應(yīng)急救援車概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的QFD_TRIZ_AD集成方法

李 軍,張 勇,劉玉川

(1.徐州工程機(jī)械集團(tuán)有限公司,江蘇 徐州221004; 2.徐工集團(tuán)江蘇徐州工程機(jī)械研究院,江蘇 徐州221004; 3.高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州221004)

當(dāng)前市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局日趨激烈,產(chǎn)品生命周期急劇縮短,客戶需求不斷提升,企業(yè)必須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)研制出滿足客戶需求的產(chǎn)品并投放市場(chǎng),才能持續(xù)不斷地提升自身的競(jìng)爭(zhēng)力.要想使產(chǎn)品能夠持續(xù)不斷地得到客戶認(rèn)可,需要持續(xù)地挖掘客戶的新需求,并將客戶的需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)需求,而在這一轉(zhuǎn)變過(guò)程中，創(chuàng)新起著決定性作用,創(chuàng)新理論和創(chuàng)新方法在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用顯得尤為重要[1].

多年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)質(zhì)量功能配置(Quality Function Deployment,QFD)、發(fā)明問(wèn)題解決理論(Theory of Innovation Problem Solving,TRIZ)、公理設(shè)計(jì)(Axiomatic Design,AD)等創(chuàng)新應(yīng)用理論進(jìn)行大量的研究工作.劉曉敏等[2]將TRIZ與AD進(jìn)行集成,建立了基于兩者的概念設(shè)計(jì)過(guò)程模型,獲得了非耦合或解耦合設(shè)計(jì)方案,提高了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)效率.張彩麗等[3]研究了基于QFD和TRIZ的集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)模式,針對(duì)TRIZ問(wèn)題確定能力的不足,將QFD方法與TRIZ理論的嵌入集成,有機(jī)融合TRIZ和QFD各自的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)了一種QFD設(shè)計(jì)過(guò)程中多種設(shè)計(jì)問(wèn)題的確定與創(chuàng)新求解方法,最后通過(guò)實(shí)例說(shuō)明方法的有效性.鐘詩(shī)勝等[4]提出了基于QFD和AD的模塊劃分方法,并運(yùn)用分組聚類計(jì)算方法,提升了模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)化效率.Dou等[5]提出了基于TRIZ/AD/QFD集成的節(jié)能設(shè)計(jì)(Design for Energy Saving,DFES)模型,并將其應(yīng)用到飲水機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)上,為可持續(xù)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù).

1 基于QFD_TRIZ_AD理論的概念設(shè)計(jì)集成模型

1.1 QFD概述

QFD是一種產(chǎn)品開發(fā)和質(zhì)量保證的方法論,是基于顧客需求驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品研發(fā)方法,其核心方法論工具為質(zhì)量屋(House of Quality,HOQ),如圖1所示.采用矩陣圖表方法，建立顧客需求和技術(shù)需求之間的關(guān)系.

圖1 HOQ結(jié)構(gòu)模型Fig.1 HOQ structure model

質(zhì)量屋主要由①左墻、②屋頂、③天花板、④右墻、⑤底板、⑥房間等組成.其中左墻為輸入項(xiàng)矩陣(Whats),強(qiáng)調(diào)需求信息,用重要度來(lái)體現(xiàn)需求的強(qiáng)烈程度;天花板為基于輸入項(xiàng)矩陣而確定的參數(shù)需求,一般表述為設(shè)計(jì)需求(Hows);房間為關(guān)系矩陣,表示設(shè)計(jì)需求與客戶需求之間的關(guān)系;屋頂反映的是設(shè)計(jì)需求參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系,當(dāng)相關(guān)關(guān)系為負(fù)相關(guān)時(shí),則出現(xiàn)矛盾沖突,需通過(guò)TRIZ進(jìn)行矛盾分析;右墻為顧客評(píng)價(jià),反映自己產(chǎn)品與主要競(jìng)爭(zhēng)者之間的關(guān)系;底板主要反映創(chuàng)新設(shè)計(jì)開展過(guò)程中達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)的難易程度,包含設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)估、限制條件、困難度、技術(shù)重要度、目標(biāo)值[6].

1.2 AD概述

AD主要以兩條設(shè)計(jì)公理——獨(dú)立公理和信息公理為判斷準(zhǔn)則來(lái)衡量設(shè)計(jì)的優(yōu)劣,有利于提高設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性,縮短設(shè)計(jì)周期.其中獨(dú)立公理要求保持功能需求的獨(dú)立性,即每一個(gè)功能的設(shè)計(jì)參數(shù)只能由一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)或者是除這個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)以外的其他已知的設(shè)計(jì)參數(shù)決定,用數(shù)學(xué)公式表達(dá)為

{FR}=[A]{DP}

(1)

式中:A為設(shè)計(jì)矩陣,Aij=?FRi/?DPj,i=1,2,…,n,j=1,2,…,n.當(dāng)設(shè)計(jì)矩陣A為對(duì)角矩陣或者下三角矩陣時(shí),滿足獨(dú)立公理設(shè)計(jì);反之為耦合矩陣時(shí),不滿足獨(dú)立公理設(shè)計(jì),需進(jìn)一步對(duì)設(shè)計(jì)矩陣A解耦才能繼續(xù)設(shè)計(jì)[7].

1.3 TRIZ概述

TRIZ是蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒(Genrich S.Altshuller)及其研究團(tuán)隊(duì)在1946年開始分析研究世界上250萬(wàn)件高水平專利的基礎(chǔ)上所提出的,是解決技術(shù)難題的原理和知識(shí)體系.目前經(jīng)過(guò)70多年的研究,TRIZ已形成了一系列方法與工具,特別是提出了設(shè)計(jì)沖突理論、標(biāo)準(zhǔn)解、ARIZ算法等.TRIZ問(wèn)題分析的一般流程如圖2所示.

(1) 問(wèn)題分析.主要采取的分析方法有功能屬性分析、理想解分析、資源分析、物-場(chǎng)模型分析.功能屬性分析是對(duì)問(wèn)題定義過(guò)程中會(huì)使用到的必要工具之一,是尋找創(chuàng)新切入點(diǎn)與簡(jiǎn)化現(xiàn)有系統(tǒng)最實(shí)用的工具;理想解分析促使我們明確理想解所在的方向和位置,避免由于折中法缺乏目標(biāo)所帶來(lái)的弊端;資源分析主要從時(shí)間、空間、物質(zhì)、能量、功能、信息等6個(gè)方面分析系統(tǒng)中的資源,是解決發(fā)明問(wèn)題的基礎(chǔ);物-場(chǎng)模型分析建立與已存在的系統(tǒng)或新技術(shù)系統(tǒng)問(wèn)題相聯(lián)系的功能模型,可以通過(guò)物-場(chǎng)分析法描述的問(wèn)題一般稱為標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題,可以采用標(biāo)準(zhǔn)解法進(jìn)行求解.

(2) 判斷問(wèn)題實(shí)質(zhì).如果發(fā)現(xiàn)矛盾,則應(yīng)用原理去解決;如果問(wèn)題明確,但不知如何去解決,則應(yīng)用效應(yīng)去解決;預(yù)測(cè)是應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的模式,選擇正確的演化路線促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì).

(3) 解的評(píng)價(jià).將所求出的解與理想解進(jìn)行比較,確定所作的改進(jìn)既滿足了用戶需求,又促進(jìn)了產(chǎn)品的創(chuàng)新[8].

1.4 基于QFD_TRIZ_AD理論概念設(shè)計(jì)集成模型

從上文可以看出QFD,TRIZ和AD的各自特點(diǎn),QFD以用戶需求為出發(fā)點(diǎn),采用一次或多次質(zhì)量屋矩陣圖將用戶需求逐步轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的功能需求、設(shè)計(jì)需求以及加工制造工藝特性.在轉(zhuǎn)化過(guò)程中,QFD可以挖掘解決客戶痛點(diǎn)的關(guān)鍵創(chuàng)新問(wèn)題與關(guān)鍵設(shè)計(jì)區(qū)域,但無(wú)法提出具體創(chuàng)新問(wèn)題解決方法和解決工具.而TRIZ理論將設(shè)計(jì)中的具體參數(shù)抽象為描述性能的39個(gè)通用工程參數(shù)(后來(lái)被擴(kuò)展成為48個(gè)工程參數(shù))和40個(gè)基本發(fā)明原理,針對(duì)技術(shù)沖突提出了最有可能成功解決沖突的若干技術(shù)措施,但是TRIZ無(wú)法清晰分辨出技術(shù)沖突之間或若干技術(shù)措施之間是否有相互關(guān)聯(lián)性.AD理論能給出評(píng)判設(shè)計(jì)公理,即通過(guò)參數(shù)映射方式將將功能域功能需求與物理域設(shè)計(jì)參數(shù)建立映射矩陣,判斷設(shè)計(jì)是否為好的或最優(yōu)的設(shè)計(jì),但無(wú)法給出解決問(wèn)題的最好方法.

本文將QFD,TRIZ,AD優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái),建立的基于QFD_TRIZ_AD的集成創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)模型,如圖3所示.首先,通過(guò)QFD將用戶需求轉(zhuǎn)化為功能特性需求,進(jìn)一步將功能特性需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)方案.其次,通過(guò)TRIZ理論來(lái)判斷用戶需求與功能特性轉(zhuǎn)換、功能需求與設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換過(guò)程中是否有矛盾沖突,如有沖突,則識(shí)別矛盾沖突類別,并根據(jù)發(fā)明原理找到最有可能解決沖突的技術(shù)措施,實(shí)施解除沖突.應(yīng)用AD理論建立功能需求與設(shè)計(jì)方案中設(shè)計(jì)參數(shù)的映射關(guān)系,并判斷是否滿足獨(dú)立性要求.最后,將映射不滿足獨(dú)立公理要求的設(shè)計(jì)矩陣應(yīng)用TRIZ工具箱進(jìn)行解耦處理,可得獨(dú)立的設(shè)計(jì)矩陣,從而得到滿足客戶需求的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案.同理,可采用同樣的方法實(shí)現(xiàn)后續(xù)的生產(chǎn)工藝.

2 應(yīng)急救援車的概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)

應(yīng)急救援車是一種特種救援車輛,主要針對(duì)我國(guó)地震、塌方、泥石流、洪水等多種自然災(zāi)害頻發(fā),現(xiàn)有救援作業(yè)裝備功能單一，作業(yè)工具互換性差等突出問(wèn)題而提出的車輛研制項(xiàng)目.目前我國(guó)在應(yīng)急搶險(xiǎn)救援裝備方面還沒(méi)有完善的標(biāo)準(zhǔn)體系,應(yīng)急救援作業(yè)車輛大多為工程機(jī)械改裝而成,且相關(guān)車輛非常少.因此,在應(yīng)急救援車輛創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面空間很大,采用基于QFD_TRIZ_AD的產(chǎn)品集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出應(yīng)急救援車樣機(jī),并對(duì)應(yīng)急救援車行走方式、多功能工作臂結(jié)構(gòu)形式及與模塊化作業(yè)工具連接形式進(jìn)行概念創(chuàng)新設(shè)計(jì).

2.1 基于QFD和TRIZ的客戶需求、功能需求分析

通過(guò)在武警部隊(duì)和汶川“5·12”地震遺址現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知,對(duì)應(yīng)急救援車輛提出如下需求:① 底盤方面,車輛能快速到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng),道路行駛過(guò)程中具備越野和涉水能力,通過(guò)泥濘、淺灘路面,作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作通過(guò)性好;② 救援作業(yè)機(jī)具配備方面,配置基本的救人和工程施工機(jī)具,能滿足基本的挖、推、切、剪、擴(kuò)、抓、破、拽、吊等救援需求,道路遇到塌方可自行清理通過(guò),且作業(yè)功能轉(zhuǎn)換盡量快;③ 整機(jī)重量要輕,滿足基本道路橋梁通過(guò)性要求.

按照基于QFD建立的用戶需求與車輛功能需求質(zhì)量屋如圖4所示.從質(zhì)量屋構(gòu)造結(jié)果可以看出:首先,一輛車上輪式行走與履帶行走不可能同時(shí)進(jìn)行,因此輪式行走—履帶行走具有強(qiáng)烈負(fù)相關(guān).其次,車輛行駛速度越高,相應(yīng)的越野性能、履帶行走越差,因此可以認(rèn)為高速—越野、高速—履帶行走為負(fù)相關(guān)功能要求.然后,由于同一車輛底盤上布置的臂越多,工作時(shí)越易引起工作干涉,因此認(rèn)為起重臂—作業(yè)平臺(tái)臂、起重臂—挖掘臂、作業(yè)平臺(tái)臂—挖掘臂之間為減弱作用,也即負(fù)相關(guān)功能.而起重臂—工具自動(dòng)切換為負(fù)相關(guān)功能,主要考慮起重臂由鋼絲繩連接吊鉤,為一種柔性連接,受力方向單一,而大多數(shù)作業(yè)工具連接為剛性連接,受力方向也較復(fù)雜.借助TRIZ理論矛盾沖突問(wèn)題求解方法對(duì)圖4中質(zhì)量屋屋頂?shù)呢?fù)相關(guān)功能需求實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì),如表1所示.

根據(jù)表1推薦發(fā)明原理可知,針對(duì)底盤功能的高速—越野、高速—履帶行駛、輪式行走—履帶行走3對(duì)矛盾沖突,推薦發(fā)明原理10(預(yù)加作用原理)和15(動(dòng)態(tài)化原理)使用頻率較高,該原理預(yù)先準(zhǔn)備好的應(yīng)急措施補(bǔ)償物體具有相對(duì)較低的可靠性,把物體分成幾個(gè)部分,各部分之間可以改變相對(duì)位置,使物體具有自適應(yīng)性.針對(duì)工作臂功能的起重臂—作業(yè)平臺(tái)臂、起重臂—挖掘臂、作業(yè)平臺(tái)臂—挖掘臂的矛盾沖突,推薦發(fā)明原理6(多功能原則)、35(參數(shù)變化原理),通過(guò)參數(shù)化方法將起重臂、作業(yè)平臺(tái)臂和挖掘臂進(jìn)行多功能化.針對(duì)起重臂—工具自動(dòng)切換矛盾沖突,推薦發(fā)明原理17(維數(shù)變化原因)、24(利用中介質(zhì)原理),利用中間過(guò)渡通用接口實(shí)現(xiàn)作業(yè)工具切換.當(dāng)臂與作業(yè)工具切換時(shí)，可以考慮臂的維數(shù)變化情況.

根據(jù)上述TRIZ發(fā)明原理分析,并結(jié)合現(xiàn)有工程機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性,將圖4質(zhì)量屋的功能需求進(jìn)行創(chuàng)新概念推理,從而得到創(chuàng)新概念方案:

(1) 提出一種解決上述底盤功能沖突的輪履可切換底盤行駛概念方案,如圖5所示.具體為:高速行駛時(shí)切換為輪式行駛,越野、經(jīng)過(guò)河流、淺灘時(shí)由輪胎切換為履帶行駛,履帶采用分體式三角履帶,越野速度高、通過(guò)性好、接地比壓小.

(2) 提出一種解決上述臂架功能沖突的多功能工作臂概念方案,如圖6所示.具體為:多功能臂架具有伸縮和折疊功能,通過(guò)伸縮滿足起重和作業(yè)平臺(tái)臂伸長(zhǎng)功能需求,折疊功能滿足挖掘和作業(yè)工具自動(dòng)切換需求,具有一臂多能、高度集成等優(yōu)點(diǎn).

圖4 基于QFD建立的用戶需求與車輛功能需求質(zhì)量屋Fig.4 HOQ model from user needs to vehicle functional demands based on QFD

矛盾沖突期望改善避免惡化推薦發(fā)明原理高速—越野車輛行駛速度道路適應(yīng)性10，15，26高速—履帶行駛車輛行駛速度履帶裝置的復(fù)雜性10，28，4，34輪式行走—履帶行走車輛重量行走速度2，15，35起重臂—工具自動(dòng)切換起重臂伸長(zhǎng)長(zhǎng)度作業(yè)工具切換自動(dòng)化程度17，24，26，16起重臂—作業(yè)平臺(tái)臂適應(yīng)性及多用性作業(yè)效率6，28，35，37起重臂—挖掘臂適應(yīng)性及多用性作業(yè)效率6，28，35，37作業(yè)平臺(tái)臂—挖掘臂適應(yīng)性及多用性作業(yè)效率6，28，35，37

圖5 輪履可切換底盤行駛概念方案Fig.5 A conceptual model of driving chassis for the exchange between tires and triangular pedrails

圖6 多功能工作臂概念方案Fig.6 A conceptual model of multi-functionalworking arm

根據(jù)上述創(chuàng)新推理,對(duì)圖4質(zhì)量屋天花板的功能需求進(jìn)行重新定義,結(jié)果如表2所示.

表2 重新定義的功能需求Tab.2 The redefined functional requirements

2.2 基于QFD和AD集成方法的應(yīng)急救援車功能需求、設(shè)計(jì)參數(shù)分析

通過(guò)對(duì)應(yīng)急救援車用戶需求分析,得到了基于質(zhì)量屋和TRIZ的功能需求FR,根據(jù)式(1)可以將最高功能需求FR映射為技術(shù)參數(shù)DP,得到相應(yīng)的設(shè)計(jì)矩陣A:

(2)

式中:“1”為功能需求與設(shè)計(jì)參數(shù)之間有關(guān)聯(lián);“0”為無(wú)關(guān).該設(shè)計(jì)矩陣既不是對(duì)角陣,又不是三角矩陣,所以該設(shè)計(jì)為耦合設(shè)計(jì),不滿足AD獨(dú)立性要求,根據(jù)QFD_TRIZ_AD的集成創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)模型,需應(yīng)用TRIZ工具箱相關(guān)工具消除沖突.本文設(shè)計(jì)矩陣只要將參數(shù)DP12和DP15進(jìn)行位置互換,就可以得到一個(gè)上三角矩陣,達(dá)到消耦目的:

(3)

在映射的過(guò)程中要符合獨(dú)立公理的需求,得到的功能需求及相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示.

3 PRO/E概念建模及虛擬仿真

根據(jù)上述QFD_TRIZ_AD的集成創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)模型,對(duì)關(guān)鍵行駛方式、多功能工作臂結(jié)構(gòu)形式和作業(yè)功能需求等進(jìn)行概念創(chuàng)新后,得到基于PRO/E的應(yīng)急救援車概念模型,如圖7所示.同時(shí),對(duì)多功能工作臂工作軌跡進(jìn)行虛擬仿真,如圖8所示網(wǎng)格區(qū)域?yàn)槎喙δ芄ぷ鞅鄣恼郫B副臂作業(yè)區(qū)域,驗(yàn)證了概念方案的可行性.

表3 功能需求及相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Functional requirements and correspondingdesign parameters

圖7 基于PRO/E的應(yīng)急救援車概念模型Fig.7 3-D design model for emergency rescuevehicle based on Pro/E

圖8 多功能工作臂的折疊副臂作業(yè)軌跡區(qū)域Fig.8 A trajectory region of the multi- functional working arm

4 結(jié)論

(1) 構(gòu)建了一種基于QFD_TRIZ_AD的產(chǎn)品集成創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)過(guò)程模型,并將其應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中.

(2) 利用QFD構(gòu)建了用戶需求與功能需求的質(zhì)量屋模型,借助TRIZ矛盾沖突標(biāo)準(zhǔn)解法,解決了功能需求負(fù)相關(guān)矛盾沖突,獲得了理想的底盤行走方案和多功能工作臂結(jié)構(gòu).

(3) 利用AD完成了從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)功能到結(jié)構(gòu)的映射過(guò)程,經(jīng)解耦后得到應(yīng)急救援車可行的概念設(shè)計(jì)方案.

(4) 開展基于QFD_TRIZ_AD的產(chǎn)品集成創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)方法研究工作，對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用具有重要意義.

參考文獻(xiàn):

[1] 檀潤(rùn)華.TRIZ及應(yīng)用——技術(shù)創(chuàng)新過(guò)程及方法[M].北京:高等教育出版社,2012.

TAN R H.TRIZ and applications:the process and methods of technological innovation[M].Beijing:Higher Education Press,2012.

[2] 劉曉敏,黃水平,陳智欽,等.基于TRIZ與AD的海草夾苗機(jī)械手概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)及可靠性研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2016,52(5):40-46.

LIU X M,HUANG S P,CHEN Z Q,et al.Conceptual innovation design of seaweed planter manipulator based on TRIZ & AD and reliability analysis[J].Journal of Mechanical Engineering,2016,52(5):40-46.

[3] 張彩麗,楊帆,任工昌.產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法中TRIZ和QFD的集成模式研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2014,30(5):30-37.

ZHANG C L,YANG F,REN G C.Research on TRIZ and QFD-based integrated pattern for product innovation design method[J].Machine Design & Research,2014,30(5):30-37.

[4] 鐘詩(shī)勝,吳惠霞,王琳.基于QFD和公理化設(shè)計(jì)的模塊劃分方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013(1):98-100.

ZHONG S S,WU H X,WANG L.Research on modules partition based on QFD and AD[J].Machine Design & Manufacture,2013(1):98-100.

[5] DOU R L,ZHENG H.Model of design for energy saving of products based on the integration of TRIZ/AD/QFD[C]// Proceedings of 2009 IEEE the 16th International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management.2009:171-175.

[6] 邵家駿.質(zhì)量功能展開[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

SHAO J J.Quality function development[M].Beijing:China Machine Press,2004.

[7] 陳芳玉.基于QFD_AD集成模型的模塊化設(shè)計(jì)方法研究[D].天津:天津大學(xué),2011.

CHEN F Y.Study of QFD_AD integrated module-based modular design method[D].Tianjin:Tianjin University,2011.

[8] 張坤.基于AD_QFD_TRIZ-田口方法的綜合設(shè)計(jì)方法研究[D].天津:天津大學(xué),2009.

ZHANG K.Study on integrated design method based on AD,QFD,TRIZ and Taguchi methods[D].Tianjin:Tianjin University,2009.