、成本较高，暂不考虑。

方案5，采用记忆合金制造压铆螺母柱，恢复初始形状时间隙变小，从而避免倾斜。该方案需要投入新的设备、新材料，成本较高，暂不考虑。

方案1、方案2、方案4和方案5均需要增加新的物料或设备，方案3只对需螺母柱结构进行简单的改进，无需增加物料成本较低，因此方案3是较理想的解决方案。

（2）创新方案验证

根据方案3 对维护终端结构进行了优化，并将样机装配到ATM整机上测试验证，该样机顺利地通过了功能测试、振动测动和环境测试等测试。同时，该设计方案已成功申请专利：一种自动柜员机的后台维护终端（CN201520139271.5）。如图13 所示，依据标准GB／T 4857.23《包装运输包装件随机振动试验条件和方法》对维护终端进行了随机振动测试，测试完成后各构件功能正常，且未发生显示器倾斜现象，具备良好的产品性能。实践证明运用ARIZ 创新理论效地解决了维护终端倾斜问题，既提升了公司产品质量，也提高了顾客对产品的满意度。