齒輪外錐角測量檢具機構的創新設計

袁小江

（無錫科技職業學院，江蘇 無錫 214028）

1 引言

前蘇聯科學家阿齊舒勒等人在研究與分析世界各國大量的發明專利后，并綜合多個學科領域的原理和法則，提出了“發明/創新問題的解決理論”，即TRIZ理論。經過幾十年不斷的研究與發展，國際上有三種代表性的TRIZ模型和方法論，分別是：（1）技術矛盾和物理矛盾的矛盾矩陣及其發明原理和分離原理；（2）“物—場”模型及標準解法；（3）SUH模型及SUH算子解法［6-9］。應用第一種方法解決齒輪外錐角測量檢具中的矛盾問題，分析提出創新設計方案。應用TRIZ理論方法實現創新的流程是：先分析需要解決的問題，應用39個通用工程參數中和該問題相適應的參數來表達需解決的問題，把一個具體的問題轉化為TRIZ理論問題。然后確定該TRIZ問題是技術矛盾還是物理矛盾，若是技術矛盾，則應用矛盾矩陣從40個發明原理中找到合適的原理；若是物理矛盾，就應用分離原理來確定相應的發明原理。最后利用發明原理找到具體問題的解決方案，并對其進行評估，如果方案比較優化則執行方案，如果方案不優化則重復前面的步驟，直至找到優化的方案為止[1-4]。

圖1 基于TRIZ理論的創新設計流程Fig.1 Innovation Design Process Based on TRIZ Theory

創新設計時首先確定創新對象，通過研究與分析存在的問題，用39個工程參數中的兩個來表達矛盾，并確定矛盾的類型。之后針對不同類型的矛盾，采用相應的解決矛盾問題的工具，確定矛盾問題的創新原理，最終確定優化的創新設計方案，其常規流程[3]，如圖1所示。

2 案例介紹

2.1 齒輪外錐角被測參數

被測外錐角齒輪零件，如圖2所示。該齒輪零件的被檢測參數有兩個，一是外錐角，二是與工藝基準面（零件的下底端面）距離（50±0.05）mm外錐角的基準直徑φ152.5±0.05mm。被測參數外錐角′是以直徑φ152.5±0.05mm處為起點至上端面為測量范圍，兩被測參數具有關聯性。該道工序的外錐角加工是以下底端面和內孔作為工藝基準。

圖2 被測外錐角齒輪零件圖Fig.2 Measured Outside the Cone Angle Gear Part Drawing

2.2 測量點的布置方案

根據零件測量要求與精度，采用比較測量法（以精密制造的檢具校準件為測量基準零位，被測參數的實際數據與之進行比較，在公差范圍內即為合格，否則不合格），將兩個被測參數進行合并測量，采用直線位移傳感器把測量數據轉化為電信號，通過電子柱直觀顯示。其測量點的布置位置，如圖3所示。

圖3 測量點設置圖Fig.3 Measurement Point Set Figure

以工藝基準進行定位，在距離底面基準（50±0.01）mm處（即直徑φ152.5±0.05mm處）設置測量基準，在測量基準之上5mm處設置測量點1，測量外錐角（測量桿1的直線位移尺寸傳給傳感器，通過直線位移尺寸轉化為角度變化值，從而確定角度的誤差值）；在對稱面（右側）設置測量點2，測量直徑φ152.5±0.05mm的尺寸誤差。

2.3 檢具結構方案介紹

根據被測量參數的精度與要求，測量點的設置與數據的轉化、顯示是檢具結構的基本要求，這個方面成本壓縮控制的空間不大。根據齒輪零件的結構特點，被測零件只能由側面推入放置到測量點的位置上（不能由上往下直接放入到測量點位置上），結合檢具在線測量的技術要求，其結構考慮以下幾種方案。（1）直線電機，被測零件放置在基座上定位，由直線電機驅動基座（低速運動），運送零件到達測量點位置，完成測量后再回到測量點之外一定的距離位置。直線電機需安裝在檢具底板底部。（2）氣缸，由氣缸驅動基座完成上述工作，氣缸也需安裝在檢具底板底部，現場需有滿足條件的氣源。（3）傳送帶，由傳送帶驅動基座進行上述工作。

以上三種方案各有優缺點，直線電機自動化程度高，但動態剛性較差，需加緩沖阻尼，易發熱，需考慮散熱條件，操作較為復雜。氣缸操作簡單方便，測量現場需有符合要求的氣源，其低速下運動穩定性較差，行程控制不精確。傳送帶進行直線運動時，需要通過齒輪、蝸桿、絲杠等機械裝置進行傳動轉化，同時傳送帶需要考慮反方向回程運動，機構較為復雜。

3 案例矛盾點分析

檢具在線測量工作時由一人進行操作，要求檢具操作簡單；30s之內完成一個零件的檢測，要求測量精度穩定、高效；滿足測量條件時，要求檢具低成本控制。通過分析檢具的設計要求，應用TRIZ理論的39個工程參數來定義，希望得到改善和提高的參數有：“可靠性”、“測量精度”、“使用的方便”、“自動化程度”，改善和提高這些參數則容易導致惡化的參數有：“裝置的復雜層次”、“控制的復雜層次”。這些矛盾都屬于技術矛盾，通過查詢TRIZ矛盾矩陣表，得到解決矛盾的創新發明原理，如表1所示。

表1 矛盾矩陣表Tab.1 Contradiction Matrix Table

根據表1所列出的創新發明原理，結合檢具的技術要求，通過整理與分析其中的26、27、24、17條原理具有可行性。選擇的原理與矛盾問題的解決方案，如表2所示。

表2 原理與解決方案Tab.2 Principle and Solution

4 案例機構的創新設計應用

通過上述創新原理解決方案的分析，根據齒輪外錐角測量檢具的技術要求，綜合考慮測量精度與操作性、成本要求等因素，設計機械式的操作機構驅動被測零件移動，其創新設計結構，如圖4所示。主要創新設計點如一下幾點所示。

（1）根據維數變化法，在底板下面用4個腳支柱支撐出足夠高的空間，在底板12上開設方形通孔，將推拉軸控制機構設置在底板之下，移動板2與基座3設置在底板面之上。（2）根據中介物法，驅動被測零件通過多種中介物進行傳遞，被測零件定位于基座3上，基座3固定在移動板2上，推拉軸9的一端通過固定支座4與移動板2連接，另一端通過固定座10與底板12固定連接，通過轉動與推拉把手13使得推拉軸9帶動移動板2驅動被測零件，在與測量點連線垂直的面上做直線運動。（3）根據復制和替代原則，由推拉軸的直線運動帶動被測齒輪工件在測量點之外先與基座3安裝定位好，然后直線運動到測量點位置停止。為保證零件與測量點的準確位置，利用限位螺釘1進行位置的調試，利用安裝在推拉軸上的彈簧7使得被測工件在直線運動過程中沒有間隙位移量，同時在啟動與停止時具有緩沖作用；為防止長期使用彈簧與推拉軸之間出現磨損間隙，同時使得彈簧不跟隨推拉軸轉動，在彈簧一端安裝雙向推力球軸承8。擋被測工件準確到達測量點位置時，轉動把手13，使得推拉軸轉動，限位銷11與推拉軸上的限位槽配合進行限位，并由彈簧的推力消除限位時的間隙，使得工件在測量過程中固定不動；測量結束后，反向轉動把手并向外拉推拉軸與另一端槽限位（直線運動45mm），再安裝下一個工件進行測量。

圖4 創新設計結構圖Fig.4 Innovative Design Structure

為避免滑動摩擦力與磨損的影響，移動板2的直線移動設計為鋼珠滾動移動的結構，如圖5所示。移動板2整體與底板8不接觸，并保持1mm的間隙，移動板兩側通過鋼珠與固定在底板上的支架4滾動接觸，通過擋塊5上的調整螺釘6調整好位置精度并鎖緊。

圖5 移動板的移動結構Fig.5 The Movement of the Mobile Plate Structure

5 結束語

通過齒輪外錐角的被測參數與零件結構特點的分析，根據在線測量應用的要求對檢具提出了較多的設計限制，往往有些要求是互相矛盾的，既要高效與一定的自動化程度程度，又要求低成本，操作簡單方便，為找到這些矛盾的平衡點，引入了TRIZ理論的39個工程參數定義矛盾。通過矛盾矩陣提供的創新原理分析技術要求，設計解決矛盾的方案，在實現同等效率、操作性等要求的條件下，降低了成本。通過齒輪外錐角測量檢具案例應用的介紹，通過問題矛盾點的分析，應用矛盾矩陣表查找解決矛盾點的對應方法，經過優化分析建立創新解決方案，實現較優化解決問題的手段。該案例的經驗介紹對當前技術創新、創造性的應用具有良好的借鑒作用。