基于TRIZ理論的齒輪裝夾系統創新設計

王曰輝

(太原重工股份有限公司, 山西 太原 030024)

TRIZ發明問題解決理論成功地揭示了創造發明的內在規律和原理，著力于澄清和強調系統中存在的矛盾，其目標是完全解決矛盾，獲得最終理想解[1]。據統計，應用TRIZ理論與方法，可以增加80%～100%的專利數量并提高專利質量，可以提高60%～70%的新產品開發效率，可以縮短50%的產品上市時間[2]。

TRIZ理論在機械創新設計中應用范圍廣。賈丙琪[3]等在 TRIZ的理論基礎上對下肢外骨骼進行了創新設計；葉選林[4]等基于TRIZ理論對濾咀排列鼓工裝夾具進行優化設計；胡宇宙[5]等運用TRIZ理論解決擋位操縱機構的結構創新問題；熊愛奎[6]基于TRIZ理論研究解決了大型壓機快速和節能的問題；石凱[7]基于TRIZ理論研究解決了液壓機移動工作臺中移動致力和夾緊的問題；周升等[8]研究了TRIZ理論在包裝盒鏟邊裝置優化設計中的應用。

齒輪裝夾系統目前的研究主要是針對具體的零件進行設計，如李敬杰[9]針對某種齒輪設計了一種能夠實現快速定位的彈簧漲套滾齒夾具；鐘天將[10]針對結構相似的輸入軸設計了一種可快速換產的通用滾齒夾具；而對于形式多樣的齒輪通用裝夾系統，尤其是重型齒輪及其自動生產線相配套的裝夾系統，至今沒有較系統的研究，本文以齒輪裝夾系統為研究對象，應用TRIZ發明問題解決理論，解決目前生產中存在的齒輪裝夾系統適應性差、生產效率低和無法實現自動化等問題。

1 項目背景

當前齒輪箱品種繁多，結構差異性較大，導致齒輪形狀規格多樣，小批生產模式需要大量的輔助時間和人工干預；胎具專用性強，需重復設計，占用大量車間面積；自動化生產、智能制造是未來制造業發展的趨勢，傳統生產方式無法實現自動化生產。本文通過應用TRIZ發明創新理論，發散思維，創新設計了一種高適用范圍齒輪裝夾系統。

2 理想解

根據TRIZ方法理論設定齒輪裝夾系統的最終理想解(IFR)為：

(1)適應所有規格齒輪的裝夾。

(2)實現全自動化裝夾(包括定位、夾緊)。

(3)使裝夾時間縮短為零。

3 求解過程

3.1 功能分析

齒輪裝夾系統要實現主要功能是：

(1)支撐齒輪于機床工作臺上合適位置。

(2)重合齒輪中心與工作臺中心。

(3)齒輪與工作臺運動固定。

3.2 因果分析

根據現場實際情況，從人、機、料、法、環、測多個因素繪制齒輪裝夾系統生產效率低的因果分析圖(如圖1所示)。

通過歸納整理，分析造成裝夾系統生產率低的主要原因包括：(1)裝夾系統自適應性差；(2)裝夾系統自動化水平低。

3.3 資源分析

應用九屏幕法的擴展模型十二屏幕法，從超系統、系統、子系統以及子子系統的過去、現在和未來，尋找系統內外部盡可能多的可用資源，如表1。

表1 十二屏幕法

由表2構成兩對技術矛盾，查閱矛盾矩陣求得當前問題解決方案形成發明原理，如表3，

表2 技術矛盾

表3 矛盾矩陣

3.4 應用技術矛盾求解

3.4.1 氣壓和液壓結構原理

應用發明原理29氣壓與液壓結構原理：將物體的固體部分，用氣體或流體代替，如充氣結構、充液結構、氣墊、液體等[11]，得方案一：液壓自定心齒輪裝夾系統，如圖2所示。

3.4.2 動態特性原理

應用發明原理15動態特性原理：(1)分割物體，使其各部分可以改變相對位置。(2)如果一個物體整體是靜止的，使之移動或可動[11]，得圖3所示方案二：雙面分體可換胎塊組合齒輪裝夾系統，圖4所示方案三：T形槽可連續移動齒輪裝夾系統。

3.4.3 機械系統替代原理

應用發明原理28機械系統替代原理：使用與物體相互作用的電場、磁場、電磁場[11]，得圖5方案四：可移動電磁齒輪裝夾系統。

3.4.4 借助中介物原理，預作用原理

應用原理24及原理10：借助中介物原理，預作用原理[11]，借助中介物對齒輪進行定位，通過在工裝上打一些孔，并在孔里插入定位物，限制齒輪內孔的位置。根據STC算子，理論上，孔直徑設計為0，孔數量設計∞，即可滿足高定心精度。利用一個可移動的孔代替密集的孔，使用光束替代實物，方案五：可移動激光定心齒輪裝夾系統，如圖6所示。

3.5 應用物理矛盾求解

對于定心子系統，建立如表4所示的物理矛盾。

表4 物理矛盾

根據發明原理15及1，將裝夾系統的支撐子功能與定心子功能相分離；根據發明原理34拋棄或再生原理[11]：(1)采用溶解、蒸發等手段，拋棄已完成功能的組件，或在系統運行過程中，直接修改它們；(2)在工作過程中，迅速補充系統或物體中消耗的部分，雖然暫時未求得解，但對于后續問題思考拓展了思路。

3.6 應用物場分析求解

目前的裝夾系統，對于定心子系統主要存在的問題是行程范圍有限和定位精度不足，如對于零件精加工工序，其定心精度要求達到0.01 mm，定心精度不足，而對于不同規格尺寸的齒輪，定心裝置行程范圍有限，通過分析，建立如下物場模型[12-13]，如圖7所示。

根據第3類標準解向超系統和微觀系統進化第一解，轉換成雙系統或者多系統：

(1)零件運輸至機床內部后，零件中心恰好可以保證與機床工作臺回轉中心重合。根據市場調研，桁架機械手的定位精度可以達到±0.1 mm，對于定心精度要求低的加工工序，可以滿足要求。

(2)利用機床的偏心加工原理，通過軟件補償改變刀具的切削行程實現,機床增加測量系統，根據測量數據由軟件進行補償加工。目前磨齒機已經有應用案例，但偏心量不允許超過0.20 mm。

(3)根據齒輪規格大小調整裝夾系統各定位裝置的位置。

根據上述分析取消裝夾系統的定心功能，得圖8方案六：分體聯動不定心電磁夾緊裝夾系統。

4 方案評價

選擇裝夾系統的5個主要指標：裝夾時間、投入成本、系統性能、零件適應性和自動化程度組成評價內容，根據裝夾系統使用的不同環境由項目團隊分別確定恰當的權重值，總權重分值采用百分制，具體權重分配如表5。

表5 評價指標權重分配

對應用TRIZ創新方法求得的6個方案由專家進行評分，分值為1～10，所得加權值如表6。

表6 加權評價表

由表6可得，對于老車間傳統加工工藝優先采用T型連續移動齒輪裝夾系統，對于新園區智能化車間優先采用分體聯動不定心電磁夾緊裝夾系統。

5 結語

運用TRIZ發明問題解決理論，使設計創新走出盲目的階段，遵循創新規律，使創新結果實用性、針對性更強，更符合生產實際。

對于復雜的系統，建議應用九屏幕法的擴展模型十二屏幕法細分系統，更有利于尋求系統內外部資源。

綜合應用TRIZ創新方法的技術矛盾、物理矛盾，場進行求解，獲得6種方案，并申請4項實用新型專利。

裝夾系統的方案優劣取決于公司目前的實際情況，需綜合考慮裝夾時間、投入成本、系統性能、零件適應性、自動化程度等多項指標，如在企業新建、技改階段所得最優方案不同，且必須考慮未來發展的趨勢。本文提出應用加權評價法對獲得的方案進行評價，對于老車間傳統加工工藝優先采用T型連續移動齒輪裝夾系統方案，對于智能化車間優先采用分體聯動不定心電磁夾緊裝夾系統方案。