基于物-場分析的旋鉚機布局設(shè)計研究

袁 峰，丁澤新，李月梅，朱 俊

(1.鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院，河南鄭州450001;2.唐山冀東石油機械有限責(zé)任公司，河北唐山063200)

0 引言

TRIZ認(rèn)為發(fā)明問題的核心就是解決沖突［1］，沒有克服沖突的設(shè)計不是創(chuàng)新設(shè)計.TRIZ解決設(shè)計中矛盾的途徑主要有兩條:一條是通過問題描述來確定矛盾，然后分析屬于技術(shù)矛盾還是物理矛盾，確定矛盾的類型后選用相應(yīng)的解決辦法;另一條是通過問題描述建立起系統(tǒng)特定問題的物-場模型，然后分析物-場模型的特點和類型，確定物-場模型的類型后選擇相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解求解［2］.由此可見，物-場分析是TRIZ的重要分析工具之一.自其創(chuàng)立以來，為各類工程問題的解決提供了有效的方法［3-5］.

鋸鏈?zhǔn)巧植煞ビ弯徤系墓ぷ鞑考浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.該種型號的鋸鏈由連接片、右切齒鏈片、安全傳動片、左切齒鏈片、普通傳動片、鏈軸6種零件組成.鋸鏈的每12個鏈片(包含6個連接片，2個安全傳動片、2個普通傳動片和2個切齒鏈片)為其最小循環(huán)單元，由8個鏈軸鉚接而成.通過對鋸鏈結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合生產(chǎn)實際，我們擬定以鋸鏈的最小循環(huán)單元為其裝配單元，鉚接是鋸鏈自動裝配過程中的最后一道工序.

鋸鏈自動裝配系統(tǒng)屬于小型零件、快節(jié)拍、較高精度的自動化裝配線，在旋鉚機布局的設(shè)計中，存在著尖銳的空間沖突.物-場分析是TRIZ解決設(shè)計矛盾的主要途徑之一，利用其建立起來的物-場模型，結(jié)合76個標(biāo)準(zhǔn)解，可為鋸鏈自動裝配系統(tǒng)中旋鉚機布局的設(shè)計提供新的方法.

圖1 鋸鏈結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of saw chain

1 旋鉚機布局中的問題描述

物-場分析法的運用可分為3條主要路徑:①系統(tǒng)改進(jìn);②檢測和測量解;③使用標(biāo)準(zhǔn)解預(yù)測改變的時機［6］.物-場分析法應(yīng)用流程如圖2所示.旋鉚機的布局設(shè)計屬于系統(tǒng)改進(jìn)這條最具代表性的路徑.

依據(jù)物-場分析法應(yīng)用流程，首先描述系統(tǒng)中存在的問題.旋鉚機布局設(shè)計的指導(dǎo)思想是:

(1)旋鉚機的工作必須與鋸鏈自動裝配過程中的其他環(huán)節(jié)保持同步，即在單個工作循環(huán)時間內(nèi)必須將對應(yīng)的8個鏈軸鉚接完畢，以保證整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn);

(2)在滿足條件(1)的基礎(chǔ)上，旋鉚機的布局應(yīng)盡可能緊湊，以減小系統(tǒng)累積誤差，保證系統(tǒng)的裝配精度，同時避免裝配線過長.

鋸鏈的每個裝配單元長度為74.12 mm，而旋鉚機的正常工作約需相距30 mm，故在單個裝配單元內(nèi)同時布置8個旋鉚機必將產(chǎn)生干涉問題.

圖2 物-場分析法應(yīng)用流程Fig.2 The application process of substance-field analysis

2 鏈軸鉚接物-場模型的建立

要解決旋鉚機的布局問題，必須首先建立旋鉚機布局的物-場模型.物-場分析法將所有功能都看做由3個基本元素組成:物質(zhì)S1、物質(zhì)S2和場F，且任何一個系統(tǒng)功能都可以用相應(yīng)的物-場模型進(jìn)行描述并加以分析［7］.根據(jù)兩個物質(zhì)之間作用力效果的差異，TRIZ將物-場模型分為4大類，如圖3所示.

在鏈軸鉚接物-場模型中，旋鉚機對應(yīng)物質(zhì)S2，鏈軸對應(yīng)物質(zhì)S1，兩者之間的場F為機械能，3個基本元素均存在，因此鏈軸鉚接物-場模型不屬于不完整功能模型.8個旋鉚機布置在同一裝配單元內(nèi)將產(chǎn)生干涉問題，產(chǎn)生與鉚接相沖突的效應(yīng)，所以鏈軸鉚接物-場模型屬于有害功能模型.通過上述分析，建立鏈軸鉚接物-場模型如圖4所示.

3 旋鉚機布局方案的確定

在對己有系統(tǒng)特定問題建立了物-場模型的基礎(chǔ)上，TRIZ給出了76個標(biāo)準(zhǔn)解來解決技術(shù)系統(tǒng)的功能缺陷問題，其目標(biāo)是將非有效完整系統(tǒng)、不完整系統(tǒng)與有害系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成有效完整系統(tǒng).基于物-場分析法在不同領(lǐng)域的分析與應(yīng)用，Altshuller等人通過深入研究，將76個標(biāo)準(zhǔn)解分為5類，以提高設(shè)計效率，如表1所示［8］.

表1 標(biāo)準(zhǔn)解分類與個數(shù)Tab.1 The classification and number of standard solutions

根據(jù)物-場分析法應(yīng)用流程，因為鏈軸鉚接屬于有害功能模型，所以選擇第1，2類標(biāo)準(zhǔn)解作為探索方向.第1，2類標(biāo)準(zhǔn)解主要用于消除或抵消有害效應(yīng)，結(jié)合問題實際，第10個標(biāo)準(zhǔn)解有助于該問題的解決(No.10:在一個系統(tǒng)中有用及有害效應(yīng)同時存在，但不允許增加新物質(zhì)，通過改變S1或S2消除有害效應(yīng).該類解包括增加“虛無物質(zhì)”，如空位、真空、氣泡等).

旋鉚機的布局問題主要是空間沖突，利用空位似乎是最簡單有效的解決方法.然而空位的增加，必然帶來裝配線的延長，累積誤差的加大.因此，在保證旋鉚機工作時互不干涉的前提下，空位應(yīng)盡可能的少.連接片、切齒鏈片的中心距為9.93 mm，傳動片的中心距為8.60 mm，相鄰旋鉚機之間約需相距30 mm，故初步擬定旋鉚機的布局如圖5所示.8個旋鉚機分布在4個裝配單元長度內(nèi)，同步協(xié)調(diào)動作，共同完成鋸鏈的鉚接工作.

方案一雖能滿足系統(tǒng)的基本要求，但總體上看還不夠緊湊，因此并不理想.按照流程圖，接下來應(yīng)用第3類標(biāo)準(zhǔn)解進(jìn)一步改善系統(tǒng).第3類標(biāo)準(zhǔn)解的第37個標(biāo)準(zhǔn)解給旋鉚機的布局提供了新的靈感(No.37:系統(tǒng)傳遞，產(chǎn)生雙系統(tǒng)或多系統(tǒng)).多頭鉆床的設(shè)計成功便是這一理論的典型成功案例，并且對后續(xù)旋鉚機的改進(jìn)具有直接借鑒意義.根據(jù)這一設(shè)計思想，改進(jìn)后的旋鉚機布局如圖6所示.

在方案二中，每個旋鉚機同時驅(qū)動4個工作頭，在兩個裝配單元長度內(nèi)即可完成鋸鏈的鉚接工作，從而有效解決了裝配線的冗長問題，布局十分緊湊.同時旋鉚機的四個工作頭對稱布置，相鄰兩個工作頭之間的距離恒為18.53 mm，這也簡化了旋鉚機的技術(shù)改進(jìn)過程.方案二不僅有效解決了裝配線的冗長問題，而且只需對旋鉚機進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)就能很好的解決鏈軸的鉚接問題，幾乎不會對系統(tǒng)其他部分的設(shè)計形成約束.因此，我們將其作為理想解輸出.

4 結(jié)論

物-場分析是TRIZ中重要的分析工具，用以建立與技術(shù)系統(tǒng)問題相聯(lián)系的功能模型.在問題的解決過程中，可以根據(jù)物-場模型所描述的問題，查找相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解，從而為技術(shù)難題的解決指出明確的方向，縮短產(chǎn)品研發(fā)時間.筆者根據(jù)物-場分析法應(yīng)用流程，運用物-場模型及76個標(biāo)準(zhǔn)解，得到了鋸鏈自動裝配系統(tǒng)中旋鉚機布局的理想解，解決了設(shè)計中遇到的空間矛盾，縮短了整個系統(tǒng)的研發(fā)時間.目前，整個鋸鏈自動裝配系統(tǒng)已進(jìn)入組裝調(diào)試階段.

［1］EMILY M S.From Russia with TRIZ［J］.Mechinal Engineering，2003，125:18-20.

［2］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，2010，28(2):89-92.

［3］CHEN J L，CHEN W C.TRIZ based eco-innovation in design for active disassembly［C］//14th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering.Tokyo:Waseda University，2007:83-87.

［4］袁峰，王太勇，聶惠娟.基于創(chuàng)新設(shè)計理論/功能分析的機械產(chǎn)品功能原理創(chuàng)新設(shè)計［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2006，12(2):204-209.

［5］林岳，徐燕申，牛占文.基于物-場分析法的機械產(chǎn)品創(chuàng)新［J］.天津大學(xué)學(xué)報，2001，34(1):99-102.

［6］檀潤華.發(fā)明問題解決理論［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［7］ALTSHULLER G S.Suddenly the Inventor Appeared［M］.USA:Technical Innovation Center，1996.

［8］高常青.TRIZ-發(fā)明問題解決理論［M］.北京:科學(xué)出版社，2011.