基于TRIZ理論的車床轉(zhuǎn)位刀塔改進(jìn)

劉勝勇

重汽（濟(jì)南）車橋有限公司 山東濟(jì)南 250104

1 序言

在某輸入軸柔性制造線的05、10工序上，配有液壓轉(zhuǎn)位刀塔的2臺(tái)數(shù)控臥式車床（以下簡(jiǎn)稱車床）承擔(dān)著8004或0019輸入軸的車削加工（見圖1）。車床運(yùn)行中，斷續(xù)出現(xiàn)輸入軸各臺(tái)階長(zhǎng)度切短1～4mm的現(xiàn)象（見圖2a），有時(shí)候間隔20件會(huì)出現(xiàn)2根廢品，有時(shí)候間隔35件會(huì)出現(xiàn)2根廢品。廢品發(fā)生時(shí)，車刀片崩刃損壞（見圖2b）。輸入軸的廢品數(shù)積累至10件時(shí)，該條生產(chǎn)線停滯待修理。

圖1 輸入軸車削示意

圖2 輸入軸廢品及車刀片崩刃示意

2 問題分析

將液壓轉(zhuǎn)位刀塔車削零件的工程問題轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題，經(jīng)功能分析法得到關(guān)鍵問題后，結(jié)合功能模型圖進(jìn)行功能裁剪，用因果鏈分析法得到主/次要問題，經(jīng)發(fā)明原理解決技術(shù)矛盾沖突，構(gòu)建串/并聯(lián)復(fù)合物場(chǎng)模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)求解，并用HOW TO模型進(jìn)行概念方案探索。

2.1 功能分析法

功能分析是識(shí)別系統(tǒng)和超系統(tǒng)組件的功能，并分析其特點(diǎn)和成本的一種分析工具。

（1）功能組件分析涉及三方面內(nèi)容 組件分析、相互作用分析和功能模型圖繪制。

1）組件分析。確定液壓轉(zhuǎn)位刀塔車削零件為當(dāng)前系統(tǒng)組件，I/O信號(hào)、繼電器、液壓油及電能為子系統(tǒng)組件，加工程序和機(jī)外在線測(cè)量為超系統(tǒng)組件。

2）相互作用分析。找出各組件兩兩之間的相互作用，用“＋”表示存在相互作用，用“－”表示不存在相互作用。

3）功能模型圖繪制。確立各組件之間的具體功能關(guān)系，畫出功能模型圖（見圖3），其中實(shí)線箭頭表示無害、充足作用，波浪線箭頭表示有害作用，虛線箭頭表示不足作用。

圖3 功能模型

（2）通過功能組件分析得到4個(gè)關(guān)鍵問題 轉(zhuǎn)位刀塔對(duì)車刀的夾固不足，液壓裝置對(duì)轉(zhuǎn)位刀塔鎖緊不足，繼電控制線路轉(zhuǎn)換不足，以及PMC及I/O信號(hào)觸發(fā)不足。

（3）功能組件裁剪 依據(jù)功能模型圖，經(jīng)裁剪原則B進(jìn)行組件裁剪，即裁掉可自我執(zhí)行的有用功能。擬裁剪組件為繼電控制線路，裁剪后的功能模型如圖4所示。裁剪后的預(yù)期成效，可提高液壓裝置動(dòng)作信號(hào)的穩(wěn)定性，消除繼電控制線路轉(zhuǎn)換I/O信號(hào)的不足。

圖4 裁剪后的功能模型

（4）用功能組件裁剪法得到概念解決方案 PLC工業(yè)觸點(diǎn)（觸點(diǎn)的工作電壓為DC24V或AC220V、AC110V）直接控制液壓裝置。

2.2 因果鏈分析法

因果鏈分析是全面識(shí)別工程系統(tǒng)缺點(diǎn)的分析工具，它可以挖掘隱藏于初始缺點(diǎn)背后的各種缺點(diǎn)，通過深究缺點(diǎn)的根源得到深層次原因。在這些原因中，有的易解決，有的不易解決，易解決的問題是用戶優(yōu)先著重關(guān)注的。

畫出車床刀塔車廢品的因果分析圖（見圖5），通過因果鏈分析得到關(guān)鍵的待解決問題。3個(gè)主要原因依次是液壓換向閥卡滯、刀塔鎖緊閥信號(hào)錯(cuò)和進(jìn)刀數(shù)據(jù)反饋異常；2個(gè)次要原因則是編程工況為手工、刀塔機(jī)械間隙大。

圖5 車床刀塔車廢品的因果分析圖

2.3 矛盾分析

運(yùn)用技術(shù)矛盾分析方法，對(duì)上述因果鏈分析得到的關(guān)鍵待解決問題進(jìn)行概念方案探究。

（1）技術(shù)矛盾1及解決方案 具體如下。

1）運(yùn)用六字法則“如果……那么……但是……”，定義技術(shù)矛盾1：刀塔鎖緊閥信號(hào)錯(cuò)。隨后，查詢阿奇舒勒矛盾矩陣表，找到適合的發(fā)明原理。技術(shù)矛盾1的求解過程見表1。

表1 技術(shù)矛盾1的求解過程

2）經(jīng)技術(shù)矛盾分析法得到概念解決方案：設(shè)計(jì)并采用安全繼電模塊，經(jīng)行程開關(guān)監(jiān)視刀塔鎖緊到位狀態(tài)，去掉繼電控制環(huán)節(jié)，PLC觸點(diǎn)直接控制液壓換向閥。

（2）技術(shù)矛盾2及解決方案 具體如下。

1）運(yùn)用六字法則定義技術(shù)矛盾2，查詢阿奇舒勒矛盾矩陣表，找到適合的發(fā)明原理。技術(shù)矛盾2的求解過程見表2。

表2 技術(shù)矛盾2的求解過程

2）經(jīng)技術(shù)矛盾分析法得到概念解決方案：CNC系統(tǒng)增加反饋元件進(jìn)行壽命監(jiān)視，增加光柵尺進(jìn)行雙測(cè)量系統(tǒng)比對(duì)誤差，更換材料或工藝延長(zhǎng)反饋元器件壽命。

2.4 物場(chǎng)模型分析法

（1）液壓裝置鎖緊轉(zhuǎn)位刀塔作用不足的求解 具體步驟如下。

1）針對(duì)液壓裝置鎖緊轉(zhuǎn)位刀塔作用不足，建立圖6所示物場(chǎng)模型。

圖6 液壓裝置鎖緊轉(zhuǎn)位刀塔作用不足的物場(chǎng)模型

2）查詢76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解中第4類標(biāo)準(zhǔn)解（檢測(cè)系統(tǒng)）第4個(gè)：假如一個(gè)不完整物場(chǎng)系統(tǒng)不能被檢測(cè)，則增加一個(gè)或兩個(gè)物場(chǎng)系統(tǒng)，且一個(gè)場(chǎng)作為輸出。假如已存在的場(chǎng)是非有效的，在不影響原系統(tǒng)的條件下，改變或加強(qiáng)該場(chǎng)，使其具有容易檢測(cè)的參數(shù)。這時(shí)可以加入第2個(gè)場(chǎng)F2，來增強(qiáng)F的作用。

3）得到概念解決方案：液壓裝置鎖緊轉(zhuǎn)位刀塔，電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)光電開關(guān)監(jiān)視鎖緊到位狀態(tài)，一旦鎖緊不到位，便反饋異常并停止下一步切削。

（2）繼電控制線路轉(zhuǎn)換信號(hào)作用不足的求解 具體步驟如下。

1）針對(duì)繼電控制線路轉(zhuǎn)換信號(hào)作用不足，建立圖7所示物場(chǎng)模型。

圖7 繼電控制線路轉(zhuǎn)換信號(hào)作用不足的物場(chǎng)模型

2）查詢76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解中第2類標(biāo)準(zhǔn)解（改變已有系統(tǒng)）第2個(gè)：一個(gè)可控性很差的系統(tǒng)已存在，部分不能改變時(shí)，可并聯(lián)第2個(gè)場(chǎng)F2，來增強(qiáng)F的作用。

3）得到概念解決方案：附加碟簧二次鎖緊，一旦繼電控制線路控制液壓裝置鎖緊轉(zhuǎn)位刀塔不徹底時(shí)，它可在液壓控制閥的碟簧恢復(fù)力作用下，再次強(qiáng)化鎖緊油路。

2.5 知識(shí)使能

1）知識(shí)使能：轉(zhuǎn)位刀塔松開、鎖緊動(dòng)作時(shí)均得存在位移。

2）經(jīng)功能分析可知，引起轉(zhuǎn)位刀塔車件變短1～4mm的關(guān)鍵問題之一是轉(zhuǎn)位刀塔鎖緊動(dòng)作失常，因未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而進(jìn)一步直接車削零件造成廢品。

3）轉(zhuǎn)化為HOW TO模型，HOW TO識(shí)別轉(zhuǎn)位刀塔鎖緊動(dòng)作異常。查找功能代碼表：F05探測(cè)物體的位移和運(yùn)動(dòng)，找到對(duì)應(yīng)的物理效應(yīng)。TRIZ推薦物理效應(yīng)為E06標(biāo)記物（引入易探測(cè)的標(biāo)識(shí)）。

4）得到概念方案：增加轉(zhuǎn)位刀塔位移到位監(jiān)視環(huán)節(jié)，經(jīng)行程開關(guān)檢測(cè)可知轉(zhuǎn)位刀塔松開、鎖緊的位移是否到位，經(jīng)操作屏幕以報(bào)警EX1015呈現(xiàn)。

3 解決方案匯總與評(píng)價(jià)

通過以上5種TRIZ工具和創(chuàng)新導(dǎo)航IFR得出的概念解決方案，綜合考慮理想度、技術(shù)難度、可靠性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行初步整理篩選評(píng)估，得到可行性較高的方案，總得分越高代表方案越優(yōu)。轉(zhuǎn)位刀塔車削零件的方案決策矩陣見表3。

表3 轉(zhuǎn)位刀塔車削零件的方案決策矩陣

4 應(yīng)用TRIZ理論解決措施

轉(zhuǎn)位刀塔車削零件的最優(yōu)解決方案為車床增加反饋元件，對(duì)轉(zhuǎn)位刀塔在液壓換向閥控制下的“松開→旋轉(zhuǎn)→鎖緊”到位動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視。即CNC系統(tǒng)執(zhí)行程序中T代碼換刀（如T0703）→CNC經(jīng)地址F7.3向PMC傳送T碼選通信號(hào)并經(jīng)F26.7傳送T07→PMC經(jīng)COIN指令判定T碼當(dāng)前值C18與目標(biāo)刀號(hào)D472的一致性→C18≠D472時(shí)COIN的輸出結(jié)果R708.4＝0→PMC經(jīng)地址R707.6、R712.7和R123.0順序傳遞后向車床側(cè)輸出Y3.0＝1→DC24V中間繼電器控制AC110V液壓換向閥動(dòng)作以驅(qū)動(dòng)刀塔松開；伴隨F7.3＝1→PMC經(jīng)ROT指令計(jì)算C18和D472的差值后給定刀塔回轉(zhuǎn)的最短路徑步數(shù)D485以及回轉(zhuǎn)方向R752.6（正向0、反向1）→經(jīng)R710.0和R122.7順序傳遞后輸出Y2.7＝1→DC24V中間繼電器控制AC110V液壓換向閥動(dòng)作以驅(qū)動(dòng)刀塔正/反轉(zhuǎn)→刀塔松開延時(shí)500ms后R739.3＝1→R123.0＝0切斷刀塔松開電磁閥→PMC經(jīng)R710.3和R123.4順序傳遞后輸出Y3.4＝1→C24V中間繼電器控制AC110V液壓換向閥動(dòng)作以驅(qū)動(dòng)刀塔鎖緊；伴隨C18＝D472時(shí)COIN的輸出結(jié)果R708.4＝1→延時(shí)500ms后PMC經(jīng)地址G5.3、G4.3分別向CNC反饋T碼換刀完成信號(hào)以及M/S/T/B碼完成信號(hào)→CNC繼續(xù)T0703的下一程序段。在此換刀循環(huán)中，添入反饋信號(hào)X8.3，用以判定刀塔是否鎖緊到位：一旦不到位X8.3＝0，G5.3≠1使得CNC不能繼續(xù)執(zhí)行加工程序（光標(biāo)停在T0703處），同時(shí)HMI屏顯EX1015 TURRET NOT CLAMP報(bào)警。

為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想方案，務(wù)必選擇觸點(diǎn)常開式PNP型DC24V光電開關(guān)，采用5mm厚不銹鋼板制作開關(guān)支架，鋪設(shè)電纜至車床控制柜內(nèi)，編制PMC梯形圖（見圖8）以添入X8.3和EX1015。待調(diào)試運(yùn)行完畢后，還得將PMC梯形圖固化寫入FROM內(nèi)，避免車床斷電重啟后PMC梯形圖又復(fù)原。

圖8 刀塔監(jiān)視用PMC梯形圖

5 應(yīng)用效果

柔性線內(nèi)2臺(tái)車床轉(zhuǎn)位刀塔新增監(jiān)視策略后，車床運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。車床每年停機(jī)時(shí)間由40臺(tái)·日/年降低為20臺(tái)·日/年，停機(jī)率下降50%，廢品率降低10%。產(chǎn)品異常原因的查找時(shí)間縮短14h（見表4），單次維修節(jié)約（20－6）h×60元/h＝840元。車床可動(dòng)率得到提高，單班產(chǎn)量每日增加8件，每年可多生產(chǎn)4608根輸入軸，效益可增加8件/班×2班/天×288天×161.73元/件×15%＝11.18萬元。此外，推廣至公司80臺(tái)轉(zhuǎn)位刀塔車床，共增加效益894.4萬元。機(jī)床制造商也可借鑒該策略，對(duì)機(jī)械行業(yè)廣大車床用戶大有裨益。

表4 產(chǎn)品異常原因的查找時(shí)間對(duì)比