基于QFD与TRIZ理论的柔性夹具创新设计模型

田川，董欢欢

（陕西机电职业技术学院，陕西 宝鸡 721001）

0 引言

柔性夹具是一种具有结构和功能可调整、可变化的工艺装备，可以适应在一定范围内不同形状和尺寸工件的定位与夹紧需求[1-2]。柔性夹具的出现和发展是伴随着产品市场由“卖方市场”向“买方市场”的过渡，用户需求由“单一化”向“个性化”的转变，制造模式由“刚性生产”向“柔性生产”的变革而发展起来的。当前，柔性夹具的设计主要依靠设计人员的经验知识，通过对现有夹具构件的调整、变异和革新等方式来实现，缺少成体系的设计方法。同时，因为柔性夹具自身所具有的设计知识密集性和结构创新性等特点，柔性夹具的用户需求如何转换成具体的工程设计措施，以及柔性夹具设计过程中工程设计措施的冲突问题如何得到有效解决成为了当前阻碍柔性夹具设计发展的重要障碍之一。质量功能展开（Quality Function Deployment，QFD）是精准分析用户需求、发现产品设计关键问题、提高产品质量满意度的有效方式之一；发明问题解决理论（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ）是解决工程设计问题的程式化、标准化、系统化解决方法之一，将二者结合应用到柔性夹具的设计过程中，可以丰富柔性夹具的设计方法，有效解决柔性夹具的设计问题，提高柔性夹具的设计满意度[3]。

1 QFD与TRIZ理论基础

1.1 QFD理论

QFD理论源自日本，由日本赤尾洋二等质量专家在1966年首次提出[4]。该理论是一种利用矩阵思路并按照程序化方法处理用户需求和工程措施的二维关系分析工具，其核心是建立质量屋（House Of Quality，HOQ）矩阵，通过将用户对产品功能等各方面的需求逐步展开分解为产品具体的设计、技术、工艺、生产等要求，将用户需求充分体现在产品生命周期的各个阶段。该方法现在已被广泛应用于产品开发、经营管理、科学研究等多个领域，有效提高了产品与市场的适切性和生产效率[5]。QFD理论系统解决了设计“干什么”的问题。

1.2 TRIZ理论

TRIZ理论是前苏联科学家阿奇舒勒提出的一种基于知识的面向人的系统化发明问题解决理论[6-7]。TRIZ理论包含的创新问题解决工具有技术系统进化法则、效应库、冲突矩阵、物场分析、ARIZ方法、理想解等。TRIZ理论与传统的创新问题试错法相比具有操作性更强、解决方案更优、解决过程对技术人员的背景知识依赖更小等优势。TRIZ理论系统地解决了设计“怎么干”的问题[8]。

QFD和TRIZ理论在设计过程中，各自处于不同的阶段，将二者结合形成集成化设计方法，可以有效地解决产品设计问题，提高产品设计质量[9-11]。

2 基于QFD与TRIZ理论的柔性夹具创新设计模型

基于QFD与TRIZ理论的柔性夹具创新设计模型如图1所示，具体步骤为：1）通过用户调研确定柔性夹具的用户需求并对需求进行权重分析；2）通过QFD方法将柔性夹具用户需求转换为夹具设计具体技术措施并得到存在冲突的技术参数；3）利用TRIZ冲突解决工具对发现的柔性夹具设计问题进行求解；4）得到柔性夹具的创新设计方案并对方案进行评价。

图1 基于QFD与TRIZ理论的柔性夹具创新设计模型

2.1 柔性夹具用户需求分析及夹具设计工程参数确定

1）柔性夹具用户需求分析。

柔性夹具的用户需求可以分为以消费者为主的外部需求和以柔性夹具生产制造等部门为主的内部需求[12]。通过市场调研和夹具生产相关企业内部分析，可以得到柔性夹具的用户需求，并按需求类型对调研分析结果加以整理，得到了柔性夹具的可用性要求、柔性要求、工艺性要求、经济性要求、人机性要求等，具体如表1所示。

表1 柔性夹具的用户需求

2）柔性夹具工程参数确定。

柔性夹具用户需求确定后，可以通过邀请夹具设计、制造等领域相关专家召开头脑风暴会议来确定柔性夹具的设计工程参数[3]。柔性夹具设计工程参数如表2所示，除了柔性夹具的物理几何设计参数（序号1～序号2），按照参数变化对柔性夹具的影响，可以分为产生有利作用的正向参数（序号3～序号10）和产生有害作用负向参数（序号11～序号18）。

表2 柔性夹具的设计工程参数

2.2 QFD分析得到柔性夹具设计冲突

使用QFD 工具分析得到柔性夹具设计冲突的关键是构建柔性夹具的质量屋（HOQ），柔性夹具质量屋构建的核心是：通过调研分析得到柔性夹具用户需求权重，利用头脑风暴会议等方式确定用户需求与工程设计参数之间的关系，按照质量屋矩阵计算得到用户最期望解决的问题及这些问题所对应的工程参数，并厘清它们之间的关系，使设计人员在柔性夹具概念设计阶段就将用户需求纳入设计范畴，更好地适应市场需要。

运用量表法对用户需求进行赋分[13]，分值区间为0～5分，分值越高则表示该用户需求更具设计价值；通过头脑风暴及专家会议形式确定各设计需求与工程参数之间的关联关系。并用符号表示其关联强弱：实心圆表示强关联，取值为3；空心圆表示中等关联，取值为2；空心三角形表示弱关联，取值1；空格表示无关联关系。在柔性夹具工程设计参数中用X表示负相关，用O表示正相关。得到柔性夹具质量屋模型如图2所示。

图2 柔性夹具质量屋模型

2.3 利用TRIZ冲突解决工具进行柔性夹具创新设计

通过分析柔性夹具质量屋矩阵，从18个工程设计参数中，得到反映用户需求权重排名前10的工程设计参数分别是柔性夹具的重构时间、成本、标准件比例、寿命、制造时间、可靠性、元件数目、装夹时间、模块数目、尺寸等。对关键设计参数进行分析、整理后，得到负相关（即存在矛盾）的柔性夹具设计参数；对照TRIZ技术冲突解决工具提供的39个标准工程参数，对柔性夹具冲突参数进行泛化；利用TRIZ冲突解决矩阵查询冲突通用解决原理，再采用归纳、演绎、推理等方法将通用解决方案转化成柔性夹具设计冲突解决的具体方案，对柔性夹具进行创新设计[14]。具体柔性夹具冲突设计参数的泛化及解决原理如表3所示。具体原理解释可参考文献[9]。

3 工程应用

得到发明问题解决原理后，结合TRIZ知识库给定的应用案例和工程实例对原理进行分析，结合柔性夹具专业知识，创新性地得到解决柔性夹具设计关键问题的概念解。美国学者Matlack等[15]申请了一项发明专利——柔性可重构夹具系统，该柔性夹具系统中包含对工件进行定位的保持组件和对工件进行夹紧的可充气气囊，保持组件由可被重新解锁配置的柔性链条组成。该柔性夹具方案中利用了动态化原理，将传统的刚性组件变成了可动和可调柔性链条；利用气压结构，引入适应性更大的可充气气囊，从而实现了对不同工件的定位和夹紧，不仅提高了夹具的柔性，也简化了夹具整体结构，降低了生产成本。

4 结语

柔性夹具作为一种适应性强、响应迅速的工装设备被广泛应用于加工制造系统，其设计的好坏直接影响产品质量和生产成本。以柔性夹具为研究对象，提出了柔性夹具在概念设计阶段所存在的需求掌握不明确、问题发现不精准、解决工具少等问题；针对问题的有效解决，提出了基于QFD和TRIZ理论的柔性夹具创新设计模型；得到了柔性夹具在可用性、柔性、工艺性、经济性、人机性等5方面的设计需求；提出了柔性夹具18个方面的设计工程参数；建立了柔性夹具的质量屋模型；得到了柔性夹具在装置复杂性、适应性及成本等方面的设计问题及这些问题的解决方案，在一定程度上促进了QFD理论、TRIZ理论与柔性夹具的发展。