基于TRIZ的傳動(dòng)片送料裝置研究設(shè)計(jì)

袁 峰，丁澤新，朱 俊

(鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

TRIZ是由前蘇聯(lián)著名發(fā)明家G.S.Altshuller及其帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)深入分析和研究世界各國(guó)近250萬(wàn)件高水平發(fā)明專(zhuān)利的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的發(fā)明問(wèn)題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving)［1］.自創(chuàng)立以來(lái)，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，TRIZ已成為解決發(fā)明問(wèn)題的強(qiáng)有力的方法，在各類(lèi)工程領(lǐng)域中發(fā)揮了重大的作用［2-4］.

鋸鏈?zhǔn)巧植煞ビ弯徤系墓ぷ鞑考?，而傳?dòng)片則是鋸鏈的重要組成零件，如圖1所示.該種型號(hào)的鋸鏈由連接片、右切齒鏈片、安全傳動(dòng)片、左切齒鏈片、普通傳動(dòng)片、鏈軸6種零件組成.鋸鏈的每8個(gè)鏈片(包含6個(gè)連接片，1個(gè)左切齒鏈片和1個(gè)右切齒鏈片)為其最小循環(huán)單元，由8個(gè)鏈軸鉚接而成.

圖1 鋸鏈結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of saw chain

通過(guò)對(duì)鋸鏈結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，擬定以鋸鏈的最小循環(huán)單元為其裝配單元，分4個(gè)工位完成其自動(dòng)裝配過(guò)程，如圖2所示［5］.分析可知，傳動(dòng)片送料裝置是鋸鏈自動(dòng)裝配系統(tǒng)中工位三的重要組成部分.

圖2 四工位裝配順序圖Fig.2 The four-station assembly sequence diagram

鋸鏈自動(dòng)裝配系統(tǒng)屬于小型零件、快節(jié)拍、較高精度的自動(dòng)化裝配線，在傳動(dòng)片送料裝置等的設(shè)計(jì)中存在著多種沖突.TRIZ總結(jié)了人類(lèi)在解決技術(shù)難題、進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造時(shí)所遵循的科學(xué)原理和法則，在創(chuàng)新方面有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可為鋸鏈自動(dòng)裝配系統(tǒng)中傳動(dòng)片送料裝置的設(shè)計(jì)提供方法.

1 傳動(dòng)片送料裝置中的沖突問(wèn)題描述及其標(biāo)準(zhǔn)化

TRIZ認(rèn)為發(fā)明問(wèn)題的核心是解決沖突［6］，并通過(guò)詳細(xì)研究，提出用39個(gè)通用工程技術(shù)特性參數(shù)來(lái)描述沖突.基于TRIZ的發(fā)明問(wèn)題解決過(guò)程模型如圖3所示.

圖3 基于TRIZ的發(fā)明問(wèn)題解決過(guò)程模型Fig.3 The model of Process of Inventive Problem Solving based on TRIZ

依據(jù)TRIZ的發(fā)明問(wèn)題解決過(guò)程模型，為解決發(fā)明問(wèn)題，首先要分析各通用工程技術(shù)特性參數(shù)之間是否存在沖突.在傳動(dòng)片送料裝置的設(shè)計(jì)中存在著以下沖突問(wèn)題:

(1)鋸鏈由6種小型零件組成，在裝配過(guò)程中極易出現(xiàn)卡料、定位精度不足等問(wèn)題，因此，為了保證鋸鏈自動(dòng)裝配系統(tǒng)的正常工作，整個(gè)系統(tǒng)必須具有較高的可靠性;鋸鏈自動(dòng)裝配系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)預(yù)定的設(shè)計(jì)要求，每個(gè)工作循環(huán)的時(shí)間T≤1.5 s，即整個(gè)系統(tǒng)需具有較高的生產(chǎn)率;同時(shí)高的可靠性必然導(dǎo)致裝置復(fù)雜程度加大，運(yùn)動(dòng)物體重量隨之增加.根據(jù)TRIZ對(duì)工程沖突問(wèn)題的劃分可知，傳動(dòng)片送料裝置的“可靠性”與“生產(chǎn)率”之間、“可靠性”與“運(yùn)動(dòng)物體的重量”之間構(gòu)成了兩對(duì)技術(shù)沖突.

(2)鋸鏈自動(dòng)裝配系統(tǒng)應(yīng)具有較高的生產(chǎn)率，這就要求機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有較短的響應(yīng)時(shí)間和較高的運(yùn)動(dòng)速度，但是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度太快，則可能導(dǎo)致機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生較大的沖擊力，隨之帶來(lái)不必要的振動(dòng)和噪聲.根據(jù)TRIZ對(duì)工程沖突問(wèn)題的劃分可知，機(jī)構(gòu)“運(yùn)動(dòng)速度的快與慢”屬于傳動(dòng)片送料裝置設(shè)計(jì)中的物理沖突.

2 傳動(dòng)片送料裝置中技術(shù)沖突的解決

利用TRIZ提供的沖突矩陣和40條發(fā)明原理，可以解決設(shè)計(jì)中存在的技術(shù)沖突問(wèn)題.由沖突矩陣可以得到推薦的創(chuàng)新原理，每條創(chuàng)新原理對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用方向，從而為技術(shù)沖突的解決提供可行的思維方向.

2.1 沖突矩陣的建立

沖突矩陣的行和列分別對(duì)應(yīng)惡化和改善的39個(gè)通用工程參數(shù)，行與列的交點(diǎn)處提供了參數(shù)之間對(duì)應(yīng)沖突的發(fā)明原理解決方案.發(fā)明原理是TRIZ的核心內(nèi)容之一，共40條，用編號(hào)體現(xiàn)在矩陣元素里.

將傳動(dòng)片送料裝置希望改進(jìn)的特性“可靠性”及其可能產(chǎn)生負(fù)面影響的特性“生產(chǎn)率”和“運(yùn)動(dòng)物體的重量”組成TRIZ沖突矩陣表，得到傳動(dòng)片送料裝置的沖突矩陣，如表1所示.在沖突矩陣中，每對(duì)沖突最多對(duì)應(yīng)4條解決原理，以免使用原理過(guò)多反而使問(wèn)題的解決復(fù)雜化.

表1 傳動(dòng)片送料裝置的沖突矩陣Tab.1 The conflict matrix of feeding device of Transmission Piece

該矩陣表達(dá)了TRIZ提示的改進(jìn)原理.通過(guò)查找表1沖突特性交匯處各編號(hào)所對(duì)應(yīng)的原理，結(jié)合問(wèn)題實(shí)際情況，擬采用編號(hào)為1、10、29所對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理，其創(chuàng)新思維方向如表2所示.

表2 沖突解決原理Tab.2 Conflict solution principles

2.2 技術(shù)沖突的解決

根據(jù)沖突矩陣所提供的創(chuàng)新思維方向，設(shè)計(jì)中，根據(jù)分割原理，將傳動(dòng)片送料裝置分成垂直擋板運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、推塊運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、垂直推板運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和滑臺(tái)底座運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)4個(gè)主要組成部分，從而有效地避免了卡料、定位精度不足等問(wèn)題，提高了整個(gè)裝置的可靠性.

根據(jù)預(yù)操作原理，機(jī)構(gòu)的給料裝置采用振動(dòng)式給料器，這種給料器不僅非常適合小型工程零件的進(jìn)給，而且能夠?qū)崿F(xiàn)零件的自動(dòng)定向，以使傳動(dòng)片在到達(dá)送料裝置時(shí)處于易操作的位置(如圖4所示)，從而簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，有效降低了運(yùn)動(dòng)部件的重量.

圖4 預(yù)操作后的傳動(dòng)片姿態(tài)Fig.4 The attitude of Transmission Pieces after preprocessing

根據(jù)氣動(dòng)或液壓結(jié)構(gòu)的原理，傳動(dòng)片送料裝置全部采用氣缸驅(qū)動(dòng)，從而提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，縮短了單個(gè)工作循環(huán)所需的時(shí)間.

3 傳動(dòng)片送料裝置中物理沖突的解決

與技術(shù)沖突相比，物理沖突是一種更尖銳的矛盾［7］，物理沖突的解決是 TRIZ研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一.Altshuller［8］、Glazunov［9］、Savransky［10］等人先后提出了多種解決方法.現(xiàn)代TRIZ在總結(jié)各種研究方法的基礎(chǔ)上，提出了基于分離原理的解決方法，按照空間、時(shí)間、條件、系統(tǒng)級(jí)別等分類(lèi)，可以相應(yīng)歸納為:空間分離、時(shí)間分離、基于條件的分離、整體與部分的分離.

依據(jù)對(duì)解決物理沖突各種原則的分析，機(jī)構(gòu)“運(yùn)動(dòng)速度的快與慢”這一沖突的解決采用解決物理沖突的第二條原理:從時(shí)間上分離相反的特性.因此，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)控制系統(tǒng)，使氣缸的運(yùn)動(dòng)速度呈現(xiàn)“兩頭慢，中間快”的特點(diǎn)，從而滿足系統(tǒng)高生產(chǎn)率和低沖擊力的雙重要求.

4 傳動(dòng)片送料裝置創(chuàng)新解的確定

基于上述技術(shù)沖突和物理沖突的解決，沿著提示的創(chuàng)造性思維方向，結(jié)合自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)際，濾除掉不符合要求的原理方案，最終得到了傳動(dòng)片送料裝置創(chuàng)新方案的特定解，進(jìn)一步具體化，得到了傳動(dòng)片送料裝置的最終結(jié)構(gòu)，如圖5所示.

圖5 傳動(dòng)片送料裝置的創(chuàng)新解Fig.5 The innovative solution of feeding device of Transmission Piece

根據(jù)上述創(chuàng)新方案的這一特定解制成了傳動(dòng)片送料裝置的物理樣機(jī)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明其能有效解決設(shè)計(jì)中遇到的難題，較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的.

5 結(jié)論

TRIZ將創(chuàng)新思想進(jìn)行了科學(xué)的整理與提煉，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)問(wèn)題的解決提供較為成熟的理論體系和方法，幫助設(shè)計(jì)人員確定問(wèn)題的探索方向，從而縮短產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間.筆者運(yùn)用TRIZ得到了鋸鏈自動(dòng)裝配系統(tǒng)中傳動(dòng)片送料裝置的創(chuàng)新解，解決了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一大難題.目前，整個(gè)鋸鏈自動(dòng)裝配系統(tǒng)已進(jìn)入裝配調(diào)試的最后階段，該系統(tǒng)的試制成功必將大大提高鋸鏈的裝配效率和裝配質(zhì)量，有效降低其生產(chǎn)成本，延長(zhǎng)其使用壽命.

［1］ 檀潤(rùn)華.發(fā)明問(wèn)題解決理論［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

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