1、基于 TRIZ 理论的创新设计 赵旭 吉林大学机械科学与工程学院 摘 要： 我国经济高速发展, 商品贸易活动频繁, 现金的交易量日益增长。发行钞和流通钞的处理量日益增大, 传统的手工分钞远不能满足发展的需求。在收取大量面额不等现金的场所, 高效便捷地整理钱币的要求也渐渐提高。随着我国推进一元人民币硬币化, 硬币清分机会逐步进入市场, 其实用性尤为重要。基于TRIZ 理论的物-场分析方法、发明创造原理、事件树方法和实验法, 从体积小、操作方便和清分准确等观点出发, 综合产品的性价比、创新性和实用性等多方面考虑, 提出竖式硬币清分机的构想, 为硬币的分拣提供了简易的机构, 也为解决钱币清分提供了理
2、论基础。关键词： 硬币分离; 高效; 便捷; TRIZ; 作者简介：赵旭 (1995-) , 男, 大学本科, 主要从事创新设计等方面的研究。收稿日期：2017-03-31Innovative Design Based on TRIZZHAO Xu Mechanical Science and Engineering College in Jilin University; Abstract： With the rapid development of Chinese economy, the volume of cash is growing while merchandise trade
3、activity is very frequent.Traditional handwork to separate cash has not satisfied developmental need under the circumstance of rising the handing capacity of current and issued cash.As a result, the requirement of handing cash efficiently and conveniently is rising in the place that gets a mass of d
4、ifferent amounts.Currency and gold-silver institution of central bank claimed it would change paper money into coin of 1 yuan for promoting coin process of 1 RMB in some places of some provinces according to the arrangement.Sorter of coin will appear in the market so its practicability is important.
5、The paper is based on the material-field and invention principles of TRIZ, event tree and experiment from the view of small area, operating conveniently, separate accurately and maintaining easily.Also, the paper is aimed at simplify the structural design from the point of technological process, cos
6、t performance, innovation and practicability under the condition of getting the function.The idea of erect sorter of coin comes here for the simple design of separating coins in the life.At the same time, it provides certain theoretical basis for the separation of money.Keyword： coin separation; hig
7、h efficiency; convenience; TRIZ; Received： 2017-03-31图 1 技术路线 下载原图2016 年, 央行货币金银局表示, 根据央行的安排, 即将推进一元人民币硬币化。随着社会的进步, 人们越来越关注环境保护和资源循环利用。当前小额硬币的存在和持续发展, 既是我们按照经济人的思维作出的自然选择, 也是按照社会人的逻辑作出的理性选择。相较纸币而言, 硬币具有寿命长、整洁度高、利于环保和便于自动化处理等明显优点1。显然, 硬币清分机会成为交易市场的主流, 本文从体积小、操作方便、清分准确和维护便利等观点出发, 综合产品的结构、工艺制作、性价比、创新性和
8、实用性等多方面考虑, 在实现功能相同的条件下, 尽量简化结构设计;由此, 竖式硬币清分机的构想应运而生。1 技术路线竖式硬币清分机的技术路线如图 1 所示。2 理论方法2.1 TRIZ 理论中的物-场分析方法物-场模型的组成包括 2 种物质和 1 种作用场, 主要阐述在一定场的作用与影响下产生的组件相互间的行为2。物-场分析是从物-场的角度, 描述和分析最小技术系统的构成及构成要素之间的相互联系, 查找实现期望功能的一般解法, 从而获得产品设计的解决方案。2.2 TRIZ 理论的发明创造原理本文根据 TRIZ 理论的发明创造原理 (分割原理、抽取原理、局部原理和动态性原理) 按由大到小的硬币直
9、径分割层级。各部分斜板以直径约束抽取有用部分 (即所要分出的种类硬币) , 使规定级别直径的硬币按轨道进入收集装置, 不同级别直径的硬币落入下一级轨道, 各部分实现各自功能, 从中确定理论轨道和孔槽宽度。该机构可以根据硬币种类的变化更换斜板满足动态适应性。2.3 事件树具体化方法本文依据事件树形态结构, 将抽象事件树的概念具体化为硬币下落路径。顶端设立硬币多圆柱形分散装置, 减少硬币到落点的频率, 使数量较多的硬币落入不同的位置。设立成上下不封闭梯形, 在区域内按交叉重叠的方法设置多个圆柱。2.4 试验法本文根据每块斜板每个角度进行数十次的试验, 获得最佳斜板的角度, 考虑人为偏差、加工偏差与
10、精度和试验偏差, 设计斜板最大宽度为 27 mm, 在 2 号斜板、3 号斜板设立特定滑轨以使系统正常运行。按试验得出实际加工图样的斜板轨道宽度和滑轨宽度。3 基于 Kano 模型用户需求分析Adila 将 Kano 模型运用到用户需求方面。通过调查问卷的方法, 再经过计算检验, 以有效合理的方法将需求进行排序, 并应用到工作台的设计中, 以解决工作台的舒适度问题3。3.1 产品初始用户需求项识别在进行用户需求分析之前, 应进行用户需求的获取。顾客是产品的使用者, 应从顾客那里获取用户需求4。竖式硬币清分机面向的是社会大众, 经查阅相关文献资料和对普通市民进行深度询问等收集用户初始需求, 得到
11、如下需求项:1) 硬币分类;2) 硬币计数;3) 清分准确;4) 清分效率高;5) 轻质;6) 体积小;7) 机构简便;8) 应用范围广;9) 普遍实用性;10) 节约能源;11) 制作成本低;12) 制作工艺简单。将上述 12 种需求项分类整理, 依据李克特量表法中的五点量表, 将其划分为 5个级别, 分别代表 5 分、4 分、3 分、2 分和 1 分。设计 100 份调查问卷, 发放于不同人群中, 在回收的 85 份有效问卷中, 使用偏态检验、极端组检验以及同质性检验方法, 分析后得到硬币清分机用户的 7 个需求项:1) 硬币分类;2) 硬币计数;3) 清分准确;4) 清分效率高;5) 体
12、积小;6) 节约能源;7) 制作成本低。3.2 清分机用户需求项 Kano 类别确定3.2.1 Kano 问卷的设计与收集对每个硬币清分机用户需求项, 分别设置正面与反面问题, 形成用户需求项的Kano 问卷。把用户对每个需求项的感觉划分成 5 个层次, 并用 1、2、3、4、5分来分别对应用户对每个需求项的喜爱程度。随机抽样具有普遍性, 在本次调查中, 在地铁站、超市、自动售货机、停车场自动收费机和公交售票机等附近场所, 随机发放 500 份问卷, 并采用一对一的方式, 得到 470 份有效调查问卷, 具有普遍随机性。3.2.2 确定用户需求项的 Kano 类别Kano 类别中, A 表示魅
13、力质量;O 表示一维质量;M 表示必备质量;I 表示无差异质量;R 表示逆向需求;Q 表示回答存在问题 (正反问题矛盾现象) 。根据收集到的问卷数据, 可以得到每个初始用户需求项对应的每个 Kano 类别的隶属度, 之后采用“取大”原则, 得到每个初始用户需求项所属的 Kano 类别。将初始用户需求项所属的 Kano 类别进行汇总, 得到 Kano 类别汇总表 (见表 1) 。表 1 Kano 类别汇总表 下载原表 3.3 Kano 类别的筛选根据 Kano 模型对卡用户的选择远离, 删除 M 类、I 类, 保留 A 类、O 类, 得到新的用户需求项如下:1) 硬币分类;2) 清分准确;3)
14、体积小;4) 制作成本低。4 产品设计过程4.1 产品整体设计通过物-场模型分析和解决问题过程, 考虑硬币如何清分的功能问题, 需借助一种物质完成物-场模型建立;同时, 结合应用物质-场对系统功能分析的结果, 参考 76 个标准解, 实现创新型产品设计。建立物-场模型的流程如下。1) 确定物质和场。场 F 为重力场, 载体物质为硬币。2) 建立物-场模型。根据物-场模型变换规则, 为解决不完整物-场, 可在空缺处引入物质, 使得物-场完整。物质-场模型如图 2 所示。图 2 物-场模型 下载原图解法选择利用 76 个标准解。其中, 应用第 1 个解制造物场, 补充缺失物质 (满足硬币直径的板块
15、) ;应用第 9 个解加入新物质除去有害作用, 加入左右 2 块小板支承材料;应用第 15 个解并联物场, 可以多设立相同的机构;应用第 22 个解调整物质频率, 在顶端设立分散机构;应用第 31 个解应用物理作用, 利用重力使硬币自然滑落。4.2 产品分离机构设计TRIZ 理论通过“不同的发明创造往往遵循共同的规律”, 归纳了 40 个创新原理。针对具体的技术矛盾, 可以基于这些创新原理, 结合工程实际寻求具体的解决方案。4.2.1 硬币分离机构基于 40 个创新原理方法的分离机构, 利用物-场分析的结果, 采用重力使硬币作用于斜板, 根据逐级分离的方法, 可以将 4 种硬币依次分离收集,
16、达到硬币清分的目的。第 1 个是分割原理。分离机构根据 4 种硬币分成 4 种子分离机构, 各个部分完成自身的分离、收集功能。第 2 个是抽取原理。子分离机构为实现某种硬币 (4 种硬币的 1 种) 分离, 其他种类硬币均是干扰部分, 起负面作用。逐级抽取原则, 便可把 4 种硬币分离。第 3 个是局部质量原理。首先, 将 4 种硬币按直径大小排列 (新式一元旧式一角新式五角新式一角) , 采用逐级分离的方法, 经过第 1 级分离子机构, 将新式一元硬币作为有用部分保留, 即分离斜板末端设置储币盒, 其他 3 种作为干扰部分, 一并除去;后 2 个子分离机构每部分都最大程度地发挥作用, 各子分
17、离机构实现各自不同的功能。理想化斜板和孔槽宽度如图 3 所示。图 3 理想化斜板 下载原图第 15 个是动态性原理。世界范围内的硬币种类不计其数, 不同的国家硬币尺寸规格也不近相同, 利用动态性原理, 可以按照不同国家的硬币尺寸规格设计不同的分离机构, 使其具有适应性。4.2.2 分离部分整合机构通过物-场分析方法的产品设计和逐级分离机构, 对整个产品进行整合。首先, 左右两侧设定特质材料的支承板以达到整个机构的稳定性;其次, 机构顶端设立分散装置使大量硬币落点位置分散, 降低系统运作频率;最后, 各级分离子机构, 根据收集装置“左下、右下、左下、右下”的位置设立斜板方向。总体硬币机构如图 4
18、 所示。图 4 分离部分的整体机构 下载原图4.3 产品顶端分散装置设计事件树一般用在对大型系统进行可靠性分析或对其中的安全相关子系统进行事故分析当中, 采用树枝状图来表示其所有的事故序列5。从一个初始事件的事故原因开始, 按时间的进程采用追踪的方法, 对系统要素二选一的逻辑分析, 即只有成功、失败这 2 种状态。事件树分析是一个动态分析过程, 可以看出变化过程。依据引发初始事件的原因判断流程, 最后将出现多种可能及状态, 从而引发对硬币下落路径的思考, 保留事件树中的所有节点, 去掉所有直线, 给硬币施加动力 (重力) , 硬币会随机落入不同的位置, 从而实现硬币分散的目的, 解决堆积现象。
19、现假设硬币落到斜板前应依次经过 3 种通道 (分别标为 1 号通道、2 号通道和3 号通道) , 能否进入的概率均为 1/2, 然后进行下列过程。1) 抽象事件树建立程序。抽象事件树建立程序如下:a.确定初始原因事件, 即硬币落点问题;b.分析系统构成要素并进行功能分解, 即分散系统分为入口端, 1 号、2 号和 3 号通道和出口端;c.分析各要素的因果关系及成功、失败这 2 种状态, 依次经过 3 种通道, 若进入通道, 则成功, 状态值为 1, 反之则失败, 状态值为 0;d.建造事件树 (见图 5) ;e.分析结果, 该事件树可以清晰地了解硬币下落过程, 并会存在 8 种状态, 即 8
20、个位置。图 5 事件树 下载原图2) 硬币下落具体路径的转化过程。首先, 将硬币下落事件转化为硬币的入口端;然后将是否进入 1 号通道、2 号通道和 3 号通道这些原因事件转化为模型的各个节点, 再去掉事件之间的连线;最后, 将硬币下落后的 8 中状态转化为下落的 8个位置。为了达到目标效果, 应将多个事件树交错连接, 以补充缺少点, 同时去掉重合点。分散机构立体图如图 6 所示。图 6 分散机构立体图 下载原图4.4 分离机构角度设置和孔槽实际设计4.4.1 试验一1) 试验目的。测量理想化斜板滑轨的加工宽度。2) 试验依据。设计斜板时最大宽度为 27mm, 考虑单一的孔槽斜板很可能会使硬币
21、漏出, 应增加相应宽度的滑轨;但是理想化设计的滑轨也可能会出现硬币卡顿现象。根据公式, 若 (最大宽度-理想化孔槽宽度) /2+ (理想化孔槽宽度) (新式一元直径/旧式一角直径/新式五角直径) , 则需要滑轨。1 号、2 号、3 号斜板的理想化孔槽宽度分别为22.5、20.5 和 19 mm。对于 1 号斜板: (27-22.5) /2+22.5=24.7522.5, 说明 2 号斜板需要滑轨;对于 3 号斜面板: (27-19.0) /2+19.0=23.0020.5, 说明 3 号斜板需要滑轨。又由于可能的卡顿现象, 所以在 2 号斜板的理想化滑轨宽度2.25mm 的基础上, 加工图样分
22、别以 0.25mm 为单位, 前、后各收放 0.5mm, 即为1.75、2、2.25、2.5 或 2.75mm;同理, 在 3 号斜板的理想化滑轨宽度 3 mm 的基础上, 加工图样以 0.25mm 为单位前、后各收放 0.5mm, 即为2.5、2.75、3、3.25 和 3.5mm。3) 试验步骤。试验步骤如下。a.将 15 枚硬币进行编号。将旧式一角 5 枚、新式五角 5 枚和新式一角 5 枚分别编为 115 号, 2 号斜板的 10 对滑轨分别编为 110 号, 3 号斜板的 10 对滑轨分别编为 1120 号。b.将加工的 10 对 2 号滑轨对应安装在 2 号斜板上。c.将带滑轨的
23、2 号斜板安装在左、右支承结构上。d.将 15 枚硬币 (旧式一角 5 枚、新式五角 5 枚、新式一角 5 枚) 分别轻放至斜板顶端, 使其自然落下。e.记录 2 号斜板上通过硬币个数、卡顿硬币个数和漏出硬币个数。f.将加工的 10 对 3 号滑轨对应安装在 3 号斜板上。g.将带滑轨的 3 号斜板安装在左、右支承结构上。h.将 10 枚硬币 (新式五角 5 枚、新式一角 5 枚) 分别轻放至斜板顶端, 使其自然落下。i.记录 3 号斜板上通过硬币个数、卡顿硬币个数和漏出硬币个数。j.绘制 2 号滑轨硬币漏出、卡顿个数统计表 (见表 2) 和 3 号滑轨硬币漏出、卡顿个数统计表 (见表 3)
24、。表 2 2 号滑轨硬币漏出、卡顿个数统计表 下载原表 表 3 3 号滑轨硬币漏出、卡顿个数统计表 下载原表 4) 试验评价。通过上述试验数据可知, 2 号滑轨的第 3、4 号分离效果更好, 3号滑轨的第 15、16 号分离效果更好, 所对应的尺寸分别为 2 和 3mm, 所以 2 号滑轨的加工宽度为 2mm, 3 号滑轨的加工宽度为 3mm。4.4.2 试验二1) 试验目的。确定斜板孔槽的加工宽度。2) 试验依据。1 号、2 号、3 号斜板的理想化孔槽宽度分别为 22.5、20.5 和 19 mm, 依据加工误差, 以 0.5mm 为基础, 前、后收放 0.5mm, 即 1 号斜板孔槽的加工
25、宽度分别为 22、22.5 和 23 mm, 2 号斜板孔槽的加工宽度分别为 20、20.5和 21mm, 3 号斜板孔槽的加工宽度分别为 18.5、19 和 19.5mm。3) 试验步骤。试验步骤如下。a.将 20 枚硬币进行编号。将新式一元 5 枚、旧式一角 5 枚、新式五角 5 枚和新式一角 5 枚分别编为 120 号。理想化 1 号、2 号、3 号斜板 (分别为上述 3 种规格) 各 2 块, 分别编为 1 号斜板的 16 号, 2 号斜板的 16 号和 3 号斜板的16 号。b.将 6 对 2 号和 6 对 3 号滑轨分别安装在 3 种规格 (各 2 块) 的 2 号、3 号斜板上。
26、c.将 1 号斜板、带滑轨的 2 号、3 号斜板安装在倾角为 50的左、右支承机构上。d.针对 6 块 1 号斜板, 让 20 枚硬币轻放斜板顶端, 使其自然落下。e.记录新式一元硬币通过及漏出个数, 其他 3 种硬币通过及漏出个数。4) 试验评价。根据试验数据可以得出, 1 号、2 号、3 号斜板孔槽的加工宽度分别为 23、21 和 19mm, 以上述尺寸作为加工图样, 才能使斜板完成各自的功能, 实现不同种硬币的分离。4.4.3 试验三1) 试验目的。确定 1 号、2 号、3 号斜板实现硬币分离的最佳组合角度。2) 试验步骤。试验步骤如下。a.将 20 枚硬币进行编号。将新式一元 5 枚、
27、旧式一角 5 枚、新式五角 5 枚和新式一角 5 枚分别编为 120 号。b.在 35 个支持机构 (500 mm500 mm, 材质为 PVC) 上安装分散机构。c.在 7 个支持机构上分别安装倾角为 3060的 1 号斜板, 并设收集装置。d.使 20 枚硬币从分散装置进入, 记录一元收集盒中硬币个数、一元收集盒中非一元硬币个数和通过 1 号斜板孔槽漏出硬币个数, 整理数据后可知, 倾角为30和 40的 1 号斜板清分的效果最好。e.故选取倾角为 30和 40的 1 号斜板进行后续试验。f.在 7 个新的支持机构上安装分散机构, 并将倾角为 30的 1 号斜板固定, 在相反斜下方向分别安装
28、 3060的 2 号斜板 (带有符合要求的滑轨) , 并设立收集装置。g.在另外 7 个新的支持机构上安装分散机构, 并将倾角为 40的 1 号斜板固定, 在相反斜下方向分别安装 3060的 2 号斜板 (带有符合要求的滑轨) , 并设立收集装置。h.使 20 枚硬币从分散装置进入, 记录一元收集盒中一元硬币个数、一元收集盒中非一元硬币个数、旧式一角收集盒中旧式一角硬币个数、旧式一角收集盒中非旧式一角硬币个数以及通过 1 号、2 号斜板孔槽漏出硬币个数。整理数据, 得到 2 个清分效果最好的组合。i.在上述 14 种状况中选取收集准确且时间较短的 2 种状况:状况 1, 1 号斜板倾角 30,
29、 2 号斜板倾角 30;状况 2, 1 号斜板倾角 30, 2 号斜板倾角 35。j.在 7 个新的支持机构上安装分散机构, 并将倾角为 30的 1 号斜板、倾角为30的 2 号斜板固定, 在相反斜下方向分别安装 3060的 3 号斜板 (带有符合要求的滑轨) , 并设立收集装置。k.在 7 个新的支持机构上安装分散机构, 并将倾角为 30的 1 号斜板、倾角为35的 2 号斜板固定, 在相反斜下方向分别安装 3060的 3 号斜板 (带有符合要求的滑轨) , 并设立收集装置。l.使 20 枚硬币从分散装置进入, 记录一元收集盒中一元硬币个数、一元收集盒中非一元硬币个数、旧式一角收集盒中旧式一
30、角硬币个数、旧式一角收集盒中非旧式一角硬币个数、五角收集盒中五角硬币个数以及五角收集盒中非五角硬币个数, 并绘制各收集盒中各种类硬币个数表 (见表 4 和表 5) 。表 4 状况 1 各收集盒中各种类硬币个数 下载原表 表 5 状况 2 各收集盒中各种类硬币个数 下载原表 3) 试验评价。从上述试验数据可以看出, 表 5 中的第 2 组分离效果最好, 即 1号、2 号、3 号斜板角度分别为 30、35、35时的硬币清分效果。1 号、2号、3 号斜板角度设计图如图 6 所示。图 6 角度设计图 下载原图5 结语通过 TRIZ 理论的物-场分析方法、发明创造原理、事件树方法和试验法设计的竖式硬币清分机, 不仅体积小、操作方便、清分准确、维护便利, 同时产品的工艺制作、性价比、创新性和实用性也尤为突出。在实现相同功能的条件下, 结构设计简单, 在地铁站、公交站和售货机的应用前景十分广阔。竖式硬币清分机的构想为生活中硬币的分拣提供了简便易行的机构, 同时也为解决钱币清分功能提供了一定的理论基础。
