基于TRIZ的機床可重構設計研究*

趙延玲，馬蘇常

(天津職業技術師范大學 機械工程學院 高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222)

基于TRIZ的機床可重構設計研究*

趙延玲，馬蘇常

(天津職業技術師范大學 機械工程學院 高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222)

針對當前快速多變的市場需求與機床結構配置之間的沖突，提出應用TRIZ沖突矩陣和技術進化理論對機床進行創新設計的方法。首先定義沖突，將沖突轉換成通用工程參數，應用沖突矩陣解決沖突，分析得出沖突解決方案，即機床實現可重構。其次基于TRIZ技術進化理論對機床實現可重構的原理進行求解，提出了在機床模塊化設計的基礎上通過模塊結構的創新實現機床的創新設計的思路，研究結果對機床創新設計方案的提出具有一定的指導意義。

機床可重構；沖突矩陣；創新設計

0 引言

經濟全球化以來，產品更新換代越來越快，人們的需求也日益多樣化和個性化，各制造企業需要快速地提供具有高性價比的產品來響應市場的需求，從而提高自身的競爭力。由于機床是機械工業的主要生產設備，因此，快速開發出滿足市場需求的機床產品是解決問題的核心。目前一些學者主要從提高切削速度、提高生產效率、加大工藝范圍等方面對機床進行了研究，并取得了重大的成果，給制造企業帶來了很大的經濟效益[1]。但是，要進一步提高機床的性能，必須從機床的功能-原理-結構入手對機床的結構配置進行創新設計。

目前對機床結構配置的創新設計主要依靠前設計者的經驗，而機床設計過程中會出現沖突(如成本、柔性、系統復雜性等沖突)，僅依靠設計經驗及現有機械設計理論難以解決沖突，以及創新設計周期長。TRIZ發明問題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving)提供了沖突解決原理和技術進化理論等工具，能有效解決設計過程中遇到的設計沖突和方案局限并難以獲取等問題[2-4]。近年來有學者開始將TRIZ理論應用于機床部件的設計當中[5]，但是沒有將TRIZ理論應用于機床結構配置設計當中。因此，本文針對市場需求與機床結構配置之間的沖突，將TRIZ沖突解決原理和技術進化理論相結合應用于機床結構配置可重構的創新設計中，分析了機床實現可重構設計的必要性，并提出在機床模塊化設計的基礎上通過模塊結構的創新實現機床的創新設計的思路。

1 TRIZ理論概述

TRIZ理論是前蘇聯發明家G.S.Althsuler和其領導的團隊在分析世界近250萬份高水平的發明專利的基礎上總結出的綜合理論體系，它被認為是目前最全面系統的技術創新理論，并廣泛應用于工業、建筑、微電子、化學、生物學、社會學、醫療等領域中，運用該理論可以大大縮短各項技術的發明創造周期[6-7]。TRIZ理論包括技術進化理論，沖突矩陣，76個標準解、發明問題解決算法(ARIZ)等工具，其中，沖突矩陣和技術進化理論是核心[8]。

TRIZ理論的沖突矩陣是由39個通用工程參數、40個發明原理和它們之間的對應關系組成。由于產品設計過程中總是會出現技術沖突，即提高系統某一技術特性將導致另一特性惡化，沖突矩陣是解決技術沖突的有效工具。

TRIZ技術進化理論則提供了一系列的進化模式和進化路線，其中進化模式是系統進化的宏觀方向，進化路線則能夠定性地指出技術系統沿著某一方向的具體進化過程。應用技術進化理論不僅能預測技術的發展，而且還能展現預測結果實現的產品可能的結構狀態，對于產品創新設計具有指導作用[9]。

2 機床可重構設計流程

TRIZ理論認為產品的進化過程是不斷發現沖突并解決沖突的過程，而阿奇舒勒沖突矩陣可以有效地解決產品設計過程中遇到的沖突。利用沖突矩陣解決技術沖突時，首先需要用該問題所處的技術領域中的特定術語定義沖突，然后將沖突轉換成TRIZ的通用工程參數，最后利用沖突矩陣查找發明原理，解決沖突[6]。

基于TRIZ的機床可重構設計的具體步驟如下：

(1)定義沖突：分析市場需求，將其轉化為機床的設計需求，通過設計需求與現有機床產品的對比，找出二者之間的沖突。用機床設計的行業術語定義沖突，并將其轉化為通用工程參數之間的沖突，即確定要改善的參數，以及由此參數的改善將導致惡化的參數。

(2)解決沖突：沖突矩陣的行表示需改善的參數，列表示將惡化的參數，兩項標準參數所在行列的交叉點為解決矛盾的發明原理。因此可以在定義沖突的基礎上，利用沖突矩陣查找發明原理，可以得到一系列解決沖突的發明原理。而沖突矩陣中的用來解決沖突的發明原理是適用于多領域的一系列通解，所以需要分析選擇機床設計領域適用的通解，并將其轉化為機床設計中的特定解決方案。

(3)原理預測：解決沖突的方案即是機床設計要實現的功能，功能需要由具體的物理結構來實現，而原理是功能到物理結構的橋梁，也就是說產品功能是通過原理映射到物理結構的。因此，需要在解決沖突的基礎上進行原理求解。機床作為一個技術系統，它的發展也是遵循一定的規律的，因此可以應用TRIZ技術進化理論對實現解決方案的原理進行預測，實現了原理的創新。

(4)結構實現：結構是產品的最終表現形式，產品的功能、原理是通過具體的結構來實現的。因此，需要在原理機床原理創新的基礎上進行結構實現。在TRIZ技術進化理論中選擇機床結構的進化路線，對其結構進行預測，進行結構的創新并實現原理的結構化，產生創新設計方案。

圖1為基于TRIZ技術進化理論的機床可重構設計流程圖。

圖1 基于TRIZ的機床可重構設計流程圖

3 基于TRIZ的機床方案設計

3.1 市場需求與機床現狀分析

經濟全球化以來，產品更新換代加快，客戶需求多樣化，且要求低價格，高質量，交貨期短。產品更新換代快和客戶需求的多樣化要求機床有足夠的柔性，即具有高適應性和多用性；價格低和交貨期短要求機床效率高；效率高、成本低則要求機床實現定制化，功能冗余少，系統簡單。

而當前機床的實際現狀為當機床的效率高且功能冗余少時，機床柔性將會降低；當機床柔性提高時，功能冗余增多，機床的結構將變得復雜，購買機床的成本也將提高。

因此基于TRIZ沖突矩陣，對市場需求與機床現狀間存在的矛盾進行定義，得出兩對技術沖突：適應性和多用性與系統復雜性的沖突；生產率與適應性和多用性的沖突。

3.2 基于沖突矩陣解決技術沖突

查阿奇舒勒沖突矩陣，得到一系列解決沖突的發明原理。通過對適合機床設計領域的通解的分析，將其轉化為機床設計中的特定解決方案，如表1所示。

表1 機床技術沖突矩陣

查閱沖突矩陣中40個發明原理得出，表1中分割原理即為將物體分成獨立的部分，使物體可拆卸。動態化原理則為將物體分割成彼此相互配合又可相對移動的若干部分，可以通過自動調節，使其在每個動作階段的性能達到最佳。

綜合分析得出機床設計中的沖突解決方案：將機床分割成幾個相互配合并可相對移動的幾個部分，每次提供給客戶確定的、滿足當前需要的功能，當客戶需求變化時，可通過拆卸模塊，快速改變機床的結構來滿足客戶新的功能需求，即機床結構要可進行重構。

3.3 基于TRIZ技術進化理論的機床原理求解

機床功能需要具體的物理結構來實現，而原理是功能和物理結構之間的橋梁。因此，機床要實現重構首先需要對重構的原理進行求解。

TRIZ技術進化理論中物質分割的進化路線為：

機床沿此路線已進化為模塊化機床，即將機床系統分為多個模塊，每一個模塊完成一個特定的子功能，模塊按照某種方法裝起來完成系統所要求的功能，且可通過增減模塊改變機床的功能。處在該路線的最后一個階段，因此機床沿此路線的進化潛能不大。

TRIZ技術進化理論中動態化模式下提高可移動性的進化路線為：

機床沿此路線進化過程為：專用機床→組合機床→數控機床。專用機床是為某一種零件(或一組相似零件)的特定工序定制設計的，生產效率高，但是當需求變化時，無法進行調整以適應新的需求，視為不可動系統；組合機床使用了大量的通用零部件，是通過更換少數專用部件來滿足加工對象的變化，為部分可動系統；數控機床功能多，且大多采用模塊化結構，當需求時可以通過模塊的增刪來改變其功能，為高度可動系統，但只能通過模塊的增刪改變其配置，柔性仍然不足。因此，沿此路線機床應向系統整體可動的方向進化，即不僅可以通過模塊的增減(重新組合)來實現機床配置的變換，而且可以通過模塊的位置的改變(重新排列)來實現機床的重構，滿足新的加工需求，也就是說機床沿此路線要能夠通過模塊的重新組合排列實現配置的重構。

TRIZ技術進化理論中動態化模式下的提高柔性的進化路線為：

機床沿此路線的進化過程為：專用機床→組合機床→模塊化機床。目前的模塊化機床由模塊組成，每一個模塊是一個固定的子系統，可以通過模塊的增減改變機床的結構配置，處于改路線的第二個階段。因此，沿此路線機床應向著模塊自身的動態多變的方向進化，即不改變機床模塊間的位置，只通過提高模塊自身柔性來實現機床的重構。

綜上所述，可以得出機床實現重構的原理有以下兩種：①通過模塊的重新組合排列實現機床的重構；②通過模塊自身結構的柔性來實現機床的重構。

3.4 基于TRIZ技術進化理論的機床結構創新設計

根據上述的機床重構設計原理，給出如下兩個基于TRIZ技術進化理論的機床結構創新設計案例。

3.4.1 模塊間重新排列組合的結構實現

機床模塊間是通過接口連接的，模塊位置的重新排列則需要接口實現系列化、標準化，即機床的主體、立柱、主軸頭、換刀裝置、工作臺、夾緊單元等都應設計成具有標準接口的標準模塊，以提高模塊的通用性和互換性。模塊之間的接口主要分為有相對運動的接口和無相對運動的接口兩大類。

圖2所示為通過有相對運動的接口的標準化實現的模塊重新組合排列得到的幾種配置。配置1通過在工作臺下設置滑塊結構，工作臺可以沿著X軸移動，主軸可以沿Z軸移動；配置2是通過模塊的重新組合，在配置1的立柱下增設滑塊并改變工作臺滑塊導向得到的，該配置可實現主軸沿X軸和Z軸移動，工作臺沿Y軸移動；配置3是在配置2的基礎上，經過模塊的重新排列，將立柱下的滑塊放置在工作臺下，可實現工作臺X軸和Y軸的移動，主軸沿Z軸移動。

(a)配置1 (b)配置2 (c)配置3圖2 有相對運動的接口的標準化

圖3為無相對運動的接口的標準化得到的幾種結構配置。底座上有沿圓周分布的定位槽和定位孔，水平支撐單元包括支撐體部分和圓柱形立腿部分，立式支撐單元具有一個垂直的腿部，截面為矩形，立式支撐單元和水平支撐單元的腿部與底板的定位槽和定位孔通過接口的標準化可以進行配合。因此，可通過將它們的腿部插入底座的不同定位槽或定位孔中而實現機床的重構。

(a)底座 (b)水平支撐單元 (c)立式支撐單元 (d)結構配置圖3 無相對運動的接口的標準化

3.4.2 模塊自身柔性的結構實現

TRIZ研究者總結出的提高柔性的進化路線為：剛性體→單鉸鏈→多鉸鏈→柔性體→氣體→場。目前主軸模塊結構為剛性體，處于該路線的第一個階段。因此，沿此路線有很大的進化潛能，可向單鉸鏈、多鉸鏈進化。如圖4所示，圖4a的初始配置鉸鏈水平放置，可以完成外圓柱面的車削、在外圓柱面上鉆孔等操作；只需調整鉸鏈的結構，就可以對機床進行重構，得到圖4b所示的配置，為典型的立式結構，可進行鉆削、銑削等加工。

(a)初始配置 (b) 重構后的配置圖4 主軸結構創新設計圖

4 結論

本文針對當前快速多變的市場需求與機床結構配置之間的沖突，提出應用TRIZ沖突矩陣和技術進化理論進行機床的創新設計的方法。提出了基于TRIZ的機床可重構設計的具體步驟并給出了流程圖。描述了市場需求與現有機床之間的沖突，并將沖突轉化為TRIZ通用工程參數，應用沖突矩陣加以解決，提出動態化和物質分割是實現機床可重構設計的發展方向。基于TRIZ技術進化理論，沿著動態化和物質分割的路線對機床進行了預測，提出機床實現重構的兩個原理：在模塊化設計的基礎上，通過模塊間的重新排列實現機床的重構；通過模塊自身結構的柔性來實現機床的重構。應用技術進化理論對模塊結構進行了預測，提出實現兩種原理的結構創新設計方案。

[1] 張曙,衛漢華,張炳生.機床結構配置的新思路[J]. 制造技術與機床,2011(10):8-11.

[2]戴義貴,潘鳳章,景秀并.基于TRIZ的計算機輔助機械產品創新設計[J].機械設計與制造,2004(3):50-52.

[3]檀潤華.產品創新設計若干問題研究進展[J].機械工程學報,2003 (9):11-16.

[4]劉志峰,胡迪,高洋,等. 基于TRIZ的可拆卸聯接改進設計[J].機械工程學報,2012,48(11):66-71.

[5]慕永成,曲世永.基于TRIZ理論的機床浮動主軸的方案設計[J]. 組合機床與自動化加工技術,2008(5):34-36.

[6]PRESNER J,JANTSCHGI J,BIRKEL S, et al. The theory of inventive problem solving(TRIZ)as option generation tool within cleaner production project[J].Journal of Cleaner Production,2010,18(2):128-136.

[7]張付英,劉 卉,張林靜.基于TRIZ沖突解決原理的液壓缸活塞密封技術研究[J].潤滑與密封,2006(8):30-33.

[8]檀潤華.發明問題解決理論[M].北京:科學出版社,2004.

[9]張付英,徐燕申.基于TRIZ的液壓缸移動密封的進化研究[J].潤滑與密封, 2004, 5 (3): 14-17.

(編輯 李秀敏)

Research on Reconfigurable Design of Machine Tools Based on TRIZ

ZHAO Yan-ling，MA Su-chang

(Key Lab of High Speed Cutting and Precision Machining,School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China)

For solving the contradiction between fast-changing market demand and the structure configuration of machine tools, conflict matrix and technical evolution theory of TRIZ (theory of inventive problem solving) are used to the innovative design of machine tools. Firstly, the conflict was defined and transferred into general engineering parameters. Resolving it with the conflict matrix and obtained the solution to the conflict that the machine tools need to be reconfigurable. Secondly, achieving the principle of reconfigurable machine tools based on technical evolution theory. Finally, put forward the design idea that innovate the structure of modular machine tools on the basis of the modular design. The results of the study have certain guiding significance.

reconfigurable machine tools; conflict matrix; innovative design

1001-2265(2014)07-0012-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.004

2013-11-15；

2013-12-16

天津職業技術師范大學科研基金預研課題(KJY11-12)

趙延玲(1988—)，女，陜西榆林人，天津職業技術師范大學碩士研究生，主要研究方向為創新設計，(E-mail)angeling518@126.com。

TH122；TG65

A