面向顧客需求的卷膜機創新設計

王志勇，趙 武，王 晨

（四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065）

0 引言

粘膠帶作為日常用品，在生活中隨處可見。然而，不同的使用條件對粘膠帶的性能有著不同的要求。如高溫、高壓、高腐蝕環境中使用時，對粘膠帶基材的性能要求特別高。聚四氟乙烯俗稱“塑料王”，在各方面都有著不錯的性能，是生產這種高性能粘膠帶的不錯選擇。卷膜機是將聚四氟乙烯生料帶薄膜進行放卷，經過特殊的薄膜表面涂膠設備單面涂膠后再收卷的機器。針對不同材質的生料卷，對卷膜機的要求不同。對于半透明的聚四氟乙烯薄膜的生產加工，現有卷膜機并不能很好適用，主要存在如下問題：1）生產過程中的薄膜張力不穩定，膠帶變形；2）卷筒卷徑變化時，薄膜線速度變化，涂膠質量不佳；3）收、放卷氣漲軸多為懸臂梁，其平行度會隨生產時間的加長而降低，進而影響膠帶質量。文獻[1]對卷膜機設計方案進行了研究，但其方案并沒有給出方案的詳細設計。文獻[2]對卷膜機設備中的張力控制進行了研究，但并未考慮到總體方案設計中如何同時保證速度恒定的問題。所以，現在急需設計一臺滿足聚四氟乙烯膠帶生產需求的卷膜機。

1 集成理論概述

文獻[3]顯示，70%的產品質量問題是設計時候所造成的。好的設計不僅可以提高產品的質量,還可以降低產品的成本。而設計方法的選擇是改進質量、降低成本的關鍵。

QFD意為質量功能配置，是將顧客需求轉換為設計要求的有效工具，其核心是質量屋（HOQ）的建立[4]。

TRIZ意為發明問題解決理論，其理論體系主要由TRIZ理論基礎、分析工具和知識庫工具三個部分組成[4]。

KANO模型可以用來表明產品的特征和功能對顧客的重要程度。KANO模式把顧客需求分為基本需求、功能需求和興奮需求三類[5]。其分類對應的顧客滿意度曲線如圖1所示。

圖1 KANO模型

QFD與TRIZ的集成創新設計理論已經有不少學者對其進行研究，其成果也應用到許多實例的創新設計中[6]。但是，在使用該方法之前，用戶需求的獲取、分類和各項需求之間的重要度判斷卻鮮有研究。用戶的各項需求之間的分類和重要性判斷直接影響著產品后續的設計過程和制造成本，并最終決定著用戶對產品的滿意程度。文獻[6]對于KANO模型修正QFD方法對顧客需求重要度進行了理論研究，但并未將其應用于產品設計方法。因此，將KANO模型、QFD和TRIZ理論進行集成，建立起由顧客需求到技術需求再到設計方案的集成產品創新設計流程。

以上三種理論在產品的開發設計過程中起著不同的作用。在獲取用戶需求后，通過KANO模型對需求進行分類、分析，得出其重要度。QFD根據顧客需求及其重要度，以結構化的方式確定需要解決的問題和產品的工程技術參數。然后，借助于TRIZ理論中的工具，實質性的解決QFD所不能解決的問題。其創新設計流程如圖2所示。

圖2 KANOQFDTRIZ創新設計流程

2 基于KANO、QFD、TRIZ集成理論的卷膜機設計

現有的膠帶產品，特別是聚四氟乙烯膠帶產品，其生產過程包括三個階段：1）筒狀原料膜進入涂膠處理設備的放卷階段；2）原料膜在涂膠設備中的表面處理階段；3）涂膠薄膜卷成筒狀的收卷階段。這整個過程需要特制的卷膜機來完成。根據上述創新設計流程，對卷膜機進行創新設計，步驟如下：

1）獲取客戶需求，通過KANO模型對客戶需求進行分析、分類，并確定各項客戶需求的重要度。

2）將各項客戶需求及其重要度導入HoQ中，完善質量屋，得出卷膜機的技術需求及其相互關系。

3）分析技術需求及其相互關系，將技術需求中負相關的技術需求運用TRIZ進行創新設計，化解沖突。

4）綜合分析沖突解決方案和各項技術需求，最終得出滿足顧客需求的設計方案。

2.1 顧客需求分析

針對本次卷膜機的創新設計，采用客戶直接提出需求和查找相關資料的方式得出如下顧客需求：張力恒定可調、速度恒定可調、收卷整齊、涂膠質量好、生產效率高、結構合理、工作可靠等，記為CR1、CR2、CR3、CR4、CR5、CR6、CR7。對于每一項客戶需求通過如表1所示的正反兩個問題進行調查（以涂膠均勻質量好為例）。

表1 問卷調查表

根據顧客對同一需求項兩個相反問題的不同反饋將該項顧客需求進行分類。例如，對涂膠質量好這一項需求，顧客對正向問題的回答為“喜歡”，對反向問題回答為“不喜歡”，則這一需求為功能需求。可能出現的25種不同的結果及其分類如表2示。

表2 顧客需求分類表

需要注意的是，在表2中，基本需求、功能需求和興奮需求是需要的結果。其他三種結果分別為可疑結果、反向結果和不關心，這是不需要的，應排除[7]。將每一項顧客需求作如上分析之后，統計后得出結果如下：

基本需求：CR5、CR6、CR7。

功能需求：CR1、CR2、CR4。

興奮需求：CR3。

采用專家小組打分的方式，得出CR1、CR2、CR3、CR4、CR5、CR6、CR7對應的初始重要度矩陣為IR1=（5,4,4,5,5,4,5）。對于分類為基本需求、功能需求和興奮需求的各項顧客需求，分別賦予2、1、1/2的修正量。得到修正后的重要度矩陣為IR2=（6,5,4.5,6,7,6,7）。

2.2 質量屋的搭建與分析

在參考各方面資料后，得到卷膜機設計所需的技術需求和參數主要包括：速度參數、張力參數、薄膜平整、簡支梁、換卷快捷、自動控制、系統剛度等。結合顧客需求重要度信息，建立如圖3所示的質量屋。

圖3 卷膜機設計質量屋

顧客需求與技術需求相關矩陣中：強相關記3分；一般相關記2分；弱相關記1分；無相關記0分。技術需求相關關系矩陣中：正相關記為+；負相關記為-。對質量屋進行分析，得到以下信息：1）根據技術需求與顧客需求之間關系，技術需求按照其重要度得分重新排序為：自動控制、系統剛度、換卷快捷、速度參數、薄膜平整、張力參數、簡支梁；2）依據技術需求相互關系矩陣，得到兩對負相關特性，一是速度參數與張力參數，二是簡支梁與快速換卷之間的矛盾。

2.3 沖突解決

將第一對負相關特性詳細表述為：在卷膜機現有的驅動條件下，如果保證了薄膜的速度恒定，那么張力就無法控制。同理，如果保證力矩可調，速度則無法保證隨時恒定。即薄膜的速度和張力之間相互存在沖突。在TRIZ理論中，該沖突屬于技術沖突，可以借助矛盾矩陣進行求解。

首先，通過查詢39個工程參數，將問題標準化。這里與薄膜的速度和張力對應的工程參數為：速度（No.14）和力（No.15）[8]。然后，通過查詢矛盾矩陣，找到對應的原理解是No.13（反向作用）、No.28（機械系統的替換）、No.15（動態特性）和No.12（等勢性）。通過對上述發明原理進行深入研究之后發現：NO.13和NO.28發明原理對解決負相關特性幫助最大。

原理的詳細解釋如下：1）No.13：（1）用相反的作用代替問題定義中所規定的動作；（2）讓物體或環境的可動部分不動，不動部分可動；（3）將物體上下顛倒或內外翻轉。2）No.28：（1）用光學系統、聽覺系統、電磁系統、味覺系統或嗅覺系統代替機械系統；（2）使用與物體相互作用的電場、磁場、電磁場；（3）用運動代場代替靜止場，時變場代替恒定場，結構化場代替非結構化場；（4）利用場與鐵磁粒子的聯合使用。

根據發明原理13（反向作用）可啟發得到這樣構思，既然收卷的驅動端無法實現張力調節，可在放卷端加入一個反向制動力，可以通過調節這個制動力的大小，來實時調節薄膜的張力。同時，結合發明原理28（機械系統的替換）中關于引入磁場的概念，通過查詢搜索發現一種磁粉制動的裝置。該裝置能通過調節磁粉的吸附多少來調節制動力的大小。這樣的情況下，當薄膜的張力過大（或過小）時，便可減少（或增加）磁粉的吸附量來調整放卷端制動力的大小，從而保證薄膜的張力穩定。

對第二對負相關特性采用同樣的流程進行分析，得出如下結論：該矛盾屬于物理矛盾，使用空間分離原理所對應的發明原理分析該矛盾發現，NO.15動態法可以解決其矛盾沖突。設置如圖4的收放卷快拆軸承座。創造性地將軸承座改進為可以快速變換為兩種形態的結構。很好地化解了設計中的矛盾，滿足了簡支梁結構和快速換卷的要求。

圖4 快拆軸承座示意圖

2.4 得出總體方案

從技術系統進化理論來看，最終卷膜機會沿著高度自動化，高效率的方向進化。將TRIZ提出的指定矛盾解決方案和現有的卷膜機設計的成熟技術進行綜合，得出該卷膜機的總體方案如圖5所示。

圖5 卷膜機設計方案圖

該卷膜機按照薄膜運行路線主要由放卷系統、展平彎輥、薄膜涂膠處理設備、收卷系統以及糾偏系統組成。其中，放卷系統為控制張力恒定可調的獨立閉環控制系統；收卷系統為控制速度恒定可調的獨立閉環控制系統；糾偏系統為獨立的閉環控制系統。上述各個部分依次固定在強度足夠的標準工業鋁型材機架上。在方案確定后，后期對其進行三維建模，得如圖6所示虛擬樣機圖。

圖6 卷膜機虛擬樣機圖

3 結論

本文將KANO模型、QFD和TRIZ理論進行集成，三種方法在產品方案設計中各自發揮自己的優勢，互相補充和促進，形成一套產品創新設計流程。在充分分析顧客需求的基礎上，針對現有的卷膜機設計存在的一些問題，以QFD為主要框架將顧客需求轉化為技術需求，指明創新設計的方向，并以TRIZ創新方法為工具解決設計中遇到的問題。通過一個快拆軸承座的設計解決了簡支梁和快速換卷之間的矛盾，保證了系統剛度和氣漲軸平行度的同時提高了換卷的效率。通過將速度控制和張力控制系統分別置于放卷端和收卷端的方法解決了同時控制張力恒定與速度恒定的矛盾。綜合其他關鍵設計問題最終得出卷膜機的創新方案設計，并通過電腦三維建模得出虛擬樣機圖。既解決了卷膜機設計遇到的問題，提高了卷膜機的性能和效率，同時也證明了KANO模型、QFD和TRIZ集成理論的可行性。

[1] 樊小西,丁凌,李拓.基于TRIZ理論的卷膜機創新設計[J].輕工標準與質量,2013,(2).

[2] 許德章,梁志揚.卷膜機張力在線控制的實現[J].機械設計與研究,1999,(2).

[3] 石貴龍,佘元冠.基于QFD、TRIZ和田口方法的問題解決理論研究[J].系統工程與電子技術,2008,(5).

[4] 曾富洪.產品創新設計與開發[M].成都：西南交通大學出版社,2009：210-213.

[5] KANO N,SERAKU K,TAKAHASHI F,et al.Attractive quality and must be quality[J].The Journal of the Japanese Society for Quality Control,1984,14(2)：39-48.

[6] 李小明,趙武,王晨,曾杰.基于QFD與TRIZ集成的復卷機創新設計[J].制造業自動化,2013,(18).

[7] 侯智,陳世平.基于Kano模型的用戶需求重要度調整方法研究[J].計算機集成制造系統,2005,(12).

[8] 檀潤華.創新設計——TRIZ發明問題解決理論[M].北京：機械工業出版社,2006.