Pro/Innovator在定位裝置中的應(yīng)用

2013-07-20 by:廣州ProE/Creo培訓(xùn)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(huì)遇到各種各樣的問題,但卻總不能在創(chuàng)造性的水平上解決問題,即對(duì)極端復(fù)雜的問題采用簡(jiǎn)單的解決方案。TRIZ作為創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法理論,被譽(yù)為蘇聯(lián)國(guó)家創(chuàng)新的“點(diǎn)金術(shù)”,廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、航空航天領(lǐng)域、且發(fā)揮了巨大作用。TRIZ所有的理論、結(jié)論和建議都是建立在對(duì)250萬份發(fā)明專利信息的分析之上,并在實(shí)際運(yùn)用過程中得到過驗(yàn)證。
    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,與TRIZ相結(jié)合的創(chuàng)新性技術(shù)軟件也隨之出現(xiàn),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(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、自然語言處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)相結(jié)合的新一代計(jì)算機(jī)軟件。本文利用Pro/Innovator軟件中的與技術(shù)系統(tǒng)功能分析、組件價(jià)值分析、TRIZ解決工具體系相關(guān)的系統(tǒng)模塊完成對(duì)定位裝置問題的分析和解決,探索Pro/Innovator解決工程技術(shù)問題的途徑。
1 TRIZ概述
1.1 TRIZ與傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法
    產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)并不容易,每個(gè)工程人員所掌握的知識(shí)都是極其有限的,在設(shè)計(jì)和處理遇到的問題時(shí)常涉及大量該產(chǎn)品領(lǐng)域外的知識(shí),且隨著經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的積累,易受到思維慣性的影響。其次,人們?cè)谒伎紗栴}時(shí),必然的將所掌握的知識(shí)和信息之間建立某種聯(lián)系,這種聯(lián)系每發(fā)生一次就會(huì)得到加強(qiáng),最終形成一種習(xí)慣性思維,極易限制創(chuàng)新性思維的產(chǎn)生。
    在TRIZ創(chuàng)新性思維出現(xiàn)之前,已經(jīng)存在的傳統(tǒng)創(chuàng)新思維方法有兩種:一是早期的試錯(cuò)法;二是頭腦風(fēng)暴法。試錯(cuò)法是按照第1次猜測(cè)→第1次排錯(cuò)…→第n次猜測(cè)→第n次排錯(cuò)的路線來完成創(chuàng)造性工作,是一種非常低效的創(chuàng)造技法,其創(chuàng)造過程浪費(fèi)了大量的時(shí)間和精力。頭腦風(fēng)暴法作為改進(jìn)的試錯(cuò)法,是由美國(guó)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(zhì)、不同行業(yè)結(jié)合改善等方法提高試錯(cuò)法的效率,但大量的實(shí)踐表明頭腦風(fēng)暴法只有在解決如尋找產(chǎn)品新用途、創(chuàng)立廣告的新形式等方面能發(fā)揮最好的作用,在解決復(fù)雜的技術(shù)問題時(shí)受到局限。
    TRIZ是俄文發(fā)明問題解決理論的詞頭縮寫。該理論是蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒(Genrich S.Altshuller)及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員,自1946年開始,花費(fèi)l500人/年,在分析研究世界各國(guó)250萬份專利的基礎(chǔ)上提出的。阿奇舒勒開始就堅(jiān)信發(fā)明問題的基本原理是客觀存在的,這些原理不僅能被確認(rèn)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(fā)明的成功率、縮短發(fā)明周期,也使發(fā)明問題具有預(yù)見性。TRIZ以技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則為理論核心,以技術(shù)系統(tǒng)或技術(shù)過程、(技術(shù)進(jìn)化過程中產(chǎn)生的)矛盾、(解決矛盾所用的)資源、(技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)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(fù)雜發(fā)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(qiáng)、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn),可以更好地幫助使用者質(zhì)疑和超越常規(guī),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(yǎng)發(fā)明家和創(chuàng)新人才的有效法寶。
1.2 TRIZ與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法解題模式
    傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在面對(duì)解決問題時(shí),常常會(huì)利用經(jīng)驗(yàn)、頭腦風(fēng)暴法或其他設(shè)計(jì)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(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題(問題模型):通過TRIZ提供的工具體系求得標(biāo)準(zhǔn)問題的通用解(解決方案模型);將通用解與具體問題相對(duì)照,考慮實(shí)際條件的限制,轉(zhuǎn)化為專業(yè)領(lǐng)域問題的特殊解(最終解決方案),并在設(shè)計(jì)中加以實(shí)現(xiàn),最終獲得具體問題的實(shí)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(dá)到對(duì)問題的徹底化解,而不是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中類似折衷法那樣對(duì)矛盾的緩解。
    TRIZ提供的工具體系,除物場(chǎng)模型相關(guān)內(nèi)容外,其他部分將結(jié)合應(yīng)用實(shí)例和Pro/Innovator軟件進(jìn)行介紹。

2 應(yīng)用實(shí)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(guī)范的解題步驟,分析問題的過程對(duì)于解決問題更為重要,但往往分析問題不會(huì)直接引出答案,需要在分析過程中不斷明確問題條件,進(jìn)而準(zhǔn)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(jī)構(gòu)、箱體、定力機(jī)構(gòu)、安裝支架等組成。鎖緊套選用材質(zhì)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(gòu)成的定力機(jī)構(gòu)為過盈配合,過盈量為52μm,試驗(yàn)過程中摩擦力在(17.64±0.98)kN內(nèi)波動(dòng),試驗(yàn)曲線與規(guī)定的力學(xué)曲線基本吻合,但多次使用后會(huì)在摩擦力剛達(dá)到17.64kN時(shí)出現(xiàn)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(diào)平的前提下,實(shí)現(xiàn)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(jī)構(gòu)保持箱體平穩(wěn);
    b)當(dāng)5個(gè)定力機(jī)構(gòu)中的任意一個(gè)先觸地,當(dāng)其所受地面反作用力達(dá)到17.64 kN時(shí),錨樁相對(duì)于鎖緊套運(yùn)動(dòng);
    c)當(dāng)5個(gè)錨樁全部觸地且地面對(duì)5個(gè)錨樁施加的作用力總計(jì)達(dá)到88.2 kN后,液壓下放油缸和抓放機(jī)構(gòu)與箱體脫離,箱體通過錨樁可靠水平觸地。
    經(jīng)分析,該定位裝置存在的問題包括:錨樁和鎖緊套相對(duì)滑動(dòng)后出現(xiàn)磨損現(xiàn)象、多次使用后出現(xiàn)錨樁和鎖緊套之間摩擦力不穩(wěn)定現(xiàn)象、再次使用時(shí)出現(xiàn)錨樁和鎖緊套復(fù)位困難現(xiàn)象。

2.3 分析問題過程
2.3.1 系統(tǒng)功能分解
定義系統(tǒng)功能是分析問題的第1步,也是最重要的一步。對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行分級(jí)分解后,可幫助工程設(shè)計(jì)人員更深入地理解系統(tǒng)、準(zhǔn)確確定分析問題的著眼點(diǎn)。
由圖5系統(tǒng)功能分解圖可知,本系統(tǒng)功能可分為三級(jí):第1級(jí),定位裝置實(shí)現(xiàn)箱體定位;第2級(jí),支撐箱體、放置箱體;第3級(jí),分別為細(xì)化后的支撐箱體和放置箱體的子功能。

2.3.2 系統(tǒng)功能模型分析及組件價(jià)值分析
系統(tǒng)功能模型分析是分析問題和解決問題的關(guān)鍵步驟之一。模型中包含了“地面”這個(gè)組件,盡管它不是系統(tǒng)的一部分,但其與系統(tǒng)組件間產(chǎn)生相互作用,因此也納入模型中。
Pro/Innovator軟件在進(jìn)行系統(tǒng)功能模型分析時(shí),同時(shí)提供了組件價(jià)值分析功能。該技術(shù)系統(tǒng)包含了系統(tǒng)必然存在的4個(gè)組件,即驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制裝置,分別由系統(tǒng)中液壓下放油缸、箱體、定力機(jī)構(gòu)(兼做執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制裝置)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能,符合技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)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(guān)系,如減少磨損、破壞、支撐等關(guān)系;組件價(jià)值流分析共包含3種流,即主能量流、結(jié)構(gòu)流和有害流,各種流在傳遞過程中未出現(xiàn)中斷現(xiàn)象,符合技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則中的能量傳遞法則。

    由于該方案尚處于試驗(yàn)階段,各組件成本分配未知,因此組件價(jià)值分析僅考慮各組件功能貢獻(xiàn)和問題影響兩個(gè)方面。根據(jù)分析結(jié)果來確定是否將某些系統(tǒng)組件移出系統(tǒng)或進(jìn)行簡(jiǎn)化以及是否要提高某些組件的功能等。分析結(jié)果表明,錨樁和鎖緊套是系統(tǒng)問題影響最多的2個(gè)組件,可先從這2個(gè)組件入手并結(jié)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(duì)鎖緊套伸縮)。
2.3.3 RCA(Root Cause Analysis)分析
    進(jìn)一步分析上述提出的3個(gè)解決問題的方向,按試驗(yàn)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(wěn)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(huán)境溫度影響、錨樁與鎖緊套間潤(rùn)滑油不足等多種根本問題中,結(jié)合對(duì)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(wěn)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(jù)繪制,本文中未表示。不同的是,軟件中的RCA分析加入了對(duì)子系統(tǒng)、超系統(tǒng)以及時(shí)間軸上操作流程等資源分析,充分體現(xiàn)了TRIZ注重資源分析的思想。
2.4 解決方案
2.4.1 定義系統(tǒng)的技術(shù)矛盾
    技術(shù)矛盾是指兩個(gè)參數(shù)之間的矛盾,即為了改善技術(shù)系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù),導(dǎo)致該技術(shù)系統(tǒng)的另一個(gè)參數(shù)發(fā)生惡化。定義技術(shù)矛盾的步驟分為3步,依次為“問題是什么”、“現(xiàn)有的解決方案是什么”、“現(xiàn)有解決方案的缺點(diǎn)是什么”,通過技術(shù)矛盾定義的3步來抽取系統(tǒng)的技術(shù)矛盾。
    定義系統(tǒng)的技術(shù)矛盾是依據(jù)上述RCA分析的兩個(gè)根本原因,分別確定了兩對(duì)技術(shù)矛盾:
    a)針對(duì)“錨樁與鎖緊套間摩擦力不穩(wěn)定”的根本原因。
    通過引入其他系統(tǒng)(如液壓系統(tǒng)),改善錨樁和鎖緊套間摩擦力的穩(wěn)定性,但同時(shí)惡化了錨樁和鎖緊套組成的定力系統(tǒng)的復(fù)雜性。由此可以確定“穩(wěn)定性一系統(tǒng)的復(fù)雜性”為系統(tǒng)的一對(duì)技術(shù)矛盾。查找矛盾矩陣,得到序號(hào)為2、35、22、26的創(chuàng)新原理。經(jīng)分析,適用于本系統(tǒng)的創(chuàng)新原理為序號(hào)2——抽取原理。對(duì)照本方案獲得的啟示是將影響系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的不穩(wěn)定因素——錨樁和鎖緊套間的摩擦力從系統(tǒng)中抽取出來。
    b)針對(duì)“錨樁與鎖緊套加工精度不足”的根本原因。
    通過引入介質(zhì)(如調(diào)節(jié)裝置),改善了錨樁和鎖緊套的可制造性,但同時(shí)惡化了錨樁和鎖緊套間操作流程的方便性。以調(diào)節(jié)裝置為例進(jìn)行說明,由于采用該裝置,降低了對(duì)錨樁和鎖緊套的加工精度要求,但僅利用該裝置不能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)二者間的過盈量,還需要將定力裝置從系統(tǒng)中拆除后借助外界裝置測(cè)定系統(tǒng)是否按照預(yù)先設(shè)定的力學(xué)曲線運(yùn)動(dòng)。由此確定“可制造性一操作流程的方便性”為系統(tǒng)的一對(duì)技術(shù)矛盾。查找矛盾矩陣,得到序號(hào)為2、5、13、16的創(chuàng)新原理。經(jīng)分析,適用于本系統(tǒng)的創(chuàng)新原理為序號(hào)2和5。序號(hào)5一組合原理指出在空間或時(shí)間上將相同物體或相關(guān)操作加以組合,得到的啟示是在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加其他系統(tǒng),并與原系統(tǒng)在空間和操作流程上進(jìn)行組合。

2.4.2 TRIZ結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性進(jìn)化法則應(yīng)用
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性法則指出,系統(tǒng)的發(fā)展分為剛體→一個(gè)可動(dòng)連接→多個(gè)可動(dòng)連接→彈性→粉末→液體→氣體→場(chǎng)等階段,即系統(tǒng)向更為靈活和快速變化的結(jié)構(gòu)過渡,在提高自身效率的同時(shí)增加了系統(tǒng)的可控性。
本文中的定位裝置屬于具有一個(gè)可動(dòng)連接的機(jī)械場(chǎng),可控性較差。因此在解決方案上考慮用更高級(jí)且易控的場(chǎng)來代替原方案中的機(jī)械場(chǎng)。

2.4.3 定義系統(tǒng)的物理矛盾
    物理矛盾是指對(duì)系統(tǒng)的同一參數(shù)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(gòu)成了系統(tǒng)的物理矛盾,即為達(dá)到系統(tǒng)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(shí)間分離、條件分離和系統(tǒng)級(jí)別分離。適用的分離原理為矛盾屬性時(shí)間分離原理,即對(duì)同一參數(shù)的兩個(gè)不同的要求在不同的時(shí)間上得到滿足。
    從時(shí)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(guī)劃系統(tǒng)的摩擦力。
    a)在5個(gè)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(dāng)5個(gè)錨樁全部觸地且需要錨樁頭部插入地面防止箱體滑移時(shí),錨樁與鎖緊套間需要較大的摩擦力:
    c)當(dāng)液壓油缸和抓放機(jī)構(gòu)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(shí)庫(kù)查詢
    Pro/Innovator軟件中的知識(shí)庫(kù)是建立在大量專利的基礎(chǔ)上,為工程設(shè)計(jì)人員提供可能適用的解題思路。知識(shí)庫(kù)的查詢方式分為功能查詢、結(jié)構(gòu)化查詢和關(guān)鍵詞查詢。對(duì)于初學(xué)TRIZ的人員一般不建議在分析問題之前查詢相關(guān)的信息,因?yàn)檫@樣常常會(huì)跨越分析問題的過程而直接尋求解決方案,可能會(huì)又一次陷入思維慣性中。
    本文中針對(duì)錨樁使用后復(fù)位、控制摩擦力、降低磨損3個(gè)方面,分別提出了知識(shí)庫(kù)查詢檢索式。

2.4.5 解決方案
根據(jù)創(chuàng)新原理和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性進(jìn)化法則,以消除定力機(jī)構(gòu)的磨損和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性為設(shè)計(jì)目標(biāo),提出液壓機(jī)械組合定位裝置和機(jī)電組合定位裝置兩套方案;以改善系統(tǒng)功能為設(shè)計(jì)目標(biāo),提出變摩擦力定位裝置方案。下面以機(jī)電組合定位裝置方案為例進(jìn)行介紹:
機(jī)電組合定位裝置將組件價(jià)值分析中問題最多的錨樁和鎖緊套由5個(gè)簡(jiǎn)化為一個(gè)直接固定在箱體底部的錨樁,使摩擦力不穩(wěn)定因素和零件間過渡磨損的問題得到消除。

經(jīng)初步計(jì)算,在地面反作用力為196N、電機(jī)軸半徑為0.014m,系統(tǒng)效率η(含機(jī)械傳動(dòng)和電機(jī))取50%的條件下,單個(gè)電機(jī)功率僅為34W,計(jì)算結(jié)果可根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正。該方案可通過電機(jī)的反向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)支腿的復(fù)位,但由于增加了電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置,系統(tǒng)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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