基于TRIZ的机床可重构设计研究.pdf

第 7期 2 0 1 4年 7月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i n e To o l Au t o m a t i c M a nu f ac t ur i n g Te c h n i qu e No． 7 J u 1 ．2 0 1 4 文章编 号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 4 0 70 0 1 2 0 3 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． c n k i ． m mt a m t ． 2 0 1 4 ． 0 7 ． 0 0 4 基于 T R I Z的机床可重构设计研究 术 赵延玲 ， 马苏常 天津职业技术师范大学 机械工程学院 高速切削与精 密加工重点实验室， 天津 3 0 0 2 2 2 摘要 针对当前快速多变的市场需求与机床结构配置之 间的冲突， 提 出应 用 T R I Z冲 突矩阵和技 术进 化理论对机床进行创新设计的方法。首先定义冲突， 将冲突转换成通用工程参数， 应用冲突矩阵解 决冲突， 分析得 出冲突解决方案 ， 即机床 实现 可重构。其次基 于T R I Z技术进化理论对机床 实现 可重 构的原理进行求解， 提 出了在机床模块化设计的基础上通过模块 结构的创新 实现机床 的创新设计 的 思路 ， 研究结果对机床创新设计方案的提 出具有一定的指导意义。 关键词 机床可重构 ； 冲突矩阵； 创新设计 中图分类号 T H1 2 2 T G 6 5 文献标识码 A Re s e a r c h o n Re c o n fig ur a bl e De s i g n o f M a c hin e To o l s Ba s e d on TRI Z Z HA0 Ya n ． 1 i n g． MA S u． c h a n g K e y L a b o f H i g h S p e e d C u t t i n g a n d P r e c i s i o n Ma c h i n i n g ， S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T i a n j i n U n i v e r s i - t y o f T e c h n o l o g y a n d E d u c a t i o n， T i a n i i n 3 0 0 2 2 2。 C h i n a Ab s t r a c t Fo r s o l v i n g t h e c o n t r a di c t i o n b e t we e n f a s t c h a n g i n g ma r k e t d e ma n d a n d t h e s t r u c t u r e c o n fig u r a t i o n o f ma c h i n e t o o l s ．c o n fl i c t ma t ri x a n d t e c h n i c a l e v o l u ti o n t h e o r y o f T RI Z t h e o ry o f i n v e n t i v e p r o b l e m s o l v i n gare u s e d t o t h e i n n o v a t i v e d e s i g n o f ma c h i n e t o o l s ．F i r s t l y ．t h e c o n fl i c t wa s d e fin e d a n d t r a n s f e r r e d i n t o g e n e r a l e n g i n e e rin g p ara me t e r s ．Re s o l v i n g i t wi th t h e c o n fli c t ma t r i x a n d o b t mn e d t h e s o l u tio n to t h e c o n fli c t t h a t t h e ma c h i n e t o o l s n e e d t o b e r e c o n fig u r a b l e ． S e c o n d l y，a c h i e v i n g t h e prin c i p l e o f r e c o n f i g u r a b l e ma c h i n e t o o l s b a s e d o n t e c h n i c a l e v o l u t i o n t h e o r y ． Fi n a l l y．p u t f o r ward the d e s i g n i d e a tha t i n n o v a t e t h e s t r u c t u r e o f mo d u l ar ma c h i n e t o o l s o n t h e b a s i s o f the mo d u l ar d e s i g n．Th e r e s u l t s o f t h e s t u d y h a v e c e r t a i n g u i d i n g s i g n i fic a n c e． Ke y wo r ds r e c o n f i g u r a b l e ma c h i n e t o o l s；c o n fli c t ma t rix；i n n o v a t i v e d e s i g n 0 引言 经济全球化以来， 产品更新换代越来越快， 人们 的 需求也 日益多样化和个性化， 各制造企业需要快速地 提供具有高性价比的产 品来 响应市场的需求， 从 而提 高自身的竞争力。由于机床是机械工业的主要生产设 备 ， 因此 ， 快速开发 出满足市场需 求 的机床 产品是 解决 问题的核心。目前一些学者主要从提高切削速度、 提 高生产效率、 加大工艺范围等方面对机床进行了研究 ， 并取得了重大的成果， 给制造企业带来 了很大的经济 效益 。但是， 要进一步提高机床的性能 ， 必须从机床 的功能- 原理- 结构人手对机床的结构配置进行创新设 计 。 目前对机床结构配置的创新设计主要依靠前设计 者的经验 ， 而机床设计过程中会出现冲突 如成本 、 柔 性 、 系统复杂性等冲突 ， 仅依靠设计经验及现有机械 设计理论难以解决 冲突， 以及创新设计周期长。T R 1 Z 发 明 问题 解 决 理 论 T h e o r y o f I n v e n t i v e P r o b l e m S o l v i n g 提供了冲突解决原理和技术进化理论等工具 ， 能 有效解决设计过程中遇到的设计冲突和方案局限并难 以获取等问题 。近年来有学者开始将 T R I Z理论应 用于机床部件的设计当中 ， 但是没有将 T R I Z理论应 用于机床结构配置设计 当中。因此 ， 本文针对市场需 求与机床结构配置之间的冲突 ， 将 T R I Z冲突解决原理 和技术进化理论相结合应用于机床结构配置可重构的 创新设计中， 分析了机床实现可重构设计的必要性 ， 并 提出在机床模块化设计的基础上通过模块结构的创新 实现机床的创新设计的思路 。 1 T R I Z理 论概 述 T R I Z理论是前苏联发明家 G． S ． A h h s u l e r 和其领 导的团队在分析世界近 2 5 0万份高水平的发明专利的 基础上总结出的综合理论体系， 它被认为是 目前最全 面系统的技术创新理论 ， 并广泛应用于工业 、 建筑 、 微 电子 、 化学 、 生物学 、 社会学、 医疗等领域中， 运用该理 论可以大大缩短各项技术的发明创造周期 一 。T R I Z 收稿日期 2 0 1 31 1 1 5 ； 修回 日期 2 0 1 31 21 6 基金项 目 天津职业技术师范大学科研基金预研课题 K J Y1 1 1 2 作者简介 赵延玲 I 9 8 8 一 ， 女 ， 陕西榆林人 ， 天津职业技术师范大学硕士研究生 ， 主要研究方向为创新设计 ， E ma i l a n g e l i n g 5 1 8 1 2 6 ． e o t l l 。 2 0 1 4年 7月 赵延玲， 等 基于 T R I Z的机床可重构设计研 究 1 3 理论包括技术进化理论 ， 冲突矩阵， 7 6个标准解 、 发明 问题解决算法 A R I Z 等工具， 其中， 冲突矩阵和技术 进化 理论是核 心 。 T R I Z理论的冲突矩 阵是 由 3 9个通用工程参数 、 4 0个发明原理和它们之间的对应关 系组成。由于产 品设计过程中总是会 出现技术冲突 ， 即提高系统某一 技术特性将导致另一特性恶化 ， 冲突矩 阵是解决技术 冲突 的有效工具 。 T R I Z技术 进化 理论 则 提 供 了一 系 列 的进 化模 式 和进化路线 ， 其中进化模式是系统进化的宏观方 向， 进 化路线则能够定性地指出技术系统沿着某一方向的具 体进化过程。应用技术进化理论不仅能预测技术的发 展 ， 而且还能展现预测结果实现的产品可能的结构状 态 ， 对于产品创新设计具有指导作用 。 图 1为基于 T R I Z技术进化理论 的机床可重构设 计流程 图。 定义冲突 图 1 基于 T R I Z的机床可重构设计流程 图 2 机床可重构设计流程 3 基于 T R I Z的机床方案设计 T R I Z理论认为产品的进化过程是不断发现冲突 并解决冲突的过程， 而阿奇舒勒冲突矩阵可以有效地 解决产品设计过程中遇到的冲突。利用冲突矩阵解决 技术冲突时， 首先需要用该 问题所处的技术领域中的 特定术语定义冲突， 然后将冲突转换成 T R I Z的通用工 程参 数 ， 最后利用 冲突矩 阵查 找发 明原 理， 解 决 冲 突 。 基于 T R I Z的机床可重构设计的具体步骤如下 1 定义冲突 分析市场需求 ， 将其转化为机床的 设计需求， 通过设计需求与现有机床产品的对 比， 找出 二者之间的冲突。用机床设计的行业术语定义冲突， 并将其转化为通用工程参数之间的冲突 ， 即确定要改 善的参数， 以及 由此参数的改善将导致恶化的参数。 2 解决冲突 冲突矩阵的行表示需改善的参数 ， 列表示将恶化的参数 ， 两项标准参数所在行列的交叉 点为解决矛盾的发明原理。因此可以在定义冲突的基 础上 ， 利用冲突矩阵查找发明原理 ， 可以得到一系列解 决冲突的发明原理。而冲突矩阵中的用来解决冲突的 发明原理是适用于多领域的一系列通解 ， 所 以需要分 析选择机床设计领域适用 的通解 ， 并将其转化为机床 设计 中的特定解决方案。 3 原理预测 解决冲突的方案即是机床设计要 实现的功能 ， 功能需要 由具体的物理结构来实现， 而原 理是功能到物理结构 的桥梁 ， 也就是说产 品功能是通 过原理映射到物理结构的。因此， 需要在解决冲突的 基础上进行原理求解。机床作为一个技术系统 ， 它的 发展也是遵循一定的规律的， 因此可以应用 T R I Z技术 进化理论对实现解决方案的原理进行预测 ， 实现了原 理 的创新 。 4 结构实现 结构是产 品的最终表现形式， 产品 的功能 、 原理是通过具体的结构来实现的。因此 ， 需要 在原理机 床原理 创新 的基础 上进 行结 构实 现。在 T R I Z技术进化理论中选择机床结构的进化路线， 对其 结构进行预测， 进行结构的创新并实现原理的结构化， 产生创新设计方案。 3 ． 1 市场需求与机床现状分析 经济全球化以来 ， 产品更新换代加快 ， 客户需求多 样化 ， 且要求低价格 ， 高质量 ， 交货期短 。产品更新换 代快和客户需求的多样化要求机床有足够的柔性 ， 即 具有高适应性和多用性 ； 价格低和交货期短要求机床 效率高 ； 效率高、 成本低则要求机床实现定制化 ， 功能 冗余少 ， 系统简单。 而当前机床的实际现状为当机床的效率高且功能 冗余少时 ， 机床柔性将会降低 ； 当机床柔性提高时 ， 功 能冗余增多， 机床的结构将变得复杂， 购买机床的成本 也将提高。 因此基于 T R I Z冲突矩阵， 对市场需求与机床现状 间存在的矛盾进行定义， 得出两对技术冲突 适应性和 多用性与系统复杂性的冲突； 生产率与适应性和多用 性 的冲突。 3 ． 2基于冲突矩阵解决技术冲突 查阿奇舒勒冲突矩阵， 得到一系列解决冲突的发 明原理。通过对适合机床设计领域 的通解 的分析 ， 将 其转化为机床设计 中的特定解决方案 ， 如表 1所示。 表 1 机床技术冲突矩阵 查阅冲突矩阵中4 0个发明原理得出， 表 1中分割 原理即为将物体分成独立的部分， 使物体可拆卸。动 态化原理则为将物体分割成彼此相互配合又可相对移 动的若干部分 ， 可以通过 自动调节， 使其在每个动作阶 段的性能达到最佳 。 综合分析得 出机床设计中的冲突解决方案 将机 床分割成几个相互配合并可相对移动的几个部分， 每 次提供给客户确定的、 满足当前需要的功能， 当客户需 求变化时， 可通过拆卸模块 ， 快速改变机床的结构来满 足客户新的功能需求 ， 即机床结构要可进行重构。 1 8 组合机床与 自动化加工技术 第 7期 图 9 砂轮热 结构耦合分析结果 由图9可知， 随着转速的增加 ， 砂轮的位移变形与 应力值都呈非线性增加， 但应力的增加呈减缓趋势 ， 说 明温升 可减少应力 集 中。碗 型砂 轮 的尺寸 位移变 形势 必影 响可转位刀 片的加工精 度 ， 比如砂轮 沿轴 向后 扩 ， 刀片的磨削量就会减少， 这必然影响磨削精度。 4 总结 五轴数控工具磨床的碗型砂轮在不同的转速下会因离 心力作用而产生不同的尺寸变化， 通过力学分析、 有限仿 真、 理论计算和所得分析数据， 系统地剖析了在高速旋转下 的砂轮外形变化对刀片的磨削精度所产生的一定影响。其 中着重分析了应力刚化 、 旋转软化随转速的变化对砂轮尺 寸的影响， 磨削热对砂轮基体的热变形， 并综合分析了它们 对碗型砂轮外形轮廓的作用。为了提高可转位刀片的磨削 精度和消除砂轮尺寸变形影响， 有必要针对砂轮尺寸变化 所引起的直径和宽度变化加以补偿， 以上的研究为提高刀 片磨削精度和消除此影响提供了理论依据。 [ 参考文献] [ I ]姚博世 ， 谭晓庆，贺文辉．砂轮离心力对磨削精度的影 响[ J ] ．机电技术 ， 2 0 1 1 1 0 3 63 8 ． [ 2 ]明兴祖 ， 严宏志，陈书涵，等．3 D力热耦合磨齿模型与 数值分析 [ J ] ．机械工程 学报 ， 2 0 0 8 ， 4 4 5 1 72 4 ． [ 3 ]黄志刚， 柯映林， 王立涛． 金属切削加工的热力耦合模型及 有限元模拟研究[ J ] ．航空学报， 2 O 0 4 ， 2 5 3 3 1 7 3 2 0 ． [ 4 ]曹宏瑞，李兵，陈雪峰，等．高速主轴离心膨胀及对轴 承动态特性的影响[ J ] ．机械工程学报，2 0 1 2 ， 4 8 1 9 5 96 4． [ 5 ]宋兆泓， 熊昌炳，郑光华．航空燃气涡轮发动机强度设 计[ M] ．北京 北京航空学院出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 6 ]郭军刚， 韩志富， 胡丽国， 等．涡轮叶片材料非线性应力数 值分析[ J ] ．导弹与航天运载技术， 9 3 3 0 7 6 4 0 4 4 ． [ 7 ]王媛媛 ， 姚斌 ， 张德云，等．多线型组合平面刀具的 自 动编程磨 削技 术[ J ] ， 工具技 术 ， 2 0 1 0 ， 44 3 4 8 5 0 ． [ 8 ]刘立明， 侯忠滨，王友利．基于 U G的可转位刀具参数 化设计 [ J ] ．工具技术．2 0 0 7， 4 1 6 6 5 6 7 ． [ 9 ]徐秉业 ， 刘信声．应用弹塑性力学[ M] ．北京 清华大学 出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 1 0 ]杨永谦，肖金生．实用有限元分析技术A N s Y s专 题与技巧[ M] ．北京 机械工业出版社， 2 0 1 0 ． [ 1 1 ]谢桂芝，黄含， 盛晓敏， 等．工程陶瓷高效深磨磨削力 和损伤的研究[ J ] ．湖南大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 3 5 5 2 63 0． [ 1 2 ]G ． Z ． X i e ，H ． h u a n g ．A n e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o f t e m pe r a t u r e i n hi g h s p e e d d e e p g rin di ng o f pa r t i a l l y s t a bi l i z e d z i r c o n i a [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l j o u r n a l o f M a c h i n e t o o l sMa n u f a c t u r e，20 08，481 5 621 5 68． [ 1 3 ]盛晓敏， 宓海青， 谢桂芝， 等．超高速磨削技术[ M] ．北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． i 1 4 1 O u t w a t e r J 0， S h a w M C ．S u r f a c e t e m p e r a t u r e s i n g ri n d i n g [ J ] ．T r a n s A S ME ．1 9 5 2 ， 7 4 7 3 7 8 ． [ 1 5 ]张朝晖．A N S Y S 1 2 ． 0热分析工程实战手册[ M] ．北京 中国铁道出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 1 6 ]陈虹微， 王荣杰．基于模型的离心压缩机电机振动应用 研究[ J ] ．徐州工程学院学报 自然科学版 ， 2 0 1 2 ， 2 7 4 6 9 7 3 ． 编辑李秀敏 上接 第 1 8页 4 结论 本文针对当前快速多变的市场需求与机床结构配 置之间的冲突， 提出应用 T R I Z冲突矩阵和技术进化理 论进行机床的创新设计 的方法。提出了基于 T R I Z的 机床可重构设计的具体步骤并给出了流程图。描述 了 市场需求 与现有机床之 间的冲突， 并将冲突转 化为 T R I Z通用工程参数 ， 应用冲突矩阵加 以解决 ， 提 出动 态化和物质分割是实现机床可重构设计 的发展方向。 基 于 T R I Z技术进 化理论 ， 沿 着动态化 和物质分割 的路 线对机床进行了预测 ， 提出机床实现重构的两个原理 在模块化设计的基础上 ， 通过模块间的重新排列实现 机床的重构 ； 通过模块 自身结构 的柔性来实现机床的 重构。应用技术进化理论对模块结构进行 了预测 ， 提 出实现两种原理的结构创新设计方案。 [ 参考文献] [ 1 ]张曙， 卫汉华， 张炳生． 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