基于TRIZ的凸輪機構實驗臺的設計

宋雙雙，馬超，姚佳，譚仕鑫

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基于TRIZ的凸輪機構實驗臺的設計

宋雙雙，馬超，姚佳，譚仕鑫

（遼寧工業大學 機械學院，遼寧 錦州 121001）

利用TRIZ理論針對凸輪實驗臺進行了創新設計研究。首先將設計描述為TRIZ問題從而確定技術沖突，再使用技術沖突矩陣找到合適的發明原理，在發明原理的指導下制作了一種能夠直接繪制凸輪運動規律曲線的盤形凸輪實驗臺。該凸輪實驗臺包含了齒輪、凸輪、直線軸承等多種傳動機構，在手動操作下，凸輪帶動繪圖筆直線運動，同時齒輪系帶動輥子和紙張轉動，繪圖筆能夠在紙張上繪制出凸輪機構的位移－角度曲線。這種凸輪實驗臺結構簡單、成本低、易攜帶，非常適合在高校的相關實驗中使用。

TRIZ；技術沖突；凸輪實驗臺

凸輪機構是機械基礎課程要學習的重要章節，它的結構組成雖然簡單，涉及到的知識面卻非常廣泛，學習難度較大，一直是高校學生的學習難點[1]，但目前很多高校缺少滿足課堂及實驗需求的凸輪實驗教具，給學生們的學習造成了一定的困難。基于此，本文在TRIZ創新設計理論的指導下，自主設計并制作了一種凸輪機構實驗教具，該教具造價低廉、方便攜帶、操作性強，在課堂教學和實驗教學的實踐中取得了良好的效果。

1 TRIZ主要理論及方法

TRIZ是一套發明問題解決理論，是采用系統化的方法和工具來解決創造性問題的流程化方法[2-3]，對產品開發與設計創新具有重要意義。在凸輪機構教具的發明中，首先要將發明中的具體問題描述為TRIZ問題，確定出發明中的技術沖突，基于技術沖突解決原理使用通用工程參數對問題進行表達及分析，然后使用技術沖突矩陣表來尋找相應的發明原理，再借鑒、使用前人的技術成果，提出創新設計的方案，解決問題的流程如圖1所示。

圖1 TRIZ問題解決流程

2 采用TRIZ方法對問題進行分析并解決

2.1 問題分析、尋找沖突

設計目標確定為能夠適用于教室、實驗室等多種環境，結構簡單、操作豐富、成本較低的凸輪機構實驗教具的設計。在設計中利用TRIZ理論的場物模型來描述凸輪機構實驗教具，得到如圖2所示的模型，其中凸輪和繪圖紙通過機械作用場來產生關系?；谏鲜瞿Ｐ?，可得到問題的最終理想解：裝置能夠在機械能的驅動下完成凸輪的轉動，并保證繪圖的輸出，這就產生了使得凸輪機構實驗裝置結構復雜的有害效應。

圖2 場物分析模型

2.2 建立技術沖突矩陣

根據TRIZ理論的39個通用工程參數，將上述沖突抽象為一般問題描述，分析并列出表1與表2中需要改善的參數、惡化的參數并構建沖突矩陣。

表1 沖突矩陣表1

表2 沖突矩陣表2

3 凸輪實驗臺的設計

3.1 根據發明原理提出設計方案

在TRIZ分析中得到的發明原理是帶有普遍規律的，當在實際問題中應用發明原理時，需要對應實際問題、具體情況從而得到具體問題的特定解。經過分析篩選，選用以下發明原理，并得出具體的解決方案。

（1）采用發明原理7（嵌套原則），即一個物體通過另一個物體的空腔。機構的框架由木質結構搭接構成，在機架的內部設有空腔，用空間輪系來完成傳動。

（2）采用發明原理1（分割原則），即將物體分容易組裝和拆卸的部分。機架采用木結構搭建，由螺絲完成緊固；采用緊定螺釘將手搖輪、齒輪、螺栓固定在光軸上，讓機構的拆裝非常簡單；由于轉矩很小，采用螺母預緊的方式來固定凸輪，使凸輪容易安裝和拆卸。

（3）采用發明原理24（中介原則），即把另一個（易分開的）物體暫時附加給某一物體。實驗臺要對多種凸輪廓線進行模擬，因此需要放置多個凸輪，在框架內部設計了光軸式凸輪庫，便于不同類型凸輪的更換與存放，可以實現多種運動規律圖線的繪制與輸出。

（4）采用發明原理3（局部性原則），即使物體的不同部分應當具有不同的功能。在設計中，按原動、傳動和執行部分對機構進行拆分組合，各部分完成不同的工作內容，將傳動部分設計為空間機構，把原動和執行部分連接在一起。

3.2 總體設計方案

凸輪機構教具主要由機架、凸輪庫、傳動錐齒輪、手輪、凸輪及推桿、傳動齒輪、繪圖筆、切刀、輸出輥等部分組成，結構如圖3所示。其中機架為木質框架，降低了整體質量與造價，手輪為原動件，驅動方式為手搖，也可連接電機驅動。其運動和力主要通過3傳動錐齒輪與6傳動齒輪進行傳遞：一部分通過3傳動錐齒輪將手輪的轉動轉換為凸輪的轉動，再由凸輪推動推桿進行直線往復運動，在推桿上設置彈簧實現推桿的回程鎖合。另一部分通過6傳動齒輪驅動9輸出輥，帶動紙張完成與繪圖筆垂直的輸出運動。通過繪圖筆上設定預緊力自動調節彈簧，防止筆尖壓力過大劃破紙張。在這兩種運動的共同作用下，教具能夠完成凸輪機構位移曲線即－曲線的一次性連續繪制，實物見圖4。

3.3 操作過程

操作過程為：

（1）轉動手柄，通過錐齒輪傳動，帶動凸輪的運動；

（2）凸輪轉動時由于廓線的變化，會頂著推桿做往復運動，與推桿相連的繪圖筆也會做軸向往復運動；

（3）同時，手柄上的直齒輪系又驅動兩個輸紙工作輥轉動，工作輥帶動紙筒的卷軸，使得紙沿著垂直于推桿軸向的方向做輸出運動；

（4）在這兩個運動的共同作用下，輸出的紙就能夠繪制出推桿的運動規律曲線；

（5）當曲線繪制完成后，停止轉動手柄，按下切刀的把手，將輸出圖紙取下，完成操作。

圖3 結構原理圖

圖4 實物圖

3.4 創新點分析

（1）該實驗臺造價低、占地小、重量輕，攜帶方便，可以輸出多種類型的運動規律適用于課堂演示實驗和實驗室綜合實驗。

（2）可方便快速的更換凸輪、推桿，變換推桿位置，有利于學生更加深入地了解和掌握凸輪機構的各種性能，從而將書本知識落實到工程實際。

（3）包含多種機構，大量采用標準零件，拆、裝以及零件的更換十分方便。

4 結語

采用TRIZ創新設計理論所設計的新型凸輪機構運動實驗臺，是采用先進的創新設計方法來進行自主教具設計的成功嘗試，有效地提高了工科類高校在凸輪機構實驗教學環節的教學水平。該實驗教具有良好的實用性、經濟性，能夠拓展學生的研究能力和動手能力，對于推動高校實驗室的建設有重要意義。

[1]田杰，等. 凸輪機構創新綜合實驗裝置研究[J]. 合肥工業大學報，2011，34（7）：986-988.

[2]延偉，王江蘭，王歡. 基于TRIZ反饋原理的銑刨機灑水系統創新設計[J]. 機械，2016，43（11）：37-41.

[3]魏奇鋒，等. 基于TRIZ的生物醫學工程儀器創新設計[J]. 工程設計學報，2011，18（5）：322-325.

[4]濮良貴. 機械設計（第八版）[M]. 北京：高等教育出版社，2011：238-269.

[5]劉昌祺，牧野洋，曹西京. 凸輪機構設計[M]. 北京：機械工業出版社，2005.

Design for the Cam Experimental Platform Based on TRIZ

SONG Shuangshuang，MA Chao，YAO Jia，TAN Shixin

( Mechanical Engineering &Automation College,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China )

This paper use Technical conflict method of TRIZ on the innovation of new type of cam mechanism test bench. First, the design is described as the TRIZ problem to identify conflicts, then the technology of conflict matrix is used to find the right invention principle, finally, a kind of test bench which can directly draw the motion rule curve of cam is designed under the guidance of the invention principle. This CAM experiment table contains gear, CAM, linear bearings and other transmission mechanisms, the CAM drives the drawing pen under the manual operation, at the same time, the gears drives the roll and paper, drawing pen can draw a displacement-Angle curve of CAM mechanism on the paper. This cam mechanism experiment test bench has the advantages of simple structure and low cost. It is very suitable for cam mechanism experiments in universities.

TRIZ；technical contradiction；cam mechanism test bench

TB472

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.06.013

1006－0316 (2018) 06－0067－04

2017－12－07

遼寧省大學生創新創業項目（201701006）；遼寧工業大學教改立項（201603）

宋雙雙（1996－），女，遼寧鐵嶺人，本科，主要研究方向為機電一體化設計；馬超（1981－），男，遼寧朝陽人，碩士，講師，主要研究方向為機械設計及理論。