基于創(chuàng)新理論的霍爾傳感器裝配裝置設(shè)計(jì)

黃兆飛 邱仕安 陳勇 關(guān)文勇

摘要：霍爾傳感器裝配是制作高斯計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文運(yùn)用創(chuàng)新理論中的相關(guān)知識(shí)主要是創(chuàng)新策略，成功的設(shè)計(jì)了一能夠進(jìn)行霍爾傳感器裝配的裝置，解決了原來裝配裝置設(shè)計(jì)中機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，同時(shí)也驗(yàn)證了創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論的可行性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：霍爾傳感器；裝配；創(chuàng)新理論；創(chuàng)新策略

引言

高斯計(jì)是磁場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)的重要工具。目前國內(nèi)只有少數(shù)的儀器廠家生產(chǎn)該類型產(chǎn)品。高斯計(jì)制作中，霍爾元件在銅管中的安裝極為關(guān)鍵，決定著傳感器的最終精度要求。在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，根據(jù)高斯計(jì)的功能原理及相關(guān)要求，進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，但是由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，很難設(shè)計(jì)下去。本文借助創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論中的一些方法和工具另辟途徑，最后圓滿的完成了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

1.創(chuàng)新設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

1.1創(chuàng)新設(shè)計(jì)概念

創(chuàng)新設(shè)計(jì)是指充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力，利用人類已有的相關(guān)科學(xué)技術(shù)成果、理論、方法等，構(gòu)思創(chuàng)新產(chǎn)品概念，并進(jìn)一步應(yīng)用新技術(shù)、新原理和新方法進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和分析，開發(fā)具有新穎性和實(shí)用性產(chǎn)品的實(shí)踐活動(dòng)[1]。產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的一系列創(chuàng)造性的過程，是關(guān)于“產(chǎn)品設(shè)計(jì)如何能滿足目標(biāo)市場(chǎng)開發(fā)的功效性要求”的創(chuàng)新。

1.2.創(chuàng)新設(shè)計(jì)的策略

創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程就是設(shè)定一個(gè)特定的目標(biāo)，然后找到達(dá)到該目標(biāo)的合適的路徑。根據(jù)設(shè)計(jì)問題類型的不同，將創(chuàng)新設(shè)計(jì)問題分為四類：面向問題的創(chuàng)新、面向目的的創(chuàng)新、面向產(chǎn)品的創(chuàng)新和面向載體的創(chuàng)新，并根據(jù)不同的類型，采用TRIZ、FBS平臺(tái)、創(chuàng)造性模板和非邏輯思維等不同的方法實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，所有以上四種類型，不論采用什么創(chuàng)新策略，最終的創(chuàng)新概念產(chǎn)生，都需借助非邏輯思維、科學(xué)效應(yīng)庫和多層次網(wǎng)絡(luò)信息搜索。圖1表示了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的分類（問題確定、定義和表征）以及達(dá)到該目標(biāo)（問題解決）所需采用的策略。

圖1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)的分類及求解策略

1.2.1面向問題的創(chuàng)新

面向問題的創(chuàng)新的目標(biāo)是提高現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)的性能，解決現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)中影響主要功能的問題，朝著理想化的目標(biāo)前進(jìn)。這類設(shè)計(jì)問題往往針對(duì)的是某種具體的技術(shù)問題，采用的策略是解決最小化問題，解決系統(tǒng)中的沖突，對(duì)系統(tǒng)僅作漸進(jìn)式改進(jìn)。TRIZ方法是實(shí)施策略比較好的方法。

1.2.2 面向目的的創(chuàng)新

面向目的的創(chuàng)新的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)全新產(chǎn)品或系統(tǒng)，待設(shè)計(jì)的產(chǎn)品或系統(tǒng)在市場(chǎng)上可能并不存在，或者雖然存在，但是現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)的主要功能改進(jìn)已達(dá)到極限。解決此類問題時(shí)，利用功能–行為–結(jié)構(gòu)映射法結(jié)合科學(xué)效應(yīng)、類比等方法，可以有效輔助設(shè)計(jì)人員對(duì)知識(shí)進(jìn)行快速搜索，迅速產(chǎn)生多種解決方案，并從這些方案中選出針對(duì)該問題的最優(yōu)解。

1.2.3 面向產(chǎn)品的創(chuàng)新

面向產(chǎn)品的創(chuàng)新的目標(biāo)是現(xiàn)有產(chǎn)品的主要功能不作改變，著重在產(chǎn)品的次要功能的開發(fā)和改進(jìn)。采用的策略是著眼產(chǎn)品本身和功能跟隨形式的方法。創(chuàng)造性模板方法是實(shí)施此策略比較好的方法。

1.2.4 面向載體的創(chuàng)新

產(chǎn)品的主要功能和實(shí)現(xiàn)功能的原理是確定的，通過改變產(chǎn)品的外觀形式，創(chuàng)造新的產(chǎn)品，主要用于滿足用戶文化和精神上的需求。采用的策略是非邏輯思維法，通過聯(lián)想法、隨機(jī)對(duì)象激勵(lì)法產(chǎn)生新穎的設(shè)計(jì)概念。

2. 霍爾傳感器裝配裝置設(shè)計(jì)

本文主要是基于以上理論方法設(shè)計(jì)一個(gè)霍爾傳感器裝配裝置。在高斯計(jì)的制作中，霍爾元件的裝配的原理圖如下圖2所示。根據(jù)功能要求，在制作磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試探頭時(shí)，要將霍爾元件裝入到銅管中并確?；魻栐母袘?yīng)方向和銅管的幾何軸線相重合。

圖2 霍爾傳感器在銅管內(nèi)的安裝示意圖

為解決上述問題，通過搜集資料和調(diào)查研究，經(jīng)過課題人員討論形成的初步設(shè)計(jì)思路如下圖3所示：

圖3 霍爾元件安裝調(diào)整裝置

上述方案是通過改變橫桿的位置來實(shí)現(xiàn)霍爾元件方位的調(diào)整。在上圖中，可以看到銅管所在橫桿的兩端分別向上向下運(yùn)動(dòng)調(diào)整霍爾元件上下邊緣的高度從而實(shí)現(xiàn)對(duì)銅管以及霍爾元件上下方位的位置確定。該裝置調(diào)整時(shí)，由于橫桿的長(zhǎng)度是固定的，當(dāng)橫桿的兩端上下調(diào)整時(shí)，左右立桿既存在著上下運(yùn)動(dòng)，又存在著向中心的水平運(yùn)動(dòng)。若再加上霍爾元件在水平方位的調(diào)整，整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。

下面運(yùn)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論來進(jìn)行該裝置的設(shè)計(jì)。由于沒有找到相關(guān)的設(shè)計(jì)資料進(jìn)行借鑒，對(duì)我們而言該設(shè)計(jì)是一個(gè)全新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在選擇創(chuàng)新理論中的求解策略時(shí)，選擇面向目的的產(chǎn)品創(chuàng)新。在面向目的的創(chuàng)新中，要思考設(shè)計(jì)最終的目的是什么，是否有其它方法和技術(shù)可以更好地達(dá)到此目的，采用的策略是解決最大化問題和對(duì)系統(tǒng)的工作原理改變，解決此類問題時(shí)，利用功能–行為–結(jié)構(gòu)映射法結(jié)合科學(xué)效應(yīng)、類比等方法，以有效輔助對(duì)知識(shí)進(jìn)行快速搜索，產(chǎn)生多種解決方案，并從這些方案中選出針對(duì)該問題的最優(yōu)解。

重新回顧要求，我們將要設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的主要功能描述為：調(diào)節(jié)傳感器感應(yīng)的方向（總功能目標(biāo)）。初步方案的提出時(shí)對(duì)問題的定義為如何通過調(diào)節(jié)傳感器上下、左右的位置而實(shí)現(xiàn)傳感器位置的調(diào)整。由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)遇到了困難，下面嘗試運(yùn)用創(chuàng)新方案生成問題的定義方法重新對(duì)問題進(jìn)行定義。通過對(duì)傳感器端面調(diào)整的方式進(jìn)行深入分析；調(diào)整傳感器端面的上下、左右邊線實(shí)際上是傳感器在沿著中心作兩個(gè)方向的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)球形，這樣可以把問題定義描述為如何實(shí)現(xiàn)傳感器在兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。有了這個(gè)定義后，思路就打開了。下面運(yùn)用面向目的的創(chuàng)新策略中FBS映射法求解新的結(jié)構(gòu)方案。

（1）產(chǎn)品的F–B映射：

調(diào)節(jié)傳感器的方向（功能）–沿著中心上下、左右方向的旋轉(zhuǎn)。

也就是說我們可以通過對(duì)傳感器沿著中心進(jìn)行上下方向的旋轉(zhuǎn)和左右方向的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)位置的調(diào)整。

（2）產(chǎn)品B–S映射。

在問題的定義描述時(shí)，已經(jīng)分析到，該運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是一個(gè)沿著中心的球形運(yùn)動(dòng)，通過聯(lián)想類比，首先想到球。把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向球形結(jié)構(gòu)上進(jìn)行映射。取球的兩條相互垂直的最大圓線，讓其中一條圓線繞球心作上下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另外一條作左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。兩條圓線間內(nèi)外套裝，活動(dòng)連接，因而可以有相互位置變化。外圈圓線通過活動(dòng)連接定位到工作臺(tái)上。重新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)模型如下圖4所示。和初始設(shè)計(jì)方案相比，上述設(shè)計(jì)很好的解決了原機(jī)械結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜的問題，在功能上完全能夠滿足需要。

圖4 球形旋轉(zhuǎn)裝置

上述方案雖然實(shí)現(xiàn)了要求的各項(xiàng)功能，相對(duì)于初始方案結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單，但是其結(jié)構(gòu)形式不很美觀，占用空間較大。我們把這類問題歸結(jié)為第四類創(chuàng)新策略要解決的問題，選用面向載體的創(chuàng)新策略中的非邏輯思維法。運(yùn)用非邏輯思維法中的聯(lián)想法，借助知識(shí)庫，檢索和聯(lián)想能實(shí)現(xiàn)類似運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)醫(yī)院的CT機(jī)、地球儀，360度旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇（火車用）等是個(gè)很好的借鑒。由于上述設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，考慮到工作臺(tái)的易用性設(shè)計(jì)了如下圖5結(jié)構(gòu)。

圖5 霍爾元件安裝調(diào)整裝置

3.小結(jié)

在上述設(shè)計(jì)中，運(yùn)用創(chuàng)新理論中策略及方法工具，迅速的解決了霍爾傳感器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)初步設(shè)計(jì)中機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜的問題，使用創(chuàng)新策略面向目的的創(chuàng)新中對(duì)問題的重新定義法和FBS映射法完成了機(jī)械結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)。運(yùn)用面向載體的創(chuàng)新工具–聯(lián)想法最終完成了機(jī)械結(jié)構(gòu)、外形設(shè)計(jì)方案。因此，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有效的運(yùn)用創(chuàng)新工具可以輔助我們快速地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

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