基于TRIZ理論的夾具創(chuàng)新設(shè)計模型及系統(tǒng)構(gòu)建

王曉宏

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 咸陽 712000)

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，全球產(chǎn)業(yè)正在邁入新一輪的變革，作為我國國民經(jīng)濟支柱的制造業(yè)將迎來前所未有的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，市場中眾多因素都在促使傳統(tǒng)制造系統(tǒng)發(fā)生變革，如消費者需求的多樣化及個性化等。目前，可重構(gòu)制造系統(tǒng)是唯一能夠同時滿足市場眾多變革需求的新型制造系統(tǒng)，其具有剛性生產(chǎn)流水線以及柔性制造系統(tǒng)的優(yōu)點，能夠幫助傳統(tǒng)制造業(yè)健康發(fā)展。在可重構(gòu)制造系統(tǒng)中，可重構(gòu)夾具是最為關(guān)鍵的組成部分，其能夠起到提高制造系統(tǒng)重構(gòu)性以及保障制造業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量等作用。但相關(guān)部門在對可重構(gòu)夾具進(jìn)行設(shè)計的過程中，缺乏解決夾具設(shè)計沖突問題的有效工具，僅靠人工經(jīng)驗對設(shè)計過程進(jìn)行推理把握，使整個設(shè)計過程缺乏創(chuàng)新性[1-3]。此現(xiàn)象嚴(yán)重違背了制造業(yè)在創(chuàng)新驅(qū)動方面的設(shè)計初衷，對可重構(gòu)制造系統(tǒng)的發(fā)展造成了極大的影響?；诖?，本文將從制造業(yè)改革需求出發(fā)，提出將TRIZ理論應(yīng)用至可重構(gòu)夾具的創(chuàng)新設(shè)計當(dāng)中，以多角度的科學(xué)思維模式，對可重構(gòu)夾具進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

1 基于TRIZ沖突的可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計模型

TRIZ理論是由根里奇·阿奇舒勒團(tuán)隊通過對各國眾多高水平專利以及自然科學(xué)知識的研究，整理歸納出的一種解決發(fā)明問題的理論。TRIZ理論在解決相關(guān)問題時，主要以發(fā)明創(chuàng)造中所遵循的客觀規(guī)律和方法為基礎(chǔ)，提供各種分析工具和求解工具，從而為設(shè)計人員提供一種新思維創(chuàng)新模式。在葉片測量夾具的創(chuàng)新設(shè)計中，主要通過沖突解決原理解決問題，然后對方案進(jìn)行評價，進(jìn)而完成對葉片測量夾具的創(chuàng)新設(shè)計[4]。具體流程如圖1所示。

圖1 基于TRIZ沖突解決原理的可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計模型

由圖1可以看出，模型主要通過4個步驟解決可重構(gòu)夾具設(shè)計過程中的設(shè)計沖突：第一，設(shè)計人員對相關(guān)設(shè)計問題進(jìn)行分析及定義；第二，確定觸發(fā)沖突的夾具設(shè)計參數(shù)，并利用映射關(guān)聯(lián)表將此參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)門RIZ標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)；第三，借助TRIZ沖突解決原理對夾具設(shè)計沖突問題進(jìn)行求解，從而獲得TRIZ原理解；第四，采用類比聯(lián)想以及實例推理等方法，得到針對可重構(gòu)夾具的創(chuàng)新解。

2 葉片測量夾具設(shè)計存在的問題及過程模型構(gòu)建

2.1 測量夾具設(shè)計存在的問題

以某企業(yè)發(fā)動機葉片測量夾具設(shè)計為例，利用 TRIZ理論在解決可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計方面的優(yōu)勢。當(dāng)前，該企業(yè)發(fā)動機葉片測量存在以下問題：

第一，發(fā)動機葉片進(jìn)行測量時，采用樣板測量方式。該方式將會使測量夾具與葉片保持長期且持續(xù)的接觸，從而造成測量夾具零部件磨損問題，直接影響到夾具的定位精度與葉片最終的測量精度。

第二，由于樣板測量對樣板本身的精度有一定要求，從而使樣板制造與葉片制造一樣具有一定的難度。同時樣板的測量方式主要是借助光線的透光度觀察誤差，這種方式雖然能夠提高樣板制造的精度，但卻無法保證測量結(jié)果的精度。

2.2 葉片測量過程模型構(gòu)建

根據(jù)上述分析可知，傳統(tǒng)葉片測量夾具在設(shè)計過程中一般不會考慮產(chǎn)品的拆卸性、通用性等關(guān)鍵問題，進(jìn)而造成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)存在很多相對立的參數(shù)需求，因此這種設(shè)計方法無法徹底解決夾具設(shè)計過程中出現(xiàn)的沖突問題。為此，本文將葉片測量夾具作為夾具創(chuàng)新設(shè)計的研究對象，對當(dāng)前測量夾具存在的問題按模塊進(jìn)行劃分，具體劃分為四大模塊，分別為矛盾沖突求解模塊、技術(shù)進(jìn)化求解模塊、BS(簡稱頭腦風(fēng)暴法)群體創(chuàng)新模塊、克服思維慣性模塊。這些模塊都能對葉片測量夾具的參數(shù)進(jìn)行求解。具體葉片測量夾具設(shè)計問題求解過程模型如圖2所示。

圖2 葉片測量夾具設(shè)計問題求解過程模型

3 面向葉片測量夾具的CAI軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

本文主要將葉片測量夾具軟件系統(tǒng)分為三大模塊，分別為葉片信息知識模塊、問題求解模塊以及輔助功能模塊。其中，葉片信息知識模塊主要由葉片信息、葉片參數(shù)信息以及測量夾具信息所組成，能夠使設(shè)計人員更為全面地了解設(shè)計對象的相關(guān)信息，從而為葉片測量夾具的創(chuàng)新設(shè)計提供基礎(chǔ)參數(shù)支持；問題求解模塊主要由技術(shù)沖突求解模塊、物理沖突求解模塊、技術(shù)效應(yīng)求解模塊、技術(shù)進(jìn)化求解模塊、BS群體創(chuàng)新模塊以及克服思維慣性模塊所組成，是整個葉片測量夾具軟件系統(tǒng)的核心所在，能夠為不同可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計問題在進(jìn)行求解的過程中提供相關(guān)的方法；輔助功能模塊主要由方案與知識查詢、上傳及系統(tǒng)幫助模塊等構(gòu)成，以提高系統(tǒng)的體驗性。

3.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

本文在進(jìn)行葉片測量夾具的CAI軟件架構(gòu)設(shè)計時，采用三層架構(gòu)體系，將其劃分為表示層、業(yè)務(wù)層以及數(shù)據(jù)層[5]。具體葉片測量夾具CAI軟件整體架構(gòu)如圖3所示。

3.3 整體登錄流程設(shè)計

本文所設(shè)計葉片測量夾具CAI軟件以TRIZ理論為核心，結(jié)合頭腦風(fēng)暴法和克服思維慣性法，能夠解決可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計過程中存在的各種沖突問題。用戶在登錄到該軟件系統(tǒng)平臺之后，可以根據(jù)自身不同需求，自行采用系統(tǒng)平臺中提供的多種功能模型，從而實現(xiàn)對可重構(gòu)夾具設(shè)計問題的分析求解、專利查看下載、解決方案查詢、可重構(gòu)夾具元組件信息的分析應(yīng)用等操作，能夠滿足用戶的不同需求。整體登錄流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 開發(fā)工具選取

選擇C#語言對網(wǎng)頁進(jìn)行開發(fā)，以SQL Server 2012作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

圖4 整體登錄流程

4.2 實現(xiàn)結(jié)果

對航空發(fā)動機葉片測量夾具進(jìn)行設(shè)計。改進(jìn)前、后的葉片測具如圖5所示。

由圖可以看出，改進(jìn)后每個模塊可進(jìn)行獨立設(shè)計，且可輕易實現(xiàn)對不同組件的拆卸，并讓原本不動的部件動起來，而讓原本動的部件不動，實現(xiàn)了對夾具的重構(gòu)。同時，將每個樣板的末端與立板對齊，只需要調(diào)整樣板，即可通過百分表讀出葉片型面的誤差。相比傳統(tǒng)的樣板測量中借助透光度對誤差進(jìn)行估算，這種方法更精確。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合TRIZ理論在解決重構(gòu)夾具設(shè)計問題上的優(yōu)勢，針對傳統(tǒng)葉片夾具設(shè)計中存在的問題，運用CAI輔助軟件和TRIZ理論實現(xiàn)了對葉片夾具設(shè)計的重構(gòu)，從而大大提高了葉片測量夾具的精度，也大大提高了設(shè)計的靈活度，為當(dāng)前發(fā)動機領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計提供了新的參考和借鑒。

圖5 葉片測具