基于TRIZ的斜面斜孔加工夾具的設計

趙宏平 郭南初 陳文靜 陳艷軍

（蘇州市職業大學 機電工程學院，蘇州 215104）

發明問題解決理論（Theory of the Solution of Inventive Problems，TRIZ）于1946年由根里奇阿奇舒勒提出。TRIZ應用范圍包括自然科學、社會科學、管理和生物科學等，包含40個發明解決問題的原理和39個工程參數[1]。隨著社會對創新需求的日益增加，TRIZ已運用于新產品開發，以解決產品開發過程中遇到的實際問題。部分企業為了獲得更高的經濟效益和社會效益，將其廣泛應用于工程實踐。

目前，全球通信已經朝著“5G時代”邁進，半導體芯片需求日益增多，用于清洗半導體芯片機的市場需求不斷加大，因此清洗機上的回旋噴嘴的零件加工量十分巨大。現有一款回旋式噴嘴零件，實物圖如圖1所示。此零件用于半導體芯片的生產，安裝于清洗半導體芯片的清洗機。清洗酸性氣體由導流管匯入噴嘴工件底部，通過噴嘴工件斜面上的斜孔噴灑出來。噴嘴工件的加工難點是分布在C向端面斜面上的14個傾斜孔，如圖2所示。一方面，五軸機床較為昂貴，中小型企業無法負擔；另一方面，待加工件旋轉后的坐標點難以確定，需要技術人員在計算機上模擬計算，費時費力，不利于一線操作人員直接操作[2]。所以，中小型企業急需一款基于三軸機床的加工類似于如圖1所示的噴嘴類零件的斜面斜孔加工夾具。

圖1 回旋式噴嘴實物圖

圖2 回旋式噴嘴零件圖（單位：mm）

某中小型機械企業目前的回旋式噴嘴零件的專用機械式夾具，如圖3和圖4所示，由旋轉機構、夾持機構、支撐機構以及定位機構組成。

圖3 機械式夾具

圖4 機械式夾具局部結構

旋轉機構安裝在支撐機構的上方，用于旋轉盤在C軸方向的旋轉。通過夾持板與工件支撐凸臺，將工件固定連接在旋轉圓盤上。每加工完成一個斜孔后，通過手動旋轉圓盤帶動工件繞旋轉軸轉動指定角度，使待加工斜孔的軸線與水平面垂直，進行下一個斜孔的加工。

夾持機構安裝在支撐機構上左右兩側，用于輔助固定旋轉盤。每當工件旋轉到預設位置時，可通過旋轉圓盤上的銷軸固定轉盤，為每一個斜孔的加工提供精準定位。設置在旋轉圓盤兩側的夾緊機構實現圓盤的緊固定位，防止加工時因受力發生振動影響工件的加工精度。

支撐機構確保工件斜面和旋轉圓盤面與其保持平行，以保證旋轉圓盤旋轉指定角度后，待加工孔與水平面垂直。設計工件支撐機構時要確保可以支撐不同尺寸的類似工件。

定位機構安裝在支撐機構及其旋轉機構上，用于確定旋轉圓盤的位置和固定工件與夾具的位置[3]。它由設置在旋轉圓盤上的工藝卡銷與基座上的定位孔組成。當旋轉圓盤將工件旋轉到待加工孔位后，將工藝卡銷插下與圓盤下方基座上的定位孔配合，從而固定加工孔位。

1 TRIZ功能定義

通過TRIZ的反向魚骨圖分析各組件的分功能，構建專用機械式夾具的反向魚骨圖，如圖5所示。

圖5 專用機械式夾具的反向魚骨圖

根據專用機械式夾具的結構和反向魚骨圖，確定各關鍵組件之間的連接關系。其中，支撐機構、旋轉機構、夾持機構和定位機構從下到上依次安裝。機械式夾具各功能組件之間的相互作用矩陣，如圖6所示。其中：“+”表示兩組件有連接；“-”表示兩組件無連接。

圖6 關鍵功能組件之間的作用矩陣

2 功能分類

在確定機械式夾具各組件間的相互作用后，定義機械式夾具的各組件功能，如表1所示。其中：機構功能種類包括基本功能（B）、輔助功能（Ax）和附加功能（Ad）；性能水平包括標準功能（N）、過剩功能（E）、不足功能（I）和有害功能（H）。

表1 功能載體與作用對象之間的作用

通過機械式夾具各個組件的功能定義分析得出[4]：支撐機構支撐其他各個組件，屬于基本功能（B）；支撐機構將夾具固定于機床工作臺，屬于基本功能（B）；旋轉機構使夾具C軸旋轉到指定位置，屬于基本功能（B）；旋轉機構對活動定位塊的支撐，屬于基本功能（B）；定位機構對待加工零件的定位，屬于基本功能（B）；定位機構確定旋轉機構與工件位置，屬于基本功能（B）；夾持機構中對旋轉圓盤的加緊，屬于輔助功能（Ax）。

確定組件的功能級別后，判斷各個功能是屬于標準功能（N）、有害功能（H）、過剩功能（E）還是不足功能（I），從而找出矛盾沖突，對其進行結構創新[5]。

機械式夾具設計完成后能很好地完成特定型號的“回旋式噴嘴”工件加工，但機械式夾具的旋轉角度無論是A軸還是C軸都是定量，不可改變。如果工件的斜面角度、待加工孔角度和個數等參數任何一個發生改變，那么基座傾斜面斜度、定位孔等結構都需要重新設計。可見，原設計的機械式夾具適用性太差，因此機械式夾具的基座屬于不足功能（I）。

當待加工工件底座發生改變時，夾具的定位機構中的定位塊都需重新設計，因此夾具的定位機構屬于不足功能（I）。

每加工一個斜孔都需要重新手動調整旋轉圓盤的角度，并夾緊夾持機構，可見機械式夾具加工效率極低，因此旋轉機構與夾持機構都屬于不足功能（I）。

支撐機構是支撐并固定各其他功能載體的機架，故該組件間的相互作用屬于標準功能（N）。

通過上述分析得到專用機械式夾具的功能分析表，如表2所示。

表2 專用機械式夾具關鍵組建的功能分析

3 功能整理

根據表3專用機械式夾具關鍵組件功能分析，建立專用機械式夾具功能模型圖，如圖7所示。

圖7 專用機械式夾具的功能模型

4 功能模型分析

分析專用機械式夾具建立功能模型，得到以下問題。

（1）機械式夾具的旋轉角度無論是A軸還是C軸都是定量，不可改變。如果工件的斜面角度、待加工孔角度和個數等參數任何一個發生改變，那么基座傾斜面斜度、定位孔等結構都需要重新設計，也就是說原設計的機械式夾具適用性太差，功能表現為不足。

（2）當待加工工件底座發生改變時，夾具的定位機構中的活動定位塊需重新設計，因此夾具的定位機構屬于不足功能。

（3）每加工一個斜孔都需要重新手動調整旋轉圓盤的角度，并夾緊夾持機構，可見機械式夾具加工效率極低，因此旋轉機構與夾持機構都屬于不足功能。

通過對機械式夾具的功能結構分析得出結論，即支撐機構、旋轉機構、定位機構和夾持機構為不足功能，都需要進行創新設計。

5 問題描述

傳統的專用夾具為可輔助加工單一零件的夾具，如圖3所示。夾具只可進行一個方向的旋轉，且該方向旋轉角度是固定的。此種夾具設計方案雖能很好地加工特定型號的“回旋式噴嘴”工件，但是設計方案存在缺陷。

（1）機械式夾具的旋轉角度無論是A軸還是C軸都是定量，不可改變。如果工件的斜面角度、待加工孔角度和個數等參數任何一個發生改變，那么基座傾斜面斜度、定位孔等結構都需要重新設計。

（2）當待加工工件底座發生改變時，夾具的定位機構中的活動定位塊需重新設計。

（3）夾具C軸夾緊依靠插銷和快速夾。當插銷磨損時，夾具精度會受到嚴重影響。若工人插銷未完全插好，加工時發生插銷脫落問題，則會產生旋轉圓盤在C軸方向的攢動。

針對以上缺點，利用TRIZ中的方法與求解工具，對A軸和C軸自動可控夾具的機械系統進行創新優化設計，給出具體的解決方案。

6 問題轉換

根據傳統專用夾具機械系統設計的不足，將其抽象為以下矛盾。

（1）矛盾1。夾具的A軸與C軸都是定量，不可改變，導致能輔助加工零件只能為一種或個別幾種，致使夾具存在很大的局限性，適用性較低（No.35適應性及多用性）。如果將A軸與C軸改成可自由旋轉與轉動，去掉轉動約束，有可能會惡化參數（No.13結構的穩定性，No.36裝置的復雜性）。

（2）矛盾2。當待加工工件底座發生改變時，夾具定位機構中的活動定位塊需重新設計（No.35適應性及多用性）。如果將活動定位塊設計成通用模塊，有可能會惡化參數（No.32可制造性）。

（3）矛盾3。夾具C軸夾緊依靠插銷和快速夾。當插銷磨損嚴重時，夾具精度會受到嚴重影響（No.13結構的穩定性）。若工人插銷未完全插好，則在加工時可能發生插銷脫落，導致旋轉圓盤會在C軸方向產生轉動（No.27可靠性）。如果定期更換插銷來保證夾具精度，則會惡化參數（No.23物質的損失）。

（4）矛盾4。工人每加工一個零件需要打開機床門14次，操作費時費力（No.25時間損失）。如果將軸旋轉后的夾緊改為自動，則可能會惡化參數（No.36裝置的復雜性）。

基于以上4個矛盾，運用Altshuller提出的矛盾矩陣，從40個發明原理中找到解決該矛盾的創新原理[5-7]。表3為傳統專用夾具機械系統設計的矛盾矩陣。

表3 傳統專用夾具機械系統設計的矛盾矩陣表

從矛盾1得出需要優化的參數為35（適應性及多用性），惡化參數為13和36（結構的穩定性），在沖突矩陣表中交叉序號為35、30、14、16、29、37以及28，分別代表No.35變性、No.30柔殼薄膜、No.14曲化、No.15動態、No.29氣壓液壓、No.37熱脹以及No.28機械系統替代。這些序號表明，矛盾矩陣表推薦這7個創新原理來解決矛盾1。

由矛盾2得出優化參數為35（適應性及多用性），惡化參數為32（可制造性），矛盾矩陣中的創新原理為No.1分割、No.13反動、No.31多孔。

由矛盾3得出優化參數為13和27（結構的穩定性和可靠性），惡化參數為23（物質的損失），矛盾矩陣中的創新原理為No.2抽取、No.14曲化、No.30柔殼薄膜、No.40復合材料、No.10預先作用、No.35變性、No.29氣壓液壓以及No.39鈍化。

由矛盾4得到推薦的優化數為25（時間損失），惡化參數為36（裝置的復雜性），在矛盾矩陣交叉處推薦的創新原理為No.6多用性和No.29氣壓液壓。

7 方案生成

綜上所述，結合表4中矛盾矩陣的創新原理[8-10]，得出解決矛盾的具體方法。

表4 創新原理

7.1 解決矛盾1方案

針對No.35變性，增加A軸和C軸的變化量。針對No.30柔殼薄膜，單獨設計A軸和C軸運動機構。針對No.14曲化，把機械夾具中的C軸旋轉機構中的平面接觸改變成回轉面接觸。針對No.15動態，把機械夾具中不可動的A軸改變成可回轉運動的A軸。針對No.29氣壓液壓和No.28機械系統替代，把機械夾具中的A軸和C軸的機械運動替換為電動控制。針對No.37熱脹，采用可膨脹的材料保證A軸和C軸的安裝可靠。

7.2 解決矛盾2方案

針對No.1分割，把工件的定位夾緊機構與A軸和C軸運動機構拆分成不同模塊，解決了工件底座的變化引起的整體夾具設計問題。針對No.13反向作用，把不同底座工件的定位夾緊機構設計成在夾具回轉臺上可調節位置的機構。針對No.31多孔，把工件定位夾具機構的安裝臺設計成T形槽的回轉工作臺結構，可以安裝不同底座工件的定位夾緊機構。

7.3 解決矛盾3方案

針對No.2抽取，去掉手動插銷定位機構。針對No.14曲化，圓盤的旋轉面改變成回轉軸帶動圓盤旋轉。針對No.40復合材料，把機械夾具的零件改變成電子和機械元件。針對No.10預先作用，設計自動預判的電子感應的組合定位夾緊機構。針對No.35變性，把剛性的機械夾具改變成A軸和C軸可控的和工件定位可動的機構。針對No.29氣壓液壓和No.30柔殼薄膜，把C軸定位夾緊機構改變成電控的定位夾緊機構。針對No.39鈍化，把手動的機械夾具改變成A軸和C軸可控自動夾具，為三軸機床的加工增加A軸和C軸，實現在三軸機床上加工出五軸加工要求的工件。

7.4 解決矛盾4方案

針對No.6多用性和No.29氣壓液壓，把A軸和C軸運動改變成自動感應的電控系統。

8 斜面斜孔加工夾具的設計

根據以上解決矛盾的方案，設計基于三軸機床的斜面斜孔加工夾具。

8.1 A軸和C軸的獨立傳動回轉機構

如圖8所示，A軸和C軸傳動機構分別通過蝸輪蝸桿減速器與傳動軸配合并由步進電機提供動力進行傳動。A軸通過回轉臺與2個立板間的支撐軸提供支撐力，保證回轉臺的正常傳動[11]。如圖9所示，A軸依靠蝸輪蝸桿和電機的自鎖功能鎖死A軸，從而確定回轉臺位置，并對其進行夾緊。如圖10所示，C軸旋轉圓盤與C旋轉軸通過鍵連接進行傳動，并通過頂部的螺旋結構進行緊固，保證旋轉圓盤的穩定性。

圖8 A軸和C軸的傳動回轉機構

圖9 A軸傳動機構局部圖

圖10 C軸傳動機構局部圖

8.2 工件定位夾緊機構

如圖11所示，根據工件底座特點，設置專用斜面定位塊。工件通過銷和螺紋連接在斜面定位塊上進行定位和夾緊。定位塊通過活動定位板和高精度絲桿電機在C軸旋轉圓盤上調節位置并緊固，從而對安裝在定位塊上的工件進行定位與夾緊。

圖11 工件定位夾緊機構

如圖12所示，根據零件的斜孔加工要求，共需限制5個自由度（除孔深自由度不限）。V形塊與T形槽限制了所需限的5個自由度，通過45°限制自由度，斜面定位塊平面限制了3個自由度，分別是X、Y軸轉動，Z軸移動。2個銷中，其中一個限制2個自由度，分別是X、Y軸移動，另一個限制了Z軸轉動，其6個自由度均被限制[12]。45°斜面定位塊由T形槽結構的C軸旋轉圓盤定位，確保工件斜孔位置精準定位。

圖12 工件定位圖

9 產品樣機

通過對專用機械式夾具進行功能模型分析，得出專用機機械式夾具問題，并通過TRIZ進行創新設計，得到基于三軸機床的斜面斜孔加工夾具樣機，如圖13所示。

圖13 A軸和C軸可控自動夾具產品樣機

10 結語

該夾具擴大了三軸機床加工工藝范圍，提高了加工工件的精度，縮短了加工的基本時間和輔助時間，實現在經濟上合理、理論上科學、實踐上可行、轉化上有效。