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    物—場模型在成組夾具創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用

    2017-05-22 16:40:27王國棟
    科技視界 2017年4期
    關(guān)鍵詞:TRIZ理論

    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。

    【參考文獻】

    [1]李月琴,曾令宜,弓申.撥叉、撥叉體類零件鉆徑向孔成組夾具設(shè)計[J].工具技術(shù),2005,8.

    [2]徐啟賀,任中普,戚新波.TRIZ創(chuàng)新理論使用指南[M].北京理工大學(xué)出版社, 2011.

    [3]周長青,彭偉.TRIZ理論物場模型的演化及其應(yīng)用[J].輕工機械,2010,4.

    [責(zé)任編輯:田吉捷]

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