基于TRIZ和Pro/Innovator 6.0的超薄軸承套圈外徑測量系統的創新設計

焦葉凡，尹延經，劉揚

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039)

隨著現代工業機器人趨于輕型化，要求與其配套的軸承具有更加簡單、緊湊的結構。薄壁軸承追求外形極限尺寸，具有重量輕、體積小、精度高、壽命長等優良性能，能夠很好地滿足輕量化需求。目前，某型軸承套圈的壁厚最薄處僅為0.275 mm，其外徑尺寸采用傳統的機械測量儀(如D913)測量時極易產生變形，無法有效獲取數據。因此，為提高超薄軸承套圈外徑測量的準確性，采用TRIZ理論和計算機輔助創新平臺Pro/Innovator 6.0，對超薄軸承套圈外徑測量系統進行創新設計，以提出合理有效的解決方案。

1 TRIZ系統和Pro/Innovator簡介

TRIZ理論即“發明問題解決理論”，是一種總結各種技術發展進化遵循的規律模式，并綜合多學科領域的原理和法則建立起的一套解決方法理論體系[1-2]。文獻[3]在基于TRIZ的軸承概念設計創新研究中預測了未來軸承會向著“功能齊全，結構消失”的自潤滑結構模式發展，驗證了TRIZ對行業技術進化路線的預測能力；基于TRIZ理論，文獻[4]完成了振動鉆削裝置的改進和車削技術的預測；文獻[5]對刃具干磨工藝進行了改造，進一步驗證了TRIZ理論對實際工況中技術難題的解決能力。

在國內，TRIZ理論尚處于學習與熟悉的階段，諸多科研機構和專家都在致力于研究和運用TRIZ理論，Pro/Innovator 6.0(計算機輔助創新平臺)則提供了一套完整的計算機輔助創新解決方案，實現了創新設計問題的流水線解決方式。

2 Pro/Innovator 6.0解題流程

如圖1所示，在解決工程問題的實際應用中，Pro/Innovator 6.0的流程為：1)通過技術人員對初始問題進行描述；2)對待解決問題進行系統分析、建立系統組件模型、不斷分解問題，找到問題產生的根本原因并形成問題列表；3)根據工程技術特性選擇合適的通用工程參數，進行資源分析，定義問題的矛盾矩陣，查找TRIZ理論中的40個創新原理，參考軟件提供的知識庫查詢功能提出解決方案；4)對各種備選方案進行評價并生成評價報告。另外，Pro/Innovator 6.0還具有專利查詢及申請的功能，可供技術人員直接將可行案例提交為專利[4]。

圖1 Pro/Innovator 6.0解題流程

3 應用實例

3.1 初始問題描述

在軸承使用過程中，為保證軸承外徑與座孔、內徑與軸的高度配合，軸承的內、外徑尺寸精度是判定軸承是否合格的重要指標。而對于中小型薄壁軸承(外徑尺寸為60～115 mm)，采用傳統的機械測量儀(D913)測量時，軸承套圈極易產生變形，無法獲取有效測量數據。

3.2 系統功能分析

在TRIZ理論中，技術系統是為了實現某個特定功能而存在的，系統功能分析就是對技術系統的功能單元及功能單元間的相互關系進行建模。Pro/Innovator 6.0從技術系統功能實現的角度，分析系統功能組件及組件系統存在的作用關系，找到技術系統矛盾所在并解決，這種分析結果能夠優化技術系統的整體性能[6]。

3.2.1 功能模型和能量流分析

利用Pro/Innovator 6.0構建系統組件模型時，需要理清系統作用對象、系統組件和超系統組件之間存在的有害或非優化作用，并將能量的傳遞和物質的轉化圖形化，以明確下一步求解方向[7]。

在該案例中，首先對超薄軸承套圈外徑測量系統進行組件分析，其功能流分析如圖2所示，已知該系統的作用對象(超薄軸承外圈)、系統組件(千分表、支點、測頭、操作臺)、超系統組件(人員、環境)、分析組件之間的相互作用，同時定義該系統中的主能量流、控制流、結構流或自定義流及各組件流傳遞中承擔的角色，最終生成“How to”問題模型。

由圖2可知，主要矛盾集中在測頭對超薄套圈存在不穩定的接觸力，而此接觸力是通過機械測量系統中彈簧力和杠桿力產生的，因此系統生成的“How to”問題模型列表為：

How to stabilize 支承力 of 超薄套圈？

How to decrease 接觸力 of 測頭？

How to decrease 彈簧壓力 of 測頭？

How to decrease 杠桿力 of 千分表？

以上分析可以明確當前系統中需解決的問題。通過Pro/Innovator 6.0軟件中組件價值分析的理想度診斷分析，可確定系統的關鍵點并從眾多“How to”問題模型列表中找出解決系統問題的突破口。組件價值理想度診斷分析如圖3所示。

由圖3可知：1)通過增加其功能貢獻來改進區域C中的系統組件側支點、垂直支點、千分表、操作臺支承板；2)通過降低系統成本來改進區域B中系統的組件測頭；3)為簡化和理想化系統，可以考慮刪除系統中理想度低的測頭和千分表。

在超薄套圈外徑測量實例中，將超薄套圈在測量過程中容易變形導致測量不準確作為初始問題，則可能產生該問題的子問題為：1)操作員對套圈的控制過量；2)測頭對套圈的壓力過大。

圖2 功能流分析示意圖

圖3 組件價值理想度診斷分析

3.3 問題解決與方案生成

TRIZ的問題模型分為技術矛盾、物理矛盾和物場模型等，對應的TRIZ工具為矛盾矩陣、分離方法知識庫和標準解系統。借助Pro/Innovator 6.0解決問題模塊對上述子問題進行深入分析，在定義矛盾后，軟件會自動查詢矛盾矩陣，列出與其相關的創新原理，并在豐富且強大的技術方案知識庫中提取實用案例作為解決有類似矛盾問題的參考，或構建實際待解決問題的物場模型，利用標準解法體系中針對模型有害作用、不足作用、過度作用等問題的解法獲得解決方案。

3.3.1 矛盾分析

首先以矛盾定義的方式提取技術矛盾，確定壓力和測量精度為改善和惡化的參數。查詢矛盾矩陣可得到3個供參考的創新原理：No.6多用性原理、No.28機械系統代替原理、No.25自服務原理。綜合分析結果如下：

1)參照No.28機械系統代替原理給出的“利用光學視覺系統、聲學聽覺系統、電磁系統、味覺系統或嗅覺系統代替機械系統”得到啟發，采用光柵原理，將測頭在光柵上的微小位移量轉化成脈沖信號從而獲取測量結果，測量過程中大大減小測頭對套圈的壓力。

2)利用運動場代替靜止場原理，將套圈尺寸的變化量轉換成壓縮空氣流量或壓力的變化，然后通過指示裝置獲取套圈誤差。

另外，根據問題切入點“測頭對套圈壓力過大”提取物理矛盾。壓力大，機械力傳遞精確；壓力小，套圈不會變形:即改善和惡化的參數均為壓力，判斷矛盾為物理矛盾，可采用的創新原理為復制原理。利用光學原理，將套圈輪廓投影，根據被測套圈投影與標準件投影比較，找出微小形變量，從而判斷套圈是否合格。

3.3.2 知識庫查詢

根據軟件提供的知識庫查詢功能，通過查詢“怎樣減小應力變形”在系統中獲取可參照的解決方案。從“充填葉片空腔的方法減小激光噴射錘擊時燃氣輪機的葉片變形”結構動作原理上得到啟發，將套圈內側填充一些比鋼材剛度小且有彈性的材料，利用其對套圈向外的作用力支承套圈，從而避免套圈變形。

3.3.3 物場分析

建立的物場模型如圖4所示，問題定義：千分表測頭要緊密接觸軸承套圈，由于測頭和人手對軸承套圈產生一定的作用力，從而造成套圈變形，導致測量不準確，即手對套圈產生不充分作用，套圈對測頭產生不充分作用。應用標準解第4級第1項第2條“測量復制品或肖像”，構造解決方案為：利用超高像素的數碼相機將被測套圈照片拍攝下來，再與標準件的照片相比較，從而得到合格套圈。

圖4 系統物場模型分析圖

3.4 方案評價

上述生成的備選方案可在Pro/Innovator 6.0軟件中進行方案評價，評價模型可參照技術人員設置的不同評價指標，組合設置權重，以達到對多個備選技術方案定量評價的目的。

在本案例中，可選擇基于精度、可操作性、成本與測量時間4個參數進行評價，各參數的權重見表1。針對薄壁軸承外圈(外徑為60 mm)，用D913外徑測量儀測量后與標準值相差3～5 μm，系統提出的方案及結果見表2，由于成本、測量時間、精度為負向影響，最終方案評價均為負值，數值越大，則證明得到的方案越成功。由表可知：方案1，2，3，5測量后均可保證與標準值相差1 μm以內，但方案1在所有方案中分數最高，即測量軸承套圈外徑精度高、成本低廉、可操作性好，采用的非接觸測量成功避免了超薄套圈在測量過程中的變形。

表1 評價參數

表2 解決方案

4 結束語

應用TRIZ理論和Pro/Innovator 6.0，通過對超薄軸承套圈外徑測量儀器現存的問題進行因果分析和資源分析，提取了問題中存在的物理矛盾和技術矛盾，找到了適用的創新原理，并在軟件強大的知識庫下獲得了超薄軸承套圈外徑測量系統的解決方案，切實有效地避免了套圈在機械力作用下的變形，提高了測量準確性。