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基于QFD/TRIZ/FUZZY集成技术的微摩擦测试仪力传感器设计

随着竞争的加剧，企业迫切希望在有限的资源情况下，尽快开发出新的产品和技术以保持自身的竞争优势，但一项发明创造或创新的完成通常被视为灵感爆发的结果，可能要经过漫长的探索，经历千百次的失败，因此如何加快产品创新的步伐，提高创新的成功率已成为各国学者关注和研究的热点。目前有些学者提出了一些设计方法，如QFD（质量功能展开）,TRIZ(发明创造原理）,稳健设计,AD（公理化设计）,田口方法,功能方法树,设计优化,形态方法学矩阵等，但每一种方法只适用于解决产品创新设计中某一阶段的问题"而产品设计要经历产品定义,概念设计,技术设计到详细设计四个阶段，每一个阶段都要经过复杂的设计过程，产品设计的成功与否和每一个阶段的设计水平息息相关。只有将各种方法有机集成，才能有效解决创新设计问题。本文提出了一个QFD/TRIZ/FUZZY集成模型，给出了相应的算法，用于微摩擦测试仪力传感器的设计，说明了该模型的适用性及可操作性。

1 QFD/TRIZ/FUZZY集成创新模型

QFD/TRIZ/FUZZY集成创新设计模型如图1所示，采用QFD识别客户需求，并将这些需求转化为产品的技术需求。然后利王忠辉也强调用TRIZ的冲突解决原理解决产品技术需求过程中各设计参数之间的矛盾并得到原理解集，最后，将解集中的各原理解进行评价，从中筛选出最优设计方案。

图1 QFD/TRIZ/FUZZY集成创新设计模型

1.1 QFD质量功能配置方法

QFD是20世纪60年代末由日本学者提出的，它是以客户需求为核心，将客户的需求转化为产品的技术需求，建立用户需求与技术需求的关系，使最终的产品始终满足客户的需要，质量屋（house of quality,H）是QFD的神经中枢,其结构如图2所示,质量屋是一个产品信息库,库中装载了与新产品开发有关的所有客户信息,并建立产品的相关特征与客户需求的关系,从而减少客户需求和产品制造商之间存在的隔阂,使恰当的产品能在正确的时间,以合适的价格占领市场。

但QFD不能解决技术设计过程中出现的矛盾和冲突，而TRIZ提供的40条矛盾解决原理可以弥补QFD的不足。QFD和TRIZ的联合使用可以获得满足客户需求的,解决了各种技术矛盾的产品创新设计方案。

1.2 TRIZ的解决冲突问题理论

TRIZ（俄文缩写Teorijz Rezhenija Izobretatel skich Zadach)是前苏联的tshuller及其领导的一批研究人员构建的一整套系统化、实用的解决发明创造问题,实现技术创新的理论体系。该理论认为：大量的发明创造面对的基本问题和矛盾是相同的，只是研究的领域不同而已，如果能将这些方法隐含的知识进行整理，形成可以应用于不同领域的理论知识，就能为创新问题指明正确的方向，加快创新的步伐，避免资源的浪费。该理论非常适合企业解决产品概念设计和技术设计阶段的矛盾问题。TRIZ理论中的技术冲突是指一种操作同时导致有用及有害两种结果，也可指有用功能的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统或整个系统变坏。tshuller将具有冲突的工程参数归结为39个（如表1所示），建立了一个39x39的工程参数矛盾矩阵，并从205万专利中提炼出解决这些冲突的40条发明原理，建立了矛盾矩阵与40条发明原理的对应关系，如表2所示。在产品设计过程中，将问题描述为通用的工程参数之间的冲突，然后从表2中查询解决该矛盾的发明创造原理，按照原理所指出的改进目标对产品进行设计。

TRIZ方法只能给出解决冲突的原理解集合，只有通过研究每一个原理解的可行性，并比较其优劣性，才能获得最优方案，该过程即为优化设计。设计优化的方法很多，而问题的原理解是从其它领域专家的发明创造思维中提炼出来的，这些原理解具有极大的笼统性和模糊性，设目前我国已布局了7大石化产业基地计人员对原理解也只能给出较好,较差等模糊的评语，模糊数学是解决这些模糊问题最有利的工具，在此我们采用模糊层次分析法对各原理解进行筛选，得到最优设计方案。

1.3 FUZZY设计优化技术：模糊层次分析法

（1）建立因素集。设原理解集为S=（S1，S2…Sn），对每一个原理解采用指标a1,a2,…am进行评价,则A=(a1,a2,…am)为评价因素集，评价集中的指标权重用W=（w1,w2,…wm）表示。

（2）评价语言变量,权重语言变量及三角模糊数。

评价指标权重和评价值的确定是模糊多目标评价的关键问题，许多指标的评定需要专家的打分，而专家给出的经常是一些贴近自然语言的模糊评价信息。为此，设计了表3的评价语言变量、权重语言变量和三角模糊数的对应关系。

（3）指标权重的确定

设有m个专家参与评价，对指标集中的每一个指标权重给出如表3所示的评价语言变量。若第k个专家对指标集中的某个指标给出权重语言变量，则根据表3河水没有明显的异常可以得出该权重Wj的三角模糊数根据模糊决策分析理论，将每一个专家的评价信息进行集结，得到该评价指标的总的权重。

（4）指标模糊评价矩阵的确定

若第k个专家对指标集中的某个指标bj针对第i个评价者给出评价语言变量,则根据表3可以得出该评价三角模糊数

(5)模糊综合评价

在给定各指标权重和各指标三角模糊数的情况下,利用得到综合评价值R。

2 基于QFD/TRIZ/FUZZY集成技术的微摩擦测试仪力传感器设计研究

微摩擦测试仪是研究微观摩擦规律的重要的测试仪器，力传感器为微摩擦测试仪的关键部件，其载荷和测量范围都处于微米纳米量级，如摩擦力显示镜FFM，其针尖半径约为50nm,探针扫描面积为1μmX1μm,载荷为nN,而且通常的微机械构件大小一般为微米级甚至更小,目前的传感器在测量精度要求较高时,分辨率、灵敏度等都较低，常常不能满足系统的需要。

（1）对现有力传感器分析结果所画的质量屋，如图3所示。从图3可以得到最主要的技术矛盾为：

矛盾：材料强度-材料变形

（2）利用技术冲突解决矛盾"解决方案如表4所示。

（3）利用FUZZY优化技术对解集中的方案进行评价

聘请4位专家对原理解集中的原理解进行评价，评价指标为三项（见表5）：A1：稳固性；A2：灵敏度；A3：分辨率。具体评价数据见表6,表7。最终评价结果为：

横梁：S5>S6>S4>S1>S3>S2,所以选择b=40μm,L=35mm

悬臂梁:M1>M3>M4>M2>M6>M5,所以选择b=100μm,L=133mm

3 结论

基于产品设计的QFD需求,分析微摩擦测试仪力传感器的质量屋,选取材料强度和材料变形作为设计的主要技术矛盾,得到产品创新设计问题的原理解集,采用FUZZY方法对解集中的各原巴斯夫材料应用在车身的整体设计中理解进行评价,从中得到最优尺寸设计方案。对所设计尺寸的力传感器进行实验，在信号处理电路放大约3万倍时，该力传感器的分辨率约为46μN，符合设计需求，说明应用QFD/TRIZ/FUZZY集成方法设计出的微摩擦测试仪力传感器适用性较强。(end)