应用计算机辅助创新技术进行长度测量仪的概念设计.docx
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应用计算机辅助创新技术进行长度测量仪的概念设计
应用计算机辅助创新技术进行长度测量仪的概念设计
解士昆、杨以杰、万欣
摘要：
以某测量设备为例，介绍计算机辅助创新（CAI）技术在概念设计中的应用。
详细描述了概念设计中系统分析、问题分解、方案求索等主要过程。
关键词：
计算机辅助创新、概念设计、发明问题解决理论
0.引言
产品的设计过程一般可分为立项、概念设计、详细设计、施工设计、试制、试验、检测等阶段。
其中概念设计阶段所占的时间和资源一般只占10%~30%，但决定了产品制造成本的80%，如果考虑到产品的维护期费用，这个比例还要更高。
同时，由于概念设计阶段确定了产品的所有主要技术方向，因此人们所说的创新也主要产生在这一阶段。
近年来在欧美快速发展的计算机辅助创新（ComputerAidedInnovation，CAI）技术，它用科学、系统化的方法支持了创新概念设计这一过程，大大提高了概念设计的效率和质量，进而为企业带来极具竞争力的产品。
1.CAI技术简介
我国企业已经普遍认识到技术创新对于企业持续发展的重要意义。
但同时，一提到创新，很多人也会有一种恐惧：
认为创新就是要做出“蒸汽机”一样推动历史的伟大发明，需要天才、需要投入天文数字的科研经费。
而实际上，在以产品为中心的企业当中，日常工作中的解决技术问题就是创新。
资料表明，在工程技术问题中，其中四分之三的问题可以通过企业内部的既有知识得到解决，如表1所示。
表1发明的等级划分及解决问题需要的知识领域
发明创造级别
创新的程度
比例
知识来源
1
明确的解
32%
个人的知识
2
少量的改进
45%
公司内的知识
3
根本性的改进
18%
行业内的知识
4
全新的概念
4%
行业以外的知识
5
发现
1%
所有已知的
传统的产品创新是以“试错法”为核心的。
橡胶、灯泡等都是基于试错法诞生的。
但面对今天激烈的市场竞争，试错法所带来的高昂成本是企业不愿接受的；同时，应用试错法使研发周期较长，市场机会的丧失更是让企业痛心疾首。
企业期望更有效的创新方法来指导自己的科研团队和科研行为。
那么，是否存在一种切实有效的方法论，帮助工程技术人员高质、高效地进行产品创新设计呢？
事实上，早在上个世纪40年代，前苏联的科学家阿奇舒勒（Altshuller）及其团队在分析大量专利的基础上，对人类创新活动规律和原理进行了系统的揭示，从而形成了指导创新活动的发明问题解决理论（俄文首字母的拉丁缩写为TRIZ，译为“萃智”）。
前苏联解体后，随着TRIZ大师们移居欧美，TRIZ（萃智）理论在全球得到了更为广泛的传播和应用，进而也得到了快速的发展。
TRIZ（萃智）理论的核心认识包括：
1）产品及其技术的发展总是遵循着一定的客观规律；
2）同一条规律往往在不同的产品或技术领域被反复应用，很多创新实质上往往是其他领域技术在某一领域的全新应用；
3）人们只要遵循着产品及其技术发展的客观规律就能能动地进行产品设计并预测产品的未来发展趋势；
4）问题的模型是一样的，那么解决方案的模型也是一样的，而和这个问题是来自于哪个领域的无关。
几十年来，经过众多前人的深入研究和应用，总结出了一套应用TRIZ（萃智）理论解决工程问题的基本路线：
针对具体问题，首先要通过一系列工具进行分析，将具体问题抽象成一般性问题；然后，通过TRIZ工具的指引找到解决问题的方向；最后再将这些解决方向具体化为具体问题的解决方案。
这与传统的设计方法中，从“具体问题”到“具体解决方案”的思考路线有着明显的差异。
如图1所示。
而正是这一差异，使应用TRIZ（萃智）理论的工程技术人员超越了思维惯性，从而更加系统化、结构化地分析问题，创造性地提出解决问题方案。
图1TRIZ（萃智）理论解决问题基本模式
在计算机技术和包括TRIZ（萃智）理论在内的设计理论高速发展的背景下，本世纪初，随着应用需求地推动，逐步形成了计算机辅助创新（ComputeraidedInnovation，CAI）技术。
经过近年来的快速发展，现在CAI技术已经具备了结构化、系统化描述、分析问题，充分调动既有知识创造性地寻求工程问题的解决方案的能力，成为辅助研发人员高效地进行概念设计的有力工具。
CAI技术的核心是：
现代设计方法论体系，和经过本体论有机组织的创新知识库。
如图2所示。
图2CAI技术体系构成
2.应用CAI技术对某测量设备改进设计问题的研探
计算机辅助创新软件Pro/Innovator是CAI技术的一个代表产品。
借助该工具，技术人员可以有效地对问题进行分析，借鉴不同领域的知识，从而高质、高效地构建解决方案。
本文基于计算机辅助创新软件Pro/Innovator，解决了某测量设备受环境中灰尘的影响，导致测量精度下降的具体问题。
2.1问题描述
某专用测量设备，由于工况的要求，采用了绕线装置间接测量物体的位移，如图3所示。
该装置用一根0.6mm的钢丝缠绕在线轴上，通过计量线轴的缠绕圈数（角度）实现对长度的测量。
为了均匀地缠绕钢丝，系统设有一个导丝器。
绕线轴和导丝器被放置在一个空间有限的箱体中（根据实际工况要求，该设备中的箱体不能再放大，并希望减小尺寸）。
为了提高系统测量精度，不希望灰尘进入内腔，因此期望箱体上的开孔越小越好；同时，为了让钢丝能够平滑、自如地与导丝器配合工作，需要在箱体上开一个狭长的导槽。
图3初始问题工况
TRIZ（萃智）理论认为，技术系统的进步主要是其内在矛盾运动的结果。
因此，辨识并解决技术系统的矛盾问题往往是产品设计和研发工作的出发点。
通过对以上问题的描述，辨识出该系统的一个基本矛盾：
为了保障精度，箱体上的窗口需要尽可能小；为了保障丝线平滑的缠绕，箱体需要开一个较长的导槽。
2.2分析问题
2.2.1绘制系统基本功能树
根据基本工况信息绘制出该系统的主要功能和基本功能树分解，如图4、5所示。
图4技术系统的主要功能
图5技术系统的功能树分解
功能分解是自上向下设计哲学的重要一环，要求设计工作首先要明晰技术系统的主要功能目标和功能分解结构，并以此为基础规划产品的各子系统。
由于实现同一功能，可以采用多种技术方案，这就使技术人员可以脱离既有产品的设计思路限制，在更广阔的空间里进行思考，从而极大地拓展了设计人员的思路，也更容易产生创造性的设计方案。
2.2.2系统功能建模
利用CAI软件提供的系统分析模块，对该产品进行系统建模。
这一过程融汇了功能分解和TRIZ（萃智）理论所倡导的功能分析。
系统分析结果如图6所示。
由图可知，这一模型是以技术系统功能为基础的。
与传统的CAX工具有着很大的差异，如CAD、CAE等软件是以详细设计参数（几何参数、物理参数）为基础的。
这是因为CAI技术着眼于工程设计中的定性分析，它与其他以定量分析为主的CAX产品互为补充，共同实现数字化产品设计。
通过分析发现，在这一系统中不仅仅存在由于灰尘进入内腔影响精度的问题，还存在导丝器行程过长等具体问题。
这一分析，扩展了解决问题的思考方向。
图6技术系统功能模型及功能分析
2.2.3“流”分析
在技术系统功能分析的基础上，根据TRIZ（萃智）理论以及设计方法学，可以为功能分析模型建立“流”结构，以检查模型的完整性、合理性，如图7所示。
图7技术系统的“流”分析
2.2.4价值工程分析
在功能分析的基础上，可对系统中的各个组件进行价值分析。
分析发现箱体导槽和导丝器的理想度指标最低。
这就提示设计者在完善此系统时，首先考虑改善、甚至去除它们。
组件价值分析如图8所示。
图8组件的价值分析
2.2.5问题分解
针对具体解题方向展开深入的分析。
在分析的过程中，主要采用TRIZ（萃智）理论提供的多屏幕分析法，如图9所示。
多屏幕分析法是一种系统化的思维方法。
图9系统思考——多屏幕分析方法
人们有很强的思维惯性，看待问题的角度往往是就事论事。
而TRIZ（萃智）理论提示人们不仅要看到问题的本身，还应该对问题的过去与将来、超系统与子系统进行深入细致地研究，以最大化地利用系统资源，提出创造性的解决方案。
以“灰尘污染了绕线轴，如何解决？
”为例，应用多屏幕思考方式来进行分析，如表2所示。
表2“灰尘污染绕线轴”问题的多屏幕分析
系统
过去
将来
绕线轴的超系统
箱体
能利用箱体除去灰尘吗？
箱体内的空气
能利用箱体中的空气除去灰尘吗？
灰尘污染了绕线轴
1灰尘进入了箱体（能阻止进入吗？
）
2灰尘与油结合成油泥（能没有油吗？
能不与油结合吗？
）
1钢丝卷到绕线轴上（能用钢丝除去灰尘吗？
）
2沾满灰尘的绕线轴影响了测量精度（有什么办法抵消灰尘的影响？
）
绕线轴的子系统
绕线轴轴体
能利用轴体自身除去灰尘吗？
钢丝润油
能利用轴体表面的润油除去灰尘吗？
通过系统分析和多屏幕法等技术地综合运用，对该技术问题的认识已经大大加深。
这实际上是一个“问题重定义”的过程。
通过这样的过程，从多个角度对初始技术问题进行研究，通常能够得到超越思维惯性的的求解方向。
一般而言，通过问题重定义，得到一组新的解题方向，其中一部分解决方向的难度较低，即可通过对这些相对简单问题的解决方案地组合，得到初始问题的创新解决方案。
同时，在上述分析过程中，综合应用了TRIZ（萃智）理论的多种工具对问题进行抽象，依据TRIZ（萃智）理论的解题模式（如图1），可以得到创新原理、标准解等理论解决方向，这些解决方向将指引和启迪设计人员的解决方案构思。
2.3解决方案研探
2.3.1基于功能分析的创新设计
根据软件给出优先考虑“导槽”和“导丝器”的建议，针对这一部分系统进行了深入地研讨。
当前产品的功能结构关系如表3所示。
表3功能结构改进期望表
功能
结构
改进期望
绕丝
绕线轴
储丝
绕线轴
导丝
导丝器
1、期望其能够发挥更多作用
2、或删除，将其功能归并
计数
绕线轴
计算
运算处理器
逐一考虑这些期望：
导丝器还能够承担哪些功能呢？
它是否能绕线？
它是否能储丝？
它是否能计数？
是否能删除导丝器，并将它的功能归于其他组件？
综合这些问题，得到如下方案，如图10所示。
图10设计方案
在这一方案中，对功能进行了重新分配，如表4所示。
表4功能结构改进结果表
功能
结构
改进优势
绕丝
绕线轴
未变
储丝
绕线轴
可多层缠绕，尺寸减小。
为产品小型化提供了条件。
导丝
绕线轴
将原导丝器功能继承，实现了功能的组合。
计数
计数轮（原导丝器演化）
取消了导丝器，也就消除了导丝器行程长，箱体导槽过长的基本问题。
将计数功能从绕线轴独立出来。
由于这是测量精度的核心，有利于加强对该部分功能的控制和性能性能提升。
计算<
运算处理器
未变
2.3.2基于矛盾分析的创新设计
根据初始定义的基本问题确定了一个基本的技术矛盾：
测量精度——控制和测量的复杂性。
通过CAI软件查找这一技术矛盾，如图11所示。
图11技术矛盾定义
系统给出相应的创新原理26、24、32、28。
各创新原理给出了指导方向，启迪设计人员深入思考。
2.3.2.1创新原理24：
借助中介物原理
如图12所示，系统给出该原理的说明如下：
图12借助中介物原理
在原系统中，主要的测量功能是由线轴完成的。
为了提高精度，建议考虑采用中介物完成计量长度的功能。
结合本问题的实际工况，建议增加一个（或一组）专门用做计量长度的滚轮，建议方案如图13所示。
图13用一组摩擦轮计转数、检测长度
2.3.2.2创新原理32：
颜色改变原理
如图14所示，系统给出该原理的说明如下：
图14改变颜色原理
为了更好地理解这一原理的应用，Pro/Innovator软件为每一个创新原理提供了多个示例。
这些示例源于专利的分析和萃取（参见2.3.3创新方案库）。
这一创新原理的示例之一如图15所示。
图15创新原理的示例
在原系统中，钢丝是主要的测量媒介。
在这一创新原理和示例的提示下，可以考虑在钢丝上通过各种工艺手段（如电镀或腐蚀等）形成有颜色的刻度，使钢丝成为一把可直接测长的尺子。
2.3.2.3创新原理28：
机械系统替代原理
如图16所示，系统给出该原理的说明如下：
图16机械系统替代原理
由这一创新原理，考虑用磁场检测钢丝上的磁刻度或表面的凹凸刻度（参见2.3.2.2节所述）。
由以上创新原理得到了多个深入研讨的方向，据此可进行知识库的检索。
2.3.3创新方案库和专利库检索
在CAI软件中装载了一个源自对大量专利进行分析、整理后，萃取而成的实用知识库。
为了高效的应用这些知识，CAI软件应用本体论方法对这些知识进行了有机组织。
本体论的核心在于建立了各种概念本体之间的关系网络。
如水是液体的一种，即液体是水的上位关系；地下水是水的一种，即地下水是水的下位关系；油也是一种液体，即水和油是兄弟关系。
这样，经本体论组织，就在知识之间构建了网络关系，为实现知识的智能捕捉创造了条件。
如当检索“净化水”时，传统的搜索引擎会以关键字的方式检索出结果；而应用CAI技术透过本体论的知识网络，智能地捕捉到了诸如“净化水”、“净化液体”、“净化地下水”、“清洁水”、“清洁碱性水溶液”等既与初始问题紧密相关，又不限于关键字（即拼写顺序）的解决方案，使人们的思路在问题域内得以大大拓展。
在本课题中，通过检索“测量长度”，在知识库中得到了一系列解决方案供设计人员参考。
这些解决方案是由标题、问题描述、方案描述、以及动画等几部分组成的。
这样的表达方式结构化清晰，提示性很强，非常便于在研发过程有效打开设计人员的思路。
方案中对于专利出处也做了详细的标明，这样，一旦设计人员希望了解专利的详细信息，可以通过链接察看专利原文，如图17所示。
图17CAI软件中提供的解决方案样张
在2.3.2诸创新原理的启示下，还对“提高测量精度”、“磁标”等进行了检索。
得到了诸如：
“从物体反射的超声波测量传送带上物体的线性尺寸”，“光栅测定小运动对象的速度”，“基于多普勒效应的系统测量线性距离”，“白光检测物体的速度”，“点焊缝的光学图像提供内点焊缝直径的快速无损检测”等相关方案。
如图18、19、20、21、22所示。
这些方案无疑给方案设计指出具体的方向，并给出了实现方案的基本原理和概括性结构。
图18基于多普勒效应的测量方法
图19磁性传感器检测微小位移
图20通过光调制测量运动特性
图21超声波测量距离
图22分段磁化测量距离
为了提高工效、节约资金，在这些方案的指导下，有针对性地对专利库进行检索。
Pro/Innovator软件可以同时对美国专利库（USPTO在申请和已发布两个库）、欧洲专利库（EPO）、日本专利库（JPO）、中国专利库进行检索。
检索时也采用本体论技术。
在图22所示方案的指引下，对专利库进行检索，通过阅读，得到具体结构和实施工艺的详细信息。
如图23、24、25、26所示。
图23专利检索界面
图24应用磁信号的数显游标卡尺（美国专利07253611）
图25在钢丝上制作磁信号（美国专利06687111）
图26软磁信号发生技术（美国专利3970921和4041610）
在实际工作中，还根据分析中的相关信息对利用箱体收集灰尘、利用静电现象去除灰尘等方案进行了研讨，也形成了一些有益的方案。
如图27所示。
图27在导槽口增加集尘除尘装置
3.建议方案
3.1方案的综合
结合图10、13、19所示的方案，综合得到具体设计方案。
如图28所示。
图28综合设计方案
该方案的改进方向：
1）箱体全封闭,只留一个进线小孔
2）小孔内用一个柔性元件阻挡灰尘进入
3）增加一组计长轮
4）计长轮用电磁脉冲折算长度
3.2总结和展望
利用CAI技术对问题进行研究，首先建立了功能模型，初步确定了几个研探方向。
并应用多屏幕分析法对其中的关键问题进行了深层次的分析，从而确定了清晰的解题方向。
第二步，通过对TRIZ矛盾工具的应用和方案库的智能捕捉，构建了数个设计方案。
本次产品的改进设计采用了增加计长轮组的方案，并采用电磁脉冲计量计长轮的转动。
建议后续可以考虑采用光、声、电、磁等综合手段，进一步提高产品性能。
如图29所示。
图29进一步改进的方案建议
4结论
计算机辅助创新（CAI）技术以其科学的方法体系，直观的方案知识库成为辅助概念设计的利器，为迫切寻求自主创新、掌握关键技术知识产权的我国企业带来了方法与工具地支持。
因此，可以预见，CAI技术的应用前景将非常光明。
同时，也应该看到CAI技术的发展时间较短，还有很多有待完善之处。
这就需要工程技术人员在应用CAI技术分析问题、解决问题的过程中，更加深入的掌握理论方法，灵活运用软件工具，而不要拘泥于形式。
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