基于TRIZ理論夾具設(shè)計(jì)模型構(gòu)建研究

陳芳

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空制造工程學(xué)院， 西安 710000)

0 引言

近年來，在科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展的背景下，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(jì)支柱的制造業(yè)也將迎來前所未有的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，市場(chǎng)中眾多因素都在逼迫著傳統(tǒng)制造系統(tǒng)進(jìn)行變革，如消費(fèi)者需求的多樣化及個(gè)性化、競(jìng)爭(zhēng)方式的激烈化及全球化、生產(chǎn)的高效化等。在此情形下，可重構(gòu)制造系統(tǒng)是唯一能夠同時(shí)滿足市場(chǎng)眾多變革需求的新型制造系統(tǒng)，同時(shí)具有剛性生產(chǎn)流水線以及柔性制造系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠幫助傳統(tǒng)制造業(yè)在面對(duì)內(nèi)外挑戰(zhàn)中健康發(fā)展。在可重構(gòu)制造系統(tǒng)中，可重構(gòu)夾具是其中最為關(guān)鍵的組成部分，能夠起到提高制造系統(tǒng)重構(gòu)性、減少系統(tǒng)斜升時(shí)間以及保障制造業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量等作用。但就目前情況來看，相關(guān)部門在對(duì)可重構(gòu)夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，缺乏能夠解決夾具設(shè)計(jì)沖突問題的有效工具，僅靠人工經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行推理把握，整個(gè)設(shè)計(jì)過程缺乏創(chuàng)新性，使可重構(gòu)夾具的設(shè)計(jì)工作難以取得任何創(chuàng)新度高的設(shè)計(jì)方案。此現(xiàn)象嚴(yán)重違背了制造業(yè)在創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)方面的設(shè)計(jì)初衷，對(duì)可重構(gòu)制造系統(tǒng)的發(fā)展造成了極大的影響。基于此，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(jì)當(dāng)中，以多角度的科學(xué)思維模式，促進(jìn)可重構(gòu)夾具進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1 TRIZ理論概述

1.1 TRIZ定義及理論體系

TRIZ是一種由前蘇聯(lián)相關(guān)研究人員根里奇·阿奇舒勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)，通過對(duì)各國眾多高水平專利以及自然科學(xué)知識(shí)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)問題過程中，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)，為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供出一種具有邏輯思維式的創(chuàng)新模式。具體的體系架構(gòu)如圖1所示。

通過圖1看出，TRIZ理論體系主要由TRIZ的基本理論體系以及TRIZ的解題工具體系所構(gòu)成。在此基礎(chǔ)上，若是再將TRIZ理論體系進(jìn)行細(xì)分的話，可將該理論體系劃分為創(chuàng)新問題標(biāo)準(zhǔn)解法、發(fā)明問題解決算法、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化等方面中。

1.2 基于TRIZ沖突解決的可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型

據(jù)相關(guān)研究表明，TRIZ理論在面臨工作實(shí)際問題時(shí)，主要通過TRIZ沖突解決原理對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行解決。對(duì)此，本文在TRIZ沖突解決原理、可重構(gòu)夾具設(shè)計(jì)工程參數(shù)以及TRIZ標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)關(guān)聯(lián)表的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于TRIZ沖突解決原理的可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型，具體模型如圖2所示。

圖1 TRIZ理論體系結(jié)構(gòu)

圖2 基于TRIZ沖突解決原理的可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型

根據(jù)上圖顯示內(nèi)容可看出，在基于TRIZ沖突解決原理的可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型中， 主要通過四個(gè)步驟解決可重構(gòu)夾具設(shè)計(jì)過程中的設(shè)計(jì)沖突：第一，可重構(gòu)夾具設(shè)計(jì)人員對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行分析及定義；第二，根據(jù)設(shè)計(jì)人員的分析定義確定出發(fā)生沖突的夾具設(shè)計(jì)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(duì)夾具設(shè)計(jì)沖突問題進(jìn)行求解，從而獲得TRIZ原理解；第四，通過采用類比聯(lián)想以及實(shí)例推理等方法，得出針對(duì)可重構(gòu)夾具創(chuàng)新生產(chǎn)的創(chuàng)新解。

2 葉片測(cè)量夾具設(shè)計(jì)存在的問題及過程模型構(gòu)建

2.1 測(cè)量夾具設(shè)計(jì)存在的問題

為了使TRIZ理論在解決可重構(gòu)夾具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)問題中更具優(yōu)勢(shì)，本文將以某發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)為例，對(duì)該企業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片猜測(cè)問題進(jìn)行分析，具體問題如下：

第一，該發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通常采用葉片測(cè)具大量測(cè)量的方式進(jìn)行。采用這種方法，將會(huì)使測(cè)量夾具與葉片之間保持長期且持續(xù)的接觸，從而造成測(cè)量夾具零部件磨損問題，直接影響著夾具的定位精準(zhǔn)度與葉片最終的測(cè)量精度。

2.2由于樣板測(cè)量隊(duì)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難度。同時(shí)設(shè)計(jì)受葉片測(cè)量設(shè)計(jì)問題求解過程經(jīng)驗(yàn)因素影響較大，在配合測(cè)具進(jìn)行測(cè)量的過程中，主要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，但卻無法保障測(cè)量結(jié)果的精度。

2.2 葉片測(cè)量過程模型構(gòu)建

根據(jù)上述分析能夠了解到，傳統(tǒng)葉片測(cè)量夾具在設(shè)計(jì)過程中，一般不會(huì)考慮到產(chǎn)品的拆卸性、通用性等關(guān)鍵問題，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有很多相對(duì)立的參數(shù)需求。由此看出，這種傳統(tǒng)折中設(shè)計(jì)方法無法徹底解決夾具設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的沖突問題。基于此，本文主要將葉片測(cè)量夾具當(dāng)做本次夾具創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究對(duì)象，對(duì)當(dāng)前測(cè)量夾具存在的問題按模塊進(jìn)行劃分，具體主要?jiǎng)澐譃樗拇竽K，分別為矛盾沖突求解模塊、技術(shù)進(jìn)化求解模塊、BS群體創(chuàng)新模塊、克服思維慣性模塊。這些模塊都能夠?qū)θ~片測(cè)量夾具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)問題起到有效求解作用。具體葉片測(cè)具設(shè)計(jì)問題求解過程模型如圖3所示。

圖3 葉片測(cè)具設(shè)計(jì)問題求解過程模型

3 面向葉片夾具測(cè)量的CAI軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本文主要將葉片測(cè)量夾具軟件系統(tǒng)分為三大模塊，分別為葉片信息知識(shí)模塊、問題求解模塊以及輔助功能模塊。其中，葉片信息知識(shí)模塊主要由葉片信息、葉片參數(shù)信息以及測(cè)量夾具信息所組成，能夠使葉片測(cè)量夾具設(shè)計(jì)人員更為全面的了解到設(shè)計(jì)對(duì)象的相關(guān)信息，從而為葉片測(cè)量夾具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供支持；問題求解模塊主要由技術(shù)效應(yīng)求解模塊、物理沖突求解模塊、技術(shù)沖突求解模塊、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(gè)葉片測(cè)量夾具軟件系統(tǒng)的核心所在，能夠?yàn)椴煌芍貥?gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計(jì)問題在進(jìn)行求解的過程中提供相關(guān)的方法指導(dǎo)；輔助功能模塊主要由用戶對(duì)方案和知識(shí)的查詢、上傳及系統(tǒng)幫助模塊等組成，主要起到為用戶提供良好體驗(yàn)的作用。具體葉片測(cè)量夾具軟件系統(tǒng)如圖4所示。

3.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)目前軟甲體系架構(gòu)方面來看，最為常用的兩種結(jié)構(gòu)為分層式結(jié)構(gòu)以及三層架構(gòu)體系。其中三層架構(gòu)體系是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的一種架構(gòu)體系，主要分為表示層、業(yè)務(wù)邏輯層以及數(shù)據(jù)訪問層。其中，表示位于整個(gè)架構(gòu)體系離用戶最近的上層位置中，主要負(fù)責(zé)接收用戶信息以及顯示數(shù)據(jù)的工作，是實(shí)現(xiàn)用戶與軟件之間溝通交流的紐帶；業(yè)務(wù)邏輯層又被稱作為領(lǐng)域?qū)樱幱诒硎九c數(shù)據(jù)層的中間位置，主要負(fù)責(zé)處理業(yè)務(wù)流程的相關(guān)工作，如對(duì)數(shù)據(jù)有效性的驗(yàn)證以及對(duì)一整條業(yè)務(wù)鏈的處理等。同時(shí)，業(yè)務(wù)邏輯層在整個(gè)架構(gòu)體系中扮演著表示層和數(shù)據(jù)訪問層之間的傳遞橋梁，負(fù)責(zé)兩層之間數(shù)據(jù)的處理及傳遞；數(shù)據(jù)訪問層位于架構(gòu)體系的底部位置，主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問。本文在葉片夾具測(cè)量CAI軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，也將采用三層架構(gòu)體系將其劃分為用戶層、功能層以及數(shù)據(jù)層。具體葉片夾具測(cè)量CAI軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖4 葉片測(cè)量夾具軟件系統(tǒng)

4.3 整體登錄流程設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)葉片夾具測(cè)量CAI軟件主要是以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(jì)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(tái)之后，可以根據(jù)自身不同需求，自行采用系統(tǒng)平臺(tái)中提供的多種功能模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)可重構(gòu)夾具設(shè)計(jì)問題的分析求解、專利查看下載、解決方案查詢、可重構(gòu)夾具元組件信息地分析應(yīng)用等操作，能夠滿足用戶在針對(duì)可重構(gòu)夾具創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中問題的不同需求。具體整體登錄流程設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5 葉片夾具測(cè)量CAI軟件架構(gòu)

圖6 整體登錄流程設(shè)計(jì)

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

5.1 開發(fā)工具選取

對(duì)該系統(tǒng)的開發(fā)中，選擇C#語言對(duì)網(wǎng)頁進(jìn)行開發(fā)，以SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)上述的系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。

5.2 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

通過上述方法，可以得到前后不同的葉片測(cè)具結(jié)構(gòu)，具體見圖7和圖8所示。

圖7 改進(jìn)前葉片測(cè)具

圖8 改進(jìn)后葉片測(cè)具

通過上述的對(duì)比看出，經(jīng)本文構(gòu)建的重構(gòu)方法，輕易的實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同組件的拆卸，并讓原本不同的部件動(dòng)起來，而讓原本動(dòng)的部件不動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)夾具的重構(gòu)。

6 總結(jié)

本文結(jié)合TRIZ理論在解決重構(gòu)夾具中存在的特點(diǎn)，并結(jié)合傳統(tǒng)葉片夾具設(shè)計(jì)存在的問題，運(yùn)用CAI輔助軟件和TRIZ理論實(shí)現(xiàn)了對(duì)葉片夾具設(shè)計(jì)的重構(gòu)。而通過這種重構(gòu)，加快了夾具設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，為當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了新的參考和借鑒。