基于TRIZ的試驗(yàn)機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

王　琳，孫德志，王　民，黃　斌

(1.長春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，吉林 長春 130103；2.長春光華學(xué)院，吉林 長春 130033)

基于TRIZ的試驗(yàn)機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

王琳1，孫德志2，王民1，黃斌1

(1.長春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，吉林 長春 130103；2.長春光華學(xué)院，吉林 長春 130033)

摘要：本文運(yùn)用TRIZ理論進(jìn)行車鎖疲勞試驗(yàn)機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，旨在克服慣性思維，解決設(shè)計(jì)中的技術(shù)矛盾和物理矛盾，獲得簡化和高效的方案，說明TRIZ對(duì)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)工作有很大的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：TRIZ；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；疲勞試驗(yàn)機(jī)

1引言

在試驗(yàn)機(jī)行業(yè)，對(duì)于一個(gè)新的設(shè)計(jì)任務(wù)，往往采用成熟的功能模塊組合。這樣具有開發(fā)速度快、質(zhì)量相對(duì)有保障的優(yōu)勢(shì)，但也存在著機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜、效率較低等缺點(diǎn)，并且形成了一種思維慣性，阻礙了技術(shù)創(chuàng)新。

有些試驗(yàn)設(shè)備，由于試驗(yàn)任務(wù)的特殊性，往往可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到簡化結(jié)構(gòu)、提高效率的目的。本文嘗試?yán)肨RIZ這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，以車鎖疲勞試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)為例，介紹一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思路。

2TRIZ簡介

TRIZ(發(fā)明問題解決理論)：前蘇聯(lián)發(fā)明家G.S.Altshuller帶領(lǐng)一批研究人員，在分析和研究世界上大量高水平專利的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)化定律，提出了物理沖突、技術(shù)沖突解決理論、物-場分析及76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解、基于效應(yīng)的功能設(shè)計(jì)、ARIZ算法等，來幫助實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)者可以運(yùn)用前人在不同領(lǐng)域創(chuàng)新的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，快速、高效地解決設(shè)計(jì)問題。

目前，TRIZ已被認(rèn)為是一種世界級(jí)的創(chuàng)新方法，被很多大公司所采用，促進(jìn)了產(chǎn)品的創(chuàng)新，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，提高了企業(yè)在世界市場上的競爭力。

3車鎖疲勞試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)需求及傳統(tǒng)方案

鑰匙插入車鎖孔中，左旋轉(zhuǎn)至極限位置，右旋至極限位置，返回初始位置，撥出鑰匙。往復(fù)循環(huán)，直至10000次或車鎖、鑰匙一方失效。針對(duì)這樣的設(shè)計(jì)需求，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是比較容易滿足的。例如，可采用如下方案：

(1)鑰匙的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由氣缸實(shí)現(xiàn)；

(2)鑰匙的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)(伺服電機(jī))實(shí)現(xiàn)；

(3)控制和協(xié)調(diào)鑰匙的進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

此方案的優(yōu)點(diǎn)是，各部分功能相對(duì)獨(dú)立，都是成熟技術(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)并有較好的可靠性和適應(yīng)性。但也存在著一些缺點(diǎn)，如機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜、成本較高、需要?dú)庠?、工作噪聲和能耗較大等。

4基于TRIZ的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

TRIZ提出了理想解及最終理想解的概念。理想解是指產(chǎn)品具有低成本、高效能、高可靠性、無污染等特性。系統(tǒng)或產(chǎn)品是不斷進(jìn)化的，進(jìn)化的極限狀態(tài)稱為最終理想解。系統(tǒng)和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)就是不斷追求理想解的過程。

理想解具有4個(gè)特點(diǎn)，分別是：(1)消除了原系統(tǒng)的不足之處；(2)保持原系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)；(3)沒有使系統(tǒng)變得更復(fù)雜(采用無成本或可用資源)；(4)沒有引入新的缺陷。

要想辦法提高該系統(tǒng)的理想程度，對(duì)于本系統(tǒng)來說，就是結(jié)構(gòu)簡化、減少輸入源、性能可靠、節(jié)能環(huán)保等。

TRIZ理論中，對(duì)于提高系統(tǒng)理想度，提出應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行資源分析。Boris Zlotin等將資源分為發(fā)明資源和進(jìn)化資源，發(fā)明資源又分為直接應(yīng)用資源、導(dǎo)出資源和差動(dòng)資源。差動(dòng)資源又分為差動(dòng)物質(zhì)資源和差動(dòng)場資源。差動(dòng)物質(zhì)資源主要指物質(zhì)的各向異性，如壓電晶體；不同材料，如雙金屬片等。利用這些差異，可以實(shí)現(xiàn)某種設(shè)計(jì)需求。差動(dòng)場資源是指場在系統(tǒng)中的不均勻性可以在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)某些新的功能。

由此想到了電子技術(shù)中的差動(dòng)放大器、差動(dòng)式傳感器，由輸入端信號(hào)的差值而產(chǎn)生差模放大、共模抑制等特有功能。差動(dòng)在機(jī)械行業(yè)中的典型應(yīng)用是汽車上的差速器，其功能是將一個(gè)轉(zhuǎn)速輸入，分配到左右兩個(gè)車輪，而左右兩輪的轉(zhuǎn)速根據(jù)直行或轉(zhuǎn)彎而相同或者不同，這可以看作差動(dòng)資源原理的反向應(yīng)用。

此設(shè)計(jì)任務(wù)中，輸出的運(yùn)動(dòng)具有嚴(yán)格的規(guī)律性，由直線運(yùn)動(dòng)、對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。參考汽車差速器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，想到利用差動(dòng)原理，給機(jī)構(gòu)兩個(gè)位移輸入x1和x2，輸出為兩個(gè)輸入的合成。當(dāng)x1=x2(同向)的時(shí)候，輸出為直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)輸入x1=-x2(反向)的時(shí)候，輸出為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(如表1所示)。

表1　輸入輸出運(yùn)動(dòng)關(guān)系

兩個(gè)輸入的相對(duì)關(guān)系是固定的，所以可以合并用一個(gè)輸入源，由電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)凸輪來實(shí)現(xiàn)，機(jī)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1　機(jī)構(gòu)原理圖

根據(jù)齒條運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度要求設(shè)計(jì)凸輪，凸輪輪廓設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　凸輪輪廓設(shè)計(jì)

通過機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行Adams運(yùn)動(dòng)仿真(如圖3所示)，證實(shí)該方案是可行的。

圖3　Adams運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)此方案進(jìn)行評(píng)估，會(huì)發(fā)現(xiàn)新方案結(jié)構(gòu)簡化，由兩對(duì)齒輪、齒條、一對(duì)凸輪和3個(gè)錐齒輪組合而成；輸入源只有一個(gè)電動(dòng)機(jī)；機(jī)構(gòu)體積小，運(yùn)動(dòng)連貫，提高了生產(chǎn)效率；無需氣源、節(jié)能環(huán)保。

但此方案也有一定的缺點(diǎn)，如過度強(qiáng)調(diào)了輸入源的簡化而導(dǎo)致適應(yīng)性的惡化。即由于凸輪輪廓決定輸出的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，當(dāng)鑰匙-鎖系統(tǒng)改變時(shí)，不得不更換新的凸輪。這說明新方案向理想解進(jìn)化過程中引入了新的缺陷，即結(jié)構(gòu)簡化的同時(shí)，系統(tǒng)的適用性、多用性變差，這是一對(duì)矛盾(沖突)，應(yīng)想辦法解決。

怎樣解決這樣的沖突呢？TRIZ認(rèn)為，創(chuàng)新的核心是解決設(shè)計(jì)中的沖突，并提出了沖突解決理論。TRIZ中的沖突分為3類，即管理沖突、物理沖突、技術(shù)沖突。本例中，結(jié)構(gòu)簡化的同時(shí)，系統(tǒng)的適用性多用性變差，是一對(duì)技術(shù)沖突。

TRIZ認(rèn)為，一個(gè)好的設(shè)計(jì)能完全解決技術(shù)沖突，而不是采取一種妥協(xié)和折衷的方案。TRIZ提出九屏幕法、DTC法和聰明小人法等幫助人們?cè)诮鉀Q問題過程中克服思維慣性，同時(shí)總結(jié)出沖突解決矩陣幫助人們解決技術(shù)沖突。

TRIZ用39個(gè)通用工程參數(shù)來描述沖突，同時(shí)總結(jié)出了40個(gè)發(fā)明原理，并列出沖突解決矩陣。矩陣將39個(gè)通用工程參數(shù)作為行頭和列頭，行頭代表改善的參數(shù)，列頭代表惡化的參數(shù)，行列交叉的位置為40個(gè)發(fā)明原理的編號(hào)，代表當(dāng)參數(shù)沖突時(shí)，可參考使用該發(fā)明原理來解決。

在此例中，改善的參數(shù)可選為：36裝置的復(fù)雜性、39生產(chǎn)率；惡化的參數(shù)為35適用性及多用性。查沖突矩陣，得到對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理分別為29、15、28、37和1、35、28、37。對(duì)于每個(gè)發(fā)明原理，參照案例，通過類比獲得啟發(fā)，以求應(yīng)用到本問題的求解中。

通過對(duì)以上發(fā)明原理的分析，將29號(hào)、37號(hào)35號(hào)原理舍去。而應(yīng)用原理15動(dòng)態(tài)化原理、原理28機(jī)械系統(tǒng)替代原理和原理1分割原理，可以考慮將兩個(gè)輸入的連接斷開，分別由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸入；凸輪安裝設(shè)計(jì)成快換結(jié)構(gòu)；采用平面槽凸輪代替盤凸輪等方案。

經(jīng)過以上措施，機(jī)構(gòu)的適用性得到很大提高，并且沒有對(duì)系統(tǒng)其它性能產(chǎn)生較大影響，問題得到比較圓滿解決。

TRIZ提出的物理沖突，是指對(duì)一子系統(tǒng)提出相反的要求。本例中，系統(tǒng)體積有限制時(shí)，要求凸輪要小，而鑰匙孔的深度及旋轉(zhuǎn)角度又要求凸輪不能太小，即對(duì)凸輪提出即要小又要大的需求，這是一對(duì)物理沖突。TRIZ提出了物理沖突的解決方法，這里不做闡述。

以上只是作者采用TRIZ在試驗(yàn)機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)方面進(jìn)行的一次嘗試。由于對(duì)TRIZ掌握不熟，理解偏頗、處理不當(dāng)之處在所難免，這里只是希望起到一個(gè)拋磚引玉的作用，使人們對(duì)這一創(chuàng)新技法有一個(gè)初步的了解，在今后的設(shè)計(jì)中能起到一定的幫助作用。

5結(jié)論

本文運(yùn)用TRIZ理論進(jìn)行了車鎖疲勞試驗(yàn)機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，所得方案是簡化和高效的，說明TRIZ對(duì)克服慣性思維、解決設(shè)計(jì)中的技術(shù)矛盾和物理矛盾、對(duì)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)工作有很大的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

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[4]陳文華,等.ADAMS2007機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析范例[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

Innovative Design of Testing Machine based on TRIZ

Wang Lin1,Sun Dezhi2,Wang Min1,Huang Bin1

(1.Changchun Research Institute for Mechanical Science Co.,Ltd.Changchun 130103,Jilin,China; 2.Changchun Guanghua University,Changchun 130033,Jilin,China)

Abstract：The innovative design on vehicle lock fatigue testing machine based on TRIZ theory is introduced in the paper.The aims are to overcome the inertial thinking,to solve the technical and physical contradictions,and to get simplified and efficient solution.It is illustrated that the TRIZ is helpful for the mechanical innovative design.

Keywords:TRIZ;innovative design;fatigue testing machine

[收稿日期]2016-03-09

[作者簡介]王琳(1980—)，女，工程師，主要研究方向：儀器設(shè)備檢測(cè)校準(zhǔn)。

中圖分類號(hào)：TH87

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.021