基于TRIZ的可重構夾具創新設計研究*

任工昌，田　川，王　晨，王宏衛

(陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021)

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基于TRIZ的可重構夾具創新設計研究*

任工昌，田川，王晨，王宏衛

(陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021)

摘要：可重構夾具作為可重構制造系統重要的組成部分之一，對于保證產品質量、提高系統重構性、縮短系統斜升時間等具有重要的意義。針對可重構夾具設計中的問題，提出運用TRIZ沖突解決原理進行可重構夾具創新設計。由可重構夾具概念出發，歸納了可重構夾具設計要求和設計參數。通過構建可重構夾具設計工程參數與TRIZ沖突矩陣39個標準工程參數之間的關聯，建立了可重構夾具創新設計過程模型，為設計者提供了一種新的設計思路。最后，實例證明了該設計模型的可行性。

關鍵詞：可重構夾具；TRIZ；沖突解決原理；創新設計模型；關聯表

0引言

可重構制造系統(Reconfigurable Manufacturing System，簡稱RMS)是為了適應當今快速多變和難以預測的市場環境而產生的一種新型制造系統[1]。可重構夾具作為RMS重要的組成部分之一，其結構性能在很大程度上決定著RMS的重構性和斜升時間。當前國內外對于可重構夾具的設計研究較少，主要集中從模塊化、置換演繹、多功能元件、夾具元件庫推理、機電綜合等方面進行可重構夾具系統設計，這些在很大程度上推動了可重構夾具的發展。然而，需要指出的是當前可重構夾具設計系統仍然缺乏系統性、創新性、對設計人員經驗知識的依賴還很強，設計過程復雜、對其中出現的沖突還沒有行之有效的解決方法。TRIZ理論是解決技術問題或發明問題強有力的方法學，已被廣泛應用于產品設計、生產管理等方面。可重構夾具作為一種知識密集產品，迫切的需要一套成熟理論支撐其創新設計，然而，當前將TRIZ理論應用于夾具，尤其是可重構夾具的實踐還很少。本文根據TRIZ沖突解決原理在創新方面較強的優勢，為設計者快速高效地解決可重構夾具設計中的問題提供一種新的思路。

1可重構夾具

研究表明，制造系統底層結構與部件的性質是影響系統快速重構能力的重要因素，并且具有可重構性的子系統、構件是可重構制造系統的重要組成部分。可重構制造系統一般可由可重構加工系統、可重構物流系統和可重構控制系統三個子系統組成。可重構夾具作為可重構加工系統的組成之一，在提高制造系統快速響應產品變化的能力，縮短產品設計制造周期，增加制造系統的柔性，降低成本，提高生產效率等方面都具有十分重要的意義。

1.1可重構夾具的概念

在加工、焊接、檢測、裝配等制造過程中，夾具被用于定位和夾緊工件，使其處于確定的位置和平穩狀態[2]。可重構夾具是傳統組合夾具、柔性夾具的延伸和發展，是為了適應可重構制造系統而出現的一種新的夾具理念和裝夾系統。圖1為可重構夾具的各種性能與現有夾具之間的比較，可以得出，可重構夾具繼承了組合夾具、可調夾具的柔性和專用夾具的剛性，集成了二者的優點。

可重構夾具系統[3]是針對被加工的零件族、加工技術要求和具體制造過程，利用可重構夾具模塊或組件和元件重排、變形(如相變材料的變形)、裁剪和革新等手段對夾具重新組態并變換夾具功能，迅速滿足夾緊需求的一種可變夾具系統。實現重構的方式主要有物理重構和邏輯重構兩種。物理重構指的是從系統外引入新的構件，或從系統中移除已有的構件，或用一個構件替換另一個構件來重新構造系統的結構及重新組合系統的功能；邏輯重構指的是保證系統構件不變而改變生產作業計劃以達到重構。具體到可重構夾具系統而言，其可重構的實現主要是基于硬件層的物理重構，具體的實施方法主要依靠模塊化和自適應調整。

圖1　不同夾具系統的特點

1.2當前可重構夾具設計的方法

一般的機械產品設計過程可分為用戶需求分析、產品概念設計、技術設計、施工設計和試生產五個階段。對于夾具系統而言，設計人員主要將設計重點集中于技術設計階段，并將技術設計過程具體展開為安裝規劃(setup planning)、夾具規劃(fixture planning)和夾具構形設計(fixture configuration design)三個部分[4]，而相對夾具上游和下游設計的關注則很少。可重構夾具作為夾具的一種，其設計方法與傳統夾具的設計方法類似，但是為了實現夾具可重構的功能，設計中應該融入成組技術(GT)、模塊化設計等方法。可重構夾具的設計方法可以總結為基于成組技術、模塊化、設計人員經驗和模糊知識推理的設計過程。當前可重構夾具設計缺乏對上游設計的詳細深入分析、缺乏系統性和創新性，已然成為了影響可重構制造系統發展的瓶頸之一。

1.3可重構夾具的設計特點及設計要求

1.3.1可重構夾具的設計特點

可重構夾具是在“多變短小”(產品品種多、生產計劃多變、交貨期短、生產批量小)的制造需求環境和激烈的市場競爭下，伴隨可重構制造系統而出現的。因此對于可重構夾具的設計有著鮮明的特點。

(1)可重構夾具的設計是針對產品零件族的設計。

可重構夾具設計是以多品種變批量或者混流生產模式為主的，這里的產品零件族的劃分不僅限于成組技術基于物理、幾何和工藝的相似性，還加入了生物學相似性、化學相似性及組合拓撲概念的廣義相似性。同時在考慮模塊化接口特性的基礎上引入了接口“整合概念”，實現了夾具系統各模塊在重構后的“相乘效果”，促使產品族及夾具的工作范圍擴大，功能增強[5]。

(2)可重構夾具的設計是以模塊化的可重構夾具組件為主，附加少數專用元件的功能需求組合設計。

模塊化是可重構夾具的基礎，科學準確合理地劃分模塊力求以少量模塊組成盡可能多、可靠性高、成本低廉的夾具是可重構夾具設計的目標。設計時，根據功能需求，對夾具進行功能分解，設計出不同功能的模塊和專用元件，最終通過組合形成不同功能的可重構夾具。

(3)可重構夾具的設計是一種標準化設計。

實現可重構的核心是標準化，可重構夾具的設計必須實現硬件模塊、軟件模塊及接口的標準化。例如模塊接口的標準化有效地保證了各個模塊之間的互換，否則夾具的重構將失去任何意義。

1.3.2可重構夾具的設計要求

用戶需求的滿足始終是產品開發的目標。用戶需求包括外部用戶需求和內部用戶需求[6]。將消費者作為外部用戶，產品生產制造、品質、銷售、技術法規以及售后等部門作為內部用戶。產品不但要保證滿足外部用戶需求：消費者對產品的功能、性能、人機工程等方面的要求；同時也要保證滿足內部用戶需求：企業內部各部門對產品的制造工藝、裝配性、可維修性等方面的要求。通過市場調研分析和企業內部研討規劃，可以得到用戶(外部用戶和內部用戶)對可重構夾具的需求。通過對用戶需求的定義、分析、篩選和推理就可得出可重構夾具的設計要求。這是設計人員進行設計的準則和規范。具體的設計要求見表1。

表1　可重構夾具設計要求

續表

2可重構夾具工程參數的確定

針對如何滿足每一項設計要求，應該系統地分析可重構夾具應具有什么樣的質量特性，即就是確定可重構夾具的設計工程參數。

可重構夾具設計工程參數的獲取可通過召開智慧風暴會議來確定[7]。召開智慧風暴會議應該滿足以下要求：①參會人員應該包括可重構夾具設計相關人員和用戶等；②會議應在輕松活躍的氣氛下進行，參會人員暢所欲言，知無不言，言無不盡，充分發揮集體智慧；③會議應有專人進行詳細記錄并列出各種觀點、建議和方法，最后整理分析尋找出最有價值的意見。依據智慧風暴會議所確定的可重構夾具設計工程參數見表2。

表2　可重構夾具設計工程參數

表2列出了26個具體化的可重構夾具設計工程參數，為了應用的方便，可將其分為三類：物理幾何參數、負向參數和正向參數。物理幾何參數為No.1~ No.4；正向參數指的是當這些參數變大時，可重構夾具系統性能提高，正向參數為No.5~ No.19；負向參數與正向參數意義相對，負向參數為No.20~ No.26。

3TRIZ沖突解決原理及可重構夾具創新設計

3.1沖突解決原理

TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)是俄文中發明問題解決理論的詞頭。該理論是前蘇聯G.S.Altshuler及其領導的一批研究人員，自1946年開始，在分析研究世界各國250萬件高水平專利的基礎上所提出的發明問題解決理論[8]。其中，沖突解決原理是TRIZ解決工程實際問題行之有效的工具之一。

沖突解決原理的核心內容包括39個標準工程參數、40條發明原理、技術沖突與沖突矩陣、物理沖突與分離原理、四大分離原理與40條發明原理之間的對應關系等。沖突解決原理認為：沖突(矛盾)是推動事物發展革新的動力，產品創新設計的過程實質上就是設計人員解決設計過程中遇到的沖突問題[9]。實施沖突解決原理的一般步驟為：首先對工程實際問題進行分析與定義并對問題進行判定；其次確定發生沖突的實際工程參數并將其轉化為TRIZ標準工程參數或程式化表述沖突；然后通過沖突矩陣或者分離原理得到解決此類沖突的發明原理和應用實例；最后通過類比聯想、實例推理等方法得到具體工程問題的初步創新方案[10]。具體實施沖突解決原理的過程如圖2所示。

圖2　沖突解決原理解決工程實際問題的一般過程

3.2可重構夾具創新設計

可重構夾具系統作為一種新型復雜多知識融合系統，設計過程中為了滿足夾具的各種設計要求，其設計工程參數之間出現沖突是顯而易見的。例如，從剛度要求方面考慮，夾具的重量應該越大越好，而從經濟性要求方面考慮，輕量化夾具是設計的目標。這意味著夾具的3號工程參數—質量既要大又要小，就成為了設計中的沖突。如前所述，TRIZ理論中的沖突解決原理可以有效的解決工程問題中的沖突。因此，設計人員可借助沖突解決原理對可重構夾具設計沖突問題進行分析求解。實踐中發現，如何將可重構夾具設計工程參數泛化為TRIZ理論39個標準工程參數是利用TRIZ解決可重構夾具設計問題的關鍵。通過定義分析、相似匹配等方法將可重構夾具26個設計工程參數映射到TRIZ理論39個標準工程參數，見表3。具體標準工程參數的內容可參考文獻[8]。

表3　可重構夾具設計工程參數與TRIZ標準工程參數關聯表

在沖突解決原理、工程參數關聯表等的基礎之上便可提出可重構夾具創新設計過程模型，如圖3。具體步驟為：首先，由設計人員對可重構夾具設計問題進行分析與定義；其次，確定夾具設計問題中發生沖突的設計工程參數，并在映射關聯表3的輔助下將沖突的設計工程參數轉化為TRIZ標準參數；然后利用TRIZ沖突解決原理的方法對沖突問題進行求解，得到TRIZ原理解；最后利用類比聯想、實例推理等方法得到具體針對可重構夾具設計問題的創新解。

圖3　可重構夾具創新設計模型

4案例分析

在可重構夾具設計中，如何得到重構性好、適應性強、結構簡單的夾具一直是設計者追求的目標。然而，適應性及重構性與夾具結構復雜程度卻是阻礙這一目標實現的沖突。利用上述可重構夾具創新設計模型可對此問題的解決提供一些思路。

在問題分析的基礎上確定發生沖突的夾具設計參數為適應性及重構性、結構復雜度；根據可重構夾具設計工程參數與TRIZ標準工程參數關聯表將工程設計參數泛化為TRIZ標準參數：35適應性及多用性、36裝置的復雜性；利用沖突解決原理解決過程，得到相應的發明原理及通解：動態化、機械系統的替代、氣動與液壓結構和熱膨脹。

(1)動態化

使物體或其環境在操作的每一個階段自動調整；把物體分成幾個部分，各部分之間可以相對改變位置；將不動的物體改為可動的，或具有自適應性。

(2)機械系統的替代

用視覺、聽覺、嗅覺系統代替部分機械系統；用電場、磁場和電磁場完成與物體的相互作用；由恒定場轉向可變場，由靜態場轉向動態場，由隨機場轉向確定場；將鐵磁粒子用于場的作用中。

(3)氣動與液壓結構

物體的固體零部件用氣動或液壓零部件代替，將氣體或液體用于膨脹或減振。

(4)熱膨脹

利用材料的熱膨脹(或熱收縮)性質；利用一些熱膨脹系數不同的材料。

在發明原理與工程實例的啟發下，得到原問題的創新概念解。美國發明專利一種可重構加緊系統[11]，該夾具硬件系統主要由蓋板、可充氣氣囊、具有標準化、模塊化的連接件和鎖緊裝置組成。設計中利用可充氣氣囊代替傳統機械系統加緊工件，正是應用了機械系統的替代、氣動和液壓結構和熱膨脹這三條發明原理，從而增強了夾具的柔性、提高了夾具的適應性，簡化了夾具的結構，實現了可重構夾具創新設計的目標。此實例可以說明可重構夾具創新設計模型是正確可行的。

5總結

從可重構夾具概念出發，介紹了可重構夾具及其設計特點，并提出了可重構夾具的設計要求及設計工程參數。針對可重構夾具中的設計問題，通過構建可重構夾具設計參數與TRIZ理論39個標準工程參數之間的關聯表，可使設計人員準確、方便地利用TRIZ沖突解決原理解決可重構夾具中的設計問題。這在一定程度上促進了TRIZ理論與可重構夾具的發展。

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[11] Mike P Matlack，Kurt A Burton，John A Baumann. Reconfigurable Clamping Systems[P]. US Patent：0084012，2008.

(編輯李秀敏)

Research on Innovative Design of Reconfigurable Fixture Based on TRIZ

REN Gong-chang，TIAN Chuan，WANG Chen，WANG Hong-wei

(Shaanxi University of Science and Technology，School of Electrical and Mechanical Engineering，Xi’an 710021，China)

Abstract：As an important part of reconfigurable manufacturing system, reconfigurable fixture plays an important role to ensure products quality, improve system reconfigurability, decrease system ramp-up time, etc. Aiming at the problem in reconfigurable fixture design, TRIZ contradictions inventive principles are used to provide innovative ideas to reconfigurable fixture design. According to the concept of reconfigurable fixture, the design requirements and parameters are concluded. By constructing an associated table between 39 standard parameters in TRIZ conflict matrix and reconfigurable fixture design parameters, the reconfigurable fixture innovative design model is established, which provides a new way to designers. At last, a design case proves the feasibility of the proposed methods.

Key words：reconfigurable fixture；TRIZ；contradictions inventive principles；innovative design model；associated table

中圖分類號：TH16；TG65

文獻標識碼：A

作者簡介：任工昌(1962-)，男，西安人，陜西科技大學教授，博士，研究方向為產品創新設計理論、機電設備實時監控、CAD、機構綜合、工業設計；通訊作者：田川(1990-)，男，陜西寶雞人，陜西科技大學碩士研究生，研究方向為機械設計及理論，(E-mail)tc1024@126.com。

*基金項目：國家自然科學基金項目(51175314)；陜西省科學技術研究發展計劃項目(2014GY2-04)

收稿日期：2015-05-22；修回日期：2015-06-20

文章編號：1001-2265(2016)03-0131-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.036