应用TRIZ 创新原理进行毕业设计多样化求解的研究与实践

史 诺，郑 航，席 源，李 耀

（西安航空学院机械工程学院，陕西 西安 710077）

0 引言

毕业设计是人才培养过程中的关键环节，是检验理论知识、实践能力和创新能力的综合性教学活动。对于毕业设计问题进行多样化求解，不仅能够辅助学生深入题目背后所蕴含的原理和逻辑，实现对理论知识的内化升华，而且促进了学生运用和融合不同的策略与工具来解决复杂问题，实现实践技能的提高与创新思维的跃迁。虽然毕业设计多样化求解是增强毕业设计质量较为理想的方式，但是对于其研究较少涉及，这主要是因为欠缺可操作性较强的实施策略造成的。鉴于此，尝试以TRIZ 作为理论基础构建毕业设计多样化求解的执行方案，以期形成高效、简捷的实施策略，为高等院校的人才培养提供参考。

1 TRIZ 理论融入毕业设计的适用性分析

1.1 内容体系

TRIZ 全称为“发明问题解决理论”，是由苏联科学家G.S.Altshuller 对全世界250 万件专利经过分析、归纳后形成的系统化创新方法学[1]。TRIZ 的核心理念认为创新是有规律可循的，经过若干年的发展，已形成了由工具层、方法论层、哲学层构成的金字塔体系，如图1 所示。从起源与发展过程上来讲，TRIZ 是一套基于知识的系统，它对已知的发明、技术、科学原理进行了深入的抽象与分类，应用TRIZ 理论可以遵循技术的发展规律制定合理的解决方案。从TRIZ 的内容体系上来讲，适合引导学生进行创新思考，能够在毕业设计中发挥良好的技术支撑作用。

图1 TRIZ 的形成及其理论体系

1.2 求解效率

TRIZ 按照复杂度和困难度将发明问题分为五个等级：第一等级为最小发明问题，利用常规知识与经验就能解决；第二等级为小型发明问题，往往是对现有技术的微小改进，借助于专业知识与技能进行求解；第三等级为中等发明问题，这类问题通常涉及矛盾与冲突，需要较为深入的科学研究和技术分析来处理；第四等级为大型发明问题，这一类问题要从科学底层的角度出发，采用全新的原理来应对挑战；第五等级为重大发明问题，这一类问题主要依靠对自然规律和科学原理的新发现来寻求问题的解决方案。

将传统创新方法与TRIZ 体系中的创新原理、标准解法、发明问题解决算法的求解效率进行比较，如图2 所示[2]。传统创新方法主要包含头脑风暴法、试错法、SWOT 法等，这些方法在处理第一等级问题时效率较高，处理第二、三等级问题时其效率迅速衰减。TRIZ 采用了具有启发性的方案搜索方法，能够引导技术人员快速、收敛的逼近目标，因此其求解效率和发明级别相对于传统方法有较大优势。

图2 TRIZ 的求解效率

毕业设计所涉及的工程问题往往属于第二、三等级，应用创新原理进行求解是较优的选择。从求解效率的角度来讲，TRIZ 创新原理适合在毕业设计中帮助学生进行系统性和结构性的思考，提高作品完成质量。

2 创新原理的应用流程

2.1 标准流程

创新原理需和通用工程参数联合使用，TRIZ 中定义了39 个通用工程参数和40 条创新原理，应用创新原理的流程可以概括为以下几步：

（1）问题定义：清晰、全面的描述要解决的问题，明确要达到的目标。

（2）寻找矛盾：在改善系统中某一特性的过程中，经常会导致另外一个或几个特性的恶化，改善特性与恶化的特性就形成了技术矛盾，根据问题定义，将改善、恶化的特性分别映射为通用工程参数，准确的找到技术矛盾。

（3）查询矛盾矩阵：在矛盾矩阵的列中找到改善参数，在行中找到恶化参数，交叉点上就对应了该技术矛盾对应的创新原理。

（4）转化创新原理：根据查询得到的创新原理，结合实际问题的工程背景与边界条件，将创新原理转化成具体的技术方案。

（5）方案实施：根据技术方案制定执行计划，应用专业的知识与技能推动方案的落地实施。

在整个流程中，难度最大的是第（2）步，需要准确的运用通用工程参数描述技术矛盾，通用工程参数是高度概括与抽象的，将客观的系统特性映射为通用工程参数具有较大的挑战性。

2.2 简化流程

对矛盾矩阵进行二次分析，统计整个矩阵中的创新原理的使用频次，根据使用频次得到每一条创新原理的优先级别[3]，见表1。使用频次与优先级别是正相关关系，优先级别1 为最高级别，现有研究也证明了优先级别较高的创新原理能够解决绝大多数的发明创造问题[4]。

表1 矛盾矩阵创新原理使用频次统计简表

为了降低创新原理的应用难度，省略标准流程中的（2）（3）步骤，直接按照优先级别从高到低逐一将创新原理应用至具体问题中寻找技术方案，如图3 所示，这种处理方式虽然降低了解答速度，但是避免了“寻找矛盾”这一难度最大的环节，综合考虑来看，使用这种简化方法为学生在毕业设计中使用创新原理铺设了平缓的阶梯，更能够发挥TRIZ 的导向与指引作用。

图3 应用TRIZ 创新原理的简化流程

3 应用实例

毕业设计需要保证一人一题，立题阶段学生确定的任务分别为：转筒式去核机设计、加工中心自动换刀机构设计、供弹装置设计，在这些设备中，弧面分度凸轮是关键的传动设备，当学生做完前期工作后，面临的相同任务就是弧面分度凸轮的设计。

弧面分度凸轮的工作轮廓曲面是不可展开的空间曲面，通过工作轮廓曲面与分度盘滚子之间的共轭啮合实现各种运动规律的输出[5]。弧面分度凸轮设计难度大，引导学生采用创新原理制定合理的技术方案。

任务为转筒式去核机设计的学生通过简化流程逐一比对，发现优先级别为4 的创新原理1（分割原理）可以用于指导设计工作。分割原理是指将一个对象分割成几个相对独立的部分，或者提高对象的可分性。根据分割原理，将弧面分度凸轮的工作轮廓曲面分割为分度曲面段、定位环面段，而每一段曲面又可以分割为若干条等距曲线。如图4 所示，按照此方案，可以从曲线的建立着手，根据空间啮合原理建立分度曲线、定位曲线的方程，从方程分别生成曲线族，将两组曲线族合并形成完整的工作轮廓曲线，然后将曲线拼接为曲面，由曲面生成凸脊实体，最后得到弧面分度凸轮三维实体模型。

图4 应用分割原理设计弧面分度凸轮

任务为加工中心自动换刀机构设计的学生应用优先级别为8 的创新原理15（动态特性原理）进行规划。动态特性是指改变对象部件的运动形式或者是将对象部件设置为柔性或自适应性结构。根据动态特性原理，将分度盘与弧面分度凸轮的毛坯进行装配，如图5 所示，在实际的工况中，分度盘做间歇运动，凸轮做匀速运动，对间歇运动规律进行设计后，在分度盘上施加函数驱动，推动分度盘按照指定的运动规律运行，同时对毛坯施加匀速驱动，分度盘与毛坯两者的独立运动形成了干涉体，在毛坯与干涉体之间进行布尔运算，就形成了弧面分度凸轮的数字化模型。

图5 应用动态特性原理设计弧面分度凸轮

任务为供弹装置设计的学生采用优先级别为11的创新原理13（反向作用原理）开展创新。反向作用原理是指将规定操作、位置改为相反方向，或者使运动的部分静止、静止的部分运动。根据反向作用原理，假设弧面分度凸轮固定不动，分度盘一方面绕着中心轴线自转，另一方面绕着凸轮的中心轴线公转，通过分度盘的运动反求弧面分度凸轮的三维结构。如图6所示，驱动分度盘进行自转与公转的复合运动，追踪分度盘滚子两个端点的运动轨迹，将轨迹点采用样条曲线进行串联，利用两条曲线构造出工作轮廓曲面，并通过加厚、求差等一系列操作，形成弧面分度凸轮的3D 模型。

图6 应用反向作用原理设计弧面分度凸轮

分割原理、动态特性原理、反向作用原理应用于弧面分度凸轮的设计均能够取得较为精确的数字化模型，组织学生进行交流研讨，进一步分析每一种创新原理蕴含的科学知识、逻辑思维和应用规律，学生表示应用TRIZ 创新原理使自己思考问题时更有方向感，能够获取有价值的解决问题线索，大家集思广益形成的多样化求解方案也促进自己更全面的理解和掌握学科知识。

4 结论

以TRIZ 创新原理为依据，进行了毕业设计多样化求解的实践探索，为提高毕业设计质量、开阔学生视野提供了一种新路径，并有以下结论：

（1）按照优先级别从高到低逐一将创新原理应用至具体问题中寻找技术方案，这样的方法大大简化了创新原理的应用流程，更好促进学生生成创新概念方案。

（2）多样化求解扩宽了知识的广度、拓展了思想的维度，不仅取得了学生的认同，而且提高了毕业设计质量，在应用型本科院校中具有较高的推广价值。