基于TRIZ理論的辦公、會(huì)議自動(dòng)升降兩用桌設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

史志成，沈建成，董維通，梁從斌，何巖明

(蘭州工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

辦公環(huán)境設(shè)計(jì)是室內(nèi)的重要組成部分，以滿(mǎn)足人們便捷、舒適的審美需求。辦公空間是人們聚集較頻繁的公共環(huán)境，表達(dá)意見(jiàn)、項(xiàng)目討論、事件決策、信息交流等方面起到重要的作用，而如何節(jié)約時(shí)間、減少占地面積，同時(shí)通過(guò)智能化切換主空間與子空間的裝置，且構(gòu)造出一個(gè)多人共享的工作空間[1]，一直是人們分析研究的主要方向。目前為了節(jié)省空間，有折疊椅及折疊床、折疊沙發(fā)等折疊機(jī)構(gòu)不斷更新產(chǎn)生[2]，其中創(chuàng)意折疊桌使用時(shí)折疊支立在地面，不用時(shí)展開(kāi)為一個(gè)矩形平板[3]，適用于1～2人辦公，若桌面過(guò)大需要多人共同折疊，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力；寢室儲(chǔ)物折疊桌適用于安裝在床的支柱上，針對(duì)單人儲(chǔ)物、學(xué)習(xí)[4]，但不適用于多人集體討論模式。另外，馬賽等人運(yùn)用發(fā)明問(wèn)題解決理論（TRIZ）對(duì)打結(jié)器應(yīng)用矛盾分析法得到問(wèn)題的最終解決方案[5]；曹衛(wèi)彬等人利用TRIZ理論的沖突矩陣對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)并研制了紅花絲盲采裝置，實(shí)現(xiàn)紅花絲采摘的最佳效果[6]。

因此，本文針對(duì)以上問(wèn)題，根據(jù)起重機(jī)械和升降機(jī)構(gòu)等工作原理[7]，采用TRIZ理論對(duì)升降過(guò)程中速度—力的參數(shù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了適用于不同室內(nèi)場(chǎng)地的兩種類(lèi)型辦公、會(huì)議自動(dòng)升降兩用桌。

1 辦公、會(huì)議自動(dòng)升降兩用桌理論分析

1.1 系統(tǒng)的基本參數(shù)

假設(shè)變量為頂升機(jī)垂直方向上的外力F，范圍1～735N，其中 75kg×9.8N/kg=735N。設(shè)計(jì)要求在時(shí)間t=60s完成垂直距離y為0.42m升降工作，經(jīng)過(guò)計(jì)算得知速度為0.007m/s時(shí)可滿(mǎn)足。那么，線性運(yùn)動(dòng)時(shí)的功率可表示為

式中：功率P=0.4kW。由以上可知在正常情況下，F(xiàn)=5.8kg≈57N。

加速度可寫(xiě)為

可知加速度為1.11×10-4m/s2。

由圖1(a)可知，在頂升機(jī)上升的過(guò)程中，隨著垂直方向上外力的增加，速度值按一定的規(guī)律下降，最終趨近于0，其對(duì)應(yīng)(b)圖的加速度值也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

若F=200N時(shí)，由式（1）可知速度為 0.002m/s，同時(shí)可知升起或下降單行程需要的時(shí)間為3.5min。因此為了節(jié)約辦公時(shí)間，速度的范圍為0.4～0.002m/s，合理的承重范圍為0～200N，選型的頂升機(jī)在兩用桌自動(dòng)升降設(shè)計(jì)中可以達(dá)到良好的效果。

圖1 頂升機(jī)隨外界力的參數(shù)變化曲線圖

1.2 基于TRIZ理論的理想解

1.2.1 定義矛盾

由圖1可以看出，外界力的變化范圍較大，且當(dāng)外界載荷最大時(shí)，運(yùn)行速度幾乎趨近于0；外界載荷最小時(shí)，運(yùn)行速度達(dá)到最大值。因此在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下，計(jì)算出合理地標(biāo)準(zhǔn)值，很有必要。基于TRIZ理論，將這一原始問(wèn)題表述為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)：第1個(gè)參數(shù)為“升降時(shí)運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量”，第2個(gè)參數(shù)是“運(yùn)動(dòng)物體的速度”，假定要改善的參數(shù)是“升降時(shí)運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量”，惡化的參數(shù)是“運(yùn)動(dòng)物體的速度”，并且根據(jù)TRIZ理論39個(gè)通用工程參數(shù)，將“升降時(shí)運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量”和“運(yùn)動(dòng)物體的速度”分別用“運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量”和“運(yùn)動(dòng)物體速度”來(lái)表示[8]，建立技術(shù)矛盾矩陣，見(jiàn)表1。

表1 辦公、會(huì)議自動(dòng)升降兩用桌的矛盾矩陣

1.2.2 確定問(wèn)題的解決原理

從TRIZ理論的矛盾矩陣表提煉出與本文技術(shù)矛盾相關(guān)的矛盾矩陣[9]，見(jiàn)表1，并找到相對(duì)應(yīng)的解決原理8,15,24和34。運(yùn)用原理8的重量補(bǔ)償原則，將桌面電腦放置區(qū)的實(shí)心改為空心多面體，可以充分減少頂升機(jī)的外載荷對(duì)于運(yùn)行速度的影響；原理15為動(dòng)態(tài)特性的變化，即將整體桌面分割為辦公模式、會(huì)議模式及兩者之間相互轉(zhuǎn)換時(shí)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，把桌子分成了垂直于地面方向彼此相對(duì)移動(dòng)的兩部分；原理5為組合原則，八工位桌子由兩個(gè)易分開(kāi)的四工位桌子拼裝起來(lái)，可以適應(yīng)不同空間的擺放；原理40為復(fù)合材料，桌面環(huán)保級(jí)別E1的高密度板，桌邊采用鋁制材料，提升美觀性。

2 辦公、會(huì)議自動(dòng)升降兩用桌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如圖2所示

圖2 工位尺寸俯視圖

表2 辦公、會(huì)議自動(dòng)升降兩用桌尺寸

針對(duì)不同占地面積的設(shè)計(jì)要求，對(duì)個(gè)人辦公的空間形狀作出了設(shè)計(jì)，即如圖2的方案(a)和(b)，見(jiàn)表2。方案(a)加入了六邊形的設(shè)計(jì)元素，中間空心六邊形完成主要的升降、儲(chǔ)物功能；方案(b)主要以八工位為設(shè)計(jì)理念，左右兩邊的圓弧過(guò)渡區(qū)，可以增加會(huì)議模式時(shí)工作位置。

為了進(jìn)一步確定頂升機(jī)在承受外載荷時(shí)的承載能力，因此對(duì)頂升機(jī)的關(guān)鍵零件—旋牙作了受力分析，銅芯旋牙的質(zhì)量為0.6006kg，體積為76803mm3，密度為 7820kg/m3，彈性模量為 2.06×1011Pa，劃分網(wǎng)格后節(jié)點(diǎn)數(shù)為5224個(gè)，單元數(shù)為1136個(gè)，表面積為39066mm2，最小邊界長(zhǎng)度為62.8320mm，加載力為57N，加載位置如圖3(a)所示。

由圖3(b)、(c)和(d)可知，在加載了1.1節(jié)計(jì)算的力后，頂升機(jī)的旋牙零件等效彈性應(yīng)變、等效應(yīng)力都較小，其總的變形量為0.5853×10-3mm，表明頂升機(jī)在完成上升或下降的單行程過(guò)程中，可運(yùn)動(dòng)的框架結(jié)構(gòu)不會(huì)在水平方向上存在較大的偏移而出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。

圖3 頂升機(jī)的旋牙

3 試驗(yàn)

3.1 選材

升降區(qū)域運(yùn)用變壓技術(shù)遙控器控制，其控制面板為國(guó)標(biāo)86型，通過(guò)點(diǎn)控開(kāi)關(guān)控制升降，也可以通過(guò)手機(jī)APP控制，見(jiàn)表3。環(huán)保級(jí)別E1高密度板的密度為 900kg/m3，彈性模量為4×103N/mm2。選用此材料的主要原因是：

1)密度板易進(jìn)行涂飾加工，各種涂料、油漆類(lèi)均可均勻的涂在密度板上；

2)各種木皮、印刷紙、PVC、膠紙薄膜、三聚氰胺浸漬紙和輕金屬薄板等材料均可在密度板表面上進(jìn)行飾面；

3)物理性能好，材質(zhì)均勻，吸水厚度膨脹率≤12%；

4)游離甲醛含量不超過(guò)70mg/100g；

5)板件靜曲強(qiáng)度≥17.2MPa；

6)握螺釘力:垂直板面≥1150N，平行板面≥660N；

7)板件靜曲強(qiáng)度≥17.2MPa；

8)板件厚度偏差一般控制在±0.3mm。

表3 所用材料

3.2 辦公、會(huì)議空間轉(zhuǎn)換過(guò)程

如圖4中（a）(b)所示，其辦公區(qū)域除了放置閱讀、書(shū)寫(xiě)的資料外，還設(shè)計(jì)了放置電腦等其他設(shè)備空間（如圖5中的4和9）的兩種方案，辦公、會(huì)議自動(dòng)升降兩用桌的主要功能是實(shí)現(xiàn)桌子的辦公狀態(tài)與會(huì)議狀態(tài)之間的靈活轉(zhuǎn)。在每一個(gè)分割開(kāi)擺放電腦的辦公區(qū)域，若需要集體討論時(shí)，無(wú)需為了搬動(dòng)電腦等其他設(shè)備再預(yù)留空間，而是將擺放設(shè)備的區(qū)域，整體垂直降下到另一個(gè)空間，其下降過(guò)程由頂升機(jī)完成。圖5（b）中的11可以在個(gè)人辦公時(shí)降至垂直狀態(tài)，集體會(huì)議模式時(shí)可以升起至如圖4（b）中的水平狀態(tài)，可以拓展會(huì)議空間。

圖4 會(huì)議討論模式

圖5 放置設(shè)備空間的方案設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

本文運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新方法對(duì)辦公、會(huì)議自動(dòng)升降兩用桌的外載荷與升降速度，進(jìn)行理性決策，克服了基于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行決策的主觀性，真正實(shí)現(xiàn)先定義矛盾問(wèn)題后決策的求解模式；最后，計(jì)算出合理的參數(shù)值對(duì)辦公、會(huì)議桌進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了方法的可行性和正確性。因此，靈活轉(zhuǎn)換辦公、會(huì)議升降桌的空間，可以實(shí)現(xiàn)高效—智能化工作環(huán)境。