（机械设计及理论专业论文）基于创新技法的数控车削中心设计.pdf

摘要 数控技术是先进制造技术的核心，是制造业能够实现集成化、柔性化、网络 化、自动化的基础。根据产品设计的要求，本课题运用t r i z 创新技法的理论与方 法对数控车削加工中心进行实例改进，并编写了基于t r i z 创新理论基本原理的产 品设计的计算机辅助应用工具。本论文可分为两个方面进行研究： 首先，介绍了t r i z 理论的主要内容。创新从最根本的意义上讲就是创造性地 发现问题并且解决问题的过程，然而t r i z 理论强大的作用正在于提供了系统的理 论和方法的工具。t r i z 理论解决冲突的重要工具就是矛盾冲突矩阵。因此，为了 更好地利用t r i z 创新技法的理论工具，本文对t r i z 理论解决矛盾冲突的核心工 具进行了简单的软件化编程，使其矛盾更好更快捷地运用t r i z 理论解决问题。 其次，用t r i z 理论对机械产品进行创新设计的指导。采用上述所编写的软件 对现有条件下数控车削加工中心所存在的冲突矛盾进行分析，并且运用矛盾冲突 矩阵中的发明创新原理。将其工作的状态分为了三个模块：第一传动模块，选择 合适的传动机构对工件进行传动，以满足自动上料的需要；第二个模块，选择位 移检测装置进行对传动模块所传递工件长度的检测；最后一个加工模块，选择自 动换刀设备，以满足一次装夹多工序加工的要求。 关键词：t r i z 、数控技术、矩阵、矛盾冲突 a b s t r a c t n u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi sac o t eo fa na d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ； a l s oi ti st h ef o u n d a t i o no fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yt h a t r e a l i z e st h ei n t e g r a t i o n , f l e x i b i l i t y , n e t w o r k i n g ，a u t o m a t i o n i no r d e rt om e e t i n gt h ed e m a n do fp r o d u c td e s i g n , t h i sr e s e a r c hm a i n l yi m p r o v e dt h en u m e r i c a lc o n t r o lt u r n i n gp r o c e s s i n gc e n t e ru s i n gt h e t h e o r ya n dm e t h o do ft r i zi n n o v a t i o nt e c h n i q u e s ，a n dd e s i g n e dc o m p u t e ra p p l i c a b l e t o o l sf o rp r o d u c td e s i g nb a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft r i zt h e o r i e s t h i sr e s e a r c hc a nb e d i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gt o ws u b - i t e m st os t u d y ： f i r s t , t h ep r i n c i p a lc o n t e n t so ft r i za r ei n t r o d u c e d f r o mt h ef u n d a m e n t a ls e n s e ， t h ei n n o v a t i o ni st h ep r o c e s so ff i n d i n ga n ds o l v i n gt h eq u e s t i o nc r e a t i v e l yb a s i c a l l y t h em o s ti m p o r t a n tf u n c t i o no ft r i zt h e o r yl i e si np r o v i d i n gs y s t e m st h e o r ya n dt h e m e t h o df o ri t t h em o s ti m p o r t a n tt o o lo ft r i zi sc o n t r a d i c t i o nm a t r i x t h e r e f o r e ，i n t h i sp a p e r , t h ep r o g r a m m i n gp r o c e e d e dt os o l v ec o n f l i c to ft h et r i zt h e o r y , i no r d e rt o u s eo ft h et h e o r yo ft e c h n i q u ei n n o v a t i o nb e t t e r t h ec o n t r a d i c t i o nu s i n gt r i zt h e o r y c a ns o l v ep r o b l e mb e t t e ra n dr a p i d e r s e c o n d l y , t h ec r e a t i v ed e s i g no fm e c h a n i c a lp r o d u c ti sg u i d e db yt r i zt h e o r y w i t ht h ep r o g r a mm e n t i o n e da b o v e ，t h ep r o g r a m m i n ga n a l y z e di m p r o v e m e n tc o n f l i c t s o ft h en u m e r i c a lc o n t r o lt u r n j i l gc e n t e r , a n du s e dt h ep r i n c i p l eo fi n v e n t i o na n d i n n o v a t i o nt ot h em a t r i xo fc o n t r a d i c t i o nc o n f l i c t t h ec o n d i t i o no fd e s i g nw o r k i n gi s d i v i d e di n t ot h r o em o d u l e s ：t h ef i r s to n ei st r a n s m i s s i o nm o d u l a r , i ts e l e c t st h e a p p r o p r i a t ep u l l e y sf o rw o r kp i e c et r a n s m i s s i o n ；t h es e c o n dm o d u l ei st h e o n et h a t s e l e c t st h a tp o s i t i o nd e t e c t i o nd e v i c ed e t e c t i n gl e n g t ho fw o r kp i e c ei nt r a n s m i s s i o n m o d u l a r t h et h i r do n ei sap r o c e s s i n gm o d u l e ；i ts e l e c t se q u i p m e n tw h i c hc a l lc h a n g e a u t o m a t i c a l l y , f o rt h ep u r p o s et h a tt h ee q u i p m e n tc a l ls a t i s f yp r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t s f o ro n c et h ec l a m p i n ga n dm o r ep r o c e s s e s k e yw o r d s ：t r i z ；n u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y ；m a t r i x ；c o n t r a d i c t i o nc o n f l i c t i l 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 为了可持续发展和面对日益残酷的竞争需要，提高自主创新能力是所有企业 面临的一个紧迫问题，只有不断地为市场提供性能优越的产品，企业才能得以生 存和发展壮大。产品作为人类智慧的产物，是由若干个相互联系的元素构成的集 合体。他凝聚了材料、技术、生产、管理、消费、审美以及社会经济文化等方面 的因素，是特定时代、特定地域的科学技术水平、生活方式、审美情趣诸多信息 的载体，因此产品设计是一项系统工程。“工欲善其事，必先利其器 ，产品创新 设计方法和理论的研究是开发新产品的关键所在。为了提高开发新产品的成功率， 设计师必须掌握科学的产品开发方法和工具。本文主要探讨基于创新技法的数控 车削中心的设计，旨在探索此类产品的设计方法并为相关产品的设计做些铺垫。 1 1 概述 随着贸易全球化进程的不断深入，产品质量在国内外市场上占据着主要的竞 争力。一个质量好的产品是要通过设计者精心细致的设计、生产厂家严格的生产 和管理过程控制等环节获得的。在这些环节中作者认为产品的创新设计的工作尤 其显得重要，因为产品前期的设计方案直接决定后期生产和管理控制。 近年来，从事产品设计的人员为了寻求较好的产品设计方案，进行了大量试 验与研究工作【1 2 们，提出y t p 多种设计理论和方法。作者结合自身理解认为开展产 品的创新设计，需要具备以下几个条件：第一，根据市场调研，设计出符合市场 需求的产品；第二，充分发挥个人主观能动性，利用强烈的创新意识和浓烈的创 新愿望对所要设计的产品进行大胆的设计；第三，认真学习与产品相关的专业理 论知识，积累大量的产品设计经验；第四，通过大量理论的学习，要尽量把理论 知识应用于实践中；第五，要在此类产品的设计中予以体现。 目前，科学工作者所提出的设计理论和方法多达数十种，存在着零散、无序、 孤立、互无联系的状况。产品设计的工作既是一项典型的技术工作，又是一种艺 术。怎样将这些繁多的设计方法进行有机的结合，进行最佳的配合，关系到能否 合理的将这些设计理论与方法充分并有效地利用的问题。因此，必须针对某种具 体的产品所要提出一种较为理想的综合的设计方法，以便于顺利地完成产品的设 计工作，从而获得功能较为完善、性能较为优良并且在市场中能具有竞争力的高 第一章绪论 质量产品。 机械产品正朝着极端方向( 大型、微型、高速、精密、连续、复杂大系统等) 、 综合集成化方向( 综合化、集成化、模块化等) 、信息化方向( 自动化、智能化、 网络化、数字化等) 和绿色化等多方向发展。 许多的科技工作者为了能够提高产品的设计质量，缩短其生产周期，降低产 品其制造成本等，曾经也进行了大量的研究工作。对于不同的各种设计方法均进 行了深入的钻研，在许多的产品设计中，取得了较为良好的效果。在目前的国内 外的发展研究状况来看，机械产品的设计理论与方法，见图1 1 机械产品设计理论 与方法的发展，有几个方向的发展：第一，在科学发展观和自主创新思想指导下 的设计理论与方法；第二，面向产品质量、成本或寿命的设计理论与方法；第三， 为加快设计进度及实施设计智能化的设计理论与方法；第四，面向复杂系统和高 难度( 非线性、非稳态、高维、强耦合、不确定、多变量等) 问题的设计理论与 方法；第五，面向产品广义质量或产品全功能的综合设计理论与方法。这些设计 法各有各的特点和适用范围，但是这些设计方法是以单一设计目标的方法为基础， 所以对单一设计目标的方法研究工作的深化是搞好综合设计法的基础【2 j 。 在科学发展 观和自主创 新思想指导 下的设计理 论与方法 嘛 在科学发展观和自 主创新思想指导下 的设计理论与方法 图1 1 机械产品设计理论与方法的发展 2 在科学发 展观和自 主创新思 想指导下 的设计理 论与方法 学 科 交 叉 融 a 口 的 综 a 口 设 ， 究工作的深化王单目标或多目标设计法 i-1慑悒做憎一 一；训圳型 长安大学硕士学位论文 1 2 现代产品设计理论与方法 1 2 1 现代产品设计理论与方法简况 产品的设计是一种创造性的工作，是需要建立在丰富的知识与经验基础上才 能完成的。产品设计的主要目的是寻找一种能够满足顾客的质量要求，这是一个 思考、实践、再思考的复杂过程。产品的设计一般都是理论总结与实践积累出来 的，因此，需要寻求一种以科学理论为依托的理论方法来指导产品的设计工作。 产品设计理论是一个研究工程产品设计思维、设计规律、设计方法与设计过程的 一门综合性学科，涉及设计者、产品的设计过程、设计目标、领域知识和可用资 源等五个方面及其相互的关系，图1 2 品设计理论的研究内容。 图1 2 产品设计理论的研究内容 在上个世纪中叶，设计者对于产品的设计大多数都是属于经验性的设计，设 计主要包括方案设计、技术设计、工艺设计等几个阶段。随着社会的进步与科学 技术的不断发展进步，进入信息化时代之后，设计者对于产品的设计不再像传统 的设计方法那样依赖于设计者的经验和灵感来创造的，而是以科学文化知识为背 景，以科学创新方法为手段，经过复杂反复的研究实践。近年来，随着信息化的 水平不断提高，产品设计融入了信息科学、数学方法和计算技术，使得产品设计 进入了系统工程、系统优化以及计算机辅助设计的阶段，迎来了产品设计的一个 新的里程碑。多年来很多从事产品设计的人员对产品设计的理论和方法都进行了 大量的研究，提出了一些设计的理论与方法。简要列举几个比较有影响力的设计 理论与方法：发明问题的解决理论( t h e o r yo f i n v e n t i v ep r o b l e ms o l v i n g ，t r i z ) 、 并行设计、虚拟设计、数字化设计等，本文主要运用t r i z 理论。 1 2 2 设计理论的基本原理 1 ) 发明问题解决理论( t r i z 理论) t r i z t l 0 - 1 2 l 一词由拉丁文而得，是拉丁文中发明问题的解决理论的每个词的头 喜：兰三而竺? il 该理论的创始人为前苏联g s a l 劬蛐，此人花费了1 5 0 恍 篓黑! 兰兰零物2 5 0 万份翱进行分鹘觋并且通主i 妄淤 ：兰! 竺多篓耋竺题的原理与知识体系。在高压的前苏联磊卧委主蓍二于 等慧妻篓耋二竺黧兰联的解体，一大批从事科学研究的杰三孟雾篙磊 篓篡鬟三兰! 篓醌并逐渐拙这种理论赢箍；未喾篡 竺耋竺黧竺要兰叠：品开发进入了一个新的里程碑。之磊主兰二暮三善 ：篓! 兰：竺竺靴烁，它并不是针对某一个或某种具毒三淼：雩 竺量慧蛩竺三罐奶五十多年的深入髋眦方迸磊三茹 冀：竺兰兰! 竺j 虱卧3 为眦方法解决闯题的淼。t 矧p i z i k i z 叶 耋兰萎耋竺竺竺大苎兰程为：首先，设计者要将所设计的产品转簇二；二芝的方 羔凳篓，篓! 用讹提供的相关理论缸髀菜；盂：二 的模拟解，北方法是被认为是目前最成功、最成效的创新妄论磊。“悄 图1 3 t i u z 方法的简化过程 识鸱詈篓设兰要兰孝通过优秀的设计者设计的大量的优秀设计过程所积累下来的 煮竺麓三兰茎兰! 鹕札对待设计产跚功能性设毒三磊荔孬簇磊 竺黧二兰过竺息流、能量流和物料流三者有机地结合在一主，。磊磊二筹蓄 的功能结构，如图1 4 所示。 ”一川期 4 长安大学硕士学位论文 能量流 物料流 信号流 能量流 物料流 信号流 ，。予 。 r 功 【。i 、o 能 | l 。 。、，、。蚓 ； 7 ， 一 ： ， 歹飞 一 再棒 c = = = = = 岛 一 一 。 一 。j 一 图1 4 普适设计法的功能结构简图 3 ) 公理化设计 二十世纪中期，美国麻省理工学院s u b 教授提出了一种基于决策方法的设计 理论，即为公理化的设计。该理论是以科学理论与法则为基础的理论体系，取代 了传统性的以经验为主的理论。该方法的主要目的是在产品设计过程中遇到设计 信息与相关知识缺乏的情况下，通过决策或者利用相关“公理 的方法，对设计 过程中的复杂结构进行优化设计。此方法操作的大致过程是：把设计过程中的设 计问题域包括顾客的需求域、功能域、设计参数域和工艺参数域，通过相关的映 射机制转化成问题域概念的模型，如图1 5 所示。公理化的设计它仅仅是一种概念 化的描述，在与整体的科学理论相做比较来说还有相当大的一段距离，同时，距 离实用性能方面也有所不同，但它引导了一种理论化的设计思维，为今后的理论 化的设计方法的提出提供了理论上的指导和方向。 顾客需求功能需求设计参数工艺参数 图1 5 公理化设计的四个映射域及其映射机制 第一章绪论 4 ) 三次设计法和q f d 设计法 ( 1 ) 三次设计法，是由日本设计者一田口提出的设计理论，主要包括产品的 参数设计、系统的结构设计和容差设计等三个方面，故称为三次设计法。产品的 参数设计主要需要大量的实验数据来进行描述，然后对所需的零部件的数据参数 进行淘汰法选取，其主要所要达到的目的是其产品的稳定性能够降低受到外界因 素的影响，而使得产生最优方案，以达到质量的合格乃至最优。三次设计法的基 础是结构设计，即指对产品的功能设计。而容差设计的方法是为了确保产品的功 能结构以及保证质量的条件要求下，需要在将各个参数的公差变大在一定的参数 浮动范围之内，来进行制造成本的降低，提高产品效益。 ( 2 ) q f d ( q u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n t ，质量功能的展开) 设计法【1 3 1 9 1 ，随 着顾客对产品的要求的提高，使得产品设计理论必须从传统的设计方法向现代设 计方法进行转型，故此产生了q f d 设计法。q f d 将具体的理念得到了运用，并将 相关的专业理论方法与现代的设计思想理论结合发展，将这种理念方式融入在创 新产品设计中，是现代设计方法理论运用的创新与典范。 如图1 6 所示为产品的设计开发的分解过程。q f d 设计法是将客户的需求通 过质量屋( h o u s eo fq u a l i t y ，h o q ) 展开成工程特性，通过确定其目标值以便对 下一阶段的工程特性进行展开。依据规划所得的结果，通过h o q 2 将其工程特性展 开成为零部件的特性，选择一个最佳的方案，并确定下一个阶段的零件特性；再 依据这次的规划结果，通过h o q 3 将其零部件的特性展开成为工艺特性，同时确定 各零部件的工艺参数；再通过h o q 3 的规划结果，通过h o q 4 将其工艺特性展开成 为生产特性，并确定出质量控制参数( 生产的特性目标值) 。故，上述的四个阶段， 可将客户的需求依次产开到生产特性，达到了技术与市场相结合的效果，各部门 之间的沟通与协作得到了很大的提升，提高了工作效率，降低了产品开发设计的 成本，同时缩短了开发的周期，为产品的设计提供了一种新的思路。 6 长安大学硕士学位论文 图1 6 产品开发的分解过程 传统的q f d 方法是基于结构化的设计方法，每个阶段的联接都不是十分的紧 凑，在应用此方法的时候很大一部分程度是依靠设计者的使用经验。因此，这些 缺点与不足就限制了q f d 自身的发展。对于q f d 存在的缺陷与不足之处，国内 外的研究人员都进行了一系列的探索与研究，这样就使得q f d 理论日益的趋于完 整 口o q f d 设计法有其自身的优点，但也存在着一些缺点和不足之处： 第一，q f d 方法的优点由于其复杂和繁琐的产品设计过程而受到限制，得不 到充分的发挥； 第二，用户的需求信息是企业开发产品的直接依据，同时也是产品开发的战 略导向，同时也是q f d 设计方法的最为基础的一个信息。然而，传统的用户需求 信息是通过大量的市场调查和分析所获取的，这不但要花费大量的人力和物力， 同时使得开发成本大大增加，这个原因成为了采用q f d 设计方法的主要障碍； 第三，在建立q f d 决策模型的过程中，也存在着许多不足。这些不足也使得 q f d 设计法在应用的过程中受到了很大的限制。 第四，在现阶段的q f d 设计方法中，很多的的研究工程框架及模型需求的项 目特征比较多，运用的关系复杂，表述困难。 1 3 课题的提出和研究内容 本课题研究此类车床的目的：随着我国轻工业的发展，近年来我国的数控车 床有了很大的发展，并已形成批量生产的规模，尤其是轻工仪表的工业也同样得 到迅猛的发展。但是，小型仪表车床由于其工作效率的问题和微小体积所带来的 7 第一章绪论 操作困难的问题，以及需要加工小型复杂零件的问题，制约着其发展，然而现有 的数控车床几乎都是大型的，而能够达n 4 , 型仪表车床的小尺寸加工能力很少。 基于t r i z 的创新方法与小型的零件仍需小型机床加工的设计思想，进行研究一种 数控仪表车削中心的概念设计，为小型复杂零件加工提供了先进装备和技术，以 来满足不同用户需求。 本课题所研究的内容： 1 ) 介绍t r i z 作为一种创新性的解决问题的方法的现状和发展趋势，基于t r i z 的概念设计的目的和意义。 2 ) 根据我国的现状，分析我国现有数控车削中心的优缺点，依据西北钟表研 究所提出的项目所需预期效果进行分析，确定方案。 3 ) 结合西北钟表研究所提出项目的实际情况，依据方案进行工程设计。 8 长安大学硕士学位论文 第二章发明问题解决理论 创新的具体含意就是创造性地发现问题并且解决问题的全过程，而t r i z 理论 强大的作用在于它为此提供了系统的理论和工具。t r i z 认为发明问题的核心就是 在于解决问题的冲突，冲突可以主要分为技术上的冲突和物理的冲突。 2 1 t r l z 理论的由来与发展现状 t r i z 法是由前苏联人g e n r i c ha l t s c h u l l e r 所创建的。“t r i z ”一词是俄文“发明 问题解决理论”的首字母缩写，英文名称为t h e o r yo f i n v e n t i v ep r o b l e ms o l v i n g 。自 从1 9 4 6 年以来，以g s a l t s c h u l l e r 为主要的专家，通过对2 5 0 万份的专利文献的 深入研究发现，一切的技术问题都在于解决过程中有一定的模式可循，可以对大 量较好的专利进行深入分析并应用将其解决的问题的模式抽取出来，为人们进行 进一步的学习并得到创新发明的能力提供了参考。经过多年的搜集、分析、比较 以及归纳，此研究建立起了一整套体系化的并实用的发明问题的解决方法，这就 被称为所谓的t r i z 法的理论。图2 1 所示t r z 法理论的来源。 概念： 资源的发现描述 发明级别划分 技术进化模式 理想化工具及模型 技术系统中的矛盾 3 9 个通用工程参数 4 0 条发明创新原理 物扬分析模型 7 6 个标准解 效应知识库 a r i z 算法 图2 1t r i z 法理论的来源 t r i z 理论的基本是想是：把先前的发明和创造以及相关的理论知识进行积累 与组合，每一个问题所设计的基本问题矛盾是大致相似的，仅仅是因为所应用的 领域不同丽己，运用t r i z 所设计的理论的组合与归纳，从而形成一个系统的理论 知识库，然后，运用已经形成体系的理论来进行实际发明创新问题矛盾的指导。 9 第二章发明问题解决理论 每一个具体的实际问题都包括基本问题和基本矛盾，通过t r i z 方法把这些基本的 问题转化成用t r i z 来表达问题的方式，然后寻求解决方案。t r i z 法已经打破了 人们传统的思考问题与解决问题的方法，避免了传统的创新过程的试错法而带来 的盲目性与局限性，明确地指出了解决问题的方法和途径。 t r i z 法迅速的在全球传播开来，自动化公司r o c k w e l l 在一位t r i z 法的咨询 师的帮助下成功地将一个自动刹车系统的零件从1 2 件减少为4 件，同时造价也下 降了5 0 。f o r d 公司也从1 9 9 5 年起举办了t r i z 法的培训，已培养并掌握了t r i z 法的工程师有8 0 0 人。f o r d 发动机公司为寻找一种传动轴承研究问题的解决办法， 在有载荷时，该轴承会经常偏离出正常的工作位置。运用t r i z 法后产生出了2 8 个创新设计方案，其中一种设计显示，这种轴承的热膨胀系数很小，在较高载荷 并产生高温的情况下其优点比较明显，载荷越大，轴承位置的稳定性越高，从而 解决了此难题。 目前，t r i z 法已在自动控制、航天航空、机械仪器、动力、电气与电子、汽 车、化工制药、医疗卫生、轻工和食品等十大技术的领域中发挥了重要的作用， 并也延伸到了非技术的领域。国外t r i z 法的专家正在试图将t r i z 法用于管理与 商业的领域，并取得了成果。t i 兆法将成为全能的创新方法。 2 2 t riz 的定义 国际著名的t r i z 理论【卜1 9 1 专家s a v r a n s k y 给t r i z 法理论进行了以下的定义： t r i z 理论是一种基于知识的、面向人的解决发明问题的系统化的方法学。 1 ) t r i z 法是一种基于理论知识的系统化的方法。这种知识包括： 解决发明问题的启发式的知识，这一些知识都是从世界范围的2 5 0 万件的 专利中抽象出来的，在抽象的过程中采用了少数的基于产品进化理论的客观启发 式的方法； 采用了自然科学以及工程技术中的效应知识； 技术问题的领域的知识，包含技术本身以及与该技术相关或者相反的技术。 2 ) t r i z 法是面向人的方法。t r i z 法的理论本身可以将系统分成可改善条件 和导致损害条件两种情况的实践，具体的分解结果主要取决于人们对实际问题和 环境的认识，其理论本身就是具有随机性的。类似于计算机这类的机器在问题的 解决过程中仅仅起到一种支持的作用，为处理一些随即的问题的设计者们提供一 1 0 长安大学硕十学位论文 些设计的工具和方法，但不能够完全代替了人的作用，人的中心地位是要得到完 全的肯定。 3 ) t r i z 法是一种系统化的方法。运用了t r i z 法来解决问题的过程本身就是 一个系统化的、并能方便运用已有知识的过程。 4 ) t r i z 法是发明问题的解决理论。t r i z 法是研究所进行的需要解决的问题 矛盾的标准解来参照的一种科学理论与方法，并将这一些原理以及法则运用于解 决实际的设计工作中所要遇到的新问题中。 2 3 t r i z 法体系结构 面对任何需要解决的问题时，运用t r i z 理论都包含了两个解决过程，即为问 题的描述问题与问题所存在的矛盾问题。在解决某个矛盾问题时，需要在t r i z 理 论中进行对各个理论的筛选，取得创新发明原理、7 6 个标准解或是效应知识库， 能够正确并很好的运用这些分析问题以及解决问题的工具，才能得到问题解决的 正确方法，这也是解决问题矛盾的主要途径。因此，t r i z 理论包含了分析工具： 矛盾矩阵和a r i z 算法分析，以及解决工具：4 0 条发明创新原理、7 6 个标准解和 效应知识库，如图2 2 所示，为t r i z 理论的解决问题结构。 ，t 一。r r ! ： ： l 理论基础i 分析工具 ； 基于知识的工具 ； 结论 l ： ： ：! 一! j ： 图2 2t r i z 理论的解决问题结构 第二章发明问题解决理论 2 3 1 理论基础 技术系统的进化的模式是t r i z 法理论的基础，该模式包含用于工程技术系统 进化的基本规律，理解这些模式可以帮助人们形成对问题发展轨迹的总体概念， 得到其发展正确判断，从而增强人们解决问题的能力。任何领域的技术产品都与 生物系统一样，存在着产生、生长、成熟、衰老和灭亡的产品进化规律，掌握了 这些进化规律，人们就能能动地进行产品的创新设计开发并能预测产品的未来趋 势。 2 - 3 2 t r i z 法问题分析工具 问题的分析师t r i z 法是解决问题的一个关键的阶段，包括有功能分析、可用 资源的分析、理想解的确定、矛盾冲突区域的确定等。t r i z 法问题的分析工具是 提供了对于问题的辨认与形式化的方法。对于问题的分析并不一定需要利用矛盾 问题的每一条信息细节，而是可以用一些比较特殊的方式，比如矛盾的冲突、“物 质一场”模型分析法、需求功能的分析来表示与描述所需要解决的问题。 1 ) 矛盾冲突分析 t r i z 法的理论认为，发明的问题的核心是解决矛盾的冲突，未解决的矛盾冲 突就不能算是一次成功的创新性的设计，产品的问题矛盾解决主要是基于矛盾的 正确和相似的描述，并对矛盾进行分析和进化，来完成矛盾冲突的解决。随着一 个个的矛盾冲突的解决，产品将会进入到下一个新的状态。在这个设计过程中需 要不断地发现并且解决矛盾的冲突，可以推动产品向理想化方向进化的动力。 产品的设计和进化过程中的矛盾的冲突是不可避免的，如何进行描述矛盾的 冲突并且解决这些矛盾的冲突，是问题解决的重要点。t r i z 法的理论归纳并整理 了3 9 个通用的工程参数，用于对工程的设计过程中产生的技术矛盾的冲突进行描 述，并且通过运用此3 9 个设计工程参数构造出了矛盾冲突的矩阵，并进行引导设 计者正确地选用t r i z 法中的4 0 条发明原理。详细内容见附录1 ，通用工程参数表。 矛盾的矩阵是运用3 9 个通用工程的特征参数所组成的3 9 3 9 正方形矩阵。 此矩阵的行是按3 9 个通用的工程特性参数按顺序依次排列，代表着工程参数所需 要改善的一方；此矩阵的列同样也是按3 9 个通用的工程特性参数按顺序依次排列， 代表着工程参数所有可能引起的恶化的一方。矩阵的元素用胍。来表示，其中下 标工表示为该元素的行数，下标j 所表示为该元素的列数。由于矛盾是不可能由 1 2 长安大学硕士学位论文 自身所造成，因此，行与列的号相同( j 巧) 的矩阵元素胍一就为空集，用“+ 来表示；若i j 时，此矩阵的元素为空集，指的是这两个的特征参数之间不能构 成矛盾，或是有存在的矛盾但尚未能找到适合的解，用“一 来号表示；若工- 时，矩阵的元素胧一j 为非空集，此数值为解决其所在的行与列通用的工程的特征 参数所产生的技术矛盾其相关的发明创新原理的编号，可以在技术的矛盾矩阵表 中找得到，如表2 1 所示，技术矛盾矩阵。 表2 1 技术矛盾矩阵 暴 1 运动2 静止3 运动4 静止5 运动3 9 生产 物物物物物 塞 恶化的 体质体质体尺寸体尺寸体面积 技术特性量 j i 里 1 运动物 +1 5 ，8 ，2 9 ，1 7 ，3 5 ，3 ， 体质量 2 9 ，3 43 8 ，3 42 4 ，3 7 2 静止物+ 1 0 ，l ，l ，2 8 ， 体质量 2 9 ，3 52 5 ，3 5 3 运动物 8 ，1 5 ，+1 5 ，1 7 ，1 4 ，4 ， 体尺寸 2 9 ，3 4 4 2 8 ，2 9 4 静止物 3 5 ，2 8 ，+3 0 ，1 4 ， 体尺寸 4 0 ，2 97 ，2 6 5 运动物 2 ，1 7 ，1 4 ，1 5 ，+1 0 ，2 6 ， 体面积 2 9 ，41 6 ，43 4 ，2 3 9 生产率 3 5 ，2 6 ，2 8 ，2 7 ，1 4 ，43 0 ，7 ，1 0 ，2 6 ，+ 2 4 ，3 71 5 ，32 8 ，3 81 4 ，2 63 4 ，3 2 ) “物质一场 分析 t r i z 法的理论认为，每一个的技术系统都可以由许多的功能不同的子系统所 组成，因此，每一个系统都需要有它自己的子系统，而每一个子系统都可以再进 行下一步地细分，直到分子、原子、质子以及电子等微观的层次。无论是大系统、 子系统，还是微观的层次，都具有一定的功能，所有的功能都可以被分解为2 种 物质和1 种场( 即二元素的组成) 。在物质一场的模型的定义中，物质是指某种物体 或者过程，可以是整个系统，也可以是系统内的子系统或单个的物体，甚至可以 是环境，取决于实际情况。场是指完成某种功能所需要的手法或手段，通常是一 第二章发明问题解决理论 些能量的形式，比如，磁场、重力场、电能、热能、化学能、机械能、声能、光 能等等。“物一场 分析法是t r i z 理论中所运用的普遍的分析工具之一，主要是 用于在系统中或是新技术系统问题相联系的功能模型来进行建立起自己的相关的 关系。 图2 3 所示“物质一场 模型，s 。和s ：为物质，f 为场。物质s 。可以为被控的 粒子、材料、物体或过程，物质s 。为控制物质s 。的工具或物体，场f 为用于实现 物质s 。与物质s ：之间相互作用的能量，比如机械能、液压能和电磁能等，物质一 场模型可以解释为：能量场f 作用于工具物质s 。，通过物质s ：对物质s 。进行的各 种形态或者功能的变换。 s 】卜一 2 图2 3。物质一场”模型 3 ) a r i z 算法 “a r i z 是俄文中“发明问题解决算法 的首个字母的缩写。a r i z 是t r i z 法 的一种重要的分析工具，也是一种解决发明问题的算法，该算法所采用的一套逻 辑过程将逐步地将初始的问题程式化，将矛盾的冲突和理想解进行程式化的处理， 使得技术的系统朝着理想解的方向进化。 t r i z 法在解决问题的时候，解决问题的难易程度，主要取决于对该问题矛盾 冲突的描述方式、描述语言的准确性以及程序化的方法。当把要解决的实际问题 矛盾冲突描述的越加清晰时，问题的理想解就越易在t r i z 的理论中进行查得并可 以加以运用。发明问题的过程就是要对所求问题不断的进行描述、分析、程序化。 通过了这一过程，实际问题中的最基本的矛盾就会清晰的显露出来，问题的求解 就变得很清楚了。在a r i z 法理论当中，矛盾冲突的解决既可通过已有理论知识库， 也可以通过效应的知识库来支持。如图2 4 所示，a r i z 算法的流程。 1 4 长安大学硕士学位论文 z 抽象提取技术矛盾 1 分析与表述问题 无 4 0 4 - 发明原理、弋7 _ 二7 王抽象提取物理矛盾 无 分离原理、之“二y 4 建立物场模型 无 7 e t - 标准解) - - - 一 s 印，满足静强度安全。 4 3 第四章数控车削中心主传动系统改进 4 2 2 2 上料传动机构 本论文在上章节中运用了t r i z 创新技法工具中的发明创新原理查得，根据自 动化的程度与制造精度的矛盾，查得原理2 8 机械系统替代原理和原理2 3 反馈原 理的结合，那么在小节中，运用t r i z 创新原理来进行对数控车削中心的上料传动 机构进行改进。 1 、传动构件的选择 、 ( 1 ) 方案的确定 在设计中，选定带传动和和不完全齿轮进行传动运动方案的确定，如图4 6 。 图4 6 传动运动方案 ( 2 ) 参数确定 在本论文中使用的传动构件为圆弧齿同步带，从主电机分流转速，则同步齿 形带的主传动转速2 0 0 0 r r a i n ，选取带型3 m ，主动轮齿数z l = 2 2 ，主动轮直径 d l = 2 1 o l m m ，见表4 1 和4 2 。 表4 1 最小齿数 带裂 带轮转速r n f i n3 m5 m8 m1 d2 0 m 2 i 9 0 0 l o1 42 22 83 4 9 0 0 - - 1 2 0 01 42 02 82 83 4 1 2 0 0 1 8 0 01 6 2 4 3 23 23 8 1 s o o 3 6 0 0 2 02 83 6 3 6 0 0 4 s o o 1 3 0- - 长安大学硕士学位论文 表4 23 m 带轮的基本尺寸 节 争外径节绳外径节往 外径 节往 外 争 齿数齿数齿数落数 d 磊 d 五 d 磊 d 如 l o9 5 5 8 1 91 7 1 6 二3 1 5 4 72 4 二2 9 ：2 二1 63 l2 9 6 02 8 ，8 4 l ll o 5 09 4 l s1 7 ，1 91 6 4 32 5 二3 s 72 3 i l3 23 0 5 62 9 8 0 1 21 1 4 61 0 7 01 91 8 1 41 7 3 82 62 4 8 32 4 0 73 33 1 5 l3 0 7 5 1 31 2 - 4 l1 1 6 51 9 1 0l s 3 42 7二5 7 82 5 。o 二3 43 2 4 73 1 了l 1 41 3 3 71 2 6 l2 l2 0 0 51 9 2 92 8二6 4 1 气o g 3 53 3 4 二3 2 6 6 1 51 4 3 21 3 5 62 22 l ，o l：o 2 5凹二7 矽2 6 9 33 63 4 3 83 3 6 二 1 61 5 ：81 4 5 ：2 3二1 9 62 1 2 03 0二s 6 52 7 s 93 73 5 3 33 4 5 7 由传动比忙1 ：6 可知，从动轮齿数乙= 1 3 2 ，从动轮直径d 2 = 1 2 6 0 6 r a m 。 计算带的初步节线长度l o ： l o = 2 a o + 1 5 7 + 掣= ( ，z 聊) 式中：c o 初定中心距，取口o = 1 2 0 r a m ： d l 从动轮直径，取d i = 2 1 o l m m ； d 2 从动轮直径，取d 2 = 1 2 6 0 6 m m 。 表4 33 m 圆弧齿同步带长度系列 ( 4 6 ) 第缓长o节线长o 长度代号齿数长度代号齿致 “期n 跏 1 2 01 2 0 4 0 3 3 93 3 91 1 3 1 4 4 1 4 44 83 8 43 8 41 2 8 1 5 01 5 0 5 0 4 2 04 2 01 4 0 1 7 71 7 75 94 5 94 5 91 5 3 1 9 2 j 昵6 44 鼬4 8 61 6 2 2 0 l2 0 l6 75 0 15 0 l1 6 7 2 0 72 6 9 5 3 7 5 3 71 7 9 2 2 52 2 57 55 6 毒 5 6 4 1 8 s 2 5 22 5 28 4 6 3 3 6 3 32 l l 2 6 42 6 4 8 8 7 5 07 5 02 5 0 2 7 62 7 69 29 3 69 3 63 1 2 3 ( 加 3 0 0 l l s l l ；0 06 0 0 4 5 第四章数控车削中心主传动系统改进 查上表4 - 3 ，得，标准节线长度l p = 6 3 3 m m 。 带轮的实际中心距口： 口- m + m 2 - 3 2 ( d 2 - d 1 ) 2 1 6 = 1 9 3 9 4 ( r a m ) ( 4 7 ) 式中：m = 4 l 口- 6 2 8 ( d 2 + d i ) = 1 6 0 8 4 ( m m ) 反主动轮直径，取d l = 2 1 o l m m ； d 2 从动轮直径，取d 2 = 1 2 6 0 6 m m 。 查机械手册可知，带轮的带宽b ，= 6 r a m 由同步齿形带的传动比f 和主从动轮直径矾、畋，可知： 垆妻 ( 4 8 ) 由公式得，同步带传动从动轮转速为3 2 0 r r a i n 。 由同步带传动传递，输入主动轮转速为3 2 0 r r a i n ，选取间歇运动机构中的从动 轮为4 段轮齿和4 个内凹圆弧，当主动轮连续转过一圈时，从动轮间歇转过1 4 圈， 因此，不完全齿轮从动轮转速为8 0 r m i n ，选取不完全齿轮d = 6 0 r a m ， 妒等_ 8 3 8 ( r a d s ) ( 4 9 ) v 2 ：刃：罢：0 2 5 ( m s ) ( 4 1 0 ) 由以上两步进行计算得出，进给速度0 2 5 m s ，即，不完全齿轮转动一圈，工 件进给一次，运用齿轮齿条将不完全齿轮所进行的选择转动转换为直线运动，使 得不完全齿轮转动一圈，工件进给2 5 0 m m ，进行加工一次。以此类推。 ( 3 ) 构件的选择 1 ) 传动通常运用带传动的形式，按结构的形式不同，带形式通常分为平带、 v 型带以及同步齿轮形带。 平带的横截面是扁平的矩形，其工作面主要是与轮面相接触的内表面，主要 运用于两轴平行，并且转向相同的较远距离的传动。v 带的横截面为等腰梯形，其 工作面主要是与轮槽相接触的两侧面，然而v 带与轮槽的槽底并不接触。在相同 的张紧力与相同的摩擦系数的条件下，v 带所产生的摩擦力要比平带传动能产生出 更大的摩擦力，因此，v 带传动的能力较强。 长安大学硕士学位论文 同步齿形带的传动是一种新型的带传动，如图4 7 所示。同步齿形带的传动机 构是利用齿形带的齿形与带轮的轮齿顺序依次相啮合进行传递运动和动力。齿形 带兼有了带传动、链传动以及齿轮传动的优点，并无相对的滑动，也无需特别张 紧，并且传动效率较高；平均传动比较准确，传动的精度较高；有良好的减振性 能，无需润滑，无噪声，传动比较平稳；带的厚度小、强度高、质量轻。 图4 7 同步齿形带传动 齿形带是根据齿形的不同又分为梯形齿的同步带和圆弧齿的同步带，如图4 8 所示为两种齿形带的纵断面图。梯形齿的同步带在传递功率的过程时由于应力集 中在齿根的部位，使得功率的传递能力下降，并且与轮齿啮合时由于受力的状况 不好，会产生噪声与振动。而圆弧齿的同步带均化了应力，改善了啮合的条件。 因此带传动时，总是优先选用圆弧齿的同步带。 ( a ) 梯形齿 图4