基于TRIZ的機床可重構(gòu)設(shè)計研究*

趙延玲，馬蘇常

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機械工程學(xué)院 高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222)

基于TRIZ的機床可重構(gòu)設(shè)計研究*

趙延玲，馬蘇常

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機械工程學(xué)院 高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222)

針對當前快速多變的市場需求與機床結(jié)構(gòu)配置之間的沖突，提出應(yīng)用TRIZ沖突矩陣和技術(shù)進化理論對機床進行創(chuàng)新設(shè)計的方法。首先定義沖突，將沖突轉(zhuǎn)換成通用工程參數(shù)，應(yīng)用沖突矩陣解決沖突，分析得出沖突解決方案，即機床實現(xiàn)可重構(gòu)。其次基于TRIZ技術(shù)進化理論對機床實現(xiàn)可重構(gòu)的原理進行求解，提出了在機床模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)上通過模塊結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新實現(xiàn)機床的創(chuàng)新設(shè)計的思路，研究結(jié)果對機床創(chuàng)新設(shè)計方案的提出具有一定的指導(dǎo)意義。

機床可重構(gòu)；沖突矩陣；創(chuàng)新設(shè)計

0 引言

經(jīng)濟全球化以來，產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，人們的需求也日益多樣化和個性化，各制造企業(yè)需要快速地提供具有高性價比的產(chǎn)品來響應(yīng)市場的需求，從而提高自身的競爭力。由于機床是機械工業(yè)的主要生產(chǎn)設(shè)備，因此，快速開發(fā)出滿足市場需求的機床產(chǎn)品是解決問題的核心。目前一些學(xué)者主要從提高切削速度、提高生產(chǎn)效率、加大工藝范圍等方面對機床進行了研究，并取得了重大的成果，給制造企業(yè)帶來了很大的經(jīng)濟效益[1]。但是，要進一步提高機床的性能，必須從機床的功能-原理-結(jié)構(gòu)入手對機床的結(jié)構(gòu)配置進行創(chuàng)新設(shè)計。

目前對機床結(jié)構(gòu)配置的創(chuàng)新設(shè)計主要依靠前設(shè)計者的經(jīng)驗，而機床設(shè)計過程中會出現(xiàn)沖突(如成本、柔性、系統(tǒng)復(fù)雜性等沖突)，僅依靠設(shè)計經(jīng)驗及現(xiàn)有機械設(shè)計理論難以解決沖突，以及創(chuàng)新設(shè)計周期長。TRIZ發(fā)明問題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving)提供了沖突解決原理和技術(shù)進化理論等工具，能有效解決設(shè)計過程中遇到的設(shè)計沖突和方案局限并難以獲取等問題[2-4]。近年來有學(xué)者開始將TRIZ理論應(yīng)用于機床部件的設(shè)計當中[5]，但是沒有將TRIZ理論應(yīng)用于機床結(jié)構(gòu)配置設(shè)計當中。因此，本文針對市場需求與機床結(jié)構(gòu)配置之間的沖突，將TRIZ沖突解決原理和技術(shù)進化理論相結(jié)合應(yīng)用于機床結(jié)構(gòu)配置可重構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計中，分析了機床實現(xiàn)可重構(gòu)設(shè)計的必要性，并提出在機床模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)上通過模塊結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新實現(xiàn)機床的創(chuàng)新設(shè)計的思路。

1 TRIZ理論概述

TRIZ理論是前蘇聯(lián)發(fā)明家G.S.Althsuler和其領(lǐng)導(dǎo)的團隊在分析世界近250萬份高水平的發(fā)明專利的基礎(chǔ)上總結(jié)出的綜合理論體系，它被認為是目前最全面系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新理論，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑、微電子、化學(xué)、生物學(xué)、社會學(xué)、醫(yī)療等領(lǐng)域中，運用該理論可以大大縮短各項技術(shù)的發(fā)明創(chuàng)造周期[6-7]。TRIZ理論包括技術(shù)進化理論，沖突矩陣，76個標準解、發(fā)明問題解決算法(ARIZ)等工具，其中，沖突矩陣和技術(shù)進化理論是核心[8]。

TRIZ理論的沖突矩陣是由39個通用工程參數(shù)、40個發(fā)明原理和它們之間的對應(yīng)關(guān)系組成。由于產(chǎn)品設(shè)計過程中總是會出現(xiàn)技術(shù)沖突，即提高系統(tǒng)某一技術(shù)特性將導(dǎo)致另一特性惡化，沖突矩陣是解決技術(shù)沖突的有效工具。

TRIZ技術(shù)進化理論則提供了一系列的進化模式和進化路線，其中進化模式是系統(tǒng)進化的宏觀方向，進化路線則能夠定性地指出技術(shù)系統(tǒng)沿著某一方向的具體進化過程。應(yīng)用技術(shù)進化理論不僅能預(yù)測技術(shù)的發(fā)展，而且還能展現(xiàn)預(yù)測結(jié)果實現(xiàn)的產(chǎn)品可能的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計具有指導(dǎo)作用[9]。

2 機床可重構(gòu)設(shè)計流程

TRIZ理論認為產(chǎn)品的進化過程是不斷發(fā)現(xiàn)沖突并解決沖突的過程，而阿奇舒勒沖突矩陣可以有效地解決產(chǎn)品設(shè)計過程中遇到的沖突。利用沖突矩陣解決技術(shù)沖突時，首先需要用該問題所處的技術(shù)領(lǐng)域中的特定術(shù)語定義沖突，然后將沖突轉(zhuǎn)換成TRIZ的通用工程參數(shù)，最后利用沖突矩陣查找發(fā)明原理，解決沖突[6]。

基于TRIZ的機床可重構(gòu)設(shè)計的具體步驟如下：

(1)定義沖突：分析市場需求，將其轉(zhuǎn)化為機床的設(shè)計需求，通過設(shè)計需求與現(xiàn)有機床產(chǎn)品的對比，找出二者之間的沖突。用機床設(shè)計的行業(yè)術(shù)語定義沖突，并將其轉(zhuǎn)化為通用工程參數(shù)之間的沖突，即確定要改善的參數(shù)，以及由此參數(shù)的改善將導(dǎo)致惡化的參數(shù)。

(2)解決沖突：沖突矩陣的行表示需改善的參數(shù)，列表示將惡化的參數(shù)，兩項標準參數(shù)所在行列的交叉點為解決矛盾的發(fā)明原理。因此可以在定義沖突的基礎(chǔ)上，利用沖突矩陣查找發(fā)明原理，可以得到一系列解決沖突的發(fā)明原理。而沖突矩陣中的用來解決沖突的發(fā)明原理是適用于多領(lǐng)域的一系列通解，所以需要分析選擇機床設(shè)計領(lǐng)域適用的通解，并將其轉(zhuǎn)化為機床設(shè)計中的特定解決方案。

(3)原理預(yù)測：解決沖突的方案即是機床設(shè)計要實現(xiàn)的功能，功能需要由具體的物理結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，而原理是功能到物理結(jié)構(gòu)的橋梁，也就是說產(chǎn)品功能是通過原理映射到物理結(jié)構(gòu)的。因此，需要在解決沖突的基礎(chǔ)上進行原理求解。機床作為一個技術(shù)系統(tǒng)，它的發(fā)展也是遵循一定的規(guī)律的，因此可以應(yīng)用TRIZ技術(shù)進化理論對實現(xiàn)解決方案的原理進行預(yù)測，實現(xiàn)了原理的創(chuàng)新。

(4)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)：結(jié)構(gòu)是產(chǎn)品的最終表現(xiàn)形式，產(chǎn)品的功能、原理是通過具體的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。因此，需要在原理機床原理創(chuàng)新的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。在TRIZ技術(shù)進化理論中選擇機床結(jié)構(gòu)的進化路線，對其結(jié)構(gòu)進行預(yù)測，進行結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新并實現(xiàn)原理的結(jié)構(gòu)化，產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)計方案。

圖1為基于TRIZ技術(shù)進化理論的機床可重構(gòu)設(shè)計流程圖。

圖1 基于TRIZ的機床可重構(gòu)設(shè)計流程圖

3 基于TRIZ的機床方案設(shè)計

3.1 市場需求與機床現(xiàn)狀分析

經(jīng)濟全球化以來，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，客戶需求多樣化，且要求低價格，高質(zhì)量，交貨期短。產(chǎn)品更新?lián)Q代快和客戶需求的多樣化要求機床有足夠的柔性，即具有高適應(yīng)性和多用性；價格低和交貨期短要求機床效率高；效率高、成本低則要求機床實現(xiàn)定制化，功能冗余少，系統(tǒng)簡單。

而當前機床的實際現(xiàn)狀為當機床的效率高且功能冗余少時，機床柔性將會降低；當機床柔性提高時，功能冗余增多，機床的結(jié)構(gòu)將變得復(fù)雜，購買機床的成本也將提高。

因此基于TRIZ沖突矩陣，對市場需求與機床現(xiàn)狀間存在的矛盾進行定義，得出兩對技術(shù)沖突：適應(yīng)性和多用性與系統(tǒng)復(fù)雜性的沖突；生產(chǎn)率與適應(yīng)性和多用性的沖突。

3.2 基于沖突矩陣解決技術(shù)沖突

查阿奇舒勒沖突矩陣，得到一系列解決沖突的發(fā)明原理。通過對適合機床設(shè)計領(lǐng)域的通解的分析，將其轉(zhuǎn)化為機床設(shè)計中的特定解決方案，如表1所示。

表1 機床技術(shù)沖突矩陣

查閱沖突矩陣中40個發(fā)明原理得出，表1中分割原理即為將物體分成獨立的部分，使物體可拆卸。動態(tài)化原理則為將物體分割成彼此相互配合又可相對移動的若干部分，可以通過自動調(diào)節(jié)，使其在每個動作階段的性能達到最佳。

綜合分析得出機床設(shè)計中的沖突解決方案：將機床分割成幾個相互配合并可相對移動的幾個部分，每次提供給客戶確定的、滿足當前需要的功能，當客戶需求變化時，可通過拆卸模塊，快速改變機床的結(jié)構(gòu)來滿足客戶新的功能需求，即機床結(jié)構(gòu)要可進行重構(gòu)。

3.3 基于TRIZ技術(shù)進化理論的機床原理求解

機床功能需要具體的物理結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，而原理是功能和物理結(jié)構(gòu)之間的橋梁。因此，機床要實現(xiàn)重構(gòu)首先需要對重構(gòu)的原理進行求解。

TRIZ技術(shù)進化理論中物質(zhì)分割的進化路線為：

機床沿此路線已進化為模塊化機床，即將機床系統(tǒng)分為多個模塊，每一個模塊完成一個特定的子功能，模塊按照某種方法裝起來完成系統(tǒng)所要求的功能，且可通過增減模塊改變機床的功能。處在該路線的最后一個階段，因此機床沿此路線的進化潛能不大。

TRIZ技術(shù)進化理論中動態(tài)化模式下提高可移動性的進化路線為：

機床沿此路線進化過程為：專用機床→組合機床→數(shù)控機床。專用機床是為某一種零件(或一組相似零件)的特定工序定制設(shè)計的，生產(chǎn)效率高，但是當需求變化時，無法進行調(diào)整以適應(yīng)新的需求，視為不可動系統(tǒng)；組合機床使用了大量的通用零部件，是通過更換少數(shù)專用部件來滿足加工對象的變化，為部分可動系統(tǒng)；數(shù)控機床功能多，且大多采用模塊化結(jié)構(gòu)，當需求時可以通過模塊的增刪來改變其功能，為高度可動系統(tǒng)，但只能通過模塊的增刪改變其配置，柔性仍然不足。因此，沿此路線機床應(yīng)向系統(tǒng)整體可動的方向進化，即不僅可以通過模塊的增減(重新組合)來實現(xiàn)機床配置的變換，而且可以通過模塊的位置的改變(重新排列)來實現(xiàn)機床的重構(gòu)，滿足新的加工需求，也就是說機床沿此路線要能夠通過模塊的重新組合排列實現(xiàn)配置的重構(gòu)。

TRIZ技術(shù)進化理論中動態(tài)化模式下的提高柔性的進化路線為：

機床沿此路線的進化過程為：專用機床→組合機床→模塊化機床。目前的模塊化機床由模塊組成，每一個模塊是一個固定的子系統(tǒng)，可以通過模塊的增減改變機床的結(jié)構(gòu)配置，處于改路線的第二個階段。因此，沿此路線機床應(yīng)向著模塊自身的動態(tài)多變的方向進化，即不改變機床模塊間的位置，只通過提高模塊自身柔性來實現(xiàn)機床的重構(gòu)。

綜上所述，可以得出機床實現(xiàn)重構(gòu)的原理有以下兩種：①通過模塊的重新組合排列實現(xiàn)機床的重構(gòu)；②通過模塊自身結(jié)構(gòu)的柔性來實現(xiàn)機床的重構(gòu)。

3.4 基于TRIZ技術(shù)進化理論的機床結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

根據(jù)上述的機床重構(gòu)設(shè)計原理，給出如下兩個基于TRIZ技術(shù)進化理論的機床結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計案例。

3.4.1 模塊間重新排列組合的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)

機床模塊間是通過接口連接的，模塊位置的重新排列則需要接口實現(xiàn)系列化、標準化，即機床的主體、立柱、主軸頭、換刀裝置、工作臺、夾緊單元等都應(yīng)設(shè)計成具有標準接口的標準模塊，以提高模塊的通用性和互換性。模塊之間的接口主要分為有相對運動的接口和無相對運動的接口兩大類。

圖2所示為通過有相對運動的接口的標準化實現(xiàn)的模塊重新組合排列得到的幾種配置。配置1通過在工作臺下設(shè)置滑塊結(jié)構(gòu)，工作臺可以沿著X軸移動，主軸可以沿Z軸移動；配置2是通過模塊的重新組合，在配置1的立柱下增設(shè)滑塊并改變工作臺滑塊導(dǎo)向得到的，該配置可實現(xiàn)主軸沿X軸和Z軸移動，工作臺沿Y軸移動；配置3是在配置2的基礎(chǔ)上，經(jīng)過模塊的重新排列，將立柱下的滑塊放置在工作臺下，可實現(xiàn)工作臺X軸和Y軸的移動，主軸沿Z軸移動。

(a)配置1 (b)配置2 (c)配置3圖2 有相對運動的接口的標準化

圖3為無相對運動的接口的標準化得到的幾種結(jié)構(gòu)配置。底座上有沿圓周分布的定位槽和定位孔，水平支撐單元包括支撐體部分和圓柱形立腿部分，立式支撐單元具有一個垂直的腿部，截面為矩形，立式支撐單元和水平支撐單元的腿部與底板的定位槽和定位孔通過接口的標準化可以進行配合。因此，可通過將它們的腿部插入底座的不同定位槽或定位孔中而實現(xiàn)機床的重構(gòu)。

(a)底座 (b)水平支撐單元 (c)立式支撐單元 (d)結(jié)構(gòu)配置圖3 無相對運動的接口的標準化

3.4.2 模塊自身柔性的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)

TRIZ研究者總結(jié)出的提高柔性的進化路線為：剛性體→單鉸鏈→多鉸鏈→柔性體→氣體→場。目前主軸模塊結(jié)構(gòu)為剛性體，處于該路線的第一個階段。因此，沿此路線有很大的進化潛能，可向單鉸鏈、多鉸鏈進化。如圖4所示，圖4a的初始配置鉸鏈水平放置，可以完成外圓柱面的車削、在外圓柱面上鉆孔等操作；只需調(diào)整鉸鏈的結(jié)構(gòu)，就可以對機床進行重構(gòu)，得到圖4b所示的配置，為典型的立式結(jié)構(gòu)，可進行鉆削、銑削等加工。

(a)初始配置 (b) 重構(gòu)后的配置圖4 主軸結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計圖

4 結(jié)論

本文針對當前快速多變的市場需求與機床結(jié)構(gòu)配置之間的沖突，提出應(yīng)用TRIZ沖突矩陣和技術(shù)進化理論進行機床的創(chuàng)新設(shè)計的方法。提出了基于TRIZ的機床可重構(gòu)設(shè)計的具體步驟并給出了流程圖。描述了市場需求與現(xiàn)有機床之間的沖突，并將沖突轉(zhuǎn)化為TRIZ通用工程參數(shù)，應(yīng)用沖突矩陣加以解決，提出動態(tài)化和物質(zhì)分割是實現(xiàn)機床可重構(gòu)設(shè)計的發(fā)展方向?；赥RIZ技術(shù)進化理論，沿著動態(tài)化和物質(zhì)分割的路線對機床進行了預(yù)測，提出機床實現(xiàn)重構(gòu)的兩個原理：在模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過模塊間的重新排列實現(xiàn)機床的重構(gòu)；通過模塊自身結(jié)構(gòu)的柔性來實現(xiàn)機床的重構(gòu)。應(yīng)用技術(shù)進化理論對模塊結(jié)構(gòu)進行了預(yù)測，提出實現(xiàn)兩種原理的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方案。

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(編輯 李秀敏)

Research on Reconfigurable Design of Machine Tools Based on TRIZ

ZHAO Yan-ling，MA Su-chang

(Key Lab of High Speed Cutting and Precision Machining,School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China)

For solving the contradiction between fast-changing market demand and the structure configuration of machine tools, conflict matrix and technical evolution theory of TRIZ (theory of inventive problem solving) are used to the innovative design of machine tools. Firstly, the conflict was defined and transferred into general engineering parameters. Resolving it with the conflict matrix and obtained the solution to the conflict that the machine tools need to be reconfigurable. Secondly, achieving the principle of reconfigurable machine tools based on technical evolution theory. Finally, put forward the design idea that innovate the structure of modular machine tools on the basis of the modular design. The results of the study have certain guiding significance.

reconfigurable machine tools; conflict matrix; innovative design

1001-2265(2014)07-0012-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.004

2013-11-15；

2013-12-16

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)科研基金預(yù)研課題(KJY11-12)

趙延玲(1988—)，女，陜西榆林人，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為創(chuàng)新設(shè)計，(E-mail)angeling518@126.com。

TH122；TG65

A