隨著競爭的加劇，企業(yè)迫切希望在有限的資源情況下，盡快開發(fā)出新的產品和技術以保持自身的競爭優(yōu)勢，但一項發(fā)明創(chuàng)造或創(chuàng)新的完成通常被視為靈感爆發(fā)的結果，可能要經過漫長的探索，經歷千百次的失敗，因此如何加快產品創(chuàng)新的步伐，提高創(chuàng)新的成功率已成為各國學者關注和研究的熱點。目前有些學者提出了一些設計方法，如QFD（質量功能展開）,TRIZ(發(fā)明創(chuàng)造原理）,穩(wěn)健設計,AD（公理化設計）,田口方法,功能方法樹,設計優(yōu)化,形態(tài)方法學矩陣等，但每一種方法只適用于解決產品創(chuàng)新設計中某一階段的問題"而產品設計要經歷產品定義,概念設計,技術設計到詳細設計四個階段，每一個階段都要經過復雜的設計過程，產品設計的成功與否和每一個階段的設計水平息息相關。只有將各種方法有機集成，才能有效解決創(chuàng)新設計問題。本文提出了一個QFD/TRIZ/FUZZY集成模型，給出了相應的算法，用于微摩擦測試儀力傳感器的設計，說明了該模型的適用性及可操作性。
1 QFD/TRIZ/FUZZY集成創(chuàng)新模型
QFD/TRIZ/FUZZY集成創(chuàng)新設計模型如圖1所示，采用QFD識別客戶需求，并將這些需求轉化為產品的技術需求。然后利用TRIZ的沖突解決原理解決產品技術需求過程中各設計參數之間的矛盾并得到原理解集，最后，將解集中的各原理解進行評價，從中篩選出最優(yōu)設計方案。
圖1 QFD/TRIZ/FUZZY集成創(chuàng)新設計模型
1.1 QFD質量功能配置方法
QFD是20世紀60年代末由日本學者提出的，它是以客戶需求為核心，將客戶的需求轉化為產品的技術需求，建立用戶需求與技術需求的關系，使最終的產品始終滿足客戶的需要，質量屋（house of quality,HQQ）是QFD的神經中樞,其結構如圖2所示,質量屋是一個產品信息庫,庫中裝載了與新產品開發(fā)有關的所有客戶信息,并建立產品的相關特征與客戶需求的關系,從而減少客戶需求和產品制造商之間存在的隔閡,使恰當的產品能在正確的時間,以合適的價格占領市場。
但QFD不能解決技術設計過程中出現的矛盾和沖突，而TRIZ提供的40條矛盾解決原理可以彌補QFD的不足。QFD和TRIZ的聯合使用可以獲得滿足客戶需求的,解決了各種技術矛盾的產品創(chuàng)新設計方案。
1.2 TRIZ的解決沖突問題理論
TRIZ（俄文縮寫Teorijz Rezhenija Izobretatel skich Zadach)是前蘇聯的G.S.Altshuller及其領導的一批研究人員構建的一整套系統化、實用的解決發(fā)明創(chuàng)造問題,實現技術創(chuàng)新的理論體系。該理論認為：大量的發(fā)明創(chuàng)造面對的基本問題和矛盾是相同的，只是研究的領域不同而已，如果能將這些方法隱含的知識進行整理，形成可以應用于不同領域的理論知識，就能為創(chuàng)新問題指明正確的方向，加快創(chuàng)新的步伐，避免資源的浪費。該理論非常適合企業(yè)解決產品概念設計和技術設計階段的矛盾問題。TRIZ理論中的技術沖突是指一種操作同時導致有用及有害兩種結果，也可指有用功能的引入或有害效應的消除導致一個或幾個子系統或整個系統變壞。G.S.Altshuller將具有沖突的工程參數歸結為39個（如表1所示），建立了一個39x39的工程參數矛盾矩陣，并從205萬專利中提煉出解決這些沖突的40條發(fā)明原理，建立了矛盾矩陣與40條發(fā)明原理的對應關系，如表2所示。在產品設計過程中，將問題描述為通用的工程參數之間的沖突，然后從表2中查詢解決該矛盾的發(fā)明創(chuàng)造原理，按照原理所指出的改進目標對產品進行設計。
TRIZ方法只能給出解決沖突的原理解集合，只有通過研究每一個原理解的可行性，并比較其優(yōu)劣性，才能獲得最優(yōu)方案，該過程即為優(yōu)化設計。設計優(yōu)化的方法很多，而問題的原理解是從其它領域專家的發(fā)明創(chuàng)造思維中提煉出來的，這些原理解具有極大的籠統性和模糊性，設計人員對原理解也只能給出較好,較差等模糊的評語，模糊數學是解決這些模糊問題最有利的工具，在此我們采用模糊層次分析法對各原理解進行篩選，得到最優(yōu)設計方案。
1.3 FUZZY設計優(yōu)化技術：模糊層次分析法
（1）建立因素集。設原理解集為S=（S1，S2…Sn），對每一個原理解采用指標a1,a2,…am進行評價,則A=(a1,a2,…am)為評價因素集，評價集中的指標權重用W=（w1,w2,…wm）表示。
（2）評價語言變量,權重語言變量及三角模糊數。
評價指標權重和評價值的確定是模糊多目標評價的關鍵問題，許多指標的評定需要專家的打分，而專家給出的經常是一些貼近自然語言的模糊評價信息。為此，設計了表3的評價語言變量、權重語言變量和三角模糊數的對應關系。
（3）指標權重的確定
設有m個專家參與評價，對指標集中的每一個指標權重給出如表3所示的評價語言變量。若第k個專家對指標集中的某個指標給出權重語言變量，則根據表3可以得出該權重Wj的三角模糊數
根據模糊決策分析理論，將每一個專家的評價信息進行集結，得到該評價指標的總的權重。
（4）指標模糊評價矩陣的確定
若第k個專家對指標集中的某個指標bj針對第i個評價者給出評價語言變量,則根據表3可以得出該評價三角模糊數
(5)模糊綜合評價
在給定各指標權重和各指標三角模糊數的情況下,利用得到綜合評價值R。
2 基于QFD/TRIZ/FUZZY集成技術的微摩擦測試儀力傳感器設計研究
微摩擦測試儀是研究微觀摩擦規(guī)律的重要的測試儀器，力傳感器為微摩擦測試儀的關鍵部件，其載荷和測量范圍都處于微米納米量級，如摩擦力顯示鏡FFM，其針尖半徑約為50nm,探針掃描面積為1μmX1μm,載荷為10-150nN,而且通常的微機械構件大小一般為微米級甚至更小,目前的傳感器在測量精度要求較高時,分辨率、靈敏度等都較低，常常不能滿足系統的需要。
（1）對現有力傳感器分析結果所畫的質量屋，如圖3所示。從圖3可以得到最主要的技術矛盾為：
矛盾：材料強度-材料變形
（2）利用技術沖突解決矛盾"解決方案如表4所示。
（3）利用FUZZY優(yōu)化技術對解集中的方案進行評價
聘請4位專家對原理解集中的原理解進行評價，評價指標為三項（見表5）：A1：穩(wěn)固性；A2：靈敏度；A3：分辨率。具體評價數據見表6,表7。最終評價結果為：
橫梁：S5>S6>S4>S1>S3>S2,所以選擇b=40μm,L=35mm
懸臂梁:M1>M3>M4>M2>M6>M5,所以選擇b=100μm,L=133mm
3 結論
基于產品設計的QFD需求,分析微摩擦測試儀力傳感器的質量屋,選取材料強度和材料變形作為設計的主要技術矛盾,得到產品創(chuàng)新設計問題的原理解集,采用FUZZY方法對解集中的各原理解進行評價,從中得到最優(yōu)尺寸設計方案。對所設計尺寸的力傳感器進行實驗，在信號處理電路放大約3萬倍時，該力傳感器的分辨率約為46μN，符合設計需求，說明應用QFD/TRIZ/FUZZY集成方法設計出的微摩擦測試儀力傳感器適用性較強。
