发明创造方法论TRIZ和机辅创新技术课程中心.doc

目 录第一节 概述 1第二节 TRIZ的构成及产品进化法则 2第三节 物质—场分析 4第四节 发明问题解决算法——ARIZ 6第五节 40条发明创造原理及示例 8第六节 系统矛盾对立的消除——矛盾矩阵 19第七节 计算机辅助创新软件（TechOptimizer） 26第八节 农业与TRIZ（实例） 311发明创造方法论TRIZ和机辅创新技术本章简要介绍发明创造的科学理论和规范方法——TRIZ以及计算机辅助创新软件源于前苏联的TRIZ研究一直作为国家机密，国际上知之甚少20世纪90年代扩散到各发达国家，受到极大重视，迅速形成研究热门领域TRIZ的原理、算法并不局限在某些特定领域，它可以广泛地用来创造性地解决难题基于TRIZ的一些计算机辅助创新软件，也陆续开发出来，形成商品某些著名的公司如Ford、Motorola、GM、GE、IBM、HP等，都已开始使用机辅创新技术解决工程技术问题，显著增强了竞争力设立TRIZ课程的高等院校日益增加第一节 概述一、TRIZ的产生与发展在竞争日益激烈的国际市场环境下，产品设计、生产过程的不断创新是企业取得成功并求得生存的重要手段当人们进行发明创造、解决技术难题时，是否有可遵循的科学方法和法则，从而能迅速地实现新的发展创造或解决技术难题呢？回答是肯定的，那就是默默地发展了近50年，近几年在美国爆发，并正在迅速普及的被称为“超发明术”的TRIZ。

TRIZ的含义是发明问题的解决理论，其拼写是由发明问题解决理论俄语含义的单词置换成英语单词的字头组成的T：Теория(Theory,T=Т)R: Решения(Solving,Р→R)I:изобретательскиχ(Inventive,N→I)Z：Задач（Problems，З→Z）TRIZ的产生可追溯到第二次世界大战刚刚结束的1946年在原苏联，以G.S.Altshuller为首的研究人员开始了有关TRIZ理论和实践的研究其主要目的是研究人类进行发明创造、解决技术问题过程中所遵循的科学原理和法则为此，由原苏联的大学、研究所和企业所组成的数百人的研究组织近50年来查阅并研究了世界各国近250万件发明专利，从中总结出了TRIZ的基本原理在东西方冷战时代，TRIZ的研究一直被作为原苏联的国家机密，西方国家知之甚少苏联解体后，大批TRIZ研究者移居美国等西方国家，TRIZ的研究与实践得以迅速普及和发展二、计算辅助创新技术正像CAD、CAM技术极大地推进了产品的设计和制造技术的发展一样，计算机辅助创新技术可以将多个领域的科学知识有机地综合起来，有助于设计者拓宽思考空间，打破思维定势，引导设计者综合应用各学科的知识，获得突破性的创新知识，为产品创新源源不断地提供富有创造性的设计方案，成为企业提高新产品开发能力和经济效益的重要手段。

计算机辅助创新技术以近年来在欧美国家迅速发展的发明创造方法学研究为基础，是将源于原苏联的发明创造方法学TRIZ和当今高度发达的计算机软件技术结合的产物在美国根据TRIZ理论方法的计算机软件也陆续开发出来，主要有Invention Machine公司的TechOptimizer和Ideation Intemational公司的Innovation Workbench(IWB)等目前在欧美国家计算机辅助创新技术得到越来越广泛的研究和应用，一些著名的公司如Ford、Motorola、GM、GE、IBM、HP等都已开始使用计算机辅助创新技术解决工程技术问题，使之成为国外企业、尖端技术领域解决技术难题实现创新的有效工具第二节 TRIZ的构成及产品进化法则一、TRIZ构成图1 TRIZ理论体系的构成“物质一场分析”是对具体问题下定义并将问题模型化的方法；“发明问题解决算法”根据物质一场分析定义的问题模型导出问题解决的具体方法；“系统对立问题克服的典型技法”则是利用40个发明原理指明解决问题的关键和解决对策的探索方向；“发明问题的标准解决方法”是将发明问题按其物质一场模型进行分类，将各类相似问题的解决方法标准化、体系化；探索具体问题的解决对策时，实现某些机能所需的物理、化学、几何学等具体原理则由“物理、化学、数学效应工程应用知识库”提供。

二、产品进化法则1．理想性提高法则 新产品的不断进化主要表现为性能/价格比的逐步提高，计算机行业的莫尔定律堪称典型美国市场上按1997年不变价格换算，家用电器的进化情况如下：年 份自动洗衣机电视机电冰箱1947年价（美元）1770162014701997年价（美元）380270700注：①电视机，1947年为黑白12寸；1997年为彩色25寸 ②电冰箱：1947为243升；1997年为540升2．子系统进化不均衡法则例如计算机行业发展的软、硬件发展不均衡；计算机CPU和存储器发展不均衡；计算机本体和外设发展不均衡又如铁路运输提速中暴露的机车、车辆、铁道、桥涵、信号、站场各子系统的不均衡不协调3．由低级系统向高级系统发展法则①单功能进化为多功能 如：GPS手表兼有记时和定位导航作用②低效变高效 如：火炮由数分钟打一发（前装药）到1秒钟打数发（自动型）4．适应性提高法则如：轮式车辆→雪地摩托、水上摩托→水陆两栖车辆→气垫船、地效飞行器5．能量传递路径缩短法则如旧式工厂机床的天轴皮带传动→电动机—齿轮箱—主轴传动→变速电动机—主轴直接驱动6．由宏观向微观迁移法则三、新技术的发展阶段和生命期新产品、新技术的发展经历萌芽期、成长期、成熟期和衰退期如图2所示。

而产品的更新换代趋势则如图3所示图2 技术生命期 图3 技术更新第三节 物质—场分析物质—场分析是用符号表达技术系统变换的建模技术，“物质”一词在TRIZ中所表达的意思非常广泛，可以表达从简单的物体到具有各种复杂程度的技术系统场”则用于表示两个物体之间相互作用、控制所必需的能量在TRIZ中场主要指机械场、热场、电磁场以及化学场等技术系统构成要素物体S1、作用体S2、场F三者缺一就会造成系统的不完整而当系统中某一物质所特定的机能没有实现时，系统就会发生问题为了控制这一物质发生的问题，有必要引入另外的物质由此产生这些物质之间的相互作用并伴随能量（场）的生成、变换、吸收等，物质—场模型也从一种形式变换为另一种形式因此各种技术系统及其变换都可用物质和场的相互作用形式记述利用物质—场分析方法分析系统存在的问题，建立系统的物质—场模型并提出问题的解决对策，步骤如下：①指定物体S1；②指定场；③建立物质—场初期模型；④指定作用体S2；⑤生成所希望的物质—场模型；⑥提出解决问题的对策例如金属热轧加工时，变形区域需要润滑剂液体润滑剂通常用特殊的刷子或喷雾装置供给见图4。

但会产生润滑剂供给不均匀、洒落浪费等问题，需要一种高效率且能均匀供给润滑剂的方法，此问题的解决步骤如下：（1）指定物体S1 此问题的主要目的是向变形区域提供润滑剂，所以将润滑剂作为物体S1图4 金属热轧喷雾润滑（2）确定场F 在原系统中，润滑剂是由喷雾器产生的机械场（液压）作用于物体S1，但是这个机械场并不能完全满足要求，需要重新选定一个场F来满足要求3）物质—场的初期模型 通过上述分析，原有系统的物质—场模型见图5由场F指向物体S1的实线箭头为有用的相互作用图5 原系统物质—场模型（4）指定作用体S2 问题的产生是由于没有适当的作用体将润滑剂准确、均匀地提供到变形区域而引起因此，为了解决该问题，有必要引入作用体S2来完成物质—场模型5）生成所希望的物质—场模型 所希望的物质—场模型见图6S2应该能够准确、均匀地提供润滑剂，但对热轧工艺过程不产生影响最理想的S2是准确均匀地提供润滑剂后就在系统中消失而理想的场最好是由系统中已有物体产生该系统中理想的场应该是由回转轧辊产生的机械场和变形区域的热场最终得到的问题解决对策见图图6 生成系统物质—场模型7，用浸满润滑剂的纸将润滑剂均匀地且几乎没有浪费地送入轧辊和压延材之间，变形区域产生的高温将纸燃烧掉。

系统的最终物质—场模型见图8图7 金属热轧纸润滑方式图8 最终物质—场模型第四节 发明问题解决算法——ARIZARIZ是TRIZ的另一个主要分析问题、解决问题的方法其实质是为了解决问题的矛盾对立，对初期问题进行一系列变形及再定义等非计算性的逻辑过程ARIZ的构成见图9图9 发明问题解决算法（ARIZ）的构成ARIZ首先是将系统中存在的问题最小化，原则是尽可能不改变或少改变系统而实现必要机能；其次定义系统的矛盾对立，并将矛盾对立简化为“问题模型”；然后将对立领域明确化，并分析系统中可以使用的资源；进一步定义系统的理想解通常为了实现系统的理想解，系统对立领域的最重要构成要素应是相互对立的物理特性例如，冷的同时发热、导电的同时绝缘、透明的同时不透明等接下来定义系统内的物理矛盾以及消除物理矛盾物理矛盾的消除需要最大限度地利用系统内的资源及物理、化学、数学效应工程应用知识库如果问题得不到解决，则要返回最初的地方，对问题进行再定义下面是用ARIZ解决问题的实例如图10a所示，加工中心刀具的刀体部分的锥度采用7/24为了保证加工精度及刚性，必须让刀体的锥体β与主轴锥孔以及刀体法兰端面α与主轴端面同时接触。

但实际上很难实现两者同时接触或者是刀体法兰端面与图10 用ARIZ解决问题实例主轴端面接触造成刀具径向位置无法确定；或者是刀体的锥体部分与主轴锥孔接触而刀体法兰端面与主轴端面不能接触，造成轴向刚性不足，见图10b，利用ARIZ解决该问题的过程如下：（1）最小问题 对已有系统不做大的改动而实现刀体与主轴的径向和轴向的同时接触，从而提高刚性和精度2）系统对立 不能同时实现刀体与主轴的径向和轴向的同时接触3）问题模型 改变现有系统中的某个构成要素，在保证刀具准确定位的前提下实现刀体法兰端面和主轴端面的接触4）对立领域和资源分析 对立领域为刀具的圆锥体和主轴锥孔的接触面而容易改变的要素是刀体的圆锥部分5）理想解 以主轴轴孔锥面为基准使刀具定位，同时实现刀体法兰端面和主轴端面的接触6）物理矛盾 为了使刀具准确定位，必须实现刀体锥体和主轴锥孔的完全接触而要实现刀体法兰端面和主轴端面的完全接触，刀体锥体和主轴锥孔必须是非完全接触7）物理矛盾的去除 改变刀体圆锥面，使其主轴锥孔不是以整个圆锥面的形式接触，而是以多数点的形式接触8）问题解决对策 用精密加工出来的具有适度刚性的小球构成刀体的圆锥面，从而实现刀体的圆锥面和法兰端面与主轴的锥孔面和端面同时实现接触，见图10c（此例是美国的一项发明专利）。

第五节 40条发明创造原理及示例TRIZ体系的40条发明创造原理是从大量专利文献分析归纳而得，用于解决发明所遇到的矛盾，列入了矛盾消除表（矛盾矩阵）中这40条原理本身较为抽象，尚需进一步具体化成为实际的对策第1条 分割①把一个物体分成几个独立部分例：☉ 以若干台个人计算机代替主计算机 ☉ 用一辆卡车和拖车，代替一辆大型卡车②使物体易于组装例：☉ 组合家俱☉ 管道快卸接头③提高物体的分割程度例：☉ 以百叶软帘代替遮阳板☉ 用焊接。