物—場模型在成組夾具創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用

王國棟

【摘 要】在實際生產(chǎn)中產(chǎn)品對定位元件存在磨損，影響夾具的使用壽命。如何提高夾具中的定位元件使用壽命，利用TRIZ理論中的問題描述和分析工具，即根據(jù)系統(tǒng)功能建立物場模型，介紹了物場模型的的3條定律。本文以撥叉鉆孔成組夾具為例，對成組夾具的定位夾緊系統(tǒng)進行分析。為成組夾具設(shè)計中應(yīng)用物場模型進行問題描述，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解法求解。在成組夾具設(shè)計中，其他功能系統(tǒng)的物場分析的標(biāo)準(zhǔn)解法及矛盾矩陣還需進一步研究。

【關(guān)鍵詞】TRIZ理論；成組夾具設(shè)計；物場模型分析

0 引言

成組夾具是伴隨著成組加工技術(shù)產(chǎn)生的，不同于常見的組合夾具和通用可調(diào)整夾具，對于一組零件時專用的，但對于組內(nèi)零件又是通用的。因此成組夾具的設(shè)計就包括了通用性與專用型?？傊山M夾具是針對一組零件的某一工序而專門設(shè)計的組內(nèi)通用可調(diào)夾具。夾具可調(diào)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計使用壽命逐漸的不能適應(yīng)產(chǎn)品的發(fā)展，這就形成了夾具的使用壽命與產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量之間的矛盾。原有的夾具設(shè)計理念不能適應(yīng)時代的發(fā)展要求。因此本文主要以以TRIZ理論為指導(dǎo)，采用其物質(zhì)-場（以下簡稱物場）分析方法在保證成組夾具功能的前提下尋找不同的滿足產(chǎn)品功能要求的原理和結(jié)構(gòu)，構(gòu)建撥叉鉆孔成組夾具的物場模型，并應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解法提出了改進方案，在較短時間內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新。

1 成組夾具的設(shè)計方法

成組夾具的設(shè)計流程如圖1所示。

根據(jù)零件的特征進行分組，結(jié)合零件的加工工藝分析與機床對夾具的要求，確定最佳的定位與夾緊方案，進行成組夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計包括可調(diào)部分和基本部分的設(shè)計，然后進行零件的試制，并進行零件的誤差分析。根據(jù)零件的誤差分析，再決定是否對夾具的定位夾緊方案及夾具的結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。在這一過程中，設(shè)計周期與制造周期、驗證周期較長，逐漸的不能適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度。因此提高夾具的設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期就顯得尤為重要。

2 成組技術(shù)及成組夾具

成組夾具包括基礎(chǔ)部分與可調(diào)部分?；A(chǔ)部分由夾具體、夾緊機構(gòu)、動力傳動部件等元件組成。工作原理是對同組內(nèi)的零件進行快速準(zhǔn)確的實現(xiàn)定位與夾緊功能?；A(chǔ)部件一般長期組合在一起，固定在加工機床上，不需要經(jīng)常調(diào)整更換。調(diào)整部分包括定位元件、夾緊元件和導(dǎo)向元件等，是根據(jù)所選定不同零件甚至不同工序的結(jié)構(gòu)特點、定位夾緊方式及工序尺寸等夾具設(shè)計具體要求而進行特定設(shè)計，是專用的零部件。使用是可以進行更換于調(diào)整，以適應(yīng)不同的零件的加工要求。由于撥叉的種類較多如圖1所示，不同的撥叉加工時需要更換定位元件，定位元件通過調(diào)整、組合適應(yīng)工藝可變性的能力不足以適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代、小批量生產(chǎn)需要的矛盾。為了解決這一矛盾采用TRIZ理論物場模型進行描述與分析。

3 物-場模型

物-場模型是TRIZ理論中一種重要的問題描述和分析工具，用來建立與現(xiàn)存技術(shù)系統(tǒng)問題相聯(lián)系的功能模。在解決問題過程中，可以根據(jù)物場模型所描述的問題，來查找相對應(yīng)的一般解法和標(biāo)準(zhǔn)解法。

系統(tǒng)是為了實現(xiàn)特定的功能，產(chǎn)品是功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)是輸入與輸出之間正常的、期望存在的關(guān)系。系統(tǒng)的功能可以是一個較大功能，也可以是分解到子系統(tǒng)的功能，直至達到底層的功能為止。

阿奇舒勒通過研究功能，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)了3條定律：

1）所有的功能都可以分解為3個基本元件（S1、S2、F）；

2）一個存在的功能必定有3個基本元件組成；

3）將相互作用的3個基本元件進行有機組合將形成一個功能。

物-場模型涉及到的基本概念有物質(zhì)（Substance）、場（Field）等。理想的功能是場F通過物質(zhì)S2作用于并S1改變S1。物質(zhì)的物質(zhì)是指某種物體或過程，可以是整個系統(tǒng)，也可以是系統(tǒng)的子系統(tǒng)或單個的物體，甚至可以是環(huán)境。場是指完成某種功能所需的效應(yīng)，體現(xiàn)著物-場模型中物質(zhì)之間的作用關(guān)系，通常是一些能量形式，如：力場、磁場、電場、熱能場、化學(xué)場、聲場、光學(xué)場等等。因而1個物場模型通常包括2個物質(zhì)和1個場3個基本元素。一個完整的系統(tǒng)功能通常用一個完整的物場三角形進行模型化如圖2所示，復(fù)雜的有多個物場三角形來進行模型化。

4 撥叉鉆孔夾具物場模型分析

夾具的功能是實現(xiàn)對零件的準(zhǔn)確定位與夾緊功能，以及其他輔助功能。因此可以將系統(tǒng)大體分為定位系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、對刀系統(tǒng)等。物-場模型是根據(jù)功能而建立的模型。本文以撥叉鉆孔夾具為例，對夾具的定位與夾緊功能建立物場模型進行分析。

以圖3中撥叉零件為例，加工徑向孔、端面N1定位，控制了5個自由度，三個方向的平移，兩個方向的轉(zhuǎn)動；然后固定孔a的位置，限制撥叉的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了零件的完全定位。夾具結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。該夾具是實現(xiàn)不同撥叉的鉆孔功能的，可以看做一個系統(tǒng)。這個系統(tǒng)功能是實現(xiàn)零件的準(zhǔn)確定位、快速夾緊的功能，功能可分分解為定位功能、夾緊功能、其他輔助功能等。限于篇幅限制，本文重點分析成組夾具中的定位系統(tǒng)。

從物場模型角度分析每一個系統(tǒng)是有三個基本元件組成。夾具中實現(xiàn)的基本功能使準(zhǔn)確的定位與夾緊功能。撥叉零件看作S2，定位芯軸與芯軸襯套S1，壓緊桿施加機械力作為場F。但是撥叉零件的形狀各異，調(diào)整螺栓、支撐彎板等零件需要更換，在一定程度上影響夾具的定位精度。定位夾緊系統(tǒng)物場模型如圖5所示。

螺栓與彎板等定位零件在更換與調(diào)整時，由于定位元件制造精度和使用磨損存在定位精度達不到要求。隨著零件更新?lián)Q代的頻率加快，定位元件的更換與調(diào)整的頻率也在加快，很大程度影響了生產(chǎn)效率。由于系統(tǒng)能完成夾具的基本功能，因此屬于完整的物-場模型。但模型中存在有用與有害共存，根據(jù)TRIZ理論物場模型的標(biāo)準(zhǔn)解法系統(tǒng)中，第二級標(biāo)準(zhǔn)解法（標(biāo)準(zhǔn)解法2.1）中的2個標(biāo)準(zhǔn)解法。如表1所示。

根據(jù)物場模型標(biāo)準(zhǔn)解法，提供兩種解決方案。方案1：單一物場模型轉(zhuǎn)化為鏈?zhǔn)轿飯瞿Ｐ?，如圖6所示。加入新的物質(zhì)S3，即在定位心軸與定位襯套S1表面噴涂耐磨材料或柔性材料S3，改變定位心軸與定位襯套的表面性質(zhì)，提高其耐磨性F2，減少定位心軸的磨損量，延長心軸的使用壽命。方案2：在不引進新物質(zhì)S3的前提下，對原有的物場模型進行改造。心軸與夾具體是剛性鏈接改造為浮動心軸，在心軸與襯套加入彈簧S3，同時心軸設(shè)計成脹套結(jié)構(gòu)，這樣在定位心軸磨損的情況下，也能保證撥叉軸向孔與心軸能緊密配合。

5 結(jié)論

本文以撥叉鉆孔夾具為例，結(jié)合TRIZ 理論思維方法、物場分析工具在夾具設(shè)計中的應(yīng)用，分析了夾具中定位系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換為物場模型進行分析，為成組夾具設(shè)計中應(yīng)用TRIZ 理論進行問題求解提供了參考思路。能夠解決機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中遇到的各種問題，其在機構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用的關(guān)鍵是將機構(gòu)設(shè)計問題用TRIZ理論的術(shù)語描述。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]