Pro/Innovator在定位裝置中的應用

2013-07-20 by:廣州ProE/Creo培訓中心來源:仿真在線

0 前言
    在日常生活或從事科研工作過程中,常常會遇到各種各樣的問題,但卻總不能在創造性的水平上解決問題,即對極端復雜的問題采用簡單的解決方案。TRIZ作為創新設計方法理論,被譽為蘇聯國家創新的“點金術”,廣泛應用于軍事、工業、航空航天領域、且發揮了巨大作用。TRIZ所有的理論、結論和建議都是建立在對250萬份發明專利信息的分析之上,并在實際運用過程中得到過驗證。
    隨著科學技術的發展,與TRIZ相結合的創新性技術軟件也隨之出現,Pro/Innovator就是其中的代表性軟件之一,該軟件是TRIZ理論、本體論、現代設計方法學、自然語言處理技術與計算機軟件技術相結合的新一代計算機軟件。本文利用Pro/Innovator軟件中的與技術系統功能分析、組件價值分析、TRIZ解決工具體系相關的系統模塊完成對定位裝置問題的分析和解決,探索Pro/Innovator解決工程技術問題的途徑。
1 TRIZ概述
1.1 TRIZ與傳統的創新方法
    產品創新設計的實現并不容易,每個工程人員所掌握的知識都是極其有限的,在設計和處理遇到的問題時常涉及大量該產品領域外的知識,且隨著經驗知識的積累,易受到思維慣性的影響。其次,人們在思考問題時,必然的將所掌握的知識和信息之間建立某種聯系,這種聯系每發生一次就會得到加強,最終形成一種習慣性思維,極易限制創新性思維的產生。
    在TRIZ創新性思維出現之前,已經存在的傳統創新思維方法有兩種:一是早期的試錯法;二是頭腦風暴法。試錯法是按照第1次猜測→第1次排錯…→第n次猜測→第n次排錯的路線來完成創造性工作,是一種非常低效的創造技法,其創造過程浪費了大量的時間和精力。頭腦風暴法作為改進的試錯法,是由美國人阿·奧斯本1939年首次提出,于1957年公之于眾,初衷是以自由思考、以量求質、不同行業結合改善等方法提高試錯法的效率,但大量的實踐表明頭腦風暴法只有在解決如尋找產品新用途、創立廣告的新形式等方面能發揮最好的作用,在解決復雜的技術問題時受到局限。
    TRIZ是俄文發明問題解決理論的詞頭縮寫。該理論是蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒(Genrich S.Altshuller)及其領導的一批研究人員,自1946年開始,花費l500人/年,在分析研究世界各國250萬份專利的基礎上提出的。阿奇舒勒開始就堅信發明問題的基本原理是客觀存在的,這些原理不僅能被確認也能被整理而形成一種理論,掌握該理論的人不僅能提高發明的成功率、縮短發明周期,也使發明問題具有預見性。TRIZ以技術系統進化法則為理論核心,以技術系統或技術過程、(技術進化過程中產生的)矛盾、(解決矛盾所用的)資源、(技術系統進化的方向)理想解為四大基本概念,提出了解決矛盾問題和復雜發明問題所需要的多種分析方法、解題工具和算法流程。就分析工具來說,資源分析所涉及到的多屏幕法具有操作性強、實用性強的特點,可以更好地幫助使用者質疑和超越常規,克服思維慣性,為解決問題提供清晰的思路途徑,也成為培養發明家和創新人才的有效法寶。
1.2 TRIZ與傳統設計方法解題模式
    傳統設計方法在面對解決問題時,常常會利用經驗、頭腦風暴法或其他設計方法直接來尋找最終解決方案。TRIZ解決問題的過程是首先將要解決的特殊問題加以定義、明確,然后將該問題轉化為TRIZ標準問題(問題模型):通過TRIZ提供的工具體系求得標準問題的通用解(解決方案模型);將通用解與具體問題相對照,考慮實際條件的限制,轉化為專業領域問題的特殊解(最終解決方案),并在設計中加以實現,最終獲得具體問題的實際解。TRIZ解決問題的目的是努力尋求突破性方法消除沖突,達到對問題的徹底化解,而不是傳統設計中類似折衷法那樣對矛盾的緩解。
    TRIZ提供的工具體系,除物場模型相關內容外,其他部分將結合應用實例和Pro/Innovator軟件進行介紹。

2 應用實例
2.1 定位裝置問題在Pro/Innovator中的解決步驟
定位裝置問題在Pro/Innovator中的解決步驟。該過程給出了一套規范的解題步驟,分析問題的過程對于解決問題更為重要,但往往分析問題不會直接引出答案,需要在分析過程中不斷明確問題條件,進而準確提出問題、定義矛盾和解決問題。

2.2 定位裝置問題
    定位裝置總體布局,該裝置由液壓下放油缸、抓放機構、箱體、定力機構、安裝支架等組成。鎖緊套選用材質軟的鋁青銅耐磨材料;錨樁材料選用45鋼,表面鍍硬鉻以提高錨樁表面的硬度和耐磨性。鎖緊套和錨樁構成的定力機構為過盈配合,過盈量為52μm,試驗過程中摩擦力在(17.64±0.98)kN內波動,試驗曲線與規定的力學曲線基本吻合,但多次使用后會在摩擦力剛達到17.64kN時出現超過17.64kN的峰值力。
    定位裝置的功能是保證在箱體初始位置調平的前提下,實現箱體可靠、水平坐落在地基上且無滑移。
工作流程如下:
    a)在液壓下放油缸下放箱體的過程中,由抓放機構保持箱體平穩;
    b)當5個定力機構中的任意一個先觸地,當其所受地面反作用力達到17.64 kN時,錨樁相對于鎖緊套運動;
    c)當5個錨樁全部觸地且地面對5個錨樁施加的作用力總計達到88.2 kN后,液壓下放油缸和抓放機構與箱體脫離,箱體通過錨樁可靠水平觸地。
    經分析,該定位裝置存在的問題包括:錨樁和鎖緊套相對滑動后出現磨損現象、多次使用后出現錨樁和鎖緊套之間摩擦力不穩定現象、再次使用時出現錨樁和鎖緊套復位困難現象。

2.3 分析問題過程
2.3.1 系統功能分解
定義系統功能是分析問題的第1步,也是最重要的一步。對系統功能進行分級分解后,可幫助工程設計人員更深入地理解系統、準確確定分析問題的著眼點。
由圖5系統功能分解圖可知,本系統功能可分為三級:第1級,定位裝置實現箱體定位;第2級,支撐箱體、放置箱體;第3級,分別為細化后的支撐箱體和放置箱體的子功能。

2.3.2 系統功能模型分析及組件價值分析
系統功能模型分析是分析問題和解決問題的關鍵步驟之一。模型中包含了“地面”這個組件,盡管它不是系統的一部分,但其與系統組件間產生相互作用,因此也納入模型中。
Pro/Innovator軟件在進行系統功能模型分析時,同時提供了組件價值分析功能。該技術系統包含了系統必然存在的4個組件,即驅動裝置、傳動裝置、執行機構和控制裝置,分別由系統中液壓下放油缸、箱體、定力機構(兼做執行機構和控制裝置)實現對應的功能,符合技術系統進化法則中的完備性法則;功能模型表示了各組件之間的相互關系,如減少磨損、破壞、支撐等關系;組件價值流分析共包含3種流,即主能量流、結構流和有害流,各種流在傳遞過程中未出現中斷現象,符合技術系統進化法則中的能量傳遞法則。

    由于該方案尚處于試驗階段,各組件成本分配未知,因此組件價值分析僅考慮各組件功能貢獻和問題影響兩個方面。根據分析結果來確定是否將某些系統組件移出系統或進行簡化以及是否要提高某些組件的功能等。分析結果表明,錨樁和鎖緊套是系統問題影響最多的2個組件,可先從這2個組件入手并結合功能模型分析初步確定解決問題的方向:
    a)方向1:控制錨樁和鎖緊套間的摩擦力;
    b)方向2:減小或消除錨樁和鎖緊套間的磨損;
    c)方向3:控制錨樁的位置(可任意相對鎖緊套伸縮)。
2.3.3 RCA(Root Cause Analysis)分析
    進一步分析上述提出的3個解決問題的方向,按試驗情況將控制錨樁和鎖緊套間的摩擦力作為首要解決方向,即將錨樁和鎖緊套間的摩擦力不穩定原因作為RCA分析的初始問題。
    在諸如錨樁和鎖緊套制造精度不可控、環境溫度影響、錨樁與鎖緊套間潤滑油不足等多種根本問題中,結合對定位裝置問題的分析最終確定該裝置的根本問題為:
    a)錨樁與鎖緊套間摩擦力不穩定;
    b)錨樁與鎖緊套加工精度不足。
    需要說明的是,Pro/Innovator中的RCA分析圖根據繪制,本文中未表示。不同的是,軟件中的RCA分析加入了對子系統、超系統以及時間軸上操作流程等資源分析,充分體現了TRIZ注重資源分析的思想。
2.4 解決方案
2.4.1 定義系統的技術矛盾
    技術矛盾是指兩個參數之間的矛盾,即為了改善技術系統的某個參數,導致該技術系統的另一個參數發生惡化。定義技術矛盾的步驟分為3步,依次為“問題是什么”、“現有的解決方案是什么”、“現有解決方案的缺點是什么”,通過技術矛盾定義的3步來抽取系統的技術矛盾。
    定義系統的技術矛盾是依據上述RCA分析的兩個根本原因,分別確定了兩對技術矛盾:
    a)針對“錨樁與鎖緊套間摩擦力不穩定”的根本原因。
    通過引入其他系統(如液壓系統),改善錨樁和鎖緊套間摩擦力的穩定性,但同時惡化了錨樁和鎖緊套組成的定力系統的復雜性。由此可以確定“穩定性一系統的復雜性”為系統的一對技術矛盾。查找矛盾矩陣,得到序號為2、35、22、26的創新原理。經分析,適用于本系統的創新原理為序號2——抽取原理。對照本方案獲得的啟示是將影響系統功能實現的不穩定因素——錨樁和鎖緊套間的摩擦力從系統中抽取出來。
    b)針對“錨樁與鎖緊套加工精度不足”的根本原因。
    通過引入介質(如調節裝置),改善了錨樁和鎖緊套的可制造性,但同時惡化了錨樁和鎖緊套間操作流程的方便性。以調節裝置為例進行說明,由于采用該裝置,降低了對錨樁和鎖緊套的加工精度要求,但僅利用該裝置不能準確調節二者間的過盈量,還需要將定力裝置從系統中拆除后借助外界裝置測定系統是否按照預先設定的力學曲線運動。由此確定“可制造性一操作流程的方便性”為系統的一對技術矛盾。查找矛盾矩陣,得到序號為2、5、13、16的創新原理。經分析,適用于本系統的創新原理為序號2和5。序號5一組合原理指出在空間或時間上將相同物體或相關操作加以組合,得到的啟示是在原系統的基礎上增加其他系統,并與原系統在空間和操作流程上進行組合。

2.4.2 TRIZ結構動態性進化法則應用
系統結構動態性法則指出,系統的發展分為剛體→一個可動連接→多個可動連接→彈性→粉末→液體→氣體→場等階段,即系統向更為靈活和快速變化的結構過渡,在提高自身效率的同時增加了系統的可控性。
本文中的定位裝置屬于具有一個可動連接的機械場,可控性較差。因此在解決方案上考慮用更高級且易控的場來代替原方案中的機械場。

2.4.3 定義系統的物理矛盾
    物理矛盾是指對系統的同一參數有不同的要求。定位裝置中錨樁與鎖緊套間摩擦力的大與小就構成了系統的物理矛盾,即為達到系統定位箱體的功能要求,需要錨樁與鎖緊套間有足夠大的摩擦力;但要降低錨樁和鎖緊套之間的磨損,需要二者之間的摩擦力要小。
    TRIZ解決物理矛盾的方法有空間分離、時間分離、條件分離和系統級別分離。適用的分離原理為矛盾屬性時間分離原理,即對同一參數的兩個不同的要求在不同的時間上得到滿足。
    從時間分離原理可以得到這樣的啟示:通過改變錨樁與鎖緊套間的摩擦力大小來改善原方案的不足,按此思路重新規劃系統的摩擦力。
    a)在5個錨樁頭部全部觸地前,錨樁與鎖緊套之間需要較小的摩擦力;
    b)當5個錨樁全部觸地且需要錨樁頭部插入地面防止箱體滑移時,錨樁與鎖緊套間需要較大的摩擦力:
    c)當液壓油缸和抓放機構與箱體脫開后,錨樁與鎖緊套間摩擦力僅提供支撐箱體的重量即可,此刻摩擦力較小。
2.4.4 知識庫查詢
    Pro/Innovator軟件中的知識庫是建立在大量專利的基礎上,為工程設計人員提供可能適用的解題思路。知識庫的查詢方式分為功能查詢、結構化查詢和關鍵詞查詢。對于初學TRIZ的人員一般不建議在分析問題之前查詢相關的信息,因為這樣常常會跨越分析問題的過程而直接尋求解決方案,可能會又一次陷入思維慣性中。
    本文中針對錨樁使用后復位、控制摩擦力、降低磨損3個方面,分別提出了知識庫查詢檢索式。

2.4.5 解決方案
根據創新原理和結構動態性進化法則,以消除定力機構的磨損和提高系統穩定性為設計目標,提出液壓機械組合定位裝置和機電組合定位裝置兩套方案;以改善系統功能為設計目標,提出變摩擦力定位裝置方案。下面以機電組合定位裝置方案為例進行介紹:
機電組合定位裝置將組件價值分析中問題最多的錨樁和鎖緊套由5個簡化為一個直接固定在箱體底部的錨樁,使摩擦力不穩定因素和零件間過渡磨損的問題得到消除。

經初步計算,在地面反作用力為196N、電機軸半徑為0.014m,系統效率η(含機械傳動和電機)取50%的條件下,單個電機功率僅為34W,計算結果可根據實際設計參數進行修正。該方案可通過電機的反向運動實現支腿的復位,但由于增加了電機驅動裝置,系統體積增加,總體布局上需要占用高度方向上的空間尺寸。

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