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摘要：針對家用螺絲刀的選擇和優(yōu)化問題，提出了一種基于triz理論的設(shè)計流程模型。通過產(chǎn)品分析和用戶需求分析找到貼合家用螺絲刀市場需求的產(chǎn)品類型，通過流程分析找到了原型產(chǎn)品主要存在的問題，并通過系統(tǒng)完備性法則和物場分析，找到解決方案。設(shè)計了一款能適應(yīng)擰螺絲兩種狀態(tài)下不同需求的家用螺絲刀產(chǎn)品，提供更高的效率和舒適度。
關(guān)鍵詞：家用螺絲刀；TRIZ；物場分析；完備性法則
引言
螺絲刀是每個家庭生活中必備的維修工具，無論是家電維修，家具安裝甚至是玩具裝拆必不可少。目前市場上螺絲刀分為手動螺絲刀和電動螺絲刀，手動螺絲刀價格低廉，但操作費力且低效，用戶在使用過程中感到不舒服；而電動螺絲刀，對電源有依賴性，充電類在使用前需要充電；插電類不便于移動，電線會妨礙操作；且電動螺絲刀怕潮，怕摔。因此如何提高螺絲刀使用效率和舒適性，而不增加其使用限制成了一個亟需解決的問題。文中根據(jù)產(chǎn)品分析和用戶需求分析，選擇以手動螺絲刀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過流程分析發(fā)現(xiàn)問題，并通過系統(tǒng)完備性法則和物場分析尋找解決方案，設(shè)計了一款能適應(yīng)擰螺絲兩種狀態(tài)不同需求的家用螺絲刀產(chǎn)品。為同類設(shè)計提供了一種簡便高效的創(chuàng)新設(shè)計思路。
一、TRIZ理論概述及基于TRIZ的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計流程
（一）TRIZ理論概述TRIZ是發(fā)明問題解決理論，該理論是前蘇聯(lián)發(fā)明家，教育家阿奇舒勒及其團(tuán)隊通過大量專利和創(chuàng)新案例總結(jié)出來，解決各種矛盾的創(chuàng)新原理和法則[1]。TRIZ通過系統(tǒng)的思維方式，采用標(biāo)準(zhǔn)的思維工具，將特定的問題抽象成為標(biāo)準(zhǔn)的或一般的問題，然后采用標(biāo)準(zhǔn)的思維工具，最終得到有針對性的解[2]。其理論構(gòu)成包含8大技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、最終理想解、物-場模型及標(biāo)準(zhǔn)解、技術(shù)矛盾矩陣、物理矛盾和分離原理，技術(shù)進(jìn)化模式和路線等[3-5]。
（二）TRIZ的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計流程TRIZ理論是一種問題解決方法，不僅僅是對某個具體的領(lǐng)域進(jìn)行研究，而是建立了解決問題的通用模型并指明了發(fā)展方向，目前也在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計領(lǐng)域被廣泛使用[6]。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計流程可整理為：尋找問題—分析問題并提出初步解決方案—方案細(xì)化（結(jié)構(gòu)，造型，材料等方面）—方案篩選與評價—完成設(shè)計。結(jié)合傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計流程和TRIZ創(chuàng)新理論創(chuàng)建產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計流程模型，如圖1所示。該流程遵循TRIZ理論解決工程問題的一般步驟，從產(chǎn)品分析入手，發(fā)現(xiàn)問題，問題分析尋求理想解，逐層深入[7]，直至產(chǎn)生可行的解決方案。其產(chǎn)品設(shè)計流程的目標(biāo)性強，簡潔高效，規(guī)避了傳統(tǒng)設(shè)計方法的盲目性和無效性。
二、家用螺絲刀設(shè)計案例
（一）產(chǎn)品分析與用戶需求分析1.產(chǎn)品分析。通過對市場上現(xiàn)有的螺絲刀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，螺絲刀主要分為手動螺絲刀、充電式螺絲刀、插線式電動螺絲刀3種，不同類別的螺絲刀有著各自的優(yōu)缺點，具體總結(jié)如表1所示。2.用戶需求分析，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)放問卷，搜集家庭用戶的螺絲刀使用需求。根據(jù)82份問卷調(diào)研反饋，大部分家庭具有螺絲刀使用需求，但使用螺絲刀的頻次較低，82%的用戶表示只是偶爾使用，且超過60%的用戶心理可承受價格在50元以下，并且家庭使用場景往往是臨時發(fā)現(xiàn)有問題，突然的使用需求。綜合上述因素，手動螺絲刀更貼合家庭用戶真實使用場景，所以在調(diào)研的82份問卷中，有76人使用的是手動螺絲刀，比率高達(dá)92%。因此，針對家庭螺絲刀的設(shè)計更應(yīng)該針對手動螺絲刀進(jìn)行優(yōu)化。通過對手動螺絲刀的再調(diào)研，發(fā)現(xiàn)有67%的用戶主要在轉(zhuǎn)動螺絲刀時產(chǎn)生不舒適。
（二）家用螺絲刀使用流程分析針對用戶使用手動螺絲刀的流程進(jìn)行實地觀察和調(diào)研，發(fā)現(xiàn)家用螺絲刀最普遍的使用方式是手輕握螺絲刀，手腕不動，手指轉(zhuǎn)動螺絲刀，將螺絲旋入螺紋孔，如圖2所示。待螺絲刀轉(zhuǎn)不動時，手掌握緊螺絲刀，手腕轉(zhuǎn)動，擰緊螺絲，如圖3所示。通過流程分析發(fā)現(xiàn)，擰螺絲過程可分為兩個過程：前期不需要很大力度，但旋轉(zhuǎn)次數(shù)多，將螺絲快速旋入螺紋孔；后期則需要大的力度將螺絲緊固，防止松落。但現(xiàn)有產(chǎn)品只考慮了第二個過程，導(dǎo)致兩個問題：1.現(xiàn)有螺絲刀為了能擰緊螺釘，螺絲刀手柄尺寸貼合手掌且做了凸起橡膠的防滑設(shè)計，但在前期手指轉(zhuǎn)動工程中，手柄反而會在手中產(chǎn)生較大的摩擦，影響轉(zhuǎn)動效率和手部舒適度。2.前期手指轉(zhuǎn)動的方式，接觸面積小，在快速轉(zhuǎn)動時，不能提供穩(wěn)定的支持力，無法穩(wěn)定刀身，導(dǎo)致刀頭偏離螺釘，降低使用效率。
（三）系統(tǒng)完備性法則分析在TRIZ理論中將產(chǎn)品視為一個完整的系統(tǒng)，各組件間相互關(guān)聯(lián)，以實現(xiàn)產(chǎn)品功能為目標(biāo)的集合體。為了實現(xiàn)產(chǎn)品功能，系統(tǒng)必須具備四個最基本的要素，即執(zhí)行裝置、傳動裝置、動力裝置和控制裝置[8]，各個組件之間存在物資，能量，信息和功能的關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)從外部能源獲取能量，將外部能源轉(zhuǎn)換為能量后傳遞給需要能量的部分，然后作用于對象，即“能源—動力裝置—傳動裝置—執(zhí)行裝置—產(chǎn)品”的工作路線，控制裝置通過改變系統(tǒng)中的能量流來協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)完備性法則的分析，可以幫助我們準(zhǔn)確確定現(xiàn)有產(chǎn)品中的組件組裝是否構(gòu)成了完整的技術(shù)系統(tǒng)，并可以有效地實現(xiàn)功能，從而有助于我們更清晰地確定每個裝置（組件）的運行狀態(tài)[9]，找到出現(xiàn)問題的部件和原因。通過流程分析可知，問題主要出現(xiàn)在將螺絲快速旋入螺紋孔的過程，針對該過程進(jìn)行完備性法則分析，尋找出現(xiàn)問題的部件?，F(xiàn)有螺絲刀以手柄為動力裝置，將使用者的生物能轉(zhuǎn)化為動能，通過傳動裝置（刀身）將動能，傳遞給執(zhí)行裝置（刀頭），并由控制裝置（手柄）進(jìn)行調(diào)控，完成螺絲刀旋緊的目的，如圖3所示。通過系統(tǒng)完備性法則發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有螺絲刀是完整的系統(tǒng)，能實現(xiàn)功能，需要針對具體問題尋找相關(guān)部件，進(jìn)行改進(jìn)。針對問題1.手指轉(zhuǎn)動螺絲刀，會使橡膠材質(zhì)手柄在手中摩擦，影響轉(zhuǎn)動效率和舒適度。發(fā)現(xiàn)手指轉(zhuǎn)動螺絲刀，為動力裝置轉(zhuǎn)化外部能源的過程，橡膠在手中摩擦，影響轉(zhuǎn)動效率即動力轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生有害能源，說明現(xiàn)有動力裝置（手柄）轉(zhuǎn)化能源方式應(yīng)該優(yōu)化。針對問題2.前期手指轉(zhuǎn)動的方式，接觸面積小，在快速轉(zhuǎn)動時，不能提供穩(wěn)定的支持力。手指轉(zhuǎn)動手柄為動力裝置轉(zhuǎn)化能源的過程，提供穩(wěn)定支持力，為控制系統(tǒng)的職能，說明這個過程中，動力裝置和控制裝置（手柄）需要優(yōu)化，如圖4。
（四）物場分析物場分析將問題看作由兩個物質(zhì)和一個場這樣三個元素所構(gòu)成的最小技術(shù)系統(tǒng)，通過分析技術(shù)系統(tǒng)各組成部分及各組成部分之間的相互關(guān)系，并通過物場模型的形式用圖形語言簡潔地展現(xiàn)系統(tǒng)中各種矛盾問題。理想的物場模型（充分有用的完整模型）是場Field（F），通過物質(zhì)2（S2）作用于物質(zhì)1（S1）并改變S1，其中，物質(zhì)（S1和S2）的定義取決于每個具體的應(yīng)用，S1是系統(tǒng)動作的接受者，S2通過某種形式作用在S1上[10]。但現(xiàn)實中，還有四種非理想狀態(tài)的模型：①不完整模型，②有用但不充分作用的完整模型，③有用但過度作用的完整模型，④有害作用的完整模型[11]，對應(yīng)共六種一般解法。針對系統(tǒng)中存在的問題1：剛開始擰螺絲刀時，如何消除手柄對手掌產(chǎn)生摩擦，進(jìn)行物場分析。明確問題發(fā)生部位為S2手柄和S1使用者的手，場F1為力場，其中力場連接S2手柄和S1手，且手柄對手的摩擦屬于有害作用，構(gòu)建了有害作用的完整模型。對應(yīng)的一般解法有兩種，如圖5所示：1.增添物質(zhì)3（S3），且物質(zhì)3為原始2種物質(zhì)之一的變體；2.增添另一個場（F2），用來調(diào)整引起有害結(jié)果的場，且要考量各類力場。針對系統(tǒng)中存在的問題2：剛開始擰螺絲刀時，如何消除手對螺絲刀產(chǎn)生不穩(wěn)定的力，進(jìn)行物場分析。明確問題發(fā)生部位為S2使用者的手，S1為螺絲刀手柄，場F1為力場，其中力場連接S2手和S1手柄，且S2手對手柄產(chǎn)生了有害的力，影響轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定，同樣構(gòu)建了有害作用的完整模型。對應(yīng)的一般解法有兩種：1.增添物質(zhì)3（S3），且物質(zhì)3為原始2種物質(zhì)之一的變體；2.增添另一個場（F2），用來調(diào)整引起有害結(jié)果的場，且要考量各類力場。
（五）方案設(shè)計結(jié)合流程分析，系統(tǒng)完備性法則分析和物場分析，對問題進(jìn)行逐層解析，并針對問題共提出5解決方案，如表2所示。通過對比分析，考慮可實現(xiàn)性和用戶體驗感受，最終選擇了方案a和方案e進(jìn)行結(jié)合設(shè)計，針對螺絲刀前期將螺絲快速旋入螺紋孔的過程，對螺絲刀的控制裝置和動力裝置手柄結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將傳統(tǒng)螺絲刀手柄分為兩個部分，前端和后端，前端起到旋轉(zhuǎn)模塊的作用。在前期螺絲快速旋入螺紋孔階段，手柄前端（旋轉(zhuǎn)模塊）作為動力裝置，手指轉(zhuǎn)動手柄前端，帶動螺絲批頭旋轉(zhuǎn)，而手柄后端作為控制裝置不動，避免了手柄轉(zhuǎn)動對手掌產(chǎn)生摩擦，同時也可以通過把握手柄后端，為螺絲刀提供更加穩(wěn)定的支持力。在后期，需要緊固螺絲時通過轉(zhuǎn)動手柄，提供更大的力，帶動螺絲轉(zhuǎn)動，完成螺絲緊固。前期和后期兩種螺絲刀工作方式的切換，通過類似于圓珠筆的棘輪和彈簧結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，如圖6所示。前期螺絲快速旋入螺紋孔階段，在彈簧作用下，批頭套筒的尾部六棱柱未與后端手柄結(jié)合，中部六棱柱與手柄前端結(jié)合，以至于手柄前端轉(zhuǎn)動不影響手柄后端；在后期，通過向前按壓，通過手柄前端的棘輪銷孔和批頭套筒的棘輪銷鍵配合，使得六棱柱與后端手柄結(jié)合，轉(zhuǎn)動手柄后端能帶動批頭套筒轉(zhuǎn)動。
（六）方案細(xì)化結(jié)合人機(jī)尺寸和產(chǎn)品材料分析，對產(chǎn)品方案進(jìn)行細(xì)化。1.人機(jī)尺寸設(shè)計螺絲刀的尺寸過大或者過小都將直接影響使用者的抓握，影響使用效率和舒適度。參考郭斯永[12]根據(jù)人機(jī)工程學(xué)設(shè)計準(zhǔn)則總結(jié)出的人手尺寸數(shù)據(jù)，設(shè)定了螺絲刀手柄的詳細(xì)尺寸，如圖7所示。其中，手柄長度范圍考慮第5百分位的女性（69mm）和第95百分位的男性（97mm）的掌骨處手掌寬度，結(jié)合手指轉(zhuǎn)動的操作距離，通用性的把手長度范圍為100—125mm，本設(shè)計手柄總長度設(shè)置為110mm，手柄前端長度為35mm。根據(jù)李艷[13]等人對手工具的研究，比較合適著力抓握的手柄直徑為30~40cm，比較合適精密抓握的手柄直徑為8~16cm，本設(shè)計手柄最大直徑為30mm，手柄前端最小直徑為16mm。2.材料分析螺絲刀的材料根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要可分為3部分：1.螺絲刀批頭和批頭套筒；2.手柄（前端和后端）；3.手柄防滑材料。其中螺絲刀的批頭有時需要用于加深螺帽刀口，批頭材料需要有較好的硬度，且螺絲刀有時用于撬東西，螺絲刀批頭和套筒需要有較好的韌性，在對比市場上常用材料后，綜合性能和價格，批頭和套筒選擇鉻釩鋼，在擁有良好的強度和硬度性能的同時，價格相對較低。螺絲刀的手柄材料選擇聚丙烯塑料為手柄主體，手柄防滑材料采用tpr（熱塑性彈性體）二次注塑。聚丙烯塑料具有高強度機(jī)械性能，有較強的支撐性，和耐腐蝕性，耐磨性，電絕緣性，能適應(yīng)多種使用環(huán)境，且通過tpr二次注塑，手掌握住部分提供較大摩擦力，便于螺絲緊固，效果圖如圖8所示.
結(jié)論
文中構(gòu)建了基于TRIZ的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計流程模型。首先對家用螺絲刀進(jìn)行產(chǎn)品分析和用戶需求調(diào)研，找到了貼合家用螺絲刀市場需求的產(chǎn)品類型，通過流程分析找到了現(xiàn)有產(chǎn)品主要存在的兩個問題，即在前期螺絲快速旋入螺紋孔的過程中，手柄對手掌產(chǎn)生摩擦，影響工作效率和舒適度；且在快速轉(zhuǎn)動過程中無法提供穩(wěn)定的支持力。運用系統(tǒng)完備性法則和物場分析，尋求可能的解，將傳統(tǒng)螺絲刀的手柄分為兩個部分，在前期螺絲快速旋入螺紋孔的過程中，通過手指旋轉(zhuǎn)手柄前端，帶動批頭套筒及螺絲刀批頭轉(zhuǎn)動。在后期緊固螺絲時，通過彈簧和棘輪結(jié)構(gòu)，將批頭套筒的六棱柱與手柄后端螺紋孔配合，通過轉(zhuǎn)動手柄，提供更大的力。最終通過計算機(jī)輔助建模完成設(shè)計方案的效果圖。對家用螺絲刀進(jìn)行了優(yōu)化，并為同類型產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計流程提供了參考性解決方案。
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作者：房浩南 金信琴 張簡一 單位：哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動力工程學(xué)院