基于TRIZ的可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計研究*

任工昌，田　川，王　晨，王宏衛(wèi)

(陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021)

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基于TRIZ的可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計研究*

任工昌，田川，王晨，王宏衛(wèi)

(陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021)

摘要：可重構(gòu)夾具作為可重構(gòu)制造系統(tǒng)重要的組成部分之一，對于保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高系統(tǒng)重構(gòu)性、縮短系統(tǒng)斜升時間等具有重要的意義。針對可重構(gòu)夾具設(shè)計中的問題，提出運用TRIZ沖突解決原理進行可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計。由可重構(gòu)夾具概念出發(fā)，歸納了可重構(gòu)夾具設(shè)計要求和設(shè)計參數(shù)。通過構(gòu)建可重構(gòu)夾具設(shè)計工程參數(shù)與TRIZ沖突矩陣39個標準工程參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，建立了可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計過程模型，為設(shè)計者提供了一種新的設(shè)計思路。最后，實例證明了該設(shè)計模型的可行性。

關(guān)鍵詞：可重構(gòu)夾具；TRIZ；沖突解決原理；創(chuàng)新設(shè)計模型；關(guān)聯(lián)表

0引言

可重構(gòu)制造系統(tǒng)(Reconfigurable Manufacturing System，簡稱RMS)是為了適應(yīng)當今快速多變和難以預測的市場環(huán)境而產(chǎn)生的一種新型制造系統(tǒng)[1]?？芍貥?gòu)夾具作為RMS重要的組成部分之一，其結(jié)構(gòu)性能在很大程度上決定著RMS的重構(gòu)性和斜升時間。當前國內(nèi)外對于可重構(gòu)夾具的設(shè)計研究較少，主要集中從模塊化、置換演繹、多功能元件、夾具元件庫推理、機電綜合等方面進行可重構(gòu)夾具系統(tǒng)設(shè)計，這些在很大程度上推動了可重構(gòu)夾具的發(fā)展。然而，需要指出的是當前可重構(gòu)夾具設(shè)計系統(tǒng)仍然缺乏系統(tǒng)性、創(chuàng)新性、對設(shè)計人員經(jīng)驗知識的依賴還很強，設(shè)計過程復雜、對其中出現(xiàn)的沖突還沒有行之有效的解決方法。TRIZ理論是解決技術(shù)問題或發(fā)明問題強有力的方法學，已被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)管理等方面。可重構(gòu)夾具作為一種知識密集產(chǎn)品，迫切的需要一套成熟理論支撐其創(chuàng)新設(shè)計，然而，當前將TRIZ理論應(yīng)用于夾具，尤其是可重構(gòu)夾具的實踐還很少。本文根據(jù)TRIZ沖突解決原理在創(chuàng)新方面較強的優(yōu)勢，為設(shè)計者快速高效地解決可重構(gòu)夾具設(shè)計中的問題提供一種新的思路。

1可重構(gòu)夾具

研究表明，制造系統(tǒng)底層結(jié)構(gòu)與部件的性質(zhì)是影響系統(tǒng)快速重構(gòu)能力的重要因素，并且具有可重構(gòu)性的子系統(tǒng)、構(gòu)件是可重構(gòu)制造系統(tǒng)的重要組成部分?？芍貥?gòu)制造系統(tǒng)一般可由可重構(gòu)加工系統(tǒng)、可重構(gòu)物流系統(tǒng)和可重構(gòu)控制系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成?？芍貥?gòu)夾具作為可重構(gòu)加工系統(tǒng)的組成之一，在提高制造系統(tǒng)快速響應(yīng)產(chǎn)品變化的能力，縮短產(chǎn)品設(shè)計制造周期，增加制造系統(tǒng)的柔性，降低成本，提高生產(chǎn)效率等方面都具有十分重要的意義。

1.1可重構(gòu)夾具的概念

在加工、焊接、檢測、裝配等制造過程中，夾具被用于定位和夾緊工件，使其處于確定的位置和平穩(wěn)狀態(tài)[2]?？芍貥?gòu)夾具是傳統(tǒng)組合夾具、柔性夾具的延伸和發(fā)展，是為了適應(yīng)可重構(gòu)制造系統(tǒng)而出現(xiàn)的一種新的夾具理念和裝夾系統(tǒng)。圖1為可重構(gòu)夾具的各種性能與現(xiàn)有夾具之間的比較，可以得出，可重構(gòu)夾具繼承了組合夾具、可調(diào)夾具的柔性和專用夾具的剛性，集成了二者的優(yōu)點。

可重構(gòu)夾具系統(tǒng)[3]是針對被加工的零件族、加工技術(shù)要求和具體制造過程，利用可重構(gòu)夾具模塊或組件和元件重排、變形(如相變材料的變形)、裁剪和革新等手段對夾具重新組態(tài)并變換夾具功能，迅速滿足夾緊需求的一種可變夾具系統(tǒng)。實現(xiàn)重構(gòu)的方式主要有物理重構(gòu)和邏輯重構(gòu)兩種。物理重構(gòu)指的是從系統(tǒng)外引入新的構(gòu)件，或從系統(tǒng)中移除已有的構(gòu)件，或用一個構(gòu)件替換另一個構(gòu)件來重新構(gòu)造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及重新組合系統(tǒng)的功能；邏輯重構(gòu)指的是保證系統(tǒng)構(gòu)件不變而改變生產(chǎn)作業(yè)計劃以達到重構(gòu)。具體到可重構(gòu)夾具系統(tǒng)而言，其可重構(gòu)的實現(xiàn)主要是基于硬件層的物理重構(gòu)，具體的實施方法主要依靠模塊化和自適應(yīng)調(diào)整。

圖1　不同夾具系統(tǒng)的特點

1.2當前可重構(gòu)夾具設(shè)計的方法

一般的機械產(chǎn)品設(shè)計過程可分為用戶需求分析、產(chǎn)品概念設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計和試生產(chǎn)五個階段。對于夾具系統(tǒng)而言，設(shè)計人員主要將設(shè)計重點集中于技術(shù)設(shè)計階段，并將技術(shù)設(shè)計過程具體展開為安裝規(guī)劃(setup planning)、夾具規(guī)劃(fixture planning)和夾具構(gòu)形設(shè)計(fixture configuration design)三個部分[4]，而相對夾具上游和下游設(shè)計的關(guān)注則很少?？芍貥?gòu)夾具作為夾具的一種，其設(shè)計方法與傳統(tǒng)夾具的設(shè)計方法類似，但是為了實現(xiàn)夾具可重構(gòu)的功能，設(shè)計中應(yīng)該融入成組技術(shù)(GT)、模塊化設(shè)計等方法?？芍貥?gòu)夾具的設(shè)計方法可以總結(jié)為基于成組技術(shù)、模塊化、設(shè)計人員經(jīng)驗和模糊知識推理的設(shè)計過程。當前可重構(gòu)夾具設(shè)計缺乏對上游設(shè)計的詳細深入分析、缺乏系統(tǒng)性和創(chuàng)新性，已然成為了影響可重構(gòu)制造系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸之一。

1.3可重構(gòu)夾具的設(shè)計特點及設(shè)計要求

1.3.1可重構(gòu)夾具的設(shè)計特點

可重構(gòu)夾具是在“多變短小”(產(chǎn)品品種多、生產(chǎn)計劃多變、交貨期短、生產(chǎn)批量小)的制造需求環(huán)境和激烈的市場競爭下，伴隨可重構(gòu)制造系統(tǒng)而出現(xiàn)的。因此對于可重構(gòu)夾具的設(shè)計有著鮮明的特點。

(1)可重構(gòu)夾具的設(shè)計是針對產(chǎn)品零件族的設(shè)計。

可重構(gòu)夾具設(shè)計是以多品種變批量或者混流生產(chǎn)模式為主的，這里的產(chǎn)品零件族的劃分不僅限于成組技術(shù)基于物理、幾何和工藝的相似性，還加入了生物學相似性、化學相似性及組合拓撲概念的廣義相似性。同時在考慮模塊化接口特性的基礎(chǔ)上引入了接口“整合概念”，實現(xiàn)了夾具系統(tǒng)各模塊在重構(gòu)后的“相乘效果”，促使產(chǎn)品族及夾具的工作范圍擴大，功能增強[5]。

(2)可重構(gòu)夾具的設(shè)計是以模塊化的可重構(gòu)夾具組件為主，附加少數(shù)專用元件的功能需求組合設(shè)計。

模塊化是可重構(gòu)夾具的基礎(chǔ)，科學準確合理地劃分模塊力求以少量模塊組成盡可能多、可靠性高、成本低廉的夾具是可重構(gòu)夾具設(shè)計的目標。設(shè)計時，根據(jù)功能需求，對夾具進行功能分解，設(shè)計出不同功能的模塊和專用元件，最終通過組合形成不同功能的可重構(gòu)夾具。

(3)可重構(gòu)夾具的設(shè)計是一種標準化設(shè)計。

實現(xiàn)可重構(gòu)的核心是標準化，可重構(gòu)夾具的設(shè)計必須實現(xiàn)硬件模塊、軟件模塊及接口的標準化。例如模塊接口的標準化有效地保證了各個模塊之間的互換，否則夾具的重構(gòu)將失去任何意義。

1.3.2可重構(gòu)夾具的設(shè)計要求

用戶需求的滿足始終是產(chǎn)品開發(fā)的目標。用戶需求包括外部用戶需求和內(nèi)部用戶需求[6]。將消費者作為外部用戶，產(chǎn)品生產(chǎn)制造、品質(zhì)、銷售、技術(shù)法規(guī)以及售后等部門作為內(nèi)部用戶。產(chǎn)品不但要保證滿足外部用戶需求：消費者對產(chǎn)品的功能、性能、人機工程等方面的要求；同時也要保證滿足內(nèi)部用戶需求：企業(yè)內(nèi)部各部門對產(chǎn)品的制造工藝、裝配性、可維修性等方面的要求。通過市場調(diào)研分析和企業(yè)內(nèi)部研討規(guī)劃，可以得到用戶(外部用戶和內(nèi)部用戶)對可重構(gòu)夾具的需求。通過對用戶需求的定義、分析、篩選和推理就可得出可重構(gòu)夾具的設(shè)計要求。這是設(shè)計人員進行設(shè)計的準則和規(guī)范。具體的設(shè)計要求見表1。

表1　可重構(gòu)夾具設(shè)計要求

續(xù)表

2可重構(gòu)夾具工程參數(shù)的確定

針對如何滿足每一項設(shè)計要求，應(yīng)該系統(tǒng)地分析可重構(gòu)夾具應(yīng)具有什么樣的質(zhì)量特性，即就是確定可重構(gòu)夾具的設(shè)計工程參數(shù)。

可重構(gòu)夾具設(shè)計工程參數(shù)的獲取可通過召開智慧風暴會議來確定[7]。召開智慧風暴會議應(yīng)該滿足以下要求：①參會人員應(yīng)該包括可重構(gòu)夾具設(shè)計相關(guān)人員和用戶等；②會議應(yīng)在輕松活躍的氣氛下進行，參會人員暢所欲言，知無不言，言無不盡，充分發(fā)揮集體智慧；③會議應(yīng)有專人進行詳細記錄并列出各種觀點、建議和方法，最后整理分析尋找出最有價值的意見。依據(jù)智慧風暴會議所確定的可重構(gòu)夾具設(shè)計工程參數(shù)見表2。

表2　可重構(gòu)夾具設(shè)計工程參數(shù)

表2列出了26個具體化的可重構(gòu)夾具設(shè)計工程參數(shù)，為了應(yīng)用的方便，可將其分為三類：物理幾何參數(shù)、負向參數(shù)和正向參數(shù)。物理幾何參數(shù)為No.1~ No.4；正向參數(shù)指的是當這些參數(shù)變大時，可重構(gòu)夾具系統(tǒng)性能提高，正向參數(shù)為No.5~ No.19；負向參數(shù)與正向參數(shù)意義相對，負向參數(shù)為No.20~ No.26。

3TRIZ沖突解決原理及可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計

3.1沖突解決原理

TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)是俄文中發(fā)明問題解決理論的詞頭。該理論是前蘇聯(lián)G.S.Altshuler及其領(lǐng)導的一批研究人員，自1946年開始，在分析研究世界各國250萬件高水平專利的基礎(chǔ)上所提出的發(fā)明問題解決理論[8]。其中，沖突解決原理是TRIZ解決工程實際問題行之有效的工具之一。

沖突解決原理的核心內(nèi)容包括39個標準工程參數(shù)、40條發(fā)明原理、技術(shù)沖突與沖突矩陣、物理沖突與分離原理、四大分離原理與40條發(fā)明原理之間的對應(yīng)關(guān)系等。沖突解決原理認為：沖突(矛盾)是推動事物發(fā)展革新的動力，產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的過程實質(zhì)上就是設(shè)計人員解決設(shè)計過程中遇到的沖突問題[9]。實施沖突解決原理的一般步驟為：首先對工程實際問題進行分析與定義并對問題進行判定；其次確定發(fā)生沖突的實際工程參數(shù)并將其轉(zhuǎn)化為TRIZ標準工程參數(shù)或程式化表述沖突；然后通過沖突矩陣或者分離原理得到解決此類沖突的發(fā)明原理和應(yīng)用實例；最后通過類比聯(lián)想、實例推理等方法得到具體工程問題的初步創(chuàng)新方案[10]。具體實施沖突解決原理的過程如圖2所示。

圖2　沖突解決原理解決工程實際問題的一般過程

3.2可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計

可重構(gòu)夾具系統(tǒng)作為一種新型復雜多知識融合系統(tǒng)，設(shè)計過程中為了滿足夾具的各種設(shè)計要求，其設(shè)計工程參數(shù)之間出現(xiàn)沖突是顯而易見的。例如，從剛度要求方面考慮，夾具的重量應(yīng)該越大越好，而從經(jīng)濟性要求方面考慮，輕量化夾具是設(shè)計的目標。這意味著夾具的3號工程參數(shù)—質(zhì)量既要大又要小，就成為了設(shè)計中的沖突。如前所述，TRIZ理論中的沖突解決原理可以有效的解決工程問題中的沖突。因此，設(shè)計人員可借助沖突解決原理對可重構(gòu)夾具設(shè)計沖突問題進行分析求解。實踐中發(fā)現(xiàn)，如何將可重構(gòu)夾具設(shè)計工程參數(shù)泛化為TRIZ理論39個標準工程參數(shù)是利用TRIZ解決可重構(gòu)夾具設(shè)計問題的關(guān)鍵。通過定義分析、相似匹配等方法將可重構(gòu)夾具26個設(shè)計工程參數(shù)映射到TRIZ理論39個標準工程參數(shù)，見表3。具體標準工程參數(shù)的內(nèi)容可參考文獻[8]。

表3　可重構(gòu)夾具設(shè)計工程參數(shù)與TRIZ標準工程參數(shù)關(guān)聯(lián)表

在沖突解決原理、工程參數(shù)關(guān)聯(lián)表等的基礎(chǔ)之上便可提出可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計過程模型，如圖3。具體步驟為：首先，由設(shè)計人員對可重構(gòu)夾具設(shè)計問題進行分析與定義；其次，確定夾具設(shè)計問題中發(fā)生沖突的設(shè)計工程參數(shù)，并在映射關(guān)聯(lián)表3的輔助下將沖突的設(shè)計工程參數(shù)轉(zhuǎn)化為TRIZ標準參數(shù)；然后利用TRIZ沖突解決原理的方法對沖突問題進行求解，得到TRIZ原理解；最后利用類比聯(lián)想、實例推理等方法得到具體針對可重構(gòu)夾具設(shè)計問題的創(chuàng)新解。

圖3　可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計模型

4案例分析

在可重構(gòu)夾具設(shè)計中，如何得到重構(gòu)性好、適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)簡單的夾具一直是設(shè)計者追求的目標。然而，適應(yīng)性及重構(gòu)性與夾具結(jié)構(gòu)復雜程度卻是阻礙這一目標實現(xiàn)的沖突。利用上述可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計模型可對此問題的解決提供一些思路。

在問題分析的基礎(chǔ)上確定發(fā)生沖突的夾具設(shè)計參數(shù)為適應(yīng)性及重構(gòu)性、結(jié)構(gòu)復雜度；根據(jù)可重構(gòu)夾具設(shè)計工程參數(shù)與TRIZ標準工程參數(shù)關(guān)聯(lián)表將工程設(shè)計參數(shù)泛化為TRIZ標準參數(shù)：35適應(yīng)性及多用性、36裝置的復雜性；利用沖突解決原理解決過程，得到相應(yīng)的發(fā)明原理及通解：動態(tài)化、機械系統(tǒng)的替代、氣動與液壓結(jié)構(gòu)和熱膨脹。

(1)動態(tài)化

使物體或其環(huán)境在操作的每一個階段自動調(diào)整；把物體分成幾個部分，各部分之間可以相對改變位置；將不動的物體改為可動的，或具有自適應(yīng)性。

(2)機械系統(tǒng)的替代

用視覺、聽覺、嗅覺系統(tǒng)代替部分機械系統(tǒng)；用電場、磁場和電磁場完成與物體的相互作用；由恒定場轉(zhuǎn)向可變場，由靜態(tài)場轉(zhuǎn)向動態(tài)場，由隨機場轉(zhuǎn)向確定場；將鐵磁粒子用于場的作用中。

(3)氣動與液壓結(jié)構(gòu)

物體的固體零部件用氣動或液壓零部件代替，將氣體或液體用于膨脹或減振。

(4)熱膨脹

利用材料的熱膨脹(或熱收縮)性質(zhì)；利用一些熱膨脹系數(shù)不同的材料。

在發(fā)明原理與工程實例的啟發(fā)下，得到原問題的創(chuàng)新概念解。美國發(fā)明專利一種可重構(gòu)加緊系統(tǒng)[11]，該夾具硬件系統(tǒng)主要由蓋板、可充氣氣囊、具有標準化、模塊化的連接件和鎖緊裝置組成。設(shè)計中利用可充氣氣囊代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械系統(tǒng)加緊工件，正是應(yīng)用了機械系統(tǒng)的替代、氣動和液壓結(jié)構(gòu)和熱膨脹這三條發(fā)明原理，從而增強了夾具的柔性、提高了夾具的適應(yīng)性，簡化了夾具的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計的目標。此實例可以說明可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計模型是正確可行的。

5總結(jié)

從可重構(gòu)夾具概念出發(fā)，介紹了可重構(gòu)夾具及其設(shè)計特點，并提出了可重構(gòu)夾具的設(shè)計要求及設(shè)計工程參數(shù)。針對可重構(gòu)夾具中的設(shè)計問題，通過構(gòu)建可重構(gòu)夾具設(shè)計參數(shù)與TRIZ理論39個標準工程參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)表，可使設(shè)計人員準確、方便地利用TRIZ沖突解決原理解決可重構(gòu)夾具中的設(shè)計問題。這在一定程度上促進了TRIZ理論與可重構(gòu)夾具的發(fā)展。

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(編輯李秀敏)

Research on Innovative Design of Reconfigurable Fixture Based on TRIZ

REN Gong-chang，TIAN Chuan，WANG Chen，WANG Hong-wei

(Shaanxi University of Science and Technology，School of Electrical and Mechanical Engineering，Xi’an 710021，China)

Abstract：As an important part of reconfigurable manufacturing system, reconfigurable fixture plays an important role to ensure products quality, improve system reconfigurability, decrease system ramp-up time, etc. Aiming at the problem in reconfigurable fixture design, TRIZ contradictions inventive principles are used to provide innovative ideas to reconfigurable fixture design. According to the concept of reconfigurable fixture, the design requirements and parameters are concluded. By constructing an associated table between 39 standard parameters in TRIZ conflict matrix and reconfigurable fixture design parameters, the reconfigurable fixture innovative design model is established, which provides a new way to designers. At last, a design case proves the feasibility of the proposed methods.

Key words：reconfigurable fixture；TRIZ；contradictions inventive principles；innovative design model；associated table

中圖分類號：TH16；TG65

文獻標識碼：A

作者簡介：任工昌(1962-)，男，西安人，陜西科技大學教授，博士，研究方向為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計理論、機電設(shè)備實時監(jiān)控、CAD、機構(gòu)綜合、工業(yè)設(shè)計；通訊作者：田川(1990-)，男，陜西寶雞人，陜西科技大學碩士研究生，研究方向為機械設(shè)計及理論，(E-mail)tc1024@126.com。

*基金項目：國家自然科學基金項目(51175314)；陜西省科學技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2014GY2-04)

收稿日期：2015-05-22；修回日期：2015-06-20

文章編號：1001-2265(2016)03-0131-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.036